集成電路工藝實(shí)驗(yàn)

1、集成電路工藝實(shí)驗(yàn)講義1超高真空多功能磁控濺射設(shè)備的使用超高真空多功能磁控濺射設(shè)備的使用一、引言薄膜的制備方法有許多種，主要包括：物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和電化學(xué)沉積。物理氣相沉積中只發(fā)生物理過程，化學(xué)氣相沉積中包含了化學(xué)反應(yīng)過程。常用的物理氣相沉積方法是真空蒸發(fā)，分子束外延(MBE）是一種超高真空中進(jìn)行的緩慢的真空蒸發(fā)過程，它可以用來生長(zhǎng)外延的單晶薄膜。另一種常用的物理氣相沉積方法是濺射，濺射法制膜具有濺射速度快，

2、在沉積多元合金薄膜時(shí)化學(xué)成分容易控制，沉積層對(duì)襯底的附著力較好，可以大面積成膜等。近幾十年來磁控濺射技術(shù)已經(jīng)成為最重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。如在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中利用磁控濺射技術(shù)在工件表面鍍制功能膜、超硬膜、自潤(rùn)滑薄膜。在光學(xué)領(lǐng)域利用磁控濺射技術(shù)制備增透膜、低輻射膜和透明導(dǎo)膜隔熱膜等。在微電子領(lǐng)域和光、磁記錄領(lǐng)域磁控濺射技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。例如在微電子領(lǐng)域制備Cu互聯(lián)薄膜等。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解超高真空

3、多功能磁控濺射系統(tǒng)。主要包括：直流和射頻濺射、電源控制系統(tǒng)、進(jìn)樣室和生長(zhǎng)室、抽氣系統(tǒng)的基本工作原理。2.掌握襯底的清洗、裝卸、樣品在進(jìn)樣室和生長(zhǎng)室間的傳遞、靶的安裝要點(diǎn)等。三、實(shí)驗(yàn)原理1濺射眾所周知，濺射現(xiàn)象源于陰極表面的氣體輝光放電。在真空系統(tǒng)中，靶材是需要濺射的材料，它作為陰極，相對(duì)于作為陽(yáng)極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。在對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，通進(jìn)少量惰性氣體（如氬氣），壓力一般處于101~10Pa的范圍內(nèi)。在正負(fù)電極高壓的作用下，極間的

4、氣體原子將被大量電離。電離過程使Ar原子電離為Ar離子和可以對(duì)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中電子飛向陽(yáng)極，而帶正電荷的Ar離子則在高壓電場(chǎng)的加速作用下飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出其能量。離子高速撞擊的結(jié)果就是大量的靶材原子獲得了相當(dāng)高的能量，使其可以脫離靶材的束縛而飛集成電路工藝實(shí)驗(yàn)講義3采用直流濺射法需要在濺射靶上加一負(fù)電壓，因而就只能濺射導(dǎo)體材料，而不能沉積絕緣材料，其原因在于轟擊絕緣介質(zhì)靶材時(shí)表面的離子電荷無法中和，于是靶

5、面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶上，兩極間的離子加速與電離機(jī)會(huì)就會(huì)變小，甚至不能發(fā)生電離，致使放電停止或不能連續(xù)，濺射停止。因此，對(duì)于導(dǎo)電性很差的非金屬材料或絕緣介質(zhì)的濺射，需要一種新的濺射方法—射頻濺射法(RF)法。射頻濺射裝置相當(dāng)于把直流濺射中的直流電源部分由射頻發(fā)生器，匹配網(wǎng)絡(luò)和電源所代替。它是利用高頻電磁輻射來維持低氣壓(約2.5?102Pa)的輝光放電。陰極安置在緊貼介質(zhì)靶材的后面，把高頻電壓加在靶上，這樣，在一個(gè)周期內(nèi)正離子

6、和電子就可以交替地轟擊靶，從而實(shí)現(xiàn)濺射介質(zhì)靶材的目的。當(dāng)靶電極為高頻電壓的負(fù)半周時(shí)，正離子對(duì)靶材進(jìn)行轟擊引起濺射，同時(shí)靶材表面會(huì)有正電荷的積累；當(dāng)靶材處于高頻電壓的正半周時(shí)，由于電子對(duì)靶的轟擊中和了積累在介質(zhì)靶表面上的正電荷，這樣就為下一周期的濺射創(chuàng)造了條件。由于在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)靶材既有濺射又有中和，故能使濺射持續(xù)進(jìn)行，這就是射頻濺射法能夠?yàn)R射介質(zhì)靶材的原因。從上所述可知，在一個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)靶最多只在半周期中受到離子轟擊。陰極是介質(zhì)靶，就相

7、當(dāng)于在高頻電路中加了一個(gè)阻塞電容器C，使靶面形成一個(gè)直流負(fù)電位，即負(fù)的自偏壓，從而使靶材受到離子轟擊的時(shí)間和電壓都會(huì)增加。實(shí)際應(yīng)用的高頻濺射系統(tǒng)中，常采用非對(duì)稱平板結(jié)構(gòu)，把高頻電源一極接在小電極(靶)上，而將大電極和屏蔽罩等相連后接地作為另一電極，這樣，在小電極處產(chǎn)生的暗區(qū)電壓降比大電極暗區(qū)壓降要大得多，致使流向大電極的離子能量小于濺射閥能，在大電極上就不會(huì)發(fā)生濺射。因此，只要用小電極作為靶，而將基片放置在大電極上，就可進(jìn)行高頻濺射鍍膜

8、。通常，在濺射中使用的高頻電源頻率已經(jīng)屬于射頻范圍，其頻率區(qū)間為10—30MHz左右，目前國(guó)際上通常采用的射頻頻率多為美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)建議的13.56MHz。4磁控濺射法從上面的討論可知道，濺射沉積具有兩個(gè)缺點(diǎn)：第一，沉積速率較低；第二，濺射所需的工作氣壓較高，這兩者的綜合效果是氣體分子對(duì)薄膜產(chǎn)生污染的可能性提高。磁控濺射技術(shù)是從70年代發(fā)展起來的一種新型濺射鍍膜法，具有沉積速率較高，工作氣壓較低的優(yōu)點(diǎn)。一般磁控濺射的靶材與磁場(chǎng)的布置