第6章 PVD工艺.doc

1、第六章 PVD 工序6.1 PVD 工艺的目的溅射法利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底玻璃基板，从而沉积在基板表面形成薄膜。在上述薄膜沉积的过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的放电现象密切相关。6.2 PVD 工艺的基本原理6.2.1 气体放电现象在介绍 PVD 工艺原理之前，首先简单讨论一下气体放电过程。设有如下图那样的一个直流气体放电体系。开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少

2、量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个垂线段） ；汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。 汤生放电后期称为电晕放电。辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体

3、。电流大幅度增加，放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。6.2.2 溅射沉积装置6.2.2.1 直流溅射直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适用于导电性较好各类合金薄膜。在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作

4、用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。6.2.2.2 射频溅射使用直流溅射方法可以很方便地溅射沉积各类合金薄膜，但这一方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性，要用直流溅射方法溅射导电性较差的非金属靶材，就需要大幅度地提高直流溅射电源的电压，以弥补靶材导电性不足引起的电压降。射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。两极间接上射频（530MHz，国际上多采用美国联邦通讯委员会（FCC ）建议的 13.56MHz）电源后，两极间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更

5、有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（10Pa 左右）产生二次电子来维持放电过程，沉积速率也因此时气体散射少而较二极溅射为高。6.2.2.3 磁控溅射相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有两个缺点。第一，溅射方法沉积薄膜的沉积速度较低；第二，溅射所需的工作气压较高，电子的平均自由程较短，放电现象不易维持。这两个缺点的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可能性较高。因而，磁控溅射技术作为一种沉积速度较高，工作气体压力较低的溅射技术具有其独特的优越性。磁控溅射的特点（1）工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；（2）维持放电所需的靶电压低；

6、（3）电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉积温度；（4）容易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。但是，磁控溅射也存在着对靶材的溅射不均匀、不适合于铁磁性材料的溅射的特点。6.2.2.4 反应溅射制备化合物薄膜时，可以考虑直接使用化合物作为溅射的靶材。但有时化合物的溅射会发生分解的情况。这时，沉积所得到的薄膜往往在化学成分上与靶材有很大的差别。比如，在溅射 SnO2、SiO 2等氧化物薄膜时，经常会发生沉积产物中氧含量偏低的情况。解决问题的方法可以是调整溅射室内的气体组成和压力，在通入 Ar 气的同时通入相应的活性气体，从而抑制化合物的分解倾向。但另一方面，也可以采用纯金属作为溅射靶材

7、，但在工作气体中混入适量的活性气体如 O2、N 2、NH 3、CH 4、H 2S 等的方法，使金属原子与活性气体在溅射沉积的同时生成所需的化合物。6.3 溅射设备的构成6.3.1 溅射设备构成图离子的生成 付着强度、膜厚分布、段差被覆性真空槽，排气系统气体供应系统阴极基板电极系统基板搬送系统6.3.2 溅射的特性 付着强度高。被溅射出的原子以50eV 的能量入射，并沉积在基板上。由于溅射气压低，被溅射出的原子出射方向性强，对基板上斜坡区域被覆性好。 比较容易获得均匀分布的薄膜，适用于大面积成膜。 可以使用合金靶材，容易控制沉积合金膜。 没有阴极设置方向的制约。 容易实现设备枚叶化布局。这样的设

8、备成膜再现性能好，可以对时间，功率进行控制，靶材更换频率低，适合量产。6.3.3 不同的溅射方法受重力影响的 Particle 一般粒径比较大，1 微米以下的颗粒主要受气体运动的影响。考虑到 PARTICLE 跌落到基板引起不良的可能性，目前一般使用平行溅射的方法。6.3.4 真空腔及排气系統6.3.4.1 真空的目的：1.防止阴极，靶材的氧化及不纯物的影响。2.保持气体导入时低压放电。6.3.4.2 排气系统 一般使用两级组合泵 初级泵一般使用干泵，将压力由大气压抽到一定的真空度 次级泵可以使用低温泵、分子泵等，他们在腔体达到一定的真空度后启动，将腔体抽到更高的真空度。 为了控制气体压力、有

