【康沃真空網(wǎng)】薄膜沉積是半導(dǎo)體制造工藝中的一個(gè)非常重要的技術(shù),其是一連串涉及原子的吸附、吸附原子在表面擴(kuò)散及在適當(dāng)?shù)奈恢孟戮劢Y(jié),以漸漸形成薄膜并成長的過程。在一個(gè)新晶圓投資建設(shè)中,晶圓廠80%的投資用于購買設(shè)備。其中,薄膜沉積設(shè)備是晶圓制造的核心步驟之一,占據(jù)著約25%的比重。
薄膜沉積工藝主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩類。物理氣相沉積(PhysicalVapourDeposition,PVD)技術(shù)指在真空條件下,采用物理方法,將材料源——固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子,并通過低壓氣體(或等離子體)過程,在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。物理氣相沉積原理可大致分為蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍,具體又包含有MBE等各種鍍膜技術(shù)。發(fā)展到目前,物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。
隨著技術(shù)的發(fā)展,PVD技術(shù)也不斷推陳出新,出現(xiàn)了很多針對某幾種用途的專門技術(shù),在此特為大家盤點(diǎn)介紹各種PVD技術(shù)。
真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)
真空蒸發(fā)(VacuumEvaporation)鍍膜是在真空條件下,用蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)物質(zhì),使之升華,蒸發(fā)粒子流直接射向基片,并在基片上沉積形成固態(tài)薄膜,或加熱蒸發(fā)鍍膜材料的真空鍍膜方法。其物理過程為:采用幾種能源方式轉(zhuǎn)換成熱能,加熱鍍料使之蒸發(fā)或升華,成為具有一定能量(0.1~0.3eV)的氣態(tài)粒子(原子、分子或原子團(tuán));離開鍍料表面,具有相當(dāng)運(yùn)動速度的氣態(tài)粒子以基本上無碰撞的直線飛行輸運(yùn)到基體表面;到達(dá)基體表面的氣態(tài)粒子凝聚形核生長成固相薄膜;組成薄膜的原子重組排列或產(chǎn)生化學(xué)鍵合。
電子束蒸鍍技術(shù)
電子束蒸鍍(ElectronBeamEvaporation)是物理氣相沉積的一種。與傳統(tǒng)蒸鍍方式不同,電子束蒸鍍利用電磁場的配合可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)利用高能電子轟擊坩堝內(nèi)靶材,使之融化進(jìn)而沉積在基片上。電子束蒸鍍常用來制備Al、CO、Ni、Fe的合金或氧化物膜,SiO2、ZrO2膜,抗腐蝕和耐高溫氧化膜。
電子束蒸鍍與利用電阻進(jìn)行蒸鍍最大的優(yōu)勢在于:可以為待蒸發(fā)的物質(zhì)提供更高的熱量,因此蒸鍍的速率也更快;電子束定位準(zhǔn)確,可以避免坩堝材料的蒸發(fā)和污染。但是由于蒸鍍過程中需要持續(xù)水冷,對能量的利用率不高;而且由于高能電子可能帶來的二次電子可能使殘余的氣體分子電離,也有可能帶來污染。此外,大多數(shù)的化合物薄膜在被高能電子轟擊時(shí)會發(fā)生分解,這影響了薄膜的成分和結(jié)構(gòu)。
濺射鍍膜技術(shù)
濺射鍍膜技術(shù)是用離子轟擊靶材表面,把靶材的原子被擊出的現(xiàn)象稱為濺射。濺射產(chǎn)生的原子沉積在基體表面成膜稱為濺射鍍膜。通常是利用氣體放電產(chǎn)生氣體電離,其正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶體,擊出陰極靶體原子或分子,飛向被鍍基體表面沉積成薄膜。
射頻濺射技術(shù)
射頻濺射是濺射鍍膜技術(shù)的一種。用交流電源代替直流電源就構(gòu)成了交流濺射系統(tǒng),由于常用的交流電源的頻率在射頻段,如13.56MHz,所以稱為射頻濺鍍。
在直流射頻裝置中,如果使用絕緣材料靶,轟擊靶面的正離子會在靶面上累積,使其帶正電,靶電位從而上升,使得電極間的電場逐漸變小,直至輝光放電熄滅和濺射停止。所以直流濺射裝置不能用來濺射沉積絕緣介質(zhì)薄膜。
磁控濺射技術(shù)
磁控濺射技術(shù)屬于PVD(物理氣相沉積)技術(shù)的一種,是制備薄膜材料的重要方法之一。它是利用帶電荷的粒子在電場中加速后具有一定動能的特點(diǎn),將離子引向被濺射的物質(zhì)制成的靶電極(陰極),并將靶材原子濺射出來使其沿著一定的方向運(yùn)動到襯底并在襯底上沉積成膜的方法。磁控濺射設(shè)備使得鍍膜厚度及均勻性可控,且制備的薄膜致密性好、粘結(jié)力強(qiáng)及純凈度高。該技術(shù)已經(jīng)成為制備各種功能薄膜的重要手段。
離子鍍膜技術(shù)
離子鍍是在真空蒸發(fā)鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜新技術(shù),將各種氣體放電方式引入到氣相沉積領(lǐng)域,整個(gè)氣相沉積過程都是在等離子體中進(jìn)行,其中包括磁控濺射離子鍍、反應(yīng)離子鍍、空心陰極放電離子鍍(空心陰極蒸鍍法)、多弧離子鍍(陰極電弧離子鍍)等。離子鍍大大提高了膜層粒子能量,可以獲得更優(yōu)異性能的膜層,擴(kuò)大了“薄膜”的應(yīng)用領(lǐng)域。是一項(xiàng)發(fā)展迅速、受人青睞的新技術(shù)。
