93真空磁控溅射镀膜设备及工艺技术研究 - 三亿文库

93真空磁控溅射镀膜设备及工艺技术研究 - 三亿文库 93真空磁控溅射镀膜设备及工艺技术研究 EPE;电子工业专用设备;EquipmentforElectronicPr;工艺与制造;真空磁控溅 射镀膜设备及工艺技术研究;程建平1，杨晓东1(中国电子科技集团公司第二 研究;摘要:磁控溅射技术在薄膜制备领域广泛应用，适合的;重要的影响; ResearchoftheVacuumMagne;CHENGJianping,YANGXiaodo;(Chinaelectr EP E 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing 工艺与制造 真空磁控溅射镀膜设备 及工艺技术研究 程建平 1 ，杨晓东 1 ( 中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024) 摘 要: 磁控溅射技术在薄膜制备领域广泛应用， 适合的工艺和制造技术对磁 控溅射镀膜有着 重要的影响。 介绍了用于薄膜电路的生产工艺流程以及由此而决定的设备组成 及控制技术，并重 点叙述了薄膜制备的方法、参数选择、设备 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法。 关键 词: 磁控溅射; 镀膜工艺; 设备 中图分类号: TP2 文献标识码: A 文章编 号: 1004-4507(2009)11-0027-05 Research of the Vacuum Magnetron Sputtering Deposition Equipment and its Prdcess CHENG Jianping, YANG Xiaodong (China electronics technology group corporation the second research institute, Taiyuan 030024, China) Abstract: The technology of Vacuum Magnetron Sputtering Deposition is wide used on the field of thin film manufacture. Appropriate technics and manufacture technique have important influence to the quality of film. Flowchart of manufacturing film circuit and correlative equipment with its control technique are mainly mentioned in the article. And the article tries to solves some practical problem, such as the method , parameter and relevant equipment. Keywords: MS (Magnetron Sputtering); Deposition technics ; Deposition equipment 磁控溅射是一种物理气相沉积现象， 属于辉光 放电范畴， 利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子 来源于辉光放电中正离子对阴极靶材的溅射作用。 本设备的研制主要用于在陶瓷基片 (氧化铝、 氮化铝、 氧化铍)上淀积集成元件， 如薄膜电容、 薄 膜电感、 薄膜电阻和分布参数电路元件。沉积物包 收稿日期:2009-10-20 括: Ni/Cr-Au,TiW-Au 以及 TaN-TiW-Au。经合理的 温度频率特性好， 可 工艺 在毫米波段， 且集成度高， 尺寸小。 针对配置， 所制作元件精度高、 以工作 磁控溅射原理及具体应用， 本设备融合了 先进的设备设计及制造技术、 工艺技术、 控制技术， 保证了设备的稳定性和可靠性。 Nov( 2009 (总第 178 期 27 ) 工艺与制造 1 磁控溅射工艺流程及工艺参数 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing EP E 膜，预溅射是通过离子轰击的方法去除靶材氧化 膜， 以及其他非靶材物质。轰击出来的粒子附着在 遮挡屏上， 通过定时清洗清除出真空室。 预溅射功率根据溅射功率决定， 一般略高于溅 射功率， 时间由靶材的材料及氧化程度决定。 在镀膜过程中， 工艺的选择对薄膜的性能具有 重要的影响， 根据磁控溅射技术原理， 结合设备的 实际应用， 制定工艺流程如图 1。 基片 抽本底真空 清洗 预溅射 装片 氩气分亚 退火(可选) 表面检验 工艺流程图 抽本底真空 加热 冷却 卸片 1.6 溅射 溅射建立在等离子体的条件下， 氩气电离后形 成的正离子高速轰击靶材表面， 使靶材粒子溅射出 来到达基片表面形成薄膜。 溅射功率根据膜层厚度来决定， 本设备在 100 W 以上及可以起辉， 故选择功率应高于 100 W。 1.7 退火 靶材材料与基片材料的热膨胀系数的差异， 会 影响薄膜与基片的结合力。适当应用退火工艺， 可 以有效提高结合力。退火温度选择在 400 ?