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超高真空多功能磁控溅射设备的使用

一、 引言
薄膜的制备方法有许多种, 主要包括: 物理气相沉积 (PVD)、 化学气相沉积(CVD)和电化学沉积。物理气相沉积中只发生物理过程, 化学气相沉积中包含了化学反应过程。常见的物理气相沉积方法是真空蒸发, 分子束外延(MBE) 是一种超高真空中进行的缓慢的真空蒸发过程, 它能够用来生长外延的单晶薄膜。另一种常见的物理气相沉积方法是溅射, 溅射法制膜具有溅射速度快, 在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制, 沉积层对衬底的附着力较好, 能够大面积成膜等。
近几十年来,磁控溅射技术已经成为最重要的沉积镀膜方法之一。广泛应用于工业生产和科学研究领域。如在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术在工件表面镀制功能膜、 超硬膜、 自润滑薄膜。在光学领域,利用磁控溅射技术制备增透膜、 低辐射膜和透明导膜,隔热膜等。在微电子领域和光、 磁记录领域磁控溅射技术也发挥着重要作用。例如在微电子领域制备Cu互联薄膜等。

二、 实验目的
1. 了解超高真空多功能磁控溅射系统。主要包括: 直流和射频溅射、 电源控制系统、 进样室和生长室、 抽气系统的基本工作原理。
2. 掌握衬底的清洗、 装卸、 样品在进样室和生长室间的传递、 靶的安装要点等。

