集成电路制造

U19E00400

1、 直流磁控溅射工艺实验

直流溅射又称为阴极溅射或二极溅射。它实际上是由一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电管结构。被溅射靶(阴极)和成膜的基片及其固定架(阳极)构成溅射装置的两个极。如果电极都是平板状的，就称为平板型二极溅射；如果电极是同轴圆筒状的，就称为同轴型二极溅射。以平行金属板直流二极溅射为例，表示溅射镀膜的原理和基本过程如图2.1所示。

1)在真空室等离子体中产生正氩离子，并向具有负电位的靶加速。

2)在加速过程中氩离子获得动量，并轰击靶材料。

3)离子通过物理过程从靶材上撞击出(溅射)原子，靶材具有所要求的材料组分。

4)被撞击出(溅射)的原子迁移到基板表面。

5)被溅射的原子在基板表面凝聚并形成薄膜，与靶材料比较，薄膜具有与它基本相同的材料组分。

6)剩余材料由真空泵抽走。

在直流溅射过程中，常用氩气作为工作气体。工作气压对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大影响，在溅射装置中引入磁场，既可以降低溅射过程的气压，也可以在同样的电流和气压的条件下显著提高溅射的效率和沉积速率。磁控溅射的磁场一般设置在靶材的部分表面上方，使磁场与电场方向垂直，从而将电子的运动轨迹限制到靶面附近，以提高电子碰撞和电离的效率，且有减少了电子对轰击作为阳极的衬底的轰击，对抑制衬底温度升高的起到了作用。

2、 电阻蒸发镀膜工艺实验

真空蒸发镀膜首先需要把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa以下，然后加热镀料，使其原子或分子从镀料表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。如图2.2，真空蒸发设备主要由真空镀膜室和真空生成系统两大部分组成。真空镀膜室内装有蒸发源、被蒸镀材料、基片支架及基片等。

要实现真空蒸镀，必须有“热”的蒸发源、“冷”的基片、周围的真空环境，三者缺一不可。尤其对真空环境的要求很高，原因是：①防止在高温下空气分子和蒸发源发生反应，生成化合物而使蒸发源劣化；②防止蒸发物质的分子在蒸镀室内和空气分子碰撞从而阻碍蒸发分子直接到达基片表面，以及在途中生成化合物，或由于蒸发物分子间的相互碰撞而在到达基片之前就凝聚；③在基片上形成薄膜的过程中，防止空气分子作为杂质混入膜内或者在薄膜中形成化合物。

本实验采用旋片机械泵和油扩散泵串联，先开启机械泵将真空度降低至1Pa以下，然后开启扩散泵，待扩散泵预热完毕后开启高阀，将真空度降低至5×10-3Pa。在真空腔中，采用大电流对钼舟进行电阻加热，使得钼舟中的金属铝升温，当其加热到铝原子能够脱离铝块的束缚，就会气化形成铝的蒸气流，入射到基片表面，被基片吸附从而凝结下来形成金属铝薄膜。

为了保证原子按固定方向飞行，必须保证较高的真空度，使得原子在到达基片前不会受到碰撞而改变方向。机械泵和扩散泵的抽气速率与其工作原理紧密相关。薄膜沉积的速率由蒸发舟的温度控制，温度越高，铝的饱和蒸气压越大，沉积越快。薄膜沉积厚度可由沉积时间控制或原料量控制(当原料被完全蒸发时，薄膜沉积完毕)。薄膜厚度分布与蒸发源类型，源基距(蒸发源到基片距离)等因素相关。当采用蒸发舟进行蒸发时，蒸发源的发射特性可以用小平面源来描述，如图2.3所示。小平面源的蒸发特性符合余弦定律，即在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比，距离越远，薄膜分布越均匀。

图2.3　小平面源蒸发特性

上式为距离基片中心x处的薄膜厚度t与基片中心的薄膜厚度t0之比，其中h为靶基距。

实验中，控制加热电流，基片位置和铝块的质量会改变薄膜的均匀性，观察薄膜表面形貌，缺陷和薄膜厚度均匀性的变化情况。

3、 射频磁控溅射制备ITO薄膜工艺实验

射频磁控溅射可用于金属、合金、陶瓷、有机高分子材料等多种材料的溅射沉积制备，具有稳定性好、薄膜均匀、附着力好等优点。它的基本原理是在交变电场和磁场的作用下产生等离子体，被加速的高能粒子轰击靶材表面，使靶材表面的原子脱离原固体表面而逸出，转移到基片表面沉积成膜。磁控溅射设备通常是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场，当溅射产生的二次电子被加速为高能电子后，并不会直接飞向阳极，而是在正交电磁场的作用下来回振荡近似摆线地运动。高能电子则不断地与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离形成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近，被辅助阳极吸收，避免了高能电子对极板的强烈轰击，去除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起损伤的情况。由于外加磁场的存在，电子的复杂运动增加了气体分子的电离率，从而实现高速溅射。

4、 电子束蒸发工艺实验

电子束蒸发采用直接加热，效率高，能量密度大，可以用来蒸发熔点高、平衡蒸汽压较低的金属或氧化物。采用冷坩埚避免坩埚材料参与反应，从而提高了薄膜纯度。在电子束加热装置中，被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很少的一部分物质，而其余的大部分物质在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加速，并经过横向布置的磁场偏转270后到达被轰击的坩埚处。磁场偏转法的使用可以避免灯丝材料的蒸发对沉积过程可能造成的污染。但电子束蒸发方法也有缺点，如电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走，因此其热效率较低，且过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。