第六章(物理方法薄膜沉积技术)

溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
石英晶振
• 石英晶体是离子型晶体，具有压电效应
• 压电谐振，在晶振上加交变电压（或者电流不断 开关），则晶片就产生机械振动。
• 当机械振动而产生的交变电场频率与交变电压频 率达到共振时，振幅最大
• 石英压电谐振效应的固有频率的影响因素：芯片 厚度，几何尺寸，切割类型。
石英晶振
• 质量负载效应：在芯片上镀上膜层，芯片厚度 增大，则芯片固有频率减小。
多腔体沉积系统 （Multi Chamber Deposition System）
丝网印刷技术
丝网印刷技术
丝网印刷技术在光电薄膜制作中的应用 ---显示器件
电镀技术 -常用于镀铜工艺
电镀铜引线技术
• 硫酸铜溶液通电后发生的电离化学反应：
Cu2+ + e <-> Cu+ Cu+ + e <-> Cu
• 影响沉积速率的关键因素
– 入射离子流量、溅射产额和溅射材料在腔室中的输运
• 影响溅射产额的关键因素：
溅射产额
靶上发出的靶原子数 射到靶上的离子数
– 离子能量、离子质量、靶原子质量和靶的结晶性
• 对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于该 值则不发射溅射。（10~30 eV）
• 溅射产额随离子能量的变化关系
可 易 易控制
差
较好
不佳
佳
多
少
溅射法具有强的间隙填充能力
• 溅射法形成的台阶形貌优于蒸发法，但不 如CVD法
• 改善措施：
– 衬底加热； – 硅片衬底加RF偏压，
圆片被高能电子轰击， 使溅射材料再沉积； – 强迫填充溅射； – 准直溅射；
在高深宽比的接触孔处，典 型的台阶覆盖随时间增加而 变化的截面图
• 集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。
二种薄膜沉积工艺
• 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）
利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4……
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
E T2
t 1 v 3R2
硅片中心弯曲量，t膜厚度，v泊松比
R硅片半径，T硅片厚度，E杨氏模量
• 测量方法：采用激光束扫描
圆片，通过反射光线的变化来 表征曲率的变化
因应力造成的薄膜表面龟裂
物理沉积PVD
（Physical Vapor Deposition）
• 采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸 汽，并在硅片表面凝聚并沉积下来。
等离子体密度可由0.0001%增加至0.03%。
靶材表面的离子和电子运动轨迹
蒸发法和溅射法的比较
靶材的选择
基材加热 表面损害
合金沉积 均匀度
厚度控制 台阶覆盖性能
附着性 缺陷
蒸镀法
溅射法
受限制（金属靶材）
低 低，电子束会产生X-ray
损害 可 难
不易控制
几乎不受限（难溶金属， 合金，复合材料）
除磁控法外，需高温 离子轰击的损害
和孔的能力是重要的薄膜特性。 • 防止出现空洞，减少出现缺陷和可靠性问题。
H W
薄膜应力（Stress）
• 应力的来源：
– 薄膜的成核和生长过程中的产生本征应力 – 薄膜与衬底的热膨胀系数不匹配导致外应力
• 应力分类：
压应力
张应力
• 热应力与热膨胀系数a
L aTL
• 应力的表征
通常用圆片在沉积前后的弯曲变化量来测量。
• 强迫填充溅射
施加几个大气压的高压使金属自动坍塌
• 准直溅射
控制粒子沉积的方向，更好的填充高深宽比的孔， 但是减低了沉积速率。
常用的溅射工艺流程
• 金属薄膜：采用磁控直流溅射 介质薄膜：采用RF溅射
• 溅射前预清洗工艺：采用RF等离子体，Ar+离子轰击硅片 表面，去除自然氧化层
• 合金材料的溅射： – 合金靶材：薄膜组分受控于气相传输 – 多靶溅射：调节各靶功率来改变沉积层组分
m
m1
• 光学探测器精度高于人眼，测出的厚度精确程度高。
• 石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频 率有关的参量的变化而测量淀积薄膜的厚度
f n ( c )1/2
2d Q
n﹕谐波数﹐n=1，3，5，… dQ﹕石英晶体的厚度 c ﹕切变弹性系数 ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m3)
台阶仪(Stylus Profilometer)
• 探针直接在样品表面扫描，记录表面微观轮廓信息 • 物理破坏式测量：接触式，轻拍式
离子溅射技术物理过程
1 4
2
3
离子溅射技术物理过程
当具有一定能量的离子打到材料表面，所产生的物 理过程包括： 1、低能量离子会从表面简单反射；
2、能量小于10eV的离子会吸附于表面，以声子的 形式释放出它的能量；
3、能量大于10KeV时，离子穿透多层原子层，深 入到靶材内部，改变靶材物理特性(离子注入)；
• 没有化学反应出现，纯粹是物理过程
• 制备金属薄膜的最主要方式。
物理沉积方法
• Thermal Evaporation (热蒸发) • E-beam Evaporation (电子束蒸发) • Sputtering (溅射) • Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体)
• Screen Printing (丝网印刷) • Spin Coating (旋涂法) • Electroplate (电镀) • Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
• TiN反应离子溅射：在N气氛下进行Ti靶溅射，生成TiN。
改善大面积薄膜 均匀性的基本方法
1、高真空环境 2、洁净的衬底表面(加热/离子表面清洁) 3、旋转样品架 4、离子/原子束均匀性提高