三、 实验原理
1 溅射
众所周知, 溅射现象源于阴极表面的气体辉光放电。在真空系统中, 靶材是需要溅射的材料, 它作为阴极, 相对于作为阳极的衬底加有数千伏的电压。在对系统预抽真空以后, 通进少量惰性气体( 如氩气) , 压力一般处于10-1~10Pa的范围内。在正负电极高压的作用下, 极间的气体原子将被大量电离。电离过程使Ar原子电离为Ar+离子和能够对立运动的电子, 其中电子飞向阳极, 而带正电荷的Ar+离子则在高压电场的加速作用下飞向作为阴极的靶材, 并在与靶材的撞击过程中释放出其能量。离子高速撞击的结果就是大量的靶材原子获得了相当高的能量, 使其能够脱离靶材的束缚而飞向衬底, 在衬底上成膜。当然, 在上述这种溅射过程中, 还可能伴随有其它粒子, 如二次电子、 离子、 光子等从阴极发射。
溅射法受到大力发展和重视的一个重要原因在于这种方法易于保证所制备薄膜的化学成分与靶材基本一致, 而这一点对于蒸发法很难做到。
溅射法使用的靶材能够根据材质分为纯金属、 合金及各种化合物。金属与合金的靶材能够用冶炼或粉末冶金的方法制备, 其纯度及致密性较好; 化合物靶材多采用粉末热压的方法制备, 其纯度及致密性往往要稍逊于前者。
主要的溅射方法能够根据其特征分为以下四种: (1) 直流溅射; ( 2) 射频溅射; ( 3) 磁控溅射; ( 4) 反应溅射。
2 直流溅射法
直流溅射又称阴极溅射或二极溅射。在直流溅射过程中, 常见氩气Ar作为工作气压。工作气压是一个重要的参数, 它对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响。
当经过加速的入射离子轰击靶材( 阴极) 表面时, 会引起电子发射, 在阴极表面产生的这些电子, 开始向阳极加速后进入负辉光区, 并与中性的Ar原子碰撞, 产生自持的辉光放电所需的Ar+离子。在相对较低的气压条件下, Ar原子的电离过程多发生在距离靶材很远的地方, 因而Ar+离子运动至靶材处的几率较小。同时, 低气压下电子的自由程较长, 电子在阳极上消失的几率较大, 而Ar+离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小。因此, 在低工作气压下Ar原子的离化效率很低, 溅射速率和效率很低。
随着氩气工作气压的增加, 电子平均自由程减小, 原子电离几率增加, 溅射电流增加, 溅射速率提高。但当气压过高时, 溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射, 因而其沉积到衬底上的几率反而下降。因此随着气压的变化, 溅射沉积的速率会出现一个极值。一般来讲, 沉积速度与溅射功率成正比, 与靶材和衬底之间的间距成反比。
溅射气压较低时, 入射到衬底表面的靶材原子没有经过多次碰撞, 能量较高, 这有利于提高沉积时原子的扩散能力, 提高沉积组织的致密程度。溅射气压的提高使得入射的原子能量降低, 不利于薄膜组织的致密化。
3 射频溅射法
采用直流溅射法需要在溅射靶上加一负电压, 因而就只能溅射导体材料, 而不能沉积绝缘材料, 其原因在于轰击绝缘介质靶材时表面的离子电荷无法中和, 于是靶面电位升高, 外加电压几乎都加在靶上, 两极间的离子加速与电离机会就会变小, 甚至不能发生电离, 致使放电停止或不能连续, 溅射停止。因此, 对于导电性很差的非金属材料或绝缘介质的溅射, 需要一种新的溅射方法—射频溅射法(RF)法。
射频溅射装置相当于把直流溅射中的直流电源部分由射频发生器, 匹配网络和电源所代替。它是利用高频电磁辐射来维持低气压(约2.5´10-2 Pa)的辉光放电。阴极安置在紧贴介质靶材的后面, 把高频电压加在靶上, 这样, 在一个周期内正离子和电子就能够交替地轰击靶, 从而实现溅射介质靶材的目的。当靶电极为高频电压的负半周时, 正离子对靶材进行轰击引起溅射, 同时靶材表面会有正电荷的积累; 当靶材处于高频电压的正半周时, 由于电子对靶的轰击中和了积累在介质靶表面上的正电荷, 这样就为下一周期的溅射创造了条件。由于在一个周期内对靶材既有溅射又有中和, 故能使溅射持续进行, 这就是射频溅射法能够溅射介质靶材的原因。
从上所述可知, 在一个周期内介质靶最多只在半周期中受到离子轰击。阴极是介质靶, 就相当于在高频电路中加了一个阻塞电容器C, 使靶面形成一个直流负电位, 即负的自偏压, 从而使靶材受到离子轰击的时间和电压都会增加。
实际应用的高频溅射系统中, 常采用非对称平板结构, 把高频电源一极接在小电极(靶)上, 而将大电极和屏蔽罩等相连后接地作为另一电极, 这样, 在小电极处产生的暗区电压降比大电极暗区压降要大得多, 致使流向大电极的离子能量小于溅射阀能, 在大电极上就不会发生溅射。因此, 只要用小电极作为靶, 而将基片放置在大电极上, 就可进行高频溅射镀膜。一般, 在溅射中使用的高频电源频率已经属于射频范围, 其频率区间为10—30MHz左右, 当前国际上一般采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会建议的13.56MHz。
4 磁控溅射法
从上面的讨论可知道, 溅射沉积具有两个缺点: 第一, 沉积速率较低; 第二, 溅射所需的工作气压较高, 这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可能性提高。
磁控溅射技术是从70年代发展起来的一种新型溅射镀膜法, 具有沉积速率较高, 工作气压较低的优点。一般磁控溅射的靶材与磁场的布置形式如图2.1所示, 这种磁场设置的特点是在靶材的部分表面上方使磁场方向与电场方向垂直, 从而进一步将电子的轨迹限制到靶面附近。运动电子受到磁场作用(洛仑兹力)而使运动轨迹发生弯曲乃至形成螺旋运动, 导致电子运动路径加长, 因而增加了与工作气体分子的碰撞次数, 提高了电子对工作气体的电离几率和有效的利用电子的能量, 导致磁控溅射速率数量级地提高。同时, 经多次碰撞而丧失能量的电子进入离阴极靶面较远的弱电场区最后到达阳极时, 已是能量消耗殆尽的低能电子, 也就不再会使基片过热, 因此可大大降低基片温度。实际的做法可将永久磁体或电磁线圈放置在靶的后方, 从而造成磁力线先穿出靶面, 然后变成与电场方向垂直, 最终返回靶面的分布, 即如图2.1中所示的磁力线方向那样。
图1 直流磁控溅射法原理图

同溅射一样, 磁控溅射也分为直流( DC) 磁控溅射和射频 (RF) 磁控溅射。由于射频磁控溅射不要求作为电极的材料为导电的, 因此, 理论上利用射频磁控溅射能够溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用, 溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布, 影响溅射效率甚至无法起辉。因此, 磁性材料的靶材需要特别加工成薄片, 尽量减小对磁场的影响。

四、 实验装置
本实验采用的JGP560D超高真空磁控溅射系统, 该设备共有三室, 主溅射室、 预处理室和样品室。
图2为我们所用的JGP560D超高真空磁控溅射仪的结构示意图, 该设备共有三室, 主溅射室、 预处理室和样品室, 图中只给出了主溅射室和预处理室。在主溅射室中总共有3个靶位, 靶直径为6 cm, 其中3个均匀的分布在腔中。共有1个直流溅射电源和两个射频溅射电源。磁性靶材的厚度约为2－3mm, 非磁性靶材的厚度能够厚些, 约为6mm。在样品转盘上留有六个样品支架, 每个样品支架的直径同靶材直径一样, 也为
预处理室
主溅射室
机械泵
分子泵
闸板阀
样品传送杆
反溅靶
转盘转轴
溅射靶材
挡板转轴
挡板
样品转盘
样品
诱导磁场
斜靶
流量计
Ar

