超高真空多功能磁控濺射設(shè)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(xué)氣相沉積(CVD)

和電化學(xué)沉積。物理氣相沉積中只發(fā)生物理過(guò)程，化學(xué)氣相沉積中包含了化學(xué)反應(yīng)過(guò)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?種超高真空中進(jìn)行的緩

慢的真空蒸發(fā)過(guò)程，它可以用來(lái)生長(zhǎng)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，在沉積多元合金薄膜時(shí)化學(xué)成分容易控制，沉積

層對(duì)襯底的附著力較好，可以大面積成膜等。

近幾十年來(lái)，磁控濺射技術(shù)已經(jīng)成為最重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應(yīng)用于工業(yè)

生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。如在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中，利用磁控濺射技術(shù)在工件表面鍍制功能

膜、超硬膜、自潤(rùn)滑薄膜。在光學(xué)領(lǐng)域，利用磁控濺射技術(shù)制備增透膜、低輻射膜和透明

導(dǎo)膜，隔熱膜等。在微電子領(lǐng)域和光、磁記錄領(lǐng)域磁控濺射技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。例如

在微電子領(lǐng)域制備Cu互聯(lián)薄膜等。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解超高真空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(jìn)

樣室和生長(zhǎng)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(jìn)樣室和生長(zhǎng)室間的傳遞、靶的安裝要點(diǎn)等。

三、實(shí)驗(yàn)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(duì)于作為陽(yáng)極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。在對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空

以后，通進(jìn)少量惰性氣體(如氧氣)，壓力一般處于10"~10Pa的范圍內(nèi)。在正負(fù)電極高

壓的作用下，極間的氣體原子將被大量電離。電離過(guò)程使Ar原子電離為Ar+離子和可以

對(duì)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中電子飛向陽(yáng)極，而帶正電荷的Ar+離子則在高壓電場(chǎng)的加速作用

下飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過(guò)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(dāng)高的能量，使其可以脫離靶材的束縛而飛向襯底，在襯

底上成膜。當(dāng)然，在上述這種濺射過(guò)程中，還可能伴隨有其它粒子，如二次電子、離子、

光子等從陰極發(fā)射。

濺射法受到大力發(fā)展和重視的一個(gè)重要原因在于這種方法易于保證所制備薄膜的化

學(xué)成分與靶材基本一致，而這一點(diǎn)對(duì)于蒸發(fā)法很難做到。

濺射法使用的靶材可以根據(jù)材質(zhì)分為純金屬、合金及各種化合物。金屬與合金的靶

材可以用冶煉或粉末冶金的方法制備，其純度及致密性較好；化合物靶材多采用粉末熱

壓的方法制備，其純度及致密性往往要稍遜于前者。

主要的濺射方法可以根據(jù)其特征分為以下四種：（1）直流濺射；（2）射頻濺射；（3）

磁控濺射；（4）反應(yīng)濺射c

2直流濺射法

直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射。在直流濺射過(guò)程中，常用氤氣Ar作為工作氣

壓。工作氣壓是一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)濺射速率以及薄膜的質(zhì)量都具有很大的影響。

當(dāng)經(jīng)過(guò)加速的入射離子轟擊靶材（陰極）表面時(shí)，會(huì)引起電子發(fā)射，在陰極表面產(chǎn)

生的這些電子，開(kāi)始向陽(yáng)極加速后進(jìn)入負(fù)輝光區(qū)，并與中性的Ar原子碰撞，產(chǎn)生自持

的輝光放電所需的Ar+離子。在相對(duì)較低的氣壓條件下，Ar原子的電離過(guò)程多發(fā)生在距

離靶材很遠(yuǎn)的地方，因而Ar+離子運(yùn)動(dòng)至靶材處的兒率較小。同時(shí)，低氣壓下電子的自

由程較長(zhǎng)，電子在陽(yáng)極上消失的幾率較大，而Ar+離子在陽(yáng)極上濺射的同時(shí)發(fā)射出二次

電子的幾率又由于氣壓較低而相對(duì)較小。因此，在低工作氣壓下Ar原子的離化效率很

低，濺射速率和效率很低,

隨著氧氣工作氣壓的增加，電子平均自由程減小，原子電離幾率增加，濺射電流增

加，濺射速率提高。但當(dāng)氣壓過(guò)高時(shí)，濺射出來(lái)的靶材原子在飛向襯底的過(guò)程中將會(huì)受

到過(guò)多的散射，因而其沉積到襯底上的兒率反而下降。因此隨著氣壓的變化，濺射沉積

的速率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極值。一般來(lái)講，沉積速度與濺射功率成正比，與靶材和襯底之間的

間距成反比。

濺射氣壓較低時(shí)，入射到襯底表面的靶材原子沒(méi)有經(jīng)過(guò)多次碰撞，能量較高，這有

利于提高沉積時(shí)原子的擴(kuò)散能力，提高沉積組織的致密程度。濺射氣壓的提高使得入射

的原子能量降低，不利于薄膜組織的致密化。

3射頻濺射法

采用直流濺射法需要在濺射靶上加一負(fù)電壓，因而就只能濺射導(dǎo)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(shí)表面的離子電荷無(wú)法中和，于是靶面電位

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(jī)會(huì)就會(huì)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(duì)于導(dǎo)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一射頻濺射法(RF)法。

射頻濺射裝置相當(dāng)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(luò)和電源

所代替。它是利用高頻電磁輻射來(lái)維持低氣壓(約2.5x10-2pa)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(gè)周期內(nèi)正離子和電子就可以

交替地轟擊靶，從而實(shí)現(xiàn)濺射介質(zhì)靶材的目的。當(dāng)靶電極為高頻電壓的負(fù)半周時(shí)，正離

子對(duì)靶材進(jìn)行轟擊引起濺射，同時(shí)靶材表面會(huì)有正電荷的積累；當(dāng)靶材處于高頻電壓的

正半周時(shí)，由于電子對(duì)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「由干在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)靶材既有濺射又有中和，故能使濺射持續(xù)進(jìn)

行，這就是射頻濺射法能夠?yàn)R射介質(zhì)靶材的原因。

從上所述可知，在一個(gè)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，就相當(dāng)于在高頻電路中加了一個(gè)阻塞電容器C,使靶面形成一個(gè)直流負(fù)電位，即負(fù)

的自偏壓，從而使靶材受到離子轟擊的時(shí)間和電壓都會(huì)增加。

實(shí)際應(yīng)用的高頻濺射系統(tǒng)中，常采用非對(duì)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(huì)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(jìn)行高頻濺射鍍膜。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(guó)際上通常采用的射頻頻率多為美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)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(gè)缺點(diǎn)：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(duì)薄膜產(chǎn)生污染的可能性提高。

磁控濺射技術(shù)是從70年代發(fā)展起來(lái)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(diǎn)。一般磁控濺射的靶材與磁場(chǎng)的布置形式如圖2.1所示，這種磁場(chǎng)

設(shè)置的特點(diǎn)是在靶材的部分表面上方使磁場(chǎng)方向與電場(chǎng)方向垂直，從而進(jìn)一步將電子的

圖2JGP560D超高真空磁控濺射儀的結(jié)構(gòu)示意圖

6cm,樣品轉(zhuǎn)盤和靶基都采用循環(huán)水冷卻。在靶材和樣品轉(zhuǎn)盤之間有一擋板，擋板中留

有一個(gè)與靶材直徑相同的孔洞，在預(yù)濺射時(shí)擋住靶材，不致于濺射到襯底上，也可以用

來(lái)選擇濺射不同的襯底。樣品轉(zhuǎn)盤和擋板都可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，其轉(zhuǎn)速可精畫(huà)控制。

