集成電路工藝實驗

1、集成電路工藝實驗講義1超高真空多功能磁控濺射設備的使用超高真空多功能磁控濺射設備的使用一、引言薄膜的制備方法有許多種，主要包括：物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和電化學沉積。物理氣相沉積中只發(fā)生物理過程，化學氣相沉積中包含了化學反應過程。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行的緩慢的真空蒸發(fā)過程，它可以用來生長外延的單晶薄膜。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化學成分容易控制，沉積層對襯底的附著力較好，可以大面積成膜等。近幾十年來磁控濺射技術已經(jīng)成為最重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領域。如在現(xiàn)代機械加工工業(yè)中利用磁控濺射技術在工件表面鍍制功能膜、超硬膜、自潤滑薄膜。在光學領域利用磁控濺射技術制備增透膜、低輻射膜和透明導膜隔熱膜等。在微電子領域和光、磁記錄領域磁控濺射技術也發(fā)揮著重要作用。例如在微電子領域制備Cu互聯(lián)薄膜等。二、實驗目的1.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)、進樣室和生長室、抽氣系統(tǒng)的基本工作原理。2.掌握襯底的清洗、裝卸、樣品在進樣室和生長室間的傳遞、靶的安裝要點等。三、實驗原理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，相對于作為陽極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。在對系統(tǒng)預抽真空以后，通進少量惰性氣體（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離子和可以對立運動的電子，其中電子飛向陽極，而帶正電荷的Ar離子則在高壓電場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高的能量，使其可以脫離靶材的束縛而飛集成電路工藝實驗講義3采用直流濺射法需要在濺射靶上加一負電壓，因而就只能濺射導體材料，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會就會變小，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，對于導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，在一個周期內(nèi)正離子

6、和電子就可以交替地轟擊靶，從而實現(xiàn)濺射介質(zhì)靶材的目的。當靶電極為高頻電壓的負半周時，正離子對靶材進行轟擊引起濺射，同時靶材表面會有正電荷的積累；當靶材處于高頻電壓的正半周時，由于電子對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。由于在一個周期內(nèi)對靶材既有濺射又有中和，故能使濺射持續(xù)進行，這就是射頻濺射法能夠濺射介質(zhì)靶材的原因。從上所述可知，在一個周期內(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、當于在高頻電路中加了一個阻塞電容器C，使靶面形成一個直流負電位，即負的自偏壓，從而使靶材受到離子轟擊的時間和電壓都會增加。實際應用的高頻濺射系統(tǒng)中，常采用非對稱平板結(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，目前國際上通常采用的射頻頻率多為美國聯(lián)邦通訊委員會建議的13.56MHz。4磁控濺射法從上面的討論可知道，濺射沉積具有兩個缺點：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薄膜產(chǎn)生污染的可能性提高。磁控濺射技術是從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。一般磁控濺射的靶材與磁場的布置