图2 JGP560D超高真空磁控溅射仪的结构示意图
6cm, 样品转盘和靶基都采用循环水冷却。在靶材和样品转盘之间有一挡板, 挡板中留有一个与靶材直径相同的孔洞, 在预溅射时挡住靶材, 不致于溅射到衬底上, 也能够用来选择溅射不同的衬底。样品转盘和挡板都可由计算机自动控制, 其转速可精确控制。在样品支架上能够加一条形磁铁, 在制备样品时根据需要能够加诱导磁场。该设备既能够共溅制备合金层和制备层状膜, 也能够制备成楔形结构或均匀膜, 并能够精确控制膜层厚度和多层膜层数, 从而能够非常方便地制备出具有良好调制周期的各类多层膜。设备溅射前背景真空度可达5.0×10-6 Pa (3.8×10-8 Torr), 溅射时我们一般采用0.3－0.45 Pa的氩气气压。

五、 实验步骤
1. 衬底的清洁处理
衬底的清洗处理方法很多, 并因衬底材料不同而异。对硅和玻璃衬底, 能够先用有机溶剂( 丙酮、 乙醇等) 除去表面油污, 然后用浓硫酸和双氧水煮沸, 后用去离子水冲洗干净并烘干。
2. 溅射靶的安放
(1) 接通冷却水; 启动总电源;
(2) 确认G1、 G3、 V1、 V2、 V3、 V5已关闭, 打开V4和闸板阀G2向溅射室充入N2。当溅射室气压达到大气压时关闭V4和G2;
(3) 检查定位销、 机械手、 磁力传递杆是否处于安全位置; 按电源”升”按钮, 升起真空室顶盖, 换靶( 屏蔽罩与靶盖的距离在1～3mm) , 用万用表测量保证靶盖与屏蔽罩绝缘;
(4) 按下控制电源”降”按钮, 降下大法兰顶盖, 注意找正, 小心发生碰撞。
3. 取进样
(1) 打开V4。当进样室气压达到大气压时关闭V4; 打开闸板阀G2; 推送磁力传递杆进入主溅射室, 旋转转盘手柄, 使转盘对准衬底定位指针, 将传递杆叉子插入完成镀膜的样品托槽内, 再用手动机械手帮助, 使得传递杆叉子夹持样品托回进样室; 旋转样品库手柄到适当高度, 将磁力传递杆上的样品托送入指定的样品库位置, 如此连续取放完毕所有样品;
(2) 要取出的样品托全部放置到样品库后打开进样室阀门, 取/进样; 关闭进样室; 用磁力传递杆夹紧样品后旋转180°, 再将样品送入溅射室; 转动溅射室大法兰上面的转盘手柄, 从观察窗观察使定位销与转盘定位口重合时, 推动定位销, 使转盘定位, 再推动磁力传递杆, 将样品托进入转盘定好的位置, 将样品从磁力传递杆上送入转盘槽内;
(3) 启动机械泵II和机械泵I, 打开V5; 打开复合真空计监测真空度;
(4) 当真空度低于10Pa时, 启动分子泵T2, 打开闸板阀G1; 打开超高真空计DL-7监测真空度。
4. 溅射系统的关闭
(1) 关闭系统所有阀门: G1、 G2、 V5;
(2) 关闭各路仪表, 关闭分子泵T1、 T2; 关闭机械泵I、 机械泵II, 总电源和冷却水。