以下， 一般高于基片烘烤温度。 溅射(或多次溅射) 包装、 入库 性能测试 图1 1.1 基片清洗 薄膜基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法 清洗的主要目的是去除表面 和薄膜使用目的选定。 污物和化学污物， 还应考虑表面的粗化。一般实验 室所用的清洗方法: 去除基片表面油脂成分的清洗方法是， 首先用异丙 醇蒸汽对基片表面进行脱脂清洗， 随后用流动水充分冲 丙酮中浸泡后用干燥机 本底真空一般应控制在 2×10 快速烘干。 洗， 再依次在乙醇、 1.2 抽本底真空 Pa 以上，以尽 -4 2 系统组成及设计思路 根据磁控溅射工艺需要， 进行系统设计: 设备 主要由真空室、 真空系统、 磁控溅射源、 加热及温控 系统、 进气系统、 膜厚测量系统、 残余气体 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 系 工件转架及遮挡屏等组成。 统、 2.1 真空室 真空室的设计综合考虑各种影响设备正常运 1.3 加热 烘烤的作用包括:基片表面除气取水，提高 膜—基结合力; 消除薄膜应力， 提高膜层粒子的聚 集度。一般选择在 150,200 ?之间。 1.4 氩气分压 直流溅射建立满足辉光放电的气压条件， 一般 选择 0.01,1 Pa 范围内， 射频溅射相对于直流溅射 更容易起辉， 压力更低; 1.5 预溅射 对于靶材材料易氧化，在表面形成一层氧化 28(总第 178 期 )Nov( 2009 2.2 真空系统 由于本设备产品对膜层的高质量 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ， 极限真 空要求为 8×10-5 Pa，以尽量减少真空室内的残余 气体。为建立符合工艺要求的超高真空环境， 真空 抽 气 系 统 由 德 国 莱 宝 分 子 泵 (T1600)+ 机 械 泵 (D65B)构成， 分子泵抽速可调， 在分压的过程中可 尺寸满足 行的因素， 包括: 合理的结构(圆形立式); 量减少真空腔体内的残余气体，保证薄膜的纯洁 度。残余气体由质谱仪监测。 φ600 mm×600 mm 的内部尺寸;壳体材料低放 气 量 ( 选 用 1Cr18Ni9Ti); 度 满 足 真 空 容 器 要 求 厚 (6 mm); 冷却(腔体外壁水道); 真空密封(磁流体动 硅橡胶静密封)等。 密封、 EP E 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing 工艺与制造 减少氩气的消耗量。 2.3 磁控溅射源 磁控溅射源是设备的核心部件， 配置的优劣直 接关系到薄膜的均匀性、 致密性， 功率效率和靶材 利用率等指标。溅射源由阴极靶、 溅射电源组成。 本设备采用空间平面磁控溅射靶， 结构紧凑， 靶 尺寸容易设计较大， 从而扩大溅射沉积的均匀区。 阴极靶在设计过程中综合考虑磁场分布、 磁路、 导电、 屏蔽、 冷却、 绝缘、 密封等， 采用有限元分析的 方法， 对阴极靶进行优化设计， 设计过程如图 2。 2.7 残余气体分析系统 高真空状态下利用质谱仪实现对真空室内气 体成分进行分析， 以了解环境中存在的残余气体分 子， 监视镀膜本底环境。 2.8 工件转架及遮挡屏 工件转架用于安装待镀基片，由旋转电机带 动， 通过调节转速调节靶材粒子入射角， 调节最佳 的膜层均匀性及附着力。一般设定为 8,12 r/min。 挡屏由旋转电机带动， 预溅射时， 遮挡在阴极 靶前， 防止基片被污染。 溅射时打开， 使靶材材料到 达基片。 结 构 设 计 磁场 分布 模拟 等离 子体 分布 模拟 图2 溅射 过程 模拟 否 设计合理 设 是 计 定 型 2.9 水冷系统 设备中真空泵、 溅射靶等部分在运行过程中会产 生热量， 采用水冷的方式对各个发热部件进行冷却。 2.10 控制系统 以 PLC 作为系统控制核心，对设备进行适时 监控。 PLC 与嵌入式工控机连接， 实现数据交换， 对 设备进行操作。 工控机通过 TCP/IP 网口与管理计算机通讯， 实现数据存储、 分析以及设备维护等功能。同时管 理计算机利用 TWare32 软件管理质谱仪，实现对 图 工艺过程中的残余气体进行分析。 3 是设备硬件 系统示意图。 磁控靶设计流程图 溅射电源采用美国 AE 公司的 DC 电源(MDX 1.5 K 1.5 kW)、 电源(CESAR 1325 2.5 kW)。 RF 2.4 加热及温控系统 采用红外加热方式， 加热功率 2 kW,最高温度 400 ?。 2.5 进气系统 当设备进入本底真空后，进气系统负责充气， 使真空室的气压达到动态平衡。 为保证工艺的稳定 性， 要求真空室真空度恒定、 送气量平稳。 本设备采用 MKS 质量流量控制仪，通过软件编 辑实现气体流量的设定、 显示、 调整， 以满足工艺要求。 2.6 膜厚测量系统 薄膜厚度的掌握对薄膜的性能十分重要， 本设备 采用在线式石英晶体膜厚测量仪检测薄膜厚度。溅射 探头利用镀金晶片作为厚度检测传感器， 结构简单、 体 积小， 可用于监 控金属、 半导体或介质薄膜的厚度。 由于石英晶体的振荡频率随附加上的质量 增 加而降低， 所以测量前需设置材料参数， 保证测量 的准确性。 