半导体镀膜工艺

镀膜工艺北京亚科晨旭科技有限公司2015年12月基本概念真空等离子体真空1.真空的定义真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态，是一种物理现象。2.真空的计量单位真空度的高低可以用多个参量来度量，最常用的有“真空度”和“压强”单位Pa1Pa=1N/㎡=7.5*10-3Torr1mmHg=1Torr=133Pa1Bar=1Kg/c㎡=1000mBar1Bar=1大气压=0.1MPa1mBar=100Pa3.真空区域的划分标准大气压为：1.013×10^5Pa（帕斯卡），等于760mmhg（毫米汞（水银）柱低真空105Pa~102Pa中真空102Pa~10-1Pa高真空10-1Pa~10-5Pa超高真空10-5Pa4.如何产生真空“抽”各种泵的理论能力极限真空度油封机械泵10-1Pa扩散泵10-2Pa吸附泵10-1Pa溅射离子泵10-3Pa低温冷凝泵10-9Pa涡轮分子泵10-8Pa复合涡轮泵10-8Pa干式机械泵10-1Pa5.使用真空的目的物理性：①分子数目少，压力低与大气压造成的压力差②分子密度小气体稀薄③气体分子平均自由径长，相互碰撞频率少，减少表面污染化学性：①造就一个非活跃性空间，避免不必要的污染②电子与离子伴随的化学反应，在大气压下无法发生，在真空状态下成为可能等离子体1.什么是等离子体在一定条件下气体电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。电离产生的等离子体往往包含离子、电子、激发状态的原子、分子、分子分解而成的活性基、各种分子簇……这些粒子在等离子体中相互碰撞。等离子为物质的第四种形态（气体，液体，固体）2.常见的等离子体日常生活中遇到的闪电和极光，太阳，日光灯等都是等离子体3.等离子体的产生放电直流放电低频放电高频放电微波放电感应放电宇宙天体上层大气真空紫外光激光等离子体冲击波辉光下游的利用场致电离放射线放射性同位素X射线粒子加速器反应堆燃烧4.气体分子数与离化几率的关系eeee高真空压强1Pa分压1Pa压强1000Pa大气压压强＝Pa5.等离子体的特点普通气体等离子体没有空间和时间限度等离子体的存在具有特征的空间和时间限度由电中性的分子或原子组成是带电粒子和中性粒子组成的集合体不导电流体具有很高的电导率，而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性做无规则的热运动有三种运动形式——热运动，在电磁场作用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动分子的运动不受电磁场的影响粒子运动受到电磁场的影响和支配反应活性相对较小富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基具反应活性固、液、气三种基本形式之一新的聚集状态——物质第四态6.等离子体在半导体中的应用物理成膜物理成膜热蒸发溅射电阻丝加热石英坩埚加热电子束加热直流二极溅射射频溅射磁控溅射离子镀高频感应蒸发三极和四极溅射零气压溅射自溅射直流二极型射频放电离子镀电弧放电型高真空离子束溅射分子束外延MBE脉冲激光沉积PLD1.蒸镀沉积过程1)蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。2)输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。3)吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。第一章蒸镀2.蒸镀热蒸镀主要应用在对附着力要求不高，可快速大量生产。其中的电子束蒸镀是阻热蒸镀的升级版，由于是直接电子束加热靶材表面，因此可以避免坩锅本身对薄膜成分的影响，但是设备比较复杂真空蒸发镀膜原理电子束蒸发镀膜原理1.溅射镀膜在某一温度下,如果固体或液体受到适当的高能离子的轰击,那么固体或液体中的原子通过碰撞有可能获得足够的能量从表面逃逸,这一将原子从表面发射的方式叫溅射.溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面使其中的原子发射出来。第二章溅射镀膜磁控溅射是在溅射镀膜的基础上增加磁性偏转，增加束缚电子运动路径，提高气体的离化率，实现溅射镀膜效率的提高主要应用在制备高附着力、同时对轻微原子损伤无要求的膜2.普通溅射和磁控溅射原理溅射镀膜原理磁控溅射原理溅射途径由主要靠等离子体溅射转为主要靠外加离子束来溅射，因此可以避免由于电子附着基材，造成基材的高温由于需要高真空，所以沉积的膜较等离子溅射镀膜更纯。可以应用在制备膜成分控制力强（高纯度、多元化），多层次，重复性好适用与各种薄膜的沉积。3.