六、 思考题
1. 按放溅射靶时的注意事项。
2. 溅射镀膜的特点。
溅射法在制备半导体薄膜材料中的应用

一、 引言
近几十年来, 磁控溅射技术已经成为最重要的沉积镀膜方法之一。广泛应用于工业生产和科学研究领域。如在现代机械加工工业中, 利用磁控溅射技术在工件表面镀制功能膜、 超硬膜、 自润滑薄膜。在光学领域, 利用磁控溅射技术制备增透膜、 低辐射膜和透明导膜、 隔热膜等。在微电子领域和光、 磁记录领域磁控溅射技术也发挥着重要作用。例如在微电子领域制备Cu互联薄膜等。
ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ 族宽禁带化合物半导体材料, 与GaN具有相近的晶格常数和禁带宽度, 原料易得廉价, 而且具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。它是较早进入材料研究领域而且得到广泛应用的金属氧化物之一。随着军事、 空间科学、 通讯和建筑等领域对新型特殊材料的不断要求, 自二十世纪六十年代开始, 薄膜材料以其特有的性质逐步成为材料科学研究的热点并得到广泛应用。薄膜形态ZnO的研究开始于上世纪七十年代初期, 研究主要集中在多晶ZnO薄膜的制备、 压电特性和透明导电特性等方面。到了1980年以后, 多晶ZnO薄膜的研究逐步进入了高潮, 关于多晶ZnO薄膜各方面性质的研究不断深入, 大量的研究成果和论文出现。最近几年, 随着ZnO光泵浦紫外受激辐射的获得和P型掺杂的实现, ZnO薄膜作为一种新型的光电材料, 在紫外探测器、 LED、 LD 等领域也有着巨大的发展潜力。1999年10月, 在美国召开了首届ZnO专题国际研讨会, 会议认为”当前ZnO的研究如同Si、 Ge的初期研究”。世界上逐渐掀起了ZnO薄膜研究开发应用的热潮。

二、 实验目的
1. 进一步熟悉溅射法制备半导体薄膜的过程, 理解薄膜的形成理论。
2. 利用射频溅射法成功制备出半导体ZnO薄膜。

三、 实验原理
薄膜形成的理论主要有两个模型, 一个是以热力学为基础的唯象理论, 另一个是建立在统计物理基础上的原子模型。由于依据的物理基础的差异, 前者主要描述大量原子和原子集团行为, 而后者不但能够描述大量原子行为, 也适用于少数原子的行为。
薄膜材料的生长过程由于材料性质和制备方法的差异会有很大的差别。溅射法制备薄膜材料能够看作是从溅射靶上溅射出的气相原子或者原子团在衬底表面凝聚为固相的过程。如果是反应溅射或者溅射化合物靶材, 还会有化学反应发生。薄膜生长过程是否能够持续, 被溅射原子能否凝聚到衬底材料表面是关键问题。研究表明这一过程与衬底温度有密切关系, 入射原子数与衬底温度有如下关系:
(1-1)
上式中nc和Tc分别是临界入射原子密度( 原子数/cm3sec) 和衬底临界温度。不难发现, 如果到达衬底的原子数目小于临界入射原子密度, 或者衬底温度太高使得入射原子数密度小于临界值, 薄膜的沉积都无法实现。一般我们用凝结系数α来表征薄膜生长, 它被定义为凝聚到衬底上的原子数与入射原子数之比。显然, 薄膜沉积条件是凝结系数α≤1。也应当注意到的是凝聚系数不是一个常数, 它与源物质种类、 入射原子密度、 衬底温度和薄膜厚度等多种因素有关。
薄膜的生长过程分为三种类型, 如图1-1所示, 它们分别是核生长型( Volmer-Weber型) 、 层生长型( Frank-van ber Merwe型) 和层核生长型( Straski-Krastanov型) 。不同的材料( 薄膜材料和衬底材料) 具有不同的生长类型, 不同的生长类型成膜过程也有差异。在薄膜生长初期进行原位高分辨率电子显微镜观测能够确定其生长类型和不同生长阶段的特征。图1-1 薄膜生长过程示意图

图1-2 溅射法薄膜的SZ模型
关于溅射法薄膜当前被大家普遍接受的模型是由J. A. Therton提出的结构带模型( The Structure Zone Model, SZ模型) 。如图1-2所示, 此模型给出了溅射法薄膜的微结构与衬底温度Ts和溅射工作气压的关系。根据该模型, 不同衬底温度和溅射工作气压范围内, 薄膜的微结构能够分为四种类型, 也就是四个区域, 这些微结构区域分别是:
区域1, 结构疏松的楔形晶粒和高浓度孔隙混合区;
区域2, 由排列紧密的柱状晶粒构成, 薄膜表面平整;
区域3, 再结晶区域。
过渡区域( 图1-2中未标出) , 此区域由大量的纤维状晶粒构成。
如图1-2所示, 上述几个区域的划分与衬底温度和工作气压都有关系。以衬底温度Ts和薄膜材料熔解温度Tm的比值Ts/Tm为温度量度标尺, 当Ts/Tm小于0.25且溅射工作气压高( 3Pa以上) , 薄膜微结构处于区域1, 这是由于入射原子能量低且衬底温度低, 使得原子在衬底表面迁移率低造成的, 此区域中不但晶粒尺寸小, 而且晶粒间有大量的空隙存在; 随着衬底温度的升高, 薄膜结晶状况有所改进, 晶粒尺寸增大且晶粒间空隙减少; 当衬底温度进一步增大到超过Ts/Tm>0.3且溅射工作气压降低( 小于1Pa) 就进入了区域2, 晶粒尺寸进一步增大, 薄膜由排列紧密的柱状晶粒构成, 薄膜表面平整度增大, 这是与入射原子能量进一步提高和原子在衬底表面的迁移率增加有关; 衬底温度超过熔点的35%后, 薄膜微结构具有区域3的特征, 薄膜中出现再结晶现象, 此时晶粒尺寸更大, 薄膜表面变得粗糙且有细小裂纹出现。
计算机模拟证实了SZ模型描述的溅射法薄膜微结构的正确性, 因此作为此模型推导基础的有效迁移率观点反映了溅射法制备薄膜材料过程中的真实情况, 此模型对于确定薄膜制备条件和分析薄膜结构与沉积条件的依赖关系都具有参考价值。

