Sputter原理和流程課件

Sputter原理和流程PVD製程知識(shí)Sputter原理和流程Sputter原理NSNGasinpumping+--+-+-+-+-+-+-++-++-Sputter原理NSNGasinpumping+--+-電子螺旋運(yùn)動(dòng)電子螺旋運(yùn)動(dòng)電子平均自由徑比較電子平均自由徑比較MagnetronDCSputtering濺擊產(chǎn)額Ar+數(shù)量及能量電子平均自由徑及能量濺擊總能量低，陰極加磁鐵增長(zhǎng)，變大增多，變大增大濺擊能量低MagnetronDCSputtering濺ParameterSubstrateTemperatureChamberPressureGasFlowRateDCPowerMagnetScanSpeed/Field即溫度、壓力、氣體氣流之速率、DC功率密度、磁鐵掃描及範(fàn)圍。ParameterSubstrateTemperaturSputteringprinciple定義：濺鍍，即利用電漿所產(chǎn)生的離子，藉著離子對(duì)被濺鍍物體電極的轟擊，使電漿的氣相內(nèi)具有被鍍物的粒子來(lái)產(chǎn)生沉積薄膜的一種技術(shù)。原理：利用DCPower將通入的ProcessGas解離成電漿，藉著離子對(duì)靶的轟擊將靶材物質(zhì)濺射飛散出來(lái)，而附著於目標(biāo)基板形成膜。Sputteringprinciple定義：原CrystalGrowthMechanismNucleationGrainGrowthCoalescenceFillingofChannelsFilmGrowthCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismPVDFlow機(jī)械流程動(dòng)作流程PVDFlowL/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CA33機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CASputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)-760torr至10-3

torr2、抽真空(細(xì)抽)-10-3

torr至10-8

torr3、到達(dá)底壓約10-7

torr後通Ar氣,使壓力控

制在約數(shù)mtorr4、加入電場(chǎng)(target為負(fù)極),點(diǎn)燃plasma,

開(kāi)始鍍膜5、膜厚度達(dá)到之後,停止電場(chǎng)6、基板從SChamber傳到TChamber7、基板送入LChamber,破真空取出SputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)Hillock（Al）原因：wfilm的膨脹系數(shù)小于底材時(shí),從高溫降至室溫,film受到擠壓應(yīng)力,若此應(yīng)力過(guò)大時(shí),Al原子沿晶界向膜上移動(dòng),形成小的突起wAl成膜的晶粒方向不一致,在後續(xù)高溫制程時(shí),（110）晶粒在兩（111）晶粒間形成hillock,形成的原因?yàn)椋?10）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同HillockHillock（Al）原因：Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號(hào)線相會(huì)處短路解決方案：w用AlNdtarget代替Altargetw在Al上面再鍍一層覆蓋金屬來(lái)抑制Alhillock的產(chǎn)生w減小grainsize可降低hillock凸出的大小Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號(hào)線相會(huì)處短Splash原因：當(dāng)target局部（如void、oxide處）散熱不均,過(guò)熱地方在高溫下融化,在Ar離子轟擊下滴落在基板上,形成Dometype的splash在targetedge有強(qiáng)烈的arcing現(xiàn)象,使邊緣的金屬融化濺落在基板上,形成wingtype的splashSubstrateArOxideorVoidHeatedareaWingtypeDometypeTargetMeltedparticalSplash原因：SubstrateArOxideorSplash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號(hào)線短路

解決方案：用Shieldplate裝置保護(hù)Target邊緣不被Arcing改變Target的形狀可以減少Arcing預(yù)防Arcing對(duì)策->

提高Target的純度,使其低氧化低雜質(zhì)（Inclusion）

提高Target密度（Void）

提高Target表面平整度（SurfaceFinish）

減小target晶粒的大小,提高均一性（GainSize）Splash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號(hào)線短路Nodule（ITO）原因:

