第11章-金属化工艺
金属工艺学(山东理工大学)知到章节答案智慧树2023年
金属工艺学（山东理工大学）知到章节测试答案智慧树2023年最新第一章测试1.伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较。
参考答案:对2.布氏硬度测试简单、压痕小。
参考答案:错3.疲劳断口由两部分组成，疲劳裂纹的产生及扩展区和最后断裂区。
参考答案:对4.冲击韧度在判别金属材料抵抗大能量冲击能力方面有一定的作用，但对小能量多次冲击不够准确。
参考答案:对5.判断韧性的依据是参考答案:冲击韧6.在金属的力学性能中，σb代表金属的参考答案:抗拉强度7.在金属的力学性能中，50HRC代表金属的参考答案:洛氏硬度8.引起疲劳断裂的应力很低，常常低于参考答案:屈服极限9.下列属于金属材料工艺性能的是参考答案:焊接;可锻性10.金属材料常用的塑性指标是参考答案:断面收缩率;伸长率第二章测试1.一般来说，同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性也愈好。
参考答案:对2.共析钢等温转变时，等温温度越低，则珠光体层片间距越粗大参考答案:错3.完全退火主要用于过共析钢。
参考答案:错4.钢的表面淬火是通过改变表面成分使其表面组织发生变化。
参考答案:错5.莱氏体是一种参考答案:机械混合物6.铁碳合金的共析转变温度是参考答案:727℃7.弹簧钢的热处理为淬火加参考答案:中温回火8.铁碳合金中，过共析钢在平衡条件下冷却，其室温组织为参考答案:珠光体加二次渗碳体9.大部分金属的晶格结构类型为以下三种参考答案:体心立方;密排六方;面心立方10.按照组元间相互作用形式的不同，合金中的基本相有（）两种形式。
参考答案:固溶;金属化合物第三章测试1.国家标准GB/T13304-2008《钢分类》中，按照化学成分将钢分为非合金钢、低合金钢、合金钢三大类参考答案:对2.正确的选材，应该是在满足使用性能要求的前提下，具有良好的经济性和加工工艺性能。
参考答案:对3.选材时，零件所要求的力学性能数据，要同手册、书本中所给出的完全相同。
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铸造的特点
（1）可以铸造出内腔、外形很复杂的毛 坯。
（2）工艺灵活性大、适应性广。铸件重 量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm 到1m左右；铸件材料可用铸铁、铸钢、 碳钢和有色金属等。
（3）铸件成本低。 （4）有铸造缺陷，机械性能不如锻件等。
二、砂型铸造生产工艺流程
三、铸造方法分类
Clasfication of foundry Methods
Pouring Melt in the Mold→Solidification→Casting
优点：complex in shape adaptability in technology cheap in production
缺点：lower mechanical properties unstable quality worse work condition
在铸件上从远离冒口或 浇口到冒口或浇口之 间建立一个递增的温 度梯度，从而实现由 远离冒口的部分向冒 口的方向顺序地凝固。
同时凝固原则：
Simultaneously Solidification
是采取工艺措施保 证铸件结构上各部 分之间没有温差或 温差尽量小，使各 部分同时凝固。如 图所示。
二、金属和合金的铸造性能
体收缩率rate of ＝v0_-v1/v0*100％
volume
Contraction:εv
线收缩率 rate of linear Contraction：
εl=l0-l1/l0*100％
⑵ 收缩的阶段 Contraction Stages
液态收缩 Liquid Contraction 凝固收缩 Solidification Contraction 固态收缩 Solid Contraction 前两个阶段的收缩使合金体积减少，
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。2020年11月27日星期五下午3时1分51秒15:01:5120.11.27
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（三）型材 型材主要有板材、棒材、线材 等。常用截面形状有圆形、方形、六角形和 特殊截面形状。就其制造方法，又可分为热 轧和冷拉两大类。热轧型材尺寸较大，精度 较低，用于一般的机械零件。冷拉型材尺寸 较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较 高的中小型零件。
• （四）焊接件 焊接件主要用于单件小批 生产和大型零件及样机试制。其优点是制 造简单、生产周期短、节省材料、减轻重 量。但其抗振性较差，变形大，需经时效 处理后才能进行机械加工。
《金属工艺学》上、下册 《材料成型工艺基础》
《机械制造学》 《工程材料与热加工工艺》 《机械加工工艺》 《机械加工工艺基础》
《材料成形学》
高等教育出版社
邓文英
华中理工大学出版社 沈其文
机械工业出版社
王贵成
西北工业大学出版社 裴崇斌
西北工业大学出版社 裴崇斌