四、 实验装置
图2.设备真空系统图示
本实验使用中国沈阳科学仪器研制中心有限公司制造的JGP500D1型超高真空多功能磁控溅射设备。此设备是带有进样室的超高真空多功能磁控溅射镀膜设备。它可用于超高真空背景下, 磁控溅射方式制备各种金属薄膜、 介质薄膜、 半导体薄膜。在镀膜工艺条件下, 采用先进的微机控制溅射样品转盘和靶极挡板, 既能够制备单层薄膜, 又能够制备各种多层薄膜。就总体结构而言, 该设备分为真空系统、 机械系统与控制系统这三部分。真空系统提供了薄膜材料制备的环境条件, 如图2所示; 机械系统包括溅射室、 样品预处理室的开启机构、 样品的置入与取出机构和溅射靶位调节机构; 控制系统为两个电源控制箱组成, 用于溅射靶和衬底偏压的加载和控制、 控制真空机组、 样品室的照明与烘烤和设备各必要部分的真空度测量。
V1～V9 : 调节阀门, 其中V4是直通大气的放气阀;
G1～G3 : 截止阀, G1位于设备后部, 用于隔离溅射室与分子泵; G2用于隔离溅射室与进样室; G3用于隔离进样室与分子泵;
T1～T2 : 分子泵;
R1～R2 : 机械泵;
MFC1～3: 质量流量计;
A、 B、 C、 O: 外部气体接口;
DF : 隔离电磁阀

五、 实验步骤
1. 预处理
我们选用的衬底材料是普通玻璃片, 先将其分割为20mm×20mm小片, 然后用如下的标准工艺进行清洗: ( 1) 中性清洗剂; ( 2) 去离子水30～50oC超声波清洗; ( 3) 王水( HNO3:HCL=3:1) 浸泡5min; ( 4) 去离子水30～50oC超声波清洗15～20分钟; ( 5) 热氮气吹干。
2. 进样
保持主溅射室的真空度, 进样室充入干燥空气, 与大气压力平衡后, 将待溅射的样品放入样品库中。然后进样室抽真空, 使真空度达到6.6×10－3Pa。后用磁力传递杆从样品库上取出衬底, 打开空气锁闸板阀G2, 输送到主溅射室相应的夹持位置。关闭空气锁闸板阀G2, 用分子泵＋机械泵R1对主溅射室继续抽真空到5×10－4Pa左右.稍关小闸板阀G1, 减小抽气速度, 再经过截止阀V2、 V7、 V8、 V9和MFC质量流量计向主溅射室充入Ar气, 调节闸板阀G1关闭的大小来调节溅射工作压强, 使溅射室的真空度维持在3～5Pa。
3. 抽真空
经过抽真空, 使生长室的本底真空达到5×10－4Pa左右
4. 溅射
实验中, RF靶位放置高纯度ZnO靶( 99.995%) , 衬底为普通玻璃。经过G1调节溅射室真空度保证磁控靶正常起辉, 适当调节MFC进气量, 控制Ar流量为51sccm, 使溅射室真空度维持在4.6Pa, 使磁控靶不熄弧。调节匹配电容C1 和C2, 使反射功率减至最小, 磁控靶起辉, 调节板压至所需功率为21.6W, 52W, 88W, 102W, 123.5W, 165W。溅射3600S, 关闭射频励磁电源和MFC质量流量计电源。关闭主溅射室进气截止阀V1和V2, 全开G1闸板阀, 使主溅射室用分子泵直接抽气, 进入高真空状态( 10-5Pa) 。同时进样室由泵抽系统抽真空, 再用磁力传递杆在空气锁闸板阀G2打开的状态下将镀完膜的样品托送至样品库。被镀好的样品置入样品库后, 进样室充入干燥空气, 然后从样品库上取出镀好的各块样品, 马上放入新样品。

5. 关机
(1) 关闭各路仪表, 关闭系统所有阀门: G1、 G2、 V5;
(2) 停分子泵T1、 T2, 7~8分钟后关闭分子泵; 关闭机械泵I、 机械泵II, 总电源和冷却水。