嵌入式工控机 COM TCP/IP Host Link 管理站 TCP/IP COM 质谱仪 CJ1W-AD081-V1 CJ1W-AD081-V1 CJ1W-CPU13 CJ1W-OC211 CJ1W-OC211 开 关 量 输 入 图3 开 关 量 输 入 温度 信号 采集 及控 制 水 温 检 测 压力 / 速 度 / 流量 / 溅射电 源等模 拟输入 速度 / 流量 / 功率等 模拟输 出 硬件系统示意图 Nov( 2009 (总第 178 期 29 ) CJ1W-FS08V CJ1W-TC003 CJ1W-PTS52 CJ1W-ID211 CJ1W-ID211 工艺与制造 3 工艺过程 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing EP E 在允许范围内调节。 3.2 溅射功率对薄膜质量的影响 在不同溅射功率下制备 AL 膜， 测试附着力发 现， 随着功率的不断增加， 附着力越来越好。 实验说明， 功率太小会使膜层结构疏松、 颗粒 大; 提高功率， 部分高能溅射粒子产生不同程度的 注入现象， 在薄膜与基片之间形成伪扩散层， 提高 附着力。 但是， 当功率太高时， 由于膜层内应力增大， 会 导致膜层破裂。实验表明，当功率超过 20 W/cm2 后， 结合力明显下降。 3.3 气压对成膜速率的影响 在功率为 1 000 W 的情况下， 逐渐增加工作 气压， 察沉积速率的变化， 出变化关系如图 观 绘 5。从中可以看出， 气压在 0.1,0.2 Pa 之间时沉 积速率最大， 这是因为， 当气压低于一定限制时， 气体离子密度小， 足以形成等离子体; 着气 不 随 压的不断上升， 子密度增大， 射速率随之增 离 溅 加; 当气压高到一定程度时， 由于离子密度太大， 在基底、 膜材料一定的情况下， 艺参数 薄 工 的选择对成膜速率、膜层质量有很大的影响， 因 此结合理论与实验掌握最佳的溅射功率和气压 本项目在工艺试 对于设备的有效利用至关重要。 验过程中重点研究了功率、 气压对成膜速率和质 量的影响。 试验过程中采用膜厚测量仪在线测量沉 积速率，同时在溅射前利用特别设计的工装， 遮挡基片的部分， 作台阶， 用台阶仪测量 制 利 薄膜的厚度均匀性。膜层附着力的测试， 用 采 压带测量法， 具有一定粘着力的胶带粘到薄 将 膜表面， 剥离胶带的同时， 察薄膜剥落的 在 观 难易程度。 3.1 溅射功率对成膜速率的影响 在气体压力(0.1 Pa)一定的条件下， 不断增溅 射功率， 观察溅射速率， 绘出曲线如图 4。 20 15 沉积速率 /nm min-1 ? 使溅射离子平均自由程减小， 从而又使溅射速率 下降(见图 5)。 14 12 沉积速率 /nm min-1 ? 10 8 6 4 2 溅射功率 /W 0 图4 不同功率下的沉积速率 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 工作压力 /Pa 从图中可看出， 薄膜沉积速率随着功率的增大 呈线性增大， 但是当功率增大到 1 400 W 时突然下 降。这是由于靶材可承受功率是有限的， 阴极靶与 屏蔽罩的绝缘性能随着功率的加大而下降， 导致电 压下降、 电流上升， 引起拉弧现象。因此， 功率应当 30(总第 178 期 )Nov( 2009 图5 不同功率下的沉积速率 3.4 气压对薄膜结合力的影响 薄膜的形成是靶材粒子经过吸附、 凝结、 表面 扩散迁移、 碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸 EP E 电 子 工 业 专 用 设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing 工艺与制造 附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结， 最 后形成连续状薄膜。气压的大小影响粒子能量， 进 而影响薄膜晶核的形成。 气压过低时， 溅射粒子能量大， 在基片上容易 溅射粒子在飞向基片的过程中与氩气原子碰撞几 率增加， 到达基片时能量减小， 有利于去除高能造 成的缺陷; 但当气压太高时， 溅射粒子到达基片时 能量太低， 又影响到薄膜的结晶。 通过实验分析发现， 当溅射气压在 0.1,0.3 Pa 时， 薄膜附着力最好， 因此认为在该范围内的压力 对于设备较为适合。 3.5 薄膜均匀性分析 图9 0.0010 H/mm 0.0000 -0.0005 形成小丘或空洞， 造成薄膜缺陷; 随着压强的升高， 0.0005 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 x/mm 下区厚度分析 在陶瓷片上沉积 Ni/Cr 合金膜， 功率 1 000 W， 工 沉 气 压 0 . 1 Pa ， 件 旋 转 速 度 9 rad/min ， 积 时 间 1 h。 数据分析软件绘制结果如图所示，经计算分析， 所 获得膜层均匀性可达到?5%，满足集成电路设计 要求(见图 6,图 8)。 H/mm 0.0010 利用 三亿文库包含各类专业文献、生活休闲娱乐、外语学习资料、行业资料、中学教育、应用写作文书、高等教育、各类资格考试、专业论文、幼儿教育、 小学 小学生如何制作手抄报课件柳垭小学关于三违自查自纠报告小学英语获奖优质说课课件小学足球课教案全集小学语文新课程标准测试题 教育、文学作品欣赏等内容。