9、时也使用电磁阀。6.3.4.3 真空腔的材料为了防止腔体材料自身放出气体，真空腔一般使用 SUS304、铝合金等材料制作。6.3.4.4 维持真空的技巧 烘烤灯 采用原锁定式，返回式，连续式，多真空式。6.3.5 基板电极 平行平板型阴极 DC 的场合，需要高压力产生放电。 RF 溅射用的比较多，速度慢，等离子扩散大，会对基板产生等离子影响。磁控阴极 靶材内面侧设置磁气回路，在靶材表面露电磁场形成磁感应。 磁场上来电子封闭，提高放电功率，可得到高速度，但靶材使用效率低。 等离子扩散小，突入基板的电子也少。6.3.6 阴极的构造靶材表面的漏电磁场 靶材表面的等离子6.3.7 磁控阴极的种类固定永

10、久磁铁，磁控阴极。 电磁铁，磁控阴极。 回转永久磁铁，磁控阴极。6.3.8.阴极及溅射法分类溅射方式（RF 和 DC 溅射)RF 溅射 对 SiO2 等绝缘膜的溅射也可进行。 使用同一功率、与 DC 相比溅射速度约为一半。 需要功率匹配箱、机构比较复杂。 通常用 13.56MHz 的高周波电源。 与 DC 溅射相比对基板损伤大。 没有对向电极也可发生放电。 在电磁铁阴极扫描等离子时，由于放电阻抗依次变化，匹配箱不能跟踪。DC 溅射 电子被磁场形成的隧道捕获，连续做摆线运动，不断与 Ar 碰撞而产生浓密度的等离子。沿着磁场发生等离子。 不可以溅射绝缘膜。 采用数百 V 的直流电源。 与 RF 相

11、比速度快、对基板的损伤少。6.3.9 基板電極基板电极的工作。基板保持-根据溅射方向，有各种保持方法，在半导体制造工程上，面向上为主流。基板加热-与蒸发时的目的相同。基板冷却-基板温度不可以上升太多时或需要冷却时，有必要设置冷却。基板加偏压-为了增强付着强度和改善台阶处被覆性能，有时在基板上加 RF 或 DC 电压。6.3.10 .基板偏压机构6.3.11 .基板加热/冷却机构6.4 PVD 主要工艺参数和工艺质量评估1. 电极参数1.除去不纯物，表面活性化，付着力增强。2.过积部分采用 Ar+，增加段差内膜厚。3. 由于机构复杂，成铝膜时，膜中会混入很多Ar，使用时要注意。1 可按照要求加热

12、，加热速度快2 温度比较均匀，需要数百Pa 的气体，不能全面加热。3 接触式加热可以全面加热。2. Process parameterpower(电源 )pressure(压力)target-to-substrate distance(靶材表面距离)Mic-ratio of reaction gas(推进气体)substrate temperature(表面温度)3. PVD EQ EvaluationHard ware 硬件vacuum condition（真空状态）Temperature uniformity（温度均匀性）p-q test(pressure)（压力测试）4. process

13、（过程）Rs (Sheet resistance)Transmittance（传送）Reflectance（反射）Film stress（膜粘接力）Thickness measurement（测膜厚）Adhesion test6.5 靶材介绍溅射靶材用在大面积镀膜玻璃、显示领域、计算机及集成电路等技术领域中。由于其使用性能各异，对靶材的要求也不同。靶材的种类按其组成分为纯金属、合金及化合物靶材三大类。在 TFT 阵列工艺中，靶材（target) 用于 PVD 设备上作为阴极，经溅射沉积形成 TFT 的 gate 电极、source/drain 电极、ITO 像素电极的原材料。TFT 电极结构示