等离子体化学气相沉积法制备多晶Si薄膜

一、 引言
化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术, 包括大范围的绝缘材料, 大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说, 它是很简单的: 两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内, 然后她们相互之间发生化学反应, 形成一种新的材料, 沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子, 它是由硅烷和氮反应形成的。
CVD技术常常经过反应类型或者压力来分类, 包括低压CVD (LPCVD), 常压CVD (APCVD), 亚常压CVD (SACVD), 超高真空CVD (UHCVD), 等离子体增强CVD (PECVD), 高密度等离子体CVD (HDPCVD)以及快热CVD (RTCVD)。
近年来, 随着纳米技术在高新技术领域的兴起和在新领域的广泛应用, 对纳米材料的研究不断发展和深入。在微电子技术中, 以多晶Si作为MOS器件的栅电极是MOS技术的一项重大发展, 其中一个重要原因是多晶Si栅电极的可靠性优于Al电极。另外, 多晶Si还能够作为杂质扩散源以形成浅结, 并确保与单晶Si形成欧姆接触。

二、 实验目的:
1. 了解等离子体增强化学气相沉积( PECVD) 沉积系统、 电源控制系统和气流流量显示系统的基本工作原理。
2. 用PECVD技术制备多晶Si薄膜材料。

三 、 实验原理
等离子体增强化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体作能量源, 样品置于低气压下辉光放电的阴极上, 利用辉光放电( 或另加发热体) 使样品升温到预定的温度, 然后通入适量的反应气体, 气体经一系列化学反应和等离子体反应, 在样品表面形成固态薄膜。PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子( 1-20 eV) , 它们能够提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞能够促进气体分子的分解、 化合、 激发和电离过程, 生成活性很高的各种化学基团, 因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围, 使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现。由于PECVD方法的主要应用领域是一些绝缘介质薄膜的低温沉积, 因而PECVD技术中等离子体的产生也多借助于射频的方法。
稀薄气体中的电子在高频或直流电场的作用下, 将获得加速并与气体中的原子或分子碰撞使其激发、 游离或分解, 产生辉光放电。此时气体中包含许多电子、 离子、 中性原子和分子、 活性根以及亚稳态的原子、 分子集团等。因为这些粒子所带的正负总电荷相等, 因此一般称为等离子体。在低气压( 约几百Pa) 条件下, 气体放电所形成的等离子体是一种低温非平衡等离子体, 这种等离子体具有以下性质:
( 1) 电子和离子的无规则热运动超过了它们的定向运动;
( 2) 电离过程主要是加速电子与气体分子的碰撞, 所形成的粒子正负电荷密度相等;
( 3) 电子的平均热运动能量( 电子温度) 能够高达103~104 K, 远比重粒子( 如分子、 原子、 离子、 自由集团等) 的运动能量高, 气体温度仍保持恒温;
( 4) 电子和重粒子碰撞后的能量损失可在两次碰撞之间从电场中得到补偿。
( 5) 被电子碰撞后反应气体电离生成活性离子或者活性离子集团在衬底上吸附生长。
用低压反应法沉积多晶Si的温度范围在600 ℃-650 ℃之间, 以下列反应式分解硅烷而生成:
SiH4 600 ℃ Si + 2H2
一般最常见的低压沉积方法有两种: 一种是在压强约25 Pa – 130 Pa之间, 使用100 %的硅烷作为反应气体; 另一种是利用氮气作为稀释硅烷的气体, 将硅烷浓度控制在20 % - 30 %之间。上述两种方法每次都可沉积数百片的晶片, 且厚度均匀( 即误差在5 %以内) 。

四、 实验装置
本实验采用单室电容耦合射频等离子体CVD设备, 该设备由下 部分组成:
( 1) 抽气系统;
( 2) 预备室;
( 3) 反应室;
( 4) 大功率振荡系统, 即射频辉光放电系统;
( 5) 阻抗匹配网络;
( 6) 气路控制系统;
( 7) 压强测量及其控制系统;
( 8) 衬底控制系统;
( 9) 工艺过程监控系统。
真空室