清华大学出版社
金问楷
机械工业出版社
李新城
网络资源
课程的特点
• 课程是机类专业应掌握的一门重要的专业
基础课，具有很强的综合性和实践性，是
在掌握了工程制图和金工实习课之后开设 的专业基础课。通过本课程的教学，培养 学生把理论与实践结合起来学习的理念， 提高工程实践的意识，并能用所学的基本 原理和方法分析实际生产技术问题，为学 习后续课程并为以后从事机械设计和制造 方面的工作奠定必要的基础。
金属工艺学(3篇)
第1篇一、引言金属工艺学是一门研究金属材料的加工、成型和性能改进的学科。
它是材料科学与工程的一个重要分支，广泛应用于制造业、航空航天、汽车、电子、建筑等领域。
金属工艺学的研究对象包括金属材料的制备、加工、成型、表面处理以及性能评价等。
本文将从金属工艺学的定义、发展历程、主要工艺方法、应用领域等方面进行探讨。
二、金属工艺学的定义与发展历程1. 定义金属工艺学是研究金属材料的加工、成型和性能改进的一门学科。
它主要包括以下几个方面：（1）金属材料的制备：包括金属的熔炼、铸造、烧结等。
（2）金属材料的加工：包括金属的轧制、锻造、挤压、拉伸、剪切等。
（3）金属材料的成型：包括金属的弯曲、卷边、焊接、粘接等。
（4）金属材料的表面处理：包括金属的腐蚀、磨损、氧化、涂层等。
（5）金属材料的性能评价：包括金属的力学性能、物理性能、化学性能等。
2. 发展历程金属工艺学的发展历程可以追溯到古代人类对金属的利用。
以下为金属工艺学的发展历程：（1）古代：人类开始利用天然金属，如铜、金、银等，进行简单的加工和成型。
（2）青铜器时代：人类掌握了铜、锡合金的熔炼和铸造技术，出现了青铜器。
（3）铁器时代：人类学会了铁的冶炼和锻造技术，铁器逐渐取代青铜器。
（4）近代：随着工业革命的到来，金属工艺学得到了迅速发展。
出现了钢铁工业、有色金属工业等。
（5）现代：金属工艺学得到了更广泛的应用，出现了各种新型金属加工技术和表面处理技术。
三、金属工艺学的主要工艺方法1. 熔炼与铸造熔炼是将金属原料加热至熔化状态，使其成为液态金属。
铸造是将熔融金属浇注到预先设计好的模具中，冷却凝固后得到所需的金属制品。
2. 轧制与锻造轧制是将金属坯料通过轧机进行压缩和变形，使其厚度、宽度、长度等尺寸发生变化。
锻造是将金属坯料加热至一定温度，然后进行塑性变形，以获得所需的形状和尺寸。
3. 挤压与拉伸挤压是将金属坯料通过挤压机进行塑性变形，使其厚度、宽度、长度等尺寸发生变化。
微电子工艺学课件_11
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
绪论 现代 CMOS 工艺技术 晶体生长与衬底制备 加工环境与基片清洗 光刻 热氧化 扩散掺杂 离子注入掺杂 薄膜淀积 刻蚀 后段工艺与集成
1
第十一章 工艺集成
后段工艺（backend of the line technology，BEOL）
¾ 深槽隔离：采用固定宽度的深槽进行器件隔离，较
窄的槽宽度对存储器电路特别有吸引力，很适合器件
密度超过107 cm−2 的应用。 沟槽隔离工艺的特点：
LOCOS、PBL可用于技 术节点 ≥ 0.35~0.5 μm；
• 能实现高密度隔离；
< 0.35 μm 必须使用STI
• 一般在器件制备之前进行，热预算小；
108 12 1.8 >20 7.9 2.2 <2.1
2013 2016 2018
32 nm 22 nm 18 nm
18 nm 13 nm 10 nm
76
54
42
12
14
14
1.9
2.0
2.0
>20 >20 >20
10.3
14
16.4
2.2
2.2
2.2
<1.9 <1.7 <1.7
• Reduce metal resistivity - use Cu instead of Al. • Aspect ratio - advanced deposition, etching and planarization methods. • Reduce dielectric constant - use low-K materials.
金属工艺学精PPT课件
洛氏硬度的特点：
洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损 伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。
但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有 偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。
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冲击韧度（ak）
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲 击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的 冲击韧度(大能量、一次冲断）。
（4）工艺方法的综合比较
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3
产品制造的Leabharlann 程精选ppt课件20214
课程性质、任务和学习要求
1. 课程性质
2.