在樣品支架上可以加一條形磁鐵，在制備樣品時(shí)根據(jù)需要可以加誘導(dǎo)磁場(chǎng)。該設(shè)備既可

以共濺制備合金層和制備層狀膜，也可以制備成楔形結(jié)構(gòu)或均勻膜，并可以精確控制膜

層厚度和多層膜層數(shù)，從而可以非常方便地制備出具有良好調(diào)制周期的各類多層膜。設(shè)

備濺射前背景真空度可達(dá)5.0XIO-6Pa(3.8XIO8Torr),濺射時(shí)我們一般采用0.3—0.45Pa

的氮?dú)鈿鈮骸?/p>

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.襯底的清潔處理

襯底的清洗處理方法很多，并因襯底材料不同而異。對(duì)硅和玻璃襯底，可以先用

有機(jī)溶劑(丙酮、乙醇等)除去表面油污，然后用濃硫酸和雙氧水煮沸，后用去離子水

沖洗干凈并烘干。

2.濺射靶的安放

(1)接通冷卻水；啟動(dòng)總電源；

(2)確認(rèn)Gl、G3、VI、V2、V3、V5已關(guān)閉，打開(kāi)V4和閘板閥G2向?yàn)R射室充入N2。

當(dāng)濺射室氣壓達(dá)到大氣壓時(shí)關(guān)閉V4和G2；

(3)檢查定位銷、機(jī)械手、磁力傳遞桿是否處于安全位置；按電源“升”按鈕，升起真

空室頂蓋，換靶(屏蔽罩與靶蓋的距離在1?3mm),用萬(wàn)用表測(cè)量保證靶蓋與屏蔽

罩絕緣；

(4)按下控制電源“降”按鈕，降下大法蘭頂蓋，注意找正，小心發(fā)生碰撞。

3.取進(jìn)樣

(1)打開(kāi)V4。當(dāng)進(jìn)樣室氣壓達(dá)到大氣壓時(shí)關(guān)閉V4；打開(kāi)閘板閥G2；推送磁力傳遞桿進(jìn)

入主濺射室，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤手柄，使轉(zhuǎn)盤對(duì)準(zhǔn)襯底定位指針，將傳遞桿叉子插入完成鍍

膜的樣品托槽內(nèi)，再用手動(dòng)機(jī)械手幫助，使得傳遞桿叉子夾持樣品托回進(jìn)樣室；旋

轉(zhuǎn)樣品庫(kù)手柄到適當(dāng)高度，將磁力傳遞桿上的樣品托送入指定的樣品庫(kù)位置，如此

連續(xù)取放完畢所有樣品；

(2)要取出的樣品托全部放置到樣品庫(kù)后打開(kāi)進(jìn)樣室閥門，取/進(jìn)樣；關(guān)閉進(jìn)樣室；用磁

力傳遞桿夾緊樣品后旋轉(zhuǎn)180°,再將樣品送入濺射室；轉(zhuǎn)動(dòng)濺射室大法蘭上面的

轉(zhuǎn)盤手柄，從觀察窗觀察使定位銷與轉(zhuǎn)盤定位口重合時(shí)，推動(dòng)定位銷，使轉(zhuǎn)盤定位,

再推動(dòng)磁力傳遞桿，將樣品托進(jìn)入轉(zhuǎn)盤定好的位置，將樣品從磁力傳遞桿上送入轉(zhuǎn)

盤槽內(nèi)；

(3)啟動(dòng)機(jī)械泵n和機(jī)械泵I,打開(kāi)V5；打開(kāi)復(fù)合真空計(jì)監(jiān)測(cè)真空度；

(4)當(dāng)真空度低于10Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵T2,打開(kāi)閘板閥G1；打開(kāi)超高真空計(jì)DL-7監(jiān)

測(cè)真空度。

4.濺射系統(tǒng)的關(guān)閉

(1)關(guān)閉系統(tǒng)所有閥門：Gl、G2、V5；

(2)關(guān)閉各路儀表，關(guān)閉分子泵Tl、T2：關(guān)閉機(jī)械泵I、機(jī)械泵II,總電源和冷卻水。

六、思考題

1.按放濺射靶時(shí)的注意事項(xiàng)。

2.濺射鍍膜的特點(diǎn)。

濺射法在制備半導(dǎo)體薄膜材料中的應(yīng)用

一、引言

近幾十年來(lái)，磁控濺射技術(shù)已經(jīng)成為最重要的沉積鍍膜方法之一。廣泛應(yīng)用于工業(yè)

生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。如在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中，利用磁控濺射技術(shù)在工件表面鍍制功

能膜、超硬膜、自潤(rùn)滑薄膜。在光學(xué)領(lǐng)域，利用磁控濺射技術(shù)制備增透膜、低輻射膜和

透明導(dǎo)膜、隔熱膜等。在微電子領(lǐng)域和光、磁記錄領(lǐng)域磁控濺射技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。

例如在微電子領(lǐng)域制備Cu互聯(lián)薄膜等。

ZnO是一種新型的n?VI族寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，與GaN具有相近的晶格常數(shù)

和禁帶寬度，原料易得廉價(jià)，而且具有更高的熔點(diǎn)和激子束縛能以及良好的機(jī)電耦合性

和較低的電子誘生缺陷。它是較早進(jìn)入材料研究領(lǐng)域并且得到廣泛應(yīng)用的金屬氧化物之

一。隨著軍事、空間科學(xué)、通訊和建筑等領(lǐng)域?qū)π滦吞厥獠牧系牟粩嘁?，自二十世紀(jì)

六十年代開(kāi)始，薄膜材料以其特有的性質(zhì)逐步成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)并得到廣泛應(yīng)

用。薄膜形態(tài)ZnO的研究開(kāi)始于上世紀(jì)七十年代初期，研究主要集中在多晶ZnO薄膜的

制備、壓電特性和透明導(dǎo)電特性等方面。到了1980年以后，多晶ZnO薄膜的研究逐步進(jìn)

入了高潮，關(guān)于多晶ZnO薄膜各方面性質(zhì)的研究不斷深入，大量的研究成果和論文出現(xiàn)。

最近幾年，隨著ZnO光泵浦紫外受激輻射的獲得和P型摻雜的實(shí)現(xiàn)，ZnO薄膜作為一種新

型的光電材料，在紫外探測(cè)器、LED、LD等領(lǐng)域也有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?999年10月，

在美國(guó)召開(kāi)了首屆ZnO專題國(guó)際研討會(huì)，會(huì)議認(rèn)為“目前ZnO的研究如同Si、Ge的初期

研究”。世界上逐漸掀起了ZnO薄膜研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的熱潮。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.進(jìn)一步熟悉濺射法制備半導(dǎo)體薄膜的過(guò)程，理解薄膜的形成理論。

2.利用射頻濺射法成功制備出半導(dǎo)體ZnO薄膜。

三、實(shí)驗(yàn)原理

薄膜形成的理論主要有兩個(gè)模型，一個(gè)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)的唯象理論，另一個(gè)是建

立在統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)上的原子模型。由于依據(jù)的物理基礎(chǔ)的差異，前者主要描述大量原子

和原子集團(tuán)行為，而后者不僅可以描述大量原子行為，也適用于少數(shù)原子的行為。

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Volmer-WeberS!FrankwanberMer囚巳型Straski-KrastanovS!