DF7
DF6

机械泵Ⅰ

DF1
质量流量计1

浮子流量计
DF2
质量流量计2

真空室

DF3
质量流量计3
手动截止阀

质量流量计4
DF4
DF5

质量流量计4
手动闸板阀
分子泵
机械泵ⅡⅠ

V14
V24
V34

微调阀
V4

N2
Ar
H2
CH4

PECVD-350等离子体增强型化学气相沉积系统气路模拟屏

五、 实验步骤
1、 衬底的清洁处理
衬底的清洗处理方法很多, 并因衬底材料不同而异。对硅和玻璃衬底, 能够先用有机溶剂( 丙酮、 乙醇等) 除去表面油污, 然后用浓硫酸和双氧水煮沸, 后用去离子水冲洗干净并烘干。
2、 抽本底真空
( 一) PECVD开启程序:
( 1) 开总电源;
( 2) 按开按钮, 开样品室, 放入样品, 按停止按钮, 关样品室。
( 3) 开循环水。
( 4) 开启机械泵Ⅰ, 开蝶阀, 1-2分钟后开罗茨泵。
( 5) 复合真空计, 全自动显示, 当热偶真空计为10-1 Pa时, 关闭蝶阀, 关罗茨泵、 机械泵Ⅰ, 开启动机械泵Ⅱ, 打开插板阀, 数分钟后打开气路分子泵电源, START按钮, 启动LED。
( 二) 薄膜生长
( 1) 温度控制: 启动加热按钮, 加温按↑, 降温按↓, 温度设定好后按ENT, 根据不同的温度选定不同的功率。
( 2) 射频调节: 当压强达到10-4 Pa数量级, 而且温度达到设定的温度, 打开灯丝开关, 预热5-10分钟; 同时关闭板阀、 分子泵, 分子泵停止后, 关机械泵Ⅱ。
( 3) 开气路, 开机械泵Ⅰ, 罗茨泵和碟阀。气路1为SiH4, 气路2为Ar, 气路3为H2, 气路4为CH4。打开顺序: 开样品室顶部旋扭 → 流量电源 → 相应气路和气柜内相应气路 → 气瓶 。调节流量计和蝶阀位置, 使得各气路流量达到设定的流量, 调节蝶阀, 使气压达到需要的压强( 25-130 Pa) 。然后沉积一定的时间。
( 三) PECVD关闭程序:
( 1) 关射频: 先将板压调为零, 关板压和灯丝。
( 2) 抽气路: 当质量流量计读数接近零时, 关闭截止阀, 开启氩气, 使得氩气反冲到氢气和甲烷气路( 实验过程中氢气和甲烷气瓶已经关闭) , 当质量流量计读数接近零时开始关气路。
( 3) 关气路: 关气瓶 → 气柜内相应气路 → 流量计 → 相应气路。
( 4) 压力达到10-2 Pa时, 关碟阀, 关罗茨泵和开机械泵Ⅰ。
( 5) 关电源, 关循环水。

六、 思考题
1. 实验中所用的SiH4的物理和化学性质。
2. 分子泵使用时的注意事项。
热氧化生长SiO2薄膜

一 引言
在硅片表面生长一层优质的氧化层对整个半导体集成电路制造过程具有极为重要的意义。它是经过离子注入或热扩散对硅表面进行定域掺杂的掩蔽层, 也是保证器件表面不受周围气氛影响的钝化层。它不光是介质隔离中器件与器件之间电学隔离的绝缘层, 同时也是MOS工艺以及多层金属化系统中保证电隔离的主要组成部分。因此了解硅氧化层的生长机理、 控制并重复生长优质的硅氧化层对保证高质量的集成电路可靠性是至关重要的。
在硅表面形成Si02的技术有很多种: 热生长氧化、 热分解淀积(即CVD法)、 真空蒸发、 反应溅射及阳极氧化法等。其中热生长氧化在集成电路工艺中用得最多, 其操作简便、 氧化层致密, 足以用作扩散掩蔽层, 且经过光刻容易形成定域扩散图形。
本实验目的是熟悉热生长二氧化硅氧化层工艺, 测量一定温度下二氧化硅干氧和湿氧的氧化速率, 建立厚度d和时间t之间的函数关系。

二、 实验原理
1．氧化机理
经过严格清洗的硅片表面处于高温的氧化气氛(干氧、 湿氧、 水蒸汽)中时, 由于硅原子与氧原子有很高的亲和力, 因此在硅表面迅速生成二氧化硅氧化层, 其化学反应方程式如下:
Si+O2SiO2
Si+2H2OSiO2+2H2↑
在反应过程中, 硅和氧的价屯子重新分配, 形成Si-O的共价键结构。在氧化过程中, Si—Si02间的界面朝着硅方向延伸, 使Si02厚度逐渐增大。生长的结果, Si02的外表与原始的硅表面不是同一平面, 若Si02生长厚度为d, 则硅表面被氧化掉的厚度将是0．44d, 如图2．1所示。当硅表面生长一薄层Si02以后, 它阻挡了02或H20直接与硅表面接触, 此时氧原子和水分子必须穿过Si02薄膜到达Si—Si02界面才能继续与硅反应生长Si02。显然, 随着氧化层厚度的增长, 氧原子和水分子穿过氧化膜进一步氧化就越困难, 因此氧化膜的生长速率将越来越小。