技术基础课
2. 学习任务和要求
1）掌握常用金属材料的主要性能；
2）掌握零件的加工工艺知识；
3）培养工艺分析的基本能力。
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5
第一篇 金属材料导论
工业生产中所使用的材料主要包括金属材料、无机 非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。
δ= （L1-L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm） L1—试样拉断后的标距长度（mm）
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2、塑性（2）
(2) 断面收缩率φ 断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积
的相对收缩值。 φ= （A0-A1）/A0 ×100%
式中：A0—试样的原始截面积（mm2） A1—试样断面处的最小截面积（mm2）
δ和φ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金 属材料进行塑性加工的必要条件。
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二、硬度（hardness）
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性 能指标。它直接影响到材料的耐磨性及 切削加工性。
半导体器件与工艺(11)答辩
金属类型
由铝和铜形成的合金，当铜的含量在0.5%到4%之间时， 其连线中的电迁徙得到控制。通过减少铝中颗粒之间界面的 扩散效果，使得形成的合金从根本上增加了传输电流的能力。 如果铜和铝形成合金，更需要关心的是，用等离子体刻蚀形 成的铝合金。铜难于刻蚀，刻蚀铝合金互连线后任何剩余的 铜却可能促使侵蚀发生。在接触孔和通孔也可能有电迁徙的 问题。接触孔的电迁徙失效问题可通过阻挡层金属化解决。
金属类型
用铜作为半导体互连主要涉及三个方面的挑战： 1.铜很快扩散进氧化硅和硅，进入硅的有源区（如晶体管的源／漏 ／栅区）而损坏器件，将引起结或者氧化硅漏电。 2.应用常规的等离子体刻蚀工艺，铜不易形成图形。干法刻蚀铜时， 在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物。 3.低温下（<200℃）空气中，铜很快被氧化，而且不会形成保护层 阻止铜进一步氧化。 通过转变到双大马士革法，用阻挡层金属处理，这些挑战可被解 决。大马士革法不需要刻蚀铜，此外钨填充希望被用做第一层金属与 源、漏和栅区的接触。应用钨克服了铜沾污硅的问题，钨甚至可以被 刻蚀成金属线用于局域互连。而用于多层金属的所有其他金属连线和 通孔期望是铜。
金属类型
■硅化物
难熔金属与硅在一起发生反应，熔合时形成硅化物。硅化物是 一种具有热稳定性的金属化合物，并且在硅／难熔金属的分界面具 有低的电阻率。在硅片制造业中，难熔金属硅化物是非常重要的， 为了提高芯片性能，需要减小许多源漏和栅区硅接触的电阻。在铝 互连技术中，钛和钴是用于接触的普通难熔金属。
金属类型
金属类型
对于铜互连，钽、氮化钽和氮硅钽（TaSiN）都是阻挡层 金属的待选材料。这个扩散阻挡层必须很薄。当几何尺寸不 断缩小时，要求金属被淀积进具有高深宽比的通孔。研究表 明，Ta对铜来说有很好的阻挡和附着特性。如果用TaN，则通 过注入少量氮气或淀积钽氮化合物来获得。铜可通过高密度 等离子体CVD（HDPCVD）或者离子化了的金属等离子体物理气 相淀积生长。就钽而言，离子化了的金属等离子体PVD取得了 好的台阶覆盖。如果淀积进入具有高深宽比的间隙，那么 HDPCVD阻挡层淀积常被选择。
金属化工艺PPT课件
具及其应用； 6. 描述金属CVD的优点和应用； 7. 解释铜电镀的基础； 8. 描述双大马士革法的工艺流程。
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引言
芯片金属化是应用化学或物理处理方法在 芯片上淀积导电金属膜的过程。这一过程与介质 的淀积紧密相关，金属线在IC电路中传输信号， 介质层则保证信号不受邻近金属线的影响。
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用于铜互连结构的阻挡层：提高欧姆接触可靠性更 有效的方法是用阻挡层金属化，这种方法可消除诸 如浅结材料刻蚀或结尖刺的问题。阻挡层金属是淀 积金属或金属塞，作用是阻止层上下的材料互相混 合 （ 见 下 图 ） 。 其 厚 度 对 0.25µm 工 艺 来 说 为 100nm；对0.35µm工艺来说为400～600nm。
• 低-k 值 (3.0)介质
• 双大马士革铜互连和填充薄膜
0.25 0.18 0.13
m
m m
0 +21% % -16%
Table 12.2
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铝和铜之间特性和工艺的比较
特性/工艺 电阻率 (-cm) 抗电迁徒 空气中抗侵蚀 CVD 工艺 CMP 化学机械平坦化工艺