圖1-1薄膜生長(zhǎng)過(guò)程示意圖

薄膜材料的生長(zhǎng)過(guò)程由于材料性質(zhì)和制備方法的差異會(huì)有很大的差別。濺射法制備

薄膜材料可以看作是從濺射靶上濺射出的氣相原子或者原子團(tuán)在襯底表面凝聚為固相

的過(guò)程。如果是反應(yīng)濺射或者濺射化合物靶材，還會(huì)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。薄膜生長(zhǎng)過(guò)程是

否可以持續(xù)，被濺射原子能否凝聚到襯底材料表面是關(guān)鍵問(wèn)題。研究表明這一過(guò)程與襯

底溫度有密切關(guān)系，入射原子數(shù)與襯底溫度有如下關(guān)系：

9292?840

nc=4.7x10exp（-竺＞）（1-1）

上式中正和Tc分別是臨界入射原子密度（原子數(shù)/cnAec）和襯底臨界溫度。不難

發(fā)現(xiàn)，如果到達(dá)襯底的原子數(shù)目小于臨界入射原子密度，或者襯底溫度太高使得入射原

子數(shù)密度小于臨界值，薄膜的沉積都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通常我們用凝結(jié)系數(shù)a來(lái)表征薄膜生長(zhǎng)，

它被定義為凝聚到襯底上的原子數(shù)與入射原子數(shù)之比。顯然，薄膜沉積條件是凝結(jié)系數(shù)

仁1。也應(yīng)當(dāng)注意到的是凝聚系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，它與源物質(zhì)種類、入射原子密度、襯

底溫度和薄膜厚度等多種因素有關(guān)。

薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程分為三種類型，如圖1-1所示，它們分別是核生長(zhǎng)型（Volmer-Weber

型）、層生長(zhǎng)型（Frank-vanberMerweffi!）和層核生長(zhǎng)型（Straski-Krastanov型）。不同

的材料（薄膜材料和襯底材料）具有不同的生長(zhǎng)類型，不同的生長(zhǎng)類型成膜過(guò)程也有差

異。在薄膜生長(zhǎng)初期進(jìn)行原位高分辨率電子顯微鏡觀測(cè)可以確定其生長(zhǎng)類型和不同生長(zhǎng)

階段的特征。

關(guān)于濺射法薄膜目前被大家普遍接受的模型是由J.A.Therton提出的結(jié)構(gòu)帶模型

（TheStructureZoneModel,SZ模型）。如圖1-2所示,此模型給出了濺射法薄膜的微

結(jié)構(gòu)與襯底溫度Ts和濺射工作氣壓的關(guān)系。根據(jù)該模型，不同襯底溫度和濺射工作氣壓

范圍內(nèi)，薄膜的微結(jié)構(gòu)可以分為四種類型，也就是匹個(gè)區(qū)域，這些微結(jié)構(gòu)區(qū)域分別是：

區(qū)域1,結(jié)構(gòu)疏松的楔形晶粒和高濃度孔隙混合區(qū)；

區(qū)域2,由排列緊密的柱狀晶粒構(gòu)成，薄膜表面平整；

區(qū)域3,再結(jié)晶區(qū)域。

過(guò)渡區(qū)域（圖1-2中未標(biāo)出），此區(qū)域由大量的纖維狀晶粒構(gòu)成。

如圖1-2所示，上述幾個(gè)區(qū)域的劃分與襯底溫度和工作氣壓都有關(guān)系。以襯底溫度Ts

和薄膜材料熔解溫度Tm的比值T/Tm為溫度量度標(biāo)尺，當(dāng)TsHn小于0.25且濺射工作氣

壓高（3Pa以上），薄膜微結(jié)構(gòu)處于區(qū)域1,這是由于入射原子能量低且襯底溫度低，使

得原子在襯底表面遷移率低造成的，此區(qū)域中不僅晶粒尺寸小，而且晶粒間有大量的空

圖1-2濺射法薄膜的SZ模型

隙存在；隨著襯底溫度的升高，薄膜結(jié)晶狀況有所改善，晶粒尺寸增大且晶粒間空隙減

少；當(dāng)襯底溫度進(jìn)一步增大到超過(guò)Ts/Tm>0.3且濺射工作氣壓降低（小于IPa）就進(jìn)入

了區(qū)域2,晶粒尺寸進(jìn)一步增大，薄膜由排列緊密的柱狀晶粒構(gòu)成，薄膜表面平整度增

大，這是與入射原子能量進(jìn)一步提高和原子在襯底表面的遷移率增加有關(guān)；襯底溫度超

過(guò)熔點(diǎn)的35%后，薄膜微結(jié)構(gòu)具有區(qū)域3的特征，薄膜中出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，此時(shí)晶粒尺

寸更大，薄膜表面變得粗糙且有細(xì)小裂紋出現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)了SZ模型描述的濺射法薄膜微結(jié)構(gòu)的正確性，所以作為此模型推

導(dǎo)基礎(chǔ)的有效遷移率觀點(diǎn)反映了濺射法制備薄膜材料過(guò)程中的真實(shí)情況，此模型對(duì)于確

定薄膜制備條件和分析薄膜結(jié)構(gòu)與沉積條件的依賴關(guān)系都具有參考價(jià)值。

四、實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用中國(guó)沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心有限公司制造的JGP500D1型超高真空多功

能磁控濺射設(shè)備。此設(shè)備是帶有進(jìn)樣室的超高真空多功能磁控濺射鍍膜設(shè)備。它可用于

超高真空背景下，磁控濺射方式制備各種金屬薄膜、介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。在鍍膜工

藝條件下，采用先進(jìn)的微機(jī)控制濺射樣品轉(zhuǎn)盤和靶極擋板，既可以制備單層薄膜，又可

以制備各種多層薄膜。就總體結(jié)構(gòu)而言，該設(shè)備分為真空系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)這

三部分。真空系統(tǒng)提供了薄膜材料制備的環(huán)境條件，如圖2所示；機(jī)械系統(tǒng)包括濺射室、

樣品預(yù)處理室的開(kāi)啟機(jī)構(gòu)、樣品的置入與取出機(jī)構(gòu)和濺射靶位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；控制系統(tǒng)為兩

個(gè)電源控制箱組成，用于濺射靶和襯底偏壓的加載和控制、控制真空機(jī)組、樣品室的照

明與烘烤和設(shè)備各必要部分的真空度測(cè)量。

圖2.設(shè)備直空系統(tǒng)圖示

VI-V9：調(diào)節(jié)閥門，其中V4是直通大氣的放氣閥；

Gi?G3：截止閥，Gi位于設(shè)備后部，用于隔離濺射室與分子泵；G2用于隔離濺射

室與進(jìn)樣室；G3用于隔離進(jìn)樣室與分子泵；

Ti?T2：分子泵；

RLR2：機(jī)械泵;

MFC1?3：質(zhì)量流量計(jì)；

A、B、C、0：外部氣體接口；

DF：隔離電磁閥

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.預(yù)處理

我們選用的襯底材料是普通玻璃片，先將其分割為2()mmX20mm小片，然后用如

下的標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行清洗：(1)中性清洗劑；(2)去離子水30?50,C超聲波清洗；(3)