廣義來講,離子鍍膜的特點(diǎn)是:鍍膜時(shí),工件(基片)帶負(fù)偏壓,工件始終受高能離子的轟擊。形成膜層的膜基結(jié)合力好、膜層的繞鍍性好、膜層組織可控參數(shù)多、膜層粒子總體能量高,容易進(jìn)行反應(yīng)沉積,可以在較低溫度下獲得化合物膜層。
多弧離子鍍(MAIP)
多弧離子鍍是采用電弧放電的方法,在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬,蒸發(fā)物是從陰極弧光輝點(diǎn)放出的陰極物質(zhì)的離子,從而在基材表面沉積成為薄膜的方法。
多弧離子鍍與一般的離子鍍有著很大的區(qū)別。多弧離子鍍采用的是弧光放電,而并不是傳統(tǒng)離子鍍的輝光放電進(jìn)行沉積。簡單的說,多弧離子鍍的原理就是把陰極靶作為蒸發(fā)源,通過靶與陽極殼體之間的弧光放電,使靶材蒸發(fā),從而在空間中形成等離子體,對基體進(jìn)行沉積。
分子束外延(MBE)
分子束外延(MBE)是新發(fā)展起來的外延制膜方法,是一種在晶體基片上生長高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下,由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣,經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束,直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上,同時(shí)控制分子束對襯底掃描,就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。
該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:使用的襯底溫度低,膜層生長速率慢,束流強(qiáng)度易于精確控制,膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜,以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子顯微結(jié)構(gòu)材料。
分子束外延不僅可用來制備現(xiàn)有的大部分器件,而且也可以制備許多新器件,包括其它方法難以實(shí)現(xiàn)的,如借助原子尺度膜厚控制而制備的超晶格結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管和多量子阱型激光二極管等。我們在公車上看到的車站預(yù)告板,在體育場看到的超大顯示屏,其發(fā)光元件就是由分子束外延制造的。
脈沖激光沉積(PLD)
脈沖激光沉積(PulsedLaserDeposition,PLD),也被稱為脈沖激光燒蝕(pulsedlaserablation,PLA),是一種利用激光對物體進(jìn)行轟擊,然后將轟擊出來的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上,得到沉淀或者薄膜的一種手段。
由脈沖激光沉積技術(shù)的原理、特點(diǎn)可知,它是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぶ苽浼夹g(shù)。隨著輔助設(shè)備和工藝的進(jìn)一步優(yōu)化,將在半導(dǎo)體薄膜、超晶格、超導(dǎo)、生物涂層等功能薄膜的制備方面發(fā)揮重要的作用;并能加快薄膜生長機(jī)理的研究和提高薄膜的應(yīng)用水平,加速材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的研究進(jìn)程。同時(shí)也為新型薄膜的制備提供了一種行之有效的方法。
激光分子束外延(L-MBE)
激光分子束外延技術(shù)(L-MBE)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型薄膜制備技術(shù),是將分子束外延技術(shù)與脈沖激光沉積技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,在分子束外延條件下激光蒸發(fā)鍍膜的技術(shù)。
L-MBE結(jié)合了PLD的高瞬時(shí)沉積速率(不需要考慮成分揮發(fā)時(shí)的熱平衡問題等等)及MBE的實(shí)時(shí)檢測功能,是一種改良的MBE方法。
近年來,薄膜技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展突飛猛進(jìn),成果顯著,在原有基礎(chǔ)上,相繼出現(xiàn)了離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)、電火花沉積技術(shù)、電子束物理氣相沉積技術(shù)和多層噴射沉積技術(shù)等。
目前,芯片制造過程中關(guān)鍵的PVD設(shè)備主要包括硬掩膜(HardMask)PVD設(shè)備、銅互聯(lián)(CuBS)PVD以及鋁襯墊(AlPAD)PVD,主要使用濺射鍍膜技術(shù)。