• 金属化正处在一个过渡时期，随着铜冶金术 的介入正经历着快速变化以取代铝合金。这 种变化源于刻蚀铜很困难，为了克服这个问 题，铜冶金术应用双大马士革法处理，以形 成通孔和铜互连。这种金属化过程与传统金 属化过程相反（见下图）。
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传统和大马士革金属化比较
传统互连流程
双大马士革流程
覆盖 ILD 层和 CMP
浅结 结短路
Figure 12.5
半导体制造工艺教案金属化
授课主要内容或板书设计课堂教学安排教学过程主要教学内容及步骤6.1引言6.1.1金属化的概念在硅片上制造芯片可以分为两部分:第一，在硅片上利用各种工艺（如氧化、CVD、掺杂、光刻等）在硅片表面制造出各种有源器件和无源元件。
第二，利用金属互连线将这些元器件连接起来形成完整电路系统。
金属化工艺（Metallization）就是在制备好的元器件表面淀积金属薄膜，并进行微细加工，利用光刻和刻蚀工艺刻出金属互连线，然后把硅片上的各个元器件连接起来形成一个完整的电路系统，并提供与外电路连接接点的工艺过程。
6.1.2金属化的作用金属化在集成电路中主要有两种应用：一种是制备金属互连线，另一种是形成接触。
1.金属互连线2.接触1）扩散法是在半导体中先扩散形成重掺杂区以获得N+N或P+P的结构，然后使金属与重掺杂的半导体区接触，形成欧姆接触。
2）合金法是利用合金工艺对金属互连线进行热处理，使金属与半导体界面形成一层合金层或化合物层，并通过这一层与表面重掺杂的半导体形成良好的欧姆接触。
金属化技术在中、小规模集成电路制造中并不是十分关键。
但是随着芯片集成度越来越高，金属化技术也越来越重要，甚至一度成为制约集成电路发展的瓶颈。
早期的铝互连技术已不能满足高性能和超高集成度对金属材料的要求，直到铜互连技术被应用才解决了这个问题。
硅和各种金属材料的熔点和电阻率见表6 1。
为了提高IC性能，一种好的金属材料必须满足以下要求：1）具有高的导电率和纯度。
2）与下层衬底（通常是二氧化硅或氮化硅）具有良好的粘附性。
3）与半导体材料连接时接触电阻低。
4）能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。
5）易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形。
6）很好的耐腐蚀性。
7）在处理和应用过程中具有长期的稳定性。
表6-1硅和各种金属材料的熔点和电阻率（20° C）6.2.2铝与硅和二氧化硅一样，铝一直是半导体制造技术中最主要的材料之一。
从集成电路制造早期开始就选择铝作为金属互连的材料，以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。
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结面尖凸现象
结面尖凸现象示意图
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电迁移过程
电迁移过程示意、氮化钛(TiN) – 焊接层：降低接触电阻，与氮化钛作为阻挡层以防止钨扩散进入衬底 – 润湿层、金属栅、金属硬掩膜层
• 工艺
– PVD工艺：磁控等离子体溅射工艺 – CVD工艺：TiCl4和H2在高温发生反应临场沉积
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金属硅化物
• 应用
– 减小多晶硅互连电阻，提高电路速度
• 金属硅化物材料
– 硅化钛(TiSi2)
• 自对准金属硅化物工艺形成，钛溅射沉积在晶圆表面，再经过加热退火工艺
– 硅化钨(WSi2)
• WF6和SiH4为源材料的加热CVD工艺
– 硅化钴(CoSi2)
• 180nm~90nm工艺节点，自对准金属硅化物工艺形成
铝铜互连集成电路芯片截面图
5
铜/低������互连集成电路芯片
铜/低������互连集成电路芯片截面图
6
集成电路制造工艺流程
集成电路制造工艺流程
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导电薄膜
多晶硅
• 应用
– 栅极、局部互连线
• 工艺
– LPCVD工艺，源材料SiH4、SiH2Cl2，550~750 ℃ – 可以在临场沉积期间通过后续的离子注入大量掺杂硼、磷、砷
铝
• 应用
– 铜成为互连工艺主流之前，铝用作金属连线，易于进行干法刻蚀 – 离子注入工艺引入之前，铝用作栅极和连线材料
• 铝合金
– 铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金 – 约1%的硅，可有效防止硅溶解在铝中形成尖凸现象 – 少量的铜，可显著增强铝的电迁移抵抗力(EMR)
• 工艺
– PVD工艺：质量较高、电阻率低
铝 Al 13 26.981,538,6 2.70 g/cm3 10.00 cm3 5100 m/s 2.75 2.7 μΩ·cm 71% 660.32 ℃ 2519 ℃ 235 W/(m·K) 23.110-6 K-1 H3PO4, HNO4, CH3COOH Cl2, BCl3 Al(CH3)2H 金属互连Al-Cu合金，HKMG MOSFET栅金属