14、意图(天马)6.5.1 Where is target used？如下图所示即为一个磁控溅射原理示意图，与阴极相连的即为溅射靶材。 Gate layer: 1st layer Al-Nd150nm2nd lyr Mo S/D layer : Mo 20nm ITO layer: 50 nmN SSSN N-+ TargetPlasmaDischargeSubstraten mTorr ArHolder plateMagnets如下图所示为靶材的外观样式，TFT-LCD 用溅射靶材的厚度一般为612mm，靶材的尺寸根据生产线的代数不同而不同，代数越高，其溅射靶材的尺寸越大。天马的 TFT 生产线

15、为 4.5 代线，用于溅射的靶材有三种分别为 Al-Nd(Al)靶，Mo(Mo-Nb)靶和 ITO(IZO)靶，分别用于 Gate 电极、S/D 电极和像素电极材料。靶材的尺寸规格为 1130mmx1200mmx10mm(Al-Nd、Mo)，1130mmx1200mmx6mm (ITO)。当靶材料制作好之后，需将靶材邦定在背板(backing plate)上，而背板一般是用铜制成的，背板后面有水冷通道，目的是在溅射工艺过程中使靶材更好的散热同时避免靶材在溅射过程中出现弯曲和变形。6.5.2 电极材料的选择：电极的原材料(target)与 panel 的 size 以及 resolution 紧

16、密相关，larger size 和higher resolution 的 panel 要求低电阻的材料，以便减少 RC delay。同时还要从材料的工艺特性及价格等方面进行考虑和选定。Metal film Resistivity (cm)Cu 2.1Al 3Al-Nd 4.5Mo 10Mo-Nb 15Mo-W 15Ta 45Mo-Ta 35Cr 30从上表可以看出，Cu 由于电阻率最低应该是 Gate 电极和 Source/drain 电极配线材料的最佳选择，但在器件构造方面，Cu 与 SiO2 或玻璃基板的附着力太低，同时表面易氧化，表面电阻高及刻蚀不稳定等缺点，因此还需要进一步的研究和改良

17、。由于 Al 及 Al 合金具有优良的导电性能，很低的电阻率(=2.7 -cm),同时又与 Si 或 SiO2 有非常好的相容性，因此一直以来都被用来作为配线电极材料。但铝容易被腐蚀(Cl)和氧化，而且在之后的受热过程中由于铝膜与玻璃基板的热膨胀率不同，产生应力，容易在电极表面形成突起物(hillock)，这会导致短路等不良产生，因此为了提高电极的抗 hillock 能力，我们一般选用 Al-Nd 合金作为 Gate 电极材料，同时为了在蚀刻过程中形成好的 taper angle 或 taper edge，以形成良好的台阶覆盖，我们在 Al-Nd 合金膜表面覆盖一层 Mo 膜。在选择 Sour

18、ce/drain 电极时，以前的 LCD 厂多使用金属铬，因 Cr 不但熔点高，并且抗氧化性和抗腐蚀性好，且刻蚀稳定性强。但由于 Cr 的电阻率较高，为了降低电阻率和减少 RC delay，需要增大线宽，这样会降低开口率，导致功耗增加。同时 Cr 刻蚀后易形成 Cr6+，对环境会产生污染，将来必然会受到使用的限制，因此我们选用电阻率更低、接触电阻(contact resistance)更小同时对环境无污染的 Mo 作为 S/D 电极来代替 Cr。金属薄膜如Au，Ag，Cu(10 2)等,虽然很低的电阻率，但同时它们具有很低的透光率，所以很难应用到LCD上；而一些宽带隙氧化物半导体虽然电阻率比金属膜高，但由于带隙较宽(3ev) ，对可见光的吸收和反射较少，所以它们具有很高的可见光透过率(85% 以上 )，在LCD产业中一般使用氧化物半导体ITO作为LCD的像素电极。 目前广泛使用的氧化物半导体薄膜是ITO膜(氧化铟锡膜)，因为它不但具有低电阻率、高可见光透过率，还具有易于刻蚀和图案成形及稳定性好等特点。制作ITO膜所使用的靶材为氧化铟锡合金靶，它的基本组成为In 2O3: SnO2 (90/10)，ITO靶的制造方法主要有热压法(HP)、冷压法(CP)及热等静压法(HIP) 等，ITO靶材的性