王水(HNO3：HCL=3:1)浸泡5min;(4)去離子水30-50℃超聲波清洗15?20分鐘；

(5)熱氮?dú)獯蹈伞?/p>

2.進(jìn)樣

保持主濺射室的真空度，進(jìn)樣室充入干燥空氣，與大氣壓力平衡后，將待濺射的樣品放

入樣品庫(kù)中。然后進(jìn)樣室抽真空，使真空度達(dá)到6.6Xl()rpa°后用磁力傳遞桿從樣品

庫(kù)上取出襯底，打開(kāi)空氣鎖閘板閥C2,輸送到主濺射室相應(yīng)的夾持位置.關(guān)閉空氣鎖

閘板閥G2,用分子泵+機(jī)械泵R1對(duì)主濺射室繼續(xù)抽真空到5Xlorpa左右.稍關(guān)小閘板

閥G1,減小抽氣速度，再通過(guò)截止閥V2、V7、V8、V9和MFC質(zhì)量流量計(jì)向主濺射

室充入Ar氣，調(diào)節(jié)閘板閥G1關(guān)閉的大小來(lái)調(diào)節(jié)濺射工作壓強(qiáng)，使濺射室的真空度維持

在3?5Pa。

3.抽真空

通過(guò)抽真空，使生長(zhǎng)室的本底真空達(dá)到5X1()一,pa左右

4.濺射

實(shí)驗(yàn)中，RF靶位放置高純度ZnO靶(99.995%),襯底為普通玻璃。通過(guò)G1調(diào)節(jié)

濺射室真空度保證磁控靶正常起輝，適當(dāng)調(diào)節(jié)MFC進(jìn)氣量，控制Ar流量為51sccm,

使濺射室真空度維持在4.6Pa,使磁控靶不熄弧。調(diào)節(jié)匹配電容C1和C2,使反射功率

減至最小，磁控靶起輝，調(diào)節(jié)板壓至所需功率為21.6W,52W,88W,102W,123.5W,

165Wo濺射36(X)S,關(guān)閉射頻勵(lì)磁電源和MFC質(zhì)量流量計(jì)電源。關(guān)閉主濺射室進(jìn)氣截

止閥VI和V2,全開(kāi)G1閘板閥，使主濺射室用分子泵直接抽氣，進(jìn)入高真空狀態(tài)

5

(10-Pa)o同時(shí)進(jìn)樣室由泵抽系統(tǒng)抽真空，再用磁力傳遞桿在空氣鎖閘板閥G2打開(kāi)的

狀態(tài)下將鍍完膜的樣品托送至樣品庫(kù)。被鍍好的樣品置入樣品庫(kù)后，進(jìn)樣室充入干燥空

氣，然后從樣品庫(kù)上取出鍍好的各塊樣品，馬上放入新樣品。

圖6

5.關(guān)機(jī)

(1)關(guān)閉各路儀表，關(guān)閉系統(tǒng)所有閥門：Gl、G2、V5；

(2)停分子泵Tl、T2,7?8分鐘后關(guān)閉分子泵；關(guān)閉機(jī)械泵I、機(jī)械泵H,總電源和冷

卻水。

等離子體化學(xué)氣相沉積法制備多晶Si薄膜

一、引言

化學(xué)氣相沉積(CVD)是半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來(lái)沉積多種材料的技術(shù)，包

括大范圍的絕緣材料，大多數(shù)金屬材料和金屬合金材料。從理論L來(lái)說(shuō)，它是很簡(jiǎn)單的：

兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，

形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個(gè)很好的例子，它

是由硅烷和氮反應(yīng)形成的C

CVD技術(shù)常常通過(guò)反應(yīng)類型或者壓力來(lái)分類，包括低壓CVD(LPCVD),常壓CVD

(APCVD),亞常壓CVD(SACVD),超高真空CVD(UHCVD),等離子體增強(qiáng)CVD

(PECVD),高密度等離子體CVD(HDPCVD)以及，快熱CVD(RTCVD)o

近年來(lái)，隨著納米技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域的興起和在新領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)納米材料

的研究不斷發(fā)展和深入。在微電子技術(shù)中，以多晶Si作為MOS器件的柵電極是MOS

技術(shù)的一項(xiàng)重大發(fā)展，其中一個(gè)重要原因是多晶Si柵電極的可靠性優(yōu)于A1電極。另外,

多晶Si還可以作為雜質(zhì)擴(kuò)散源以形成淺結(jié)，并確保與單晶Si形成歐姆接觸。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.了解等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)和氣流流量顯

示系統(tǒng)的基本工作原理°

2.用PECVD技術(shù)制備多晶Si薄膜材料。

三、實(shí)驗(yàn)原理

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣

壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電(或另加發(fā)熱體)使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然

后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)

薄膜。PECVD方法區(qū)別于其它CVD方法的特點(diǎn)在于等離子體中含有大量高能量的電子

(1-20eV),它們可以提供化學(xué)氣相沉積過(guò)程所需的激活能。電子與氣相分子的碰撞可

以促進(jìn)氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過(guò)程，生成活性很高的各種化學(xué)基團(tuán)，因而

顯著降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，使得原來(lái)需要在高溫下才能進(jìn)行的CVD過(guò)程得以

在低溫實(shí)現(xiàn)。由于PECVD方法的主要應(yīng)用領(lǐng)域是一些絕緣介質(zhì)薄膜的低溫沉積，因而

PECVD技術(shù)中等離子體的產(chǎn)生也多借助于射頻的方法。

稀薄氣體中的電子在高頻或直流電場(chǎng)的作用下，將獲得加速并與氣體中的原子或分

子碰撞使其激發(fā)、游離或分解，產(chǎn)生輝光放電。此時(shí)氣體中包含許多電子、離工、中性

原子和分子、活性根以及亞穩(wěn)態(tài)的原子、分子集團(tuán)等。因?yàn)檫@些粒子所帶的正負(fù)總電荷

相等，所以一般稱為等離子體。在低氣壓（約幾百Pa）條件下，氣體放電所形成的等離

子體是一種低溫非平衡等離子體，這種等離子體具有以下性質(zhì)：

（1）電子和離子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)超過(guò)了它們的定向運(yùn)動(dòng)；

（2）電離過(guò)程主要是加速電子與氣體分子的碰撞，所形成的粒子正負(fù)電荷密度相

等；

（3）電子的平均熱運(yùn)動(dòng)能量（電子溫度）可以高達(dá)1O3~1O4K,遠(yuǎn)比重粒子（如分

子、原子、離子、自由集團(tuán)等）的運(yùn)動(dòng)能量高，氣體溫度仍保持恒溫；

（4）電子和重粒子碰撞后的能量損失可在兩次他撞之間從電場(chǎng)中得到補(bǔ)償。

（5）被電子碰撞后反應(yīng)氣體電離生成活性離子或者活性離子集團(tuán)在襯底上吸附生

長(zhǎng)。

用低壓反應(yīng)法沉積多晶Si的溫度范圍在60（）℃-65（）°C之間，以下列反應(yīng)式分解硅

烷而生成：

SiHu_________6QQ>℃Si+2H2

一般最常用的低壓沉積方法有*兩種:一種是在壓強(qiáng)約25Pa-130Pa之間，使用100%

的硅烷作為反應(yīng)氣體；另一種是利用氮?dú)庾鳛橄♂尮柰榈臍怏w，將硅烷濃度控制在20%

?30%之間。上述兩種方法每次都可沉積數(shù)百片的晶片，且厚度均勻（即誤差在5%以

內(nèi)）。

四、實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用單室電容耦合射頻等離子體CVD設(shè)備，該設(shè)備由下部分組成：