真空弧等离子体镀膜技术
真空弧等离子体镀膜技术 ---单离子源
真空弧等离子体镀膜技术 ---多离子源
光学干涉仪
• 膜厚干涉 • 不同的膜厚对应于不同的颜色 • 改变衬底的倾斜度，颜色也跟着改变（why）
2tn
光学测量－－比色法
Cox
ox
Area tox
方法二、光学测量(非破坏性测量) －－椭圆偏振光测量
【没有图形的硅片上测量】
椭偏法测量的基本思路是，起
偏器产生的线偏振光经取向一定的 １/４波片后成为特殊的椭圆偏振光， 把它投射到待测样品表面时，只要
离子能量略大于阈值时， 溅射产额随能量的平方 增加；
100~750eV时，溅射线 性增加；
>750eV时，溅射产额略 微增加，直至发生离子 注入。
• 溅射产额与离子原子序数的变化关系
直流/射频型溅射（DC/RF diode）
溅射过程
磁控溅射 (Magnet Sputtering)
通过增加一个与电场方向垂直的磁场，可使等离子体 中的电子螺旋式运动，增加与气体分子碰撞几率而提高等离 子体浓度
wenku.baidu.com
Highly directional Less limited materials
Disadvanta Contamination Charge buildup for
ges
Limited materials dielectrics
Radiation (X-ray)
Deposited Al, Ag, Au, Cr… Metal and Dielectrics Materials
薄膜的生长
• 沉积薄膜的三个阶段：
– 晶核形成 — 聚集成束 — 形成连续膜
薄膜特性要求
为满足微纳加工工艺和器件要求，通常 情况下关注薄膜的如下几个特性： 1、台阶覆盖能力 2、低的膜应力 3、高的深宽比间隙填充能力 4、大面积薄膜厚度均匀性 5、大面积薄膜介电\电学\折射率特性 6、高纯度和高密度 7、与衬底或下层膜有好的粘附能力
when V= 10 kV Electron Velocity = 6×104 km/s Temperature ~ 5000-6000 ℃
E-beam Evaporation Machine
热蒸发和电子束蒸发 技术的比较
热蒸发
电子束蒸发
Advantages Simple equipment Low contamination
起偏器取适当的透光方向，被待测
样品表面反射出来的将是线偏振
光．根据偏振光在反射前后的偏振 状态变化(振幅和相位)，便可以确 定样品表面的光学特性(折射率和厚 度)．
光脉冲反射计（Spectroreflectometer ）
• •
在不同波长测量反射光强度 通过反射光强度与波长的对应关系确定厚度
1
1
1 2nt
第六章：薄膜制备技术—— 物理沉积方法
Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition
(PVD)
图形的转换方法
填充法 (Additive)
刻蚀法 (Etching or Subtractive)
填充法
刻蚀法
IC制造中的薄膜
这三者是影响沉积速率的三个主要因素
蒸发工艺的限制
• 沉积薄膜的速率限制：高速率与均匀性的矛盾 • 沉积薄膜的纯度的限制 • 沉积薄膜的台阶覆盖能力的限制：阴影效应
解决办法：旋转，加热
• 合金材料与多组分复合材料薄膜的沉积 – 合金蒸汽压相近，采用单源蒸发 – 合金蒸汽压不同，采用多源同时/分次蒸发
高真空 环境
<10-3 Pa
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
Al (Tm=660℃)
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
晶振
挡板
蒸发源
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
• 必须预沉积势垒层和黏附层：避免铜扩散到硅， 提高附着力。常用Ti/TiN，Ta/TaN, W/WN。
• 必须预先沉积种子层：形成导电衬底 • 改善电镀层的电阻率的方法：降低Cu2+的浓度
– 降低硫酸铜溶液浓度 – 加入添加剂（硫酸，硫酸羟胺）
薄膜厚度的测量
1、原位监控：石英晶振仪 2、台阶仪(Profiler) 3、光学干涉仪 4、光脉冲反射计
台阶覆盖能力（Step Coverage）
• 我们希望薄膜在不平整衬底表面的厚度具 有一致性
• 厚度不一致容易导致膜应力、电短路等问 题。
非共型台阶覆盖
共型台阶覆盖
非共型台阶覆盖出现的原因：
高的深宽比间隙填充能力 （Gap Fill）
• 深宽比：孔的深度H与宽度W的比值 • 在亚0.25 mm工艺中，填充硅片表面很小的间隙
利用物理机制制备所需的薄膜材料，常用于金属薄 膜的制备，如Al, Cu, W, Ti……
薄膜制备技术
• 薄膜：在衬底上生长的薄固体物质，其一维 尺寸（厚度）远小于另外二维的尺寸。
• 常用的薄膜包括: SiO2, Si3N4, poli-Si, Metal…
• 常采用沉积方法制备：
– 物理气相沉积 （Physical Vapor Deposition） – 化学气相沉积 （Chemical Vapor Deposition）
4、能量落在10eV~10KeV之间时，一部分离子能量 以热的形式释放，剩下的部分能量造成靶材表面 几个原子层(原子或原子团)脱离靶材，发射出表 面。逸出的原子和原子团的能量约为10-50eV， 约为蒸发工艺中原子/原子团能量的100倍，迁移 率大大增加，可改善台阶覆盖能力，提高微隙填 充能力。
沉积速率与溅射产额
Deposition rate: 10~25000 nm/min
蒸发工艺参数
• 蒸发要求的真空度：<10-5 Torr • 蒸发沉积速率取决于
– 离开蒸汽源的材料量 – 达到硅片衬底的材料量
• 蒸发沉积速率公式：
R (k R ) /
d
ML
k : 到达硅片表面的比例参数(腔体的几何形状参数）
RML : 蒸汽源材料的消耗速率（温度越高，消耗速率越快） : 沉淀材料的质量密度（材料本身性质）