图2．1 Si02生长过程中硅表面位置变化情况
迪尔(deal)一格罗夫(grove)的氧化动力学模型描述了热氧化的具体过程。迪尔一格罗夫模型对温度在700℃～1300℃范围内, 压力从2X104Pa到1．0l x l05Pa, 氧化层厚度在300～ 0之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。
图2.2给出了热氧化时气体内部(主气流区)、 Si02中以及表面处氧化剂的浓度分布情况以及相应的压力。在Si02表面附近存在有一个气体附面层。图中Fl表示氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动到气体一Si02界面的流密度(单位时间经过单位面积的粒子数), F2表示氧化剂以扩散方式穿过Si02层到达Si02一Si界面的流密度, 而F3则为氧化剂在Si表面与Si反应生长Si02的流密度。在氧化过程中, 由于Si02层不断生长, 因此Si02一Si界面也就不断向Si内移动。在准静态近似下, 上述三个流密度应该相等, 则有:
F1=F2=F3
附面层中的流密度取线性近似, 即从气体内到气体一Si02界面处的氧化剂流密度Fl正比于气体内部氧化剂浓度Cg与贴近Si02表面上的氧化剂浓度Cs的差:
F1=hg(Cg-C5) (2.1)
其中hg是气相质量输运系数。

图2．2 热氧化过程三个区域的氧化剂浓度

假定在我们所讨论的热氧化过程中, 亨利定律是成立的, 即在平衡条件下固体中某种物质的浓度正比于该物质在固体周围的气体中的的分压。于是Si02表面的氧化剂浓度Co正比于贴近Si02表面的氧化剂分压Ps,
则有:
Co=HPs (2．2)
H为亨利定律常数。在平衡情况下, Si02中氧化剂的浓度C*应与气体中的氧化剂分压Pg成正比, 即有:
C*=HPg (2．3)
由理想气体得到:

其中h是用固体中的浓度表示的气相质量输运系数。
经过SiO2层的流密度F2就是扩散流密度, 可表示为:
( 2.8)
D为氧化剂在SiO2中的扩散系数, CO和Ci分别表示SiO2表面和Si02—Si界面处的氧化剂, XO为SiO2的厚度。
假定在SiO2—Si界面处, 氧化剂与Si反应的速率正比于界面处氧化剂的浓度Ci, 于是有:
F3=KSCi (2.9)
KS为氧化剂与反应的化学反应常数。
根据稳态条件F1=F2=F3,可得到Ci和CO的表示式:

当式中扩散系数D极大或极小时, 上述两式产生极限情况。当D很小时( D《KSXO),得Ci→.因扩散速度太慢, 大量氧化剂堆积在SiO2的表面处, 浓度趋向于同气相平衡时的浓度C*。在这种情况下, Si02的生长速率主要由氧化剂在Si02中的扩散速度所决定, 称为扩散控制态。如果扩散系数D很大, 则Ci=Co=C*／(1+Ks/h)。在这种情况下, 进入Si02中的氧化剂快速扩散到Si02一Si界面处。相比之下, 在界面处氧化剂与Si反应生成Si02的速率很慢, 结果造成氧化剂在界面处堆积, 趋向于Si02表面处的浓度。因此Si02的生长速率由Si表面的化学反应速度控制, 称为反应控制态。
为了计算氧化层生长的速率, 我们定义Nl为每生长一个单位体积Si02所需要氧化剂的分子个数。每立方厘米Si02的分子数为2.2 x 1022个, 每生成一个Si02分子需要一个氧分子, 或者两个水分子。因此, 对氧气氧化来说, N1为2.2 x 1022／cm3, 对水汽氧化来说, N1为4.4 x 1022／cm3。
随着Si02不断地生长, 界面处的Si也就不断地转化为Si02中的成份。因此, Si表面处的流密度也可表示为:
F3=N1 (2．12)
把(2．10)代入到(2．9)式中并与上式联立可得到
(2.13)
这个微分方程的初始条件是Xo(0)=Xi, Xi代表氧化前硅片上原有的Si02厚度。．微分方程(2．13)的解给出了Si02的生长厚度与时间的普遍关系式:

A和B都是速率常数, 方程(2．14)的解为:
(2．18)
Si02生长的快慢将山氧化剂在Si02中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素决定, 即存在上面描述的扩散控制和表面反应控制两种极限情况。 · ．
当氧化时间很长, 即t>>T和t>>A2／4B时, Si02生长厚度与时间的