（1）抽氣系統(tǒng)；

（2）預(yù)備室；

（3）反應(yīng)室；

（4）大功率振蕩系統(tǒng)，即射頻輝光放電系統(tǒng);

（5）阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；

（6）氣路控制系統(tǒng)；

（7）壓強(qiáng)測(cè)量及其控制系統(tǒng)；

（8）襯底控制系統(tǒng)；

（9）工藝過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。

N2ArH2CH4

PECVD-350等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)氣路模擬屏

五、實(shí)驗(yàn)步躲

1、襯底的清潔處理

襯底的清洗處理方法很多，并因襯底材料不同而異。對(duì)硅和玻璃襯底，可以先用

有機(jī)溶劑（丙酮、乙醇等）除去表面油污，然后用濃硫酸和雙氧水煮沸，后用去離子水

沖洗干凈并烘干。

2、抽本底真空

（一）PECVD開(kāi)啟程序：

（1）開(kāi)總電源；

（2）按開(kāi)按鈕，開(kāi)樣品室，放入樣品，按停止按鈕，關(guān)樣品室。

（3）開(kāi)循環(huán)水。

（4）開(kāi)啟機(jī)械泵I,開(kāi)蝶閥，1-2分鐘后開(kāi)羅茨泵。

（5）復(fù)合真空計(jì)，全自動(dòng)顯示，當(dāng)熱偶真空計(jì)為10JPa時(shí)，關(guān)閉蝶閥，關(guān)羅茨泵、機(jī)

械泵I,開(kāi)啟動(dòng)機(jī)械泵II,打開(kāi)插板閥，數(shù)分鐘后打開(kāi)氣路分子泵電源，START

按鈕，啟動(dòng)LED。

（二）薄膜生長(zhǎng)

（1）溫度控制：?jiǎn)?dòng)加熱按鈕，加溫按f,降溫按I,溫度設(shè)定好后按ENT,根據(jù)不

同的溫度選定不同的功率。

（2）射頻調(diào)節(jié)：當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到IO』Pa數(shù)量級(jí)，并且溫度達(dá)到設(shè)定的溫度，打開(kāi)燈絲開(kāi)關(guān)，

預(yù)熱5-10分鐘；同時(shí)關(guān)閉板閥、分子泵，分子泵停止后，關(guān)機(jī)械泵H。

（3）開(kāi)氣路，開(kāi)機(jī)械泵1,羅茨泵和碟閥。氣路1為SiH4,氣路2為Ar,氣路3為

H2,氣路4為CH4。打開(kāi)順序：開(kāi)樣品室頂部旋扭一流量電源一相應(yīng)氣路

和氣柜內(nèi)相應(yīng)氣路一氣瓶。調(diào)節(jié)流量計(jì)和蝶閥位置，使得各氣路流量達(dá)到

設(shè)定的流量，調(diào)節(jié)蝶閥，使氣壓達(dá)到需要的壓強(qiáng)（25-13（）Pa）。然后沉積一定的時(shí)

間。

（三）PECVD關(guān)閉程序：

（1）關(guān)射頻：先將板壓調(diào)為零，關(guān)板壓和燈絲。

（2）抽氣路：當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)讀數(shù)接近零時(shí)，關(guān)閉截止閥，開(kāi)啟氨氣，使得氨氣反沖到

氫氣和甲烷氣路（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氫氣和甲烷氣瓶已經(jīng)關(guān)閉），當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)讀數(shù)接

近冬時(shí)開(kāi)始關(guān)氣路C

（3）關(guān)氣路：關(guān)氣瓶一氣柜內(nèi)相應(yīng)氣路一流量計(jì)一相應(yīng)氣路。

（4）壓力達(dá)到1（yPa時(shí)，關(guān)碟閥，關(guān)羅茨泵和開(kāi)機(jī)械泵Io

（5）關(guān)電源，關(guān)循環(huán)水。

六、思考題

1.實(shí)驗(yàn)中所用的SiH4的物理和化學(xué)性質(zhì)。

2.分子泵使用時(shí)的注意事項(xiàng)。

熱氧化生長(zhǎng)SiO2薄膜

一引言

在硅片表面生長(zhǎng)一層優(yōu)質(zhì)的氧化層對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體集成電路制造過(guò)程具有極為重要

的意義。它是通過(guò)離子注入或熱擴(kuò)散對(duì)硅表面進(jìn)行定域摻雜的掩蔽層，也是保證器件表

面不受周圍氣氛影響的鈍化層。它不光是介質(zhì)隔離中器件與器件之間電學(xué)隔離的絕緣

層，同時(shí)也是MOS工藝以及多層金屬化系統(tǒng)中保證電隔離的主要組成部分。因此了解

硅氧化層的生長(zhǎng)機(jī)理、控制并重復(fù)生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)的硅氧化層對(duì)保證高質(zhì)量的集成電路可靠性

是至關(guān)重要的。

在硅表面形成Si02的技術(shù)有很多種：熱生長(zhǎng)氧化、熱分解淀積(即CVD法)、真空

蒸發(fā)、反應(yīng)濺射及陽(yáng)極氧化法等。其中熱生長(zhǎng)氧化在集成電路工藝中用得最多，其操作

簡(jiǎn)便、氧化層致密，足以用作擴(kuò)散掩敝層，且通過(guò)光刻容易形成定域擴(kuò)散圖形,

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘煜嵘L(zhǎng)二氧化硅氧化層工藝，測(cè)量一定溫度下二氧化硅干氧和濕

氧的氧化速率，建立厚度d和時(shí)間t之間的函數(shù)關(guān)系。

二、實(shí)驗(yàn)原理

1.氧化機(jī)理

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格清洗的硅片表面處于高溫的氧化氣氛(干氧、濕氧、水蒸汽)中時(shí)，由于硅

原子與氧原子有很高的親和力，所以在硅表面迅速生成二氧化硅氧化層，其化學(xué)反應(yīng)方

程式如下：

Si+02——>SiO2

Si+2H2O——>SiCh+2H2t

在反應(yīng)過(guò)程中，硅和氧的價(jià)電子重新分配，形成Si-O的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在氧化過(guò)程中，