与多晶硅结合形成位线和外围MOSFET的栅电极 – NAND闪存的位线和源极线，还可以和多晶硅形成字线
• 工艺
– 钨CVD工艺(WCVD)：WF6为源材料的CVD工艺沉积
• WF6和SiH4反应沉积钨，用于沉积成核层 • WF6和H2反应用于大量钨的沉积，该反应能填充狭窄的接触窗和通孔
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钨元素参数列表
• 工艺
– PVD工艺：反应式溅射，氩气(Ar)和氮气(N2)等离子体 – CVD工艺：TiCl4和NH3高温CVD、TDMAT低温金属有机CVD(MOCVD) – ALD工艺：HKMG栅工艺、DRAM存储器的氮化钛沉积
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钛和氮化钛的应用
铝铜互连集成电路芯片钛和氮化钛应用示意图
19
HKMG CMOS金属层应用
HKMG CMOS不同金属层的应用：(a) 先栅法；(b) 后栅法
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钨
• 应用
– 填充接触窗，形成钨栓塞连接金属层和硅表面 – 填充金属层间的通孔，为铝铜互连填充不同金属层间的通孔 – 应用于DRAM芯片形成位线和位线接触栓塞 – 钨或硅化钨可以和多晶硅形成DRAM的字线 – 对于埋字线DRAM，钨结合氮化钛用于形成字线和阵列晶体管的栅电极，
• 加热蒸镀法、电子束蒸镀法、等离子体溅射法、磁控溅射沉积
– CVD工艺：较好的阶梯覆盖和间隙填充能力，但质量较差、电阻率较高
• 难以沉积铝铜合金，限制了CVD铝的应用
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铝元素参数列表
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 电阻系数 反射率 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
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氮化钛
• 应用
– 阻挡层：防止钨扩散进入氧化层和硅衬底中 – 附着层：使钨附着于氧化硅表面 – 抗反射镀膜层(ARC)：比铝铜合金反射系数低很多，改进光刻解析度 – 铝合金顶部的氮化钛层可以防止小丘凸状物的产生并帮助抑制电迁移 – HKMG MOSFET工艺中，氮化钛用于金属栅电极 – 低������电介质双镶嵌刻蚀工艺中，金属硬掩膜保护OSG薄膜 – 埋字线DRAM晶体管阵列的栅电极、DRAM电容的电极
– 硅化镍(NiSi)
• 60nm~10nm工艺节点，自对准金属硅化物工艺形成，显著降低退火温度
– 镍铂硅化物
• 镍靶材中加入铂并溅射到晶圆表面，解决硅化镍侵蚀硅衬底的缺陷
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钴金属硅化物自对准工艺
钴金属硅化物自对准工艺示意图 (a) 钴沉积；(b) 硅化物退火；(c) 钴湿法刻蚀和第二次退火
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钛元素参数列表
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 电阻系数 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用
钛 Ti 22 47.867 4.507 g/cm3 10.64 cm3 4140 m/s 6.0 40 μΩ·cm 1668 ℃ 3287 ℃ 21.9 W/(m·K) 8.610-6 K-1 H2O2, H2SO4 Cl2, NF3 TiCl4 Al-Cu金属化湿法刻蚀接触层，W阻挡层，与氮反应形成TiN
和电特性、优越的抗腐蚀能力、易沉积、易刻蚀、易化学机械研磨
• 金属薄膜
– 铝、铝硅合金：金属互连 – 钨：接触窗和金属层间接触窗孔填充 – 钛、氮化钛：钨金属沉积工艺阻挡层和附着层，防止钨扩散和薄膜脱落 – 铜、铝铜合金：金属互连 – 钽、氮化钽：铜金属互连工艺阻挡层 – ……
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铝铜互连集成电路芯片
半导体制造技术导论（第二版）
第十一章 金属化工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介 • 导电薄膜 • 金属薄膜特性 • 金属化学气相沉积 • 物理气相沉积 • 铜金属化工艺 • 安全性
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简介
金属化
• 金属化
– 一种添加工艺过程，将金属层沉积在晶圆表面 – 要求：低的电能损耗、高抗电迁移能力、低的薄膜应力、稳定的机械性
名称 原子符号 原子序数 原子量 固体密度 摩尔体积
音速 硬度 反射率 电阻系数 熔点 沸点 热导系数 线性热膨胀系数 刻蚀物（湿法） 刻蚀物（干法） CVD源材料 主要应用