电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究

电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究

随着科学技术的不断发展，半导体器件的种类不断增多。原始点接触晶体管、合金晶体管、合金扩散晶体管、台面晶体管、硅平面晶体管、TTL集成电路和N沟硅栅平面MOS集成电路等，其制造工艺及工艺之间的各道工序也有所差别。在硅平面晶体管工艺过程中，电极材料的制备技术是一项关键工艺，典型的制备技术主要有两类：一类是电子束蒸发镀膜技术，另一类是磁控溅射镀膜方法。长期以来，在生产实践中由于电了束蒸发与磁控溅射这两种方法制备晶体管微电极各具优势，而且各自采用的设备和工艺不同，因而其产品质量孰优孰次一直存在争论。本文就这一问题展开研究，详细分析了常用电极材料Al通过这两种方法制备成薄膜电极的膜厚控制、附着力、致密性、电导率和折射率等重要性能指标，测试结果分析表明磁控溅射铝膜的综合性能优于电子束蒸发。

1实验设备及优化工艺参数

1.1电子束蒸发设备及优化工艺参数

选用CHA-600型电子束蒸发台。它主要由真空镀膜室、真空系统和真空测量仪器的一部分构成。真空镀膜室主要由钟罩、球面行星转动基片架、基片烘烤装置、磁偏转电子枪、蒸发档板及加热装置等构件所组成;真空系统主要由机械泵的冷凝泵组成，选用冷凝泵可以更容易地抽到高真空状态，避免了油扩散泵返油而产生污染真空室的现象;用离子规来测量真空度。坩埚选用石墨坩埚，避免了坩埚与Al反应生成化合物而污染Al膜，坩埚的位置处在行星架的球心位置，从而保证成膜厚度的均匀性。蒸镀过程中膜厚的测量选用石英晶体膜厚监控仪。电子束蒸发镀Al的典型工艺参数为：真空度：2.6×10-4Pa;蒸发速率：20—25A/s;基片温度：120°C;蒸距：45cm;蒸发时间：25min;电子枪电压：9Kv;电子枪电流：0.2A。

1.2溅射设备及优化工艺参数

选用ILC-1012MARKⅡ1012溅射装置;操作简单，并能保证产品质量的均一性。此溅射台主要由片盒卸室SL，片盒交换室TL，清洗室CL和溅射成膜室SP组成。所有溅射过程都是在这四个室中完成的，避免了空气和杂质的污染，能够获得高质量的膜层。磁控溅射镀Al的典型工艺参数为：本底真空度1.3×10-4Pa 以下;溅射速率：8000A/min或者10000A/min基片温度：200°C;靶-基距：5cm;阴极电压：420V(在300—600V 之间);电流：13A;溅射真空度：0.13—1.3Pa;溅射角：5—8°;溅射时间：2min/片，具体时间视片数而定。

2性能测试与分析

为了获得性能良好的半导体电极Al膜，我们通过优化工艺参数，制备了一系列性能优越的Al薄膜。通过理论计算和性能测试，分析比较了电子束蒸发与磁控溅射两种方法制备Al膜的特点。

2.1膜厚

严格控制发Al膜的厚度是十分重要的，因为Al膜的厚度将直接影响Al膜的其它性能，从而影响半导体器件的可靠性。对于高反压功率管来说，它的工作电压高，电流大，没有一定厚度的金属膜会造成成单位面积Al膜上电流密度过高，易烧毁。对于一般的半导体器件，Al层偏薄，则膜的连续性较差，呈岛状或网状结构，引起压焊引线困难，造成不易压焊或压焊不牢，从而影响成品率;Al层过厚，引起光刻时图

形看不清，造成腐蚀困难而且易产生边缘腐蚀和“连条”现象。

采用电子束蒸发，行星机构在沉积薄膜时均匀转动，各个基片在沉积Al膜时的几率均等;行星机构的聚焦点在坩埚蒸发源处，各个基片在一定真空度下沉积速率几乎相等。采用磁控溅射镀膜方法，由于沉积电流和靶电压可以控制，也即是溅射功率可以调节并控制，因此膜厚的可控性和重复性较好，并且可在较大表面上获得厚度均匀的膜层。

Al膜厚度的测量可采用金属膜厚测量仪，它是根据涡流原理设计制造的无损测厚仪。根据工艺参数，我们制备了一批试样，样品经测试，溅射Al薄膜的平均厚度是1.825μm，电子束蒸发Al薄膜的平均厚度是1.663μm,均符合半导体器件电极对Al膜厚的要求(小信号为1.7±0.15μm;大功率为2.5±0.3μm。

为了更进一步地观测膜厚及表面形貌，样品放入环境扫描电子显微镜philipsXL30-ESEM中进行观测，并根据视频打印机输出的SEM图片可以看出，电子束蒸发的膜厚分散度较大，即均匀性较差。

2.2附着力

附着力反映了Al膜与基片之间的相互作用力，也是保证器件经久耐用的重要因素。溅射原子能量比蒸发原子能量高1—2个数量级。高能量的溅射原子沉积在基片上进行的能量转换比蒸发原子高得多，产生较高的热能，部分高能量的溅射原子产生不同程度的注入现象，在基片上形成一层溅射原子与基片原了相互溶合的伪扩散层，而且，在成膜过程中基片始终在等离子区中被清洗和激活，清除了附着力不强的溅射原子，净化且激活基片表面，增强了溅射原子与基片的附着力，因而溅射Al膜与基片的附着力较高。

测定附着力所采用的方法是测量Al膜从基片上剥离时所需要的力或者能量，我们采用剥离水法来测定附着力。

设薄膜单位面积的附着能为γ，则宽度为b,长度为a的薄膜的总附着能E=abγ(1)

用于剥离该薄膜的力F所作的功

Wp=Fa(1-sin(θ))(2)

如果是静态剥离并忽略薄膜弯曲时所产生的弹性能，则F所作的功近似等于薄膜的总附着能，即Wp=E,于是F=bγ/(1-sin(θ))(3)

(3)式中F随着θ角的变化而变化，不能真正反映薄膜的附着性能。当所加剥离力与薄膜垂直，即θ=0°时，则式简化为

F=bγ(4)

根据测量所得的F便可计算出附着能γ=F/b。如果要直接计算单位长度的附着力f，根据定义并采用上述方法(θ=0°)进行剥离可得f=γ。可见，附着力的大小和附着能γ的数据相同，由于Al膜的附着能γ较高，所以其附着力较大。实验测得的数据是：溅射Al膜的平均附着力25N，电子束蒸发Al膜的平均附着力为9.8N。这些数据和理论分析结论一致。

2.3致密性

考虑Al膜的致密性就相当于考虑Al膜的晶粒的大小，密度以及能达到均匀化的程度，因为它也直接影响Al膜的其它性能，进而影响半导体哗啦的性能。

气相沉积的多晶Al膜的晶粒尺寸随着沉积过程中吸附原子或原子团在基片表面迁移率的增加而增加。