Si-Si()2間的界面朝著硅方向延伸，使Si()2厚度逐漸增大。生長(zhǎng)的結(jié)果，Si02的外表與

原始的硅表面不是同一平面，若Si02生長(zhǎng)厚度為d,則硅表面被氧化掉的厚度將是0.44d,

如圖2.1所示。當(dāng)硅表面生長(zhǎng)一薄層Si(h以后，它阻擋了02或H20直接與硅表面接觸,

此時(shí)氧原子和水分子必須穿過(guò)Si02薄膜到達(dá)Si—Si02界面才能繼續(xù)與硅反應(yīng)生長(zhǎng)Si02o

顯然，隨著氧化層厚度的增長(zhǎng)，氧原子和水分子穿過(guò)氧化膜進(jìn)一步氧化就越困難，所以

氧化膜的生長(zhǎng)速率將越來(lái)越小。

圖2.ISi(h生長(zhǎng)過(guò)程中硅表面位置變化情況

辿爾(deal)—格羅夫(grove)的氧化動(dòng)力學(xué)模型描述了熱氧化的具體過(guò)程。迪爾一格羅

夫模型對(duì)溫度在700℃?1300℃范圍內(nèi)，壓力從2Xli>Pa到1.01xI05Pa,氧化層厚度

在30()A?200()0A之間的氧氣氧化和水汽氧化都是適用的。

圖2.2給出了熱氧化時(shí)氣體內(nèi)部(主氣流區(qū))、Si(h中以及表面處氧化劑的濃度分布情

況以及相應(yīng)的壓力。在Si()2表面附近存在有一個(gè)氣體附面層。圖中Fi表示氧化劑從氣體

內(nèi)部以擴(kuò)散形式穿過(guò)附面層運(yùn)動(dòng)到氣體一SiO2界面的流密度(單位時(shí)間通過(guò)單位面積的

粒子數(shù))，F(xiàn)?表示氧化劑以擴(kuò)散方式穿過(guò)Si(h層到達(dá)Si(h—Si界面的流密度，而F3則為

氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生長(zhǎng)Si(h的流密度。在氧化過(guò)程中，由于Si(h層不斷生長(zhǎng)，

所以Si02-Si界面也就不斷向Si內(nèi)移動(dòng)。在準(zhǔn)靜態(tài)近似下，上述三個(gè)流密度應(yīng)該相等,

則有：

F1=F2=F3

附面層中的流密度取線性近似，即從氣體內(nèi)到氣體一Si()2界面處的氧化劑流密度

F］正比于氣體內(nèi)部氧化劑濃度Cg與貼近Si(h表面上的氧化劑濃度Cs的差：

Fi=hg(Cg-C5)(2.1)

其中hg是氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)。

IV!2.2熱芋M匕￡1不空三個(gè)區(qū)四3十J匕劑冰皮

圖2.2熱氧化過(guò)程三個(gè)區(qū)域的氧化劑濃度

假定在我們所討論的熱氧化過(guò)程中，亨利定律是成立的，即在平衡條件下固體中某

種物質(zhì)的濃度正比于該物質(zhì)在固體周圍的氣體中的的分壓。于是Si02表面的氧化劑濃度

Co正比于貼近Si02表面的氧化劑分壓Ps,

則有：

Co=HPs(2.2)

H為亨利定律常數(shù)。在平衡情況下，Si(h中氧化劑的濃度C*應(yīng)與氣體中的氧化劑分

壓Pg成正比，即有：

C*二HPg(2.3)

由理想氣體得到：

(2.4)

(2.5〉

KT

把式(2.2)?(2.5)代入式(2.1)中得

F|=h(C*-Co)(2.6)

(2.7)

HKT

其中h是用固體中的濃度表示的氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)。

通過(guò)SiCh層的流密度F2就是擴(kuò)散流密度，可表示為:

Co-Ci

F=-D(2.8)

2Xo

D為氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)，Co和Ci分別表示SiCh表面和Si02—Si界面處

的氧化劑，X。為SiCh的厚度。

假定在SiO2-Si界面處，氧化劑與Si反應(yīng)的速率正比于界面處氧化劑的濃度Ci,

于是有：

F3=KsCi(2.9)

Ks為氧化劑與反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)常數(shù)。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件F產(chǎn)F2=F3,可得到Ci和Co的表達(dá)式:

a=(2.10)

\^KJh\KXJD

(1+4心"))(.：?

(2.11)

當(dāng)式中擴(kuò)散系數(shù)D極大或極小時(shí)，上述兩式產(chǎn)生極限情況。當(dāng)D很小時(shí)(D《KsXo),

得Ci-C*.因擴(kuò)散速度太慢，大量氧化劑堆積在SiCh的表面處，濃度趨向于同氣相平衡

時(shí)的濃度C*。在這種情況下，Si(h的生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在Si(h中的擴(kuò)散速度所決

定，稱為擴(kuò)散控制態(tài)。如果擴(kuò)散系數(shù)D很大，貝iJCi=C。=C*/(l+Ks/h)。在這種情況卜，

進(jìn)入Si()2中的氧化劑快速了.散到Si()2—Si界面處。相比之下，在界面處氧化劑與Si反

應(yīng)生成Si(h的速率很慢，結(jié)果造成氧化劑在界面處堆積，趨向于Si(h表面處的濃度。因

此Si02的生長(zhǎng)速率由Si表面的化學(xué)反應(yīng)速度控制，稱為反應(yīng)控制態(tài)。

為了計(jì)算氧化層生長(zhǎng)的速率，我們定義N1為每生長(zhǎng)一個(gè)單位體積Si(h所需要氧化

劑的分子個(gè)數(shù)。每立方厘米Si(h的分子數(shù)為2.2xIO??個(gè)，每生成一個(gè)Si(h分子需要一

個(gè)氧分子，或者兩個(gè)水分子。所以，對(duì)氧氣氧化來(lái)說(shuō)，N1為2.2x10與/cnR對(duì)水汽氧

化來(lái)說(shuō)，N1為4.4xIO??/”3。

隨著Si(h不斷地生長(zhǎng)，界面處的Si也就不斷地轉(zhuǎn)化為Si(h中的成份。因此，Si表

面處的流密度也可表示為：

F=NI—(2.12)

3dt

把(2.10)代入到(2.9)式中并與上式聯(lián)立可得到

也;----------------(2.13)

13

dii+Ks/h+KsXo/D

這個(gè)微分方程的初始條件是Xo(0)=Xi,Xi代表氧化前硅片上原有的Si(h厚度。.微

分方程(2.13)的解給出了Si02的生長(zhǎng)厚度與時(shí)間的普遍關(guān)系式：

2

%0+/4X0=B(t+r)(2.14)

其中A=2D(l/Rs+l/h)(2.15)

B=2DC'/Ni(2.16)/

/

2

T=(Xii-AXi)/B(2.17)

A和B都是速率常數(shù)，方程(2.14)的解為:

vA.LZ+r八

X=—(.1H---------------1)(2.18)

o2VA2/4B

SiO2生長(zhǎng)的快慢將山氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度以及與Si反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因

素決定，即存在上面描述的擴(kuò)散控制和表面反應(yīng)控制兩種極限情況。-.

當(dāng)氧化時(shí)間很長(zhǎng)，即t?T和l?A2/4B時(shí)，Si(h生長(zhǎng)厚度與時(shí)間的

關(guān)系可簡(jiǎn)化為：

2

Xo=B(t+r)(2.19)

這種情況下的氧化規(guī)律稱拋物型規(guī)律，B為拋物型速率常數(shù)。由(2.16)式可知，B

與D成正比，所以Si()2的生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在Si()2中的擴(kuò)散快慢所決定，即為擴(kuò)

散控制。

當(dāng)氧化時(shí)間很短，W(r+r)?A2/4B則Si(h的厚度與時(shí)間的關(guān)系可簡(jiǎn)化為：

X。=?(/+「)(2.20)

A

在這種極限情況下的氧化規(guī)律稱線性規(guī)律，B/A為線性速率常數(shù)，具體表達(dá)式為:

(⑵21)

對(duì)大多數(shù)的氧化情況來(lái)說(shuō)，氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)h是化學(xué)反應(yīng)常數(shù)Ks的IO?倍。因

此，在線性氧化規(guī)律時(shí)，Si(h的生長(zhǎng)速率主要由表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)Ks決定，即表