离子束溅射离子束溅射原理脉冲激光光束聚焦在固体靶面上，激光超强的功率使得靶物质快速等离子化，然后溅镀到目标物上。4.脉冲激光沉积PLD特点：真空室简化，脉冲激光器在真空室外应用：制备高熔点、高纯度、沉积速率快简介离子镀真空蒸发与溅射结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成膜（剥离效果需小于沉积效果）应用：制备高附着力、高纯度、绕射性好的膜，制备速度快可以镀较厚的薄膜第三章离子镀简介分子束外延MBE在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子（原子）束流喷射到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此得名应用：外延生长原子级精确控制的超薄多层二维结构材料和器件（超晶格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光器、高电子迁移率晶体管等）；结合其他工艺，还可制备一维和零维的纳米材料（量子线、量子点等）第四章分子束外延MBE特点：速度最慢，但是有着精确膜控能力镀膜方式的对比热蒸镀电子束蒸镀离子溅射磁控溅射离子镀激光脉冲沉积分子束外延MBE优点设备简单，沉膜速度快直接加热，效率高，能量密度大，蒸发高熔点材料，避免坩埚本身对薄膜的污染附着力强，任何材料都可以，任何物质均可以溅射，附着性强，重复性好镀膜范围广，附着性好，纯度高，能在复杂图形上镀，成膜速度高可蒸镀高熔点材料，加热源在真空室外，简化真空室，非接触式加热，无污染可严格控制生长速率以及膜成分，极好的膜厚控制性，缺点不容易形成结晶膜，附着力差，重复性差装置复杂，残余气体和部分蒸汽电离对薄膜性能有影响附着力较差不能沉积大面积均匀的膜，设备复杂，运行成本高设备需要高压，设备复杂沉膜速度较蒸镀慢，受到离子攻击膜会有缺陷，受到离子攻击膜会有缺陷，受离子和电子攻击基材需加冷却装置，离子污染费用高不适合厚膜生长，以及大量生产第五章小结化学沉积化学合成方法化学气相沉积CVD热氧化电镀其他等离子体PECVD低压化学气相沉积LPCVD有机金属MOCVD金属CVD低介电常数CVD常压化学气相沉积APCVD溶胶&凝胶涂敷阳极氧化原子层沉积ALD履带式APCVD装置1.常压化学气相沉积APCVDAPCVD就是在压力接近常压下进行CVD反应的一种沉积方式。特点：不需要昂贵复杂的设备，即可高温快速镀膜应用：对于膜成分要求不高可大量生产例如：钝化保护膜化学气相沉积LPCVD装置示意图2.低压化学沉积LPCVD低压CVD的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作能力，降低到大约100Torr(1Torr=133.332Pa)一下的一种CVD反应特点：低压下分子平均自由程增加，气体传输速度加快，沉膜速度速度加快，同时气体分布的不均匀性在很短时间内可以消除，所以能生长出厚度均匀的薄膜。应用：简单的操作即可在工业上快速生产均匀性较好膜，例如多晶硅、氮化硅、二氧化硅等3.等离子化学沉积PECVD在低真空的条件下，利用等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温度，可以在常温至350℃条件下，沉积氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅及非晶硅膜等（通常1000℃左右）。低温淀积是PECVD的一个突出优点，淀积的薄膜具有良好的附着性、低针孔密度、良好的阶梯覆盖及电学特性应用：可以镀纯度高性能好的优质薄膜例如：在铝上淀积二氧化硅或者氮化硅。（低熔点基材，高熔点薄膜）PECVD装置示意图4.有机金属化学沉积MOCVDMOCVD是常规CVD技术的发展。它与常规CVD的区别仅在于使用有机金属化合物和氢化物作为原料气体。应用：制备各种各样的材料（单晶外延膜、多晶膜和非晶态膜。但最重要的应用是Ⅲ～Ⅴ族及Ⅱ～Ⅵ族半导体化合物材料）特点：MOCVD的主要特点是沉积温度低，所以也称中温CVD，其缺点是沉积速率低、膜中杂质多MOCVD装置5.原子层沉积ALD通过工艺循环，分步向真空腔体添加反应气体，逐步反应实现对膜厚度及纯度的精确控制。应用：TSV种子层的制作、MEMS、器件钝化……特点：纯度极高、接近100%阶梯覆盖率、均匀性强三甲基铝化学吸附吹扫循环水化学吸附吹扫循环ALD沉积氧化铝热氧化在腔体中通入氧气或者水蒸汽，高温使被氧化化材料镀一层氧化物薄膜。常用在晶元沉积氧化硅膜热氧化装置电镀电镀是将镀件（制品），浸于含有欲镀上金属离子的药水中并接通阴极，药水的另一端放置适当阳极（可溶性或不可溶性），通以直流电后，镀件的表面即析出一层金属薄膜的方法。例如：TSV通孔种子层上镀铜简示电镀END