面化學(xué)反應(yīng)控制。(2.19)式和(2.20)式分別表示擴(kuò)散可控態(tài)和反應(yīng)可控態(tài)兩種情況。

迪爾和格羅夫用(111)晶向的P型硅做實(shí)驗(yàn)，在干氧和濕氧兩種情況下對(duì)硅單晶襯底

片進(jìn)行熱生長(zhǎng)氧化。溫度在70()℃至12()()℃范圍內(nèi)所測(cè)到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和他們的理論模型

(即方程式2.14和2.18式)具有極好的一致性。

表1和表2分別為硅濕氧氧化和干氧氧化的速率常數(shù)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)氧化溫

摩高1000℃時(shí)，氧化過(guò)程基本上符合(2.19)式拋物線規(guī)律，氧化速率常數(shù)B主要受氧分

子在氧化層中的擴(kuò)散速率D(B=2DC*/Ni)所控制。溫度越高，氧分子在氧化層中的擴(kuò)

散越快，因此氧化速率B越大，當(dāng)溫度低于1000℃時(shí)，氧化層的生長(zhǎng)規(guī)律與(2?19)式

偏離。當(dāng)溫度低于7()()℃時(shí)，氧分子與硅原子的化學(xué)反應(yīng)速度很低，因此氧化層的生長(zhǎng)

率主要受Si-Si(h界面處的化學(xué)反應(yīng)速率所控制，即為(2.20)式的反應(yīng)可控態(tài)。符合線

性的生長(zhǎng)規(guī)律，此時(shí)氧化生長(zhǎng)速度很慢。由圖2.3、圖2.4和表1、表2,可見(jiàn)濕氧氧化

速率比干氧氧化速率快得多。雖然干氧的生長(zhǎng)速率很慢，但生長(zhǎng)的Si(h薄膜結(jié)構(gòu)致密、

干燥，均勻性和重復(fù)性好，掩蔽能力強(qiáng)，鈍化效果好，而且由于干氧生長(zhǎng)的Si(h表面與

光刻膠接觸良好，光刻時(shí)不易浮膠。濕氧氧化速率雖然很快，但在氧化后的硅片表面存

在較多的位錯(cuò)和腐蝕坑，而且還存在使Si02表面與光刻膠黏附不良的硅烷醇(Si—OH)。

因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，普遍采用干氧一濕氧一干氧交替的氧化方式。在濕氧氧化后，再通

一段時(shí)間的干氧，既有利于保持硅片表面的完整性，又使Si(h表面的硅烷醇(Si—QH)

轉(zhuǎn)變成硅氧烷⑸-0—Si),從而改善了Si(h表面與光刻膠的接觸，在光刻時(shí)對(duì)不會(huì)產(chǎn)生

浮膠現(xiàn)象。這種干、濕氧交替的氧化方式解決了生長(zhǎng)速率和質(zhì)量之間的矛盾，使生長(zhǎng)的

Si(h薄膜更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。圖2.3為干氧和濕氧氧化層厚度與氧化時(shí)間的實(shí)

驗(yàn)關(guān)系曲線。

(

磐

)

圍

的

眼

式

解

圖2.3(III)硅干氧氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)曲線可見(jiàn)，當(dāng)氧化溫度為1200℃、氧化時(shí)間為60分鐘時(shí)，干氧的氧化層厚度

約為1930A,氧化速率常數(shù)約6.2X10-4微米2/分。而在同樣溫度下，當(dāng)氧氣通過(guò)水

溫為95℃的濕氧瓶時(shí)，其氧化速率常數(shù)約為117.5XIO“微米2/分，它的氧化速率常

數(shù)增加將近20倍。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

取5片經(jīng)清洗的硅樣片，用鑲子夾到石英舟上，將爐溫控制在11()()℃,并通入干

02,流量為500ml/min。將石英舟緩慢推入爐中恒溫區(qū)，分別以5r,10',20',401,60'

五種不同時(shí)間，生長(zhǎng)厚度不同的Si()2層。

四、實(shí)驗(yàn)要求及思考

1.了解十氧、濕氧情況卜熱生長(zhǎng)二氧化儲(chǔ)層的生長(zhǎng)規(guī)律

2.熟悉熱生長(zhǎng)二氧化硅的制備工藝

3.簡(jiǎn)述氧化操作步驟并面出干氧、濕氧氧化裝置圖°

4.為什么相同溫度、相同時(shí)間下生長(zhǎng)的干氧氧化層厚度小于濕氧氧化層的厚度？

固相擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)

一引言

擴(kuò)散是微觀粒子（原子、分子等）的一種極為普通的熱運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)結(jié)果使?jié)舛确?/p>

布趨于均勻。集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝，簡(jiǎn)稱擴(kuò)散，是利用固體中的擴(kuò)散現(xiàn)象，

將一定種類和一定數(shù)量的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體中去，以改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，并使摻入

的雜質(zhì)數(shù)量、分布形式和深度等都滿足要求。

對(duì)任何獷散系統(tǒng)的基本要求是，提供使擴(kuò)散雜質(zhì)與適當(dāng)制備的晶片接觸的手段，并

能把此過(guò)程在特定的溫度下保持特定的一段時(shí)間。在這些總的要求下，還希望有以下特

點(diǎn)：

1、能在直至雜質(zhì)固溶度的大范圍內(nèi)對(duì)表面濃度進(jìn)行控制。

2、擴(kuò)散過(guò)程不能使晶片表面產(chǎn)生損傷。這是一個(gè)極端重要的要求，因?yàn)檎麄€(gè)集成

電路是在表面下幾個(gè)微米的層中制作的。

3、擴(kuò)散后，滯留在晶片表面的物質(zhì)，如果需要消除的話，應(yīng)易于除去。

4、各擴(kuò)散流程之間以及一個(gè)流程內(nèi)各晶片之間，系統(tǒng)都應(yīng)給出可重復(fù)的結(jié)果。

5、系統(tǒng)應(yīng)能一次處理大量晶片。

1擴(kuò)散方程的通解:

1、在無(wú)限物體情況下擴(kuò)散方程的通解（雜質(zhì)濃度）:

葉8借3

7V（x,/）=^=lf?e4Dl四

2JR》

2、半無(wú)限物體擴(kuò)散方程的解（雜質(zhì)濃度）:

Ie+*尸（舁幻2

Ng）=4[2（3,0）?s+N&O）e,瓜]若

2擴(kuò)散方程解的特例（恒源擴(kuò)散與限定源的擴(kuò)散）

恒源擴(kuò)散：分布函數(shù)NG,/）=Nsem，其中Ns為表面濃度。

限定源的擴(kuò)散：濃度分布函數(shù)N（x,t）二N’erfc品

其中erfc扁=l-erf扁為余誤差函數(shù)

二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.理解固體摻雜工藝和固相擴(kuò)散機(jī)制。

2.學(xué)會(huì)使用退火爐實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，探針臺(tái)測(cè)量擴(kuò)散層的電阻，并計(jì)算出擴(kuò)散層的表面雜

質(zhì)濃度。

三實(shí)驗(yàn)原理

用由SiCh粘結(jié)劑粘合的氮化硼可減小這個(gè)問(wèn)題并且減少形成硼皮的可能性。另一

個(gè)方法是用由B2O3和BaO、CaO、MgO或AI2O3這一類材料組成的混合物做圓片。通

常用氮化硼圓片做為硼擴(kuò)散的固相源。這些圓片和硅片的直徑相同(或稍大些)，一般

來(lái)說(shuō)，必須在750?1100C對(duì)圓片進(jìn)行大約30分鐘的預(yù)氧化以便在表面上形成一層薄的

FhOa表皮，以此做擴(kuò)散源.把這些圓片和硅片放在支架上進(jìn)行擴(kuò)散.彼此間隔要均勻，

使每一個(gè)圓片都要放在兩桂片工作面之間。雖然不需要任何載氣，但是通常通以流量為

IL/min左右的干燥氮?dú)?，以防止大氣中的玷污物反向擴(kuò)散到擴(kuò)散管中。由于在這個(gè)過(guò)

程中，晶片之間幾乎沒(méi)有什么氣流，因此各批之間擴(kuò)散的重復(fù)性好，并且在晶片的直徑

方向上很均勻。

圓片和硅表面之間的距離通常大約為2~3mm,為了保持各批之間的重復(fù)性，此距

離應(yīng)保持不變。此外，如果要保證一致性的結(jié)果，還必須根據(jù)圓片使用的次數(shù)，按時(shí)進(jìn)

行預(yù)氧化。

這種固相源的應(yīng)用受到很多限制。首先，硅片上的B2O3未用SiCh稀釋，因此用這

種源時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生硼皮。一種防止辦法是在載氣中加入少量的氧，這使得圓片的徑向氧化

的不均勻，因?yàn)檠趸俾适怯蓤A片間的氣流決定的。第二個(gè)問(wèn)題是氮化硼圓片粘到二氧

化硅支架上。硼在1150C的擴(kuò)散系數(shù)大約為10-12cm2/so硼的固溶度高。擴(kuò)散時(shí)可達(dá)

到電活性表面濃度為4XIO?。原子/因此它適用丁各種擴(kuò)散工藝。

硼在硅中的四面體半徑是().88A,對(duì)應(yīng)的失配因子=0.254。因此，硅晶格中存在大

量的硼伴生應(yīng)力感生缺陷，造成嚴(yán)重的晶格損傷。這決定了實(shí)際結(jié)構(gòu)中所能達(dá)到的雜質(zhì)

濃度上限大約為5X10?原子/cn?,其余的是非電活性的。

元素態(tài)硼在溫度上升甚至超過(guò)硅的熔點(diǎn)時(shí)，都是不活潑的。出此，擴(kuò)散是借助于三

氧化二硼(B2O3)和硅之間的表面反應(yīng)進(jìn)行的，即

2B2O3+3Si-4B+3SiO2

過(guò)量的B2O3會(huì)在硅片的表面形成硅化物和硼的其它一些化合物。

四實(shí)驗(yàn)儀器

1、單管程控氧化爐

整機(jī)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：凈化工作臺(tái)、擴(kuò)散爐機(jī)箱、加熱爐體、氣源柜、排毒

箱等。

帕海一支柒上的片干

廠7一?一「笏典

11I]石英夕散管/

像）（X）向和aut計(jì)

圖3固相源擴(kuò)散系統(tǒng)

2、四探針電阻率儀

五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1、用手工或機(jī)械把片子從管子的一端裝入（拉桿速度通常為10cm/min,另一端

用于氣體或以氣相形式存在的雜質(zhì)流入。

2、通入惰性性載氣中把含有雜質(zhì)的化合物（通常是它的氧化物〉輸送到片子的表

面。

3、在擴(kuò)散溫度下（擴(kuò)散爐的溫度范圍通常為6OO-12OO℃）,化合物和半導(dǎo)體之

間發(fā)生可逆反應(yīng)，達(dá)到雜質(zhì)原子的平衡濃度，由此濃度進(jìn)行擴(kuò)散。

4、擴(kuò)散工作完成后，應(yīng)分析測(cè)試擴(kuò)散結(jié)果是否符合要求，主要是測(cè)量擴(kuò)散層的薄

層電陽(yáng)（或表面電阻）R、和結(jié)深Xj,并進(jìn)而推出擴(kuò)散層的表面雜質(zhì)濃度。

5、測(cè)量擴(kuò)散層的薄層電阻:

對(duì)于有限大（例如axd=6亳米2）,但擴(kuò)散層仍然很薄也＜0.5）的單而擴(kuò)散。

S

C為邊界修正因子，是應(yīng)工的函數(shù)，其值如表1

dS

單面擴(kuò)散校正系數(shù)C

表1

d/sM=[a/d=2a/d=3a/d>4

1.00.99880.9994

1.251.24671.2248

1.51.47881.48931.4893

1.751.71961.72381.7238

2.01.94541.94751.9475

2.52.35322.35412.3541

3.02.45152.70002.70052.7005

4.03.11373.22463.22483.2248

5.03.50983.57493.57503.5750

7.54.00954.03614.03624.0362

10.04.22094.23574.23574.2357

15.04.38824.39474.39474.3947

20.04.45164.45534.45534.4553

40.04.51204.51264.51294.5129

004.53244.53244.53244.5324

6、測(cè)量擴(kuò)散層的結(jié)深：

測(cè)量原理是基于在導(dǎo)電型號(hào)不同（或相同雜質(zhì)不同濃度的部分）的硅片上由于

電化學(xué)勢(shì)不同而使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速度不同，結(jié)果使n、p區(qū)上顯示不同的顏

色，交界處就是p-n結(jié)的位置。這里我們采用的是滾槽法:

圖13

利用鋼柱（一般的直徑D約為2-5厘米），在硅片表面滾磨出一個(gè)圓柱形的槽來(lái)，

如圖12、13所示，然后顯結(jié)并測(cè)量出x、y的值，在時(shí)可以推知結(jié)深為

）D

D的值已知，x,y可用測(cè)量顯微鏡測(cè)出來(lái)，測(cè)量時(shí)可在不同部分測(cè)量后求平均值。

7、擴(kuò)散層表面濃度的推求：

測(cè)出了擴(kuò)散層的薄層電阻Rs和結(jié)深，.就可以推求出擴(kuò)散層的表面濃度Ns;由于擴(kuò)

散層不是均勻摻雜，無(wú)法給出總體的單一的體電阻率，故引入平均電導(dǎo)率于來(lái)描述擴(kuò)散

層的電導(dǎo)性（或用平均電阻率％=也可）。

N

普遍情況下，人們經(jīng)常想知道表面下“次擴(kuò)散

層”的特性（圖18所示）。此層以結(jié)為界，另一邊

以深度x處平行于結(jié)的平面為界，該層的平均電導(dǎo)

*率3為

18

q[iN(x)dx

N代表NX?NB,Nx為x處的雜質(zhì)原子濃度，Rs為該層的薄層電阻，當(dāng)x-O時(shí)，次

擴(kuò)散層就變成全擴(kuò)散層了，對(duì)應(yīng)地Ns-Nso了。

六、思考題

1、證明限定源擴(kuò)散中，雜質(zhì)總量保持不變。（積分公式

光刻工藝

一、引言

光刻是一種復(fù)印圖象和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合技術(shù)。它采用照相復(fù)印的方法，先將

光刻掩模版上的圖形精確地復(fù)印在涂有感光膠的二氧化硅或金屬薄層表面，然后利用光

刻膠的保護(hù)作用，對(duì)二氧化硅層（或金屬薄層）進(jìn)行選彈性化學(xué)腐蝕，從而在二氧化硅（或