w

ITO靶材是由氧化銦及氧化錫熱燒結(jié)而成,若混合不均及壓結(jié)密度不足

就易在濺鍍時(shí)產(chǎn)生節(jié)瘤

w

ITO靶材為高硬度陶瓷材料,面積大時(shí)製造較難,故採(cǎi)用多塊小靶材拼接而成,

接縫處常有Nodule存在

w制程中Nodule爆裂開(kāi)形

成許多ITO屑,飛到靶材上

遮住部分靶材無(wú)法Sputter,

形成新的NoduleNodule（ITO）原因:Nodule（ITO）

後果：w

引起ITOflake產(chǎn)生,掉落於基板為Particle,影響鍍膜品質(zhì),導(dǎo)致ITO層的阻抗惡化并且減少I(mǎi)TO層的透光率

解決方案：用超高密度的ITO靶材（>95%）可獲得改善w

將target表面處理平滑及乾淨(jìng)Nodule（ITO）後果：Void原因：wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時(shí),從高溫降至室溫時(shí),film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過(guò)大時(shí),Al原子沿晶界向膜下移動(dòng),形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Al在高溫制程時(shí),成膜的晶粒方向不一樣,（111）晶粒在兩（110）晶粒間形成Void,因?yàn)椋?10）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同金屬連線高低起伏的外觀使上面鍍絕緣層不易完全將縫隙填滿（填塞不良）,留下VoidITO成膜速度太快使得薄膜呈柱狀結(jié)構(gòu)造成有很多孔洞（Void）產(chǎn)生而影響膜質(zhì)Void原因：Void後果：增加膜的阻抗解決方案：減小grainsize提高靶材密度金屬連線上絕緣層通常厚度比較薄在1000到3000之間,即使金屬層角落部分有凸出也不至於連起來(lái)形成Void控制ITO成膜速度合適Void後果：增加膜的阻抗Spike(Al)原因：Si在400℃左右對(duì)Al有一定的固態(tài)溶解度,因此沉積於Si上

的Al在經(jīng)歷約400℃以上的步驟時(shí),Si將借擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)入Al,Al亦回填Si因擴(kuò)散而遺留下的空隙,在Al與Si進(jìn)行接觸部分形成SpikeN+AlSi場(chǎng)氧化膜Spike(Al)原因：N+AlSi場(chǎng)氧化膜Spike(Al)後果：如果尖峰長(zhǎng)度太長(zhǎng),穿透了膜層,會(huì)導(dǎo)致短路解決方案：w一般在金屬鋁的沉積制程中主動(dòng)加入相當(dāng)於Si對(duì)Al之溶解度的Si（一般為1%）w

加入一層阻障層,採(cǎi)用在Al膜下再加一層Mo層,以防止該現(xiàn)象的產(chǎn)生Spike(Al)後果：如果尖峰長(zhǎng)度太長(zhǎng),穿透了膜層,會(huì)導(dǎo)致Electromigration（Al）原因：w當(dāng)薄膜中的原子（Al）在極高的電場(chǎng)下,譬如較高的傳導(dǎo)電流,金屬原子會(huì)沿著材質(zhì)本身的晶粒邊界,往電子流動(dòng)的方向流,使的導(dǎo)線部分的原子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少,導(dǎo)線的截面縮小,終而導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)線的斷路

晶粒邊界鋁線Electromigration（Al）原因：晶粒鋁線Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,影響元件可靠性很大,導(dǎo)致失效解決方案：通常在Al中加入少量的其他元素來(lái)防止它的發(fā)生,強(qiáng)化鋁線可靠性通常是加入適量的銅,含量約為0.5-4%之間

Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,Peeling/Crack原因：w每一層膜從成長(zhǎng)到元件的完成之間,將在制程中經(jīng)歷許多不同的環(huán)境,使得每一層的film所承受的機(jī)械應(yīng)力發(fā)生變化,當(dāng)film累積過(guò)多的應(yīng)力可能產(chǎn)生永久的機(jī)械性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時(shí),從高溫降至室溫時(shí),film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過(guò)大時(shí),Al原子沿晶界向膜下移動(dòng),形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Peeling/Crack原因：Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失效解決方案：w在製程過(guò)程中控制好參數(shù)，使薄膜應(yīng)力控制在合適的範(fàn)圍之內(nèi)w在一些膜層鍍好後可借助AnnealOven回火來(lái)調(diào)整薄膜應(yīng)力Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失FillingBad原因：PVDsputter最大的缺點(diǎn)是無(wú)法提供一個(gè)階梯覆蓋性良好的film,因爲(wèi)很多粒子以大角度濺射到基板表面,對(duì)溝渠底部沉積能力差,使得大多數(shù)的濺鍍金屬沉積在晶片的表面,終而導(dǎo)致填塞不良的現(xiàn)象FillingBad原因：FillingBad後果：使薄膜沉積形狀不理想，且容易產(chǎn)生Void解決方案：w可以利用準(zhǔn)直管將大角度濺鍍現(xiàn)象濾除，使到達(dá)基板表面的靶原子都是較小的行徑角度FillingBad後果：使薄膜沉積形狀不理想，且容易產(chǎn)生Inclusion在濺鍍的過(guò)程中,ITO膜形成時(shí),電漿中的負(fù)離子在濺鍍電壓（靶極電位）的作用下,往基板方向射入,此時(shí)在膜中形成黑色的絕緣物InO（節(jié)瘤成分）Sputter之前,金屬靶表面可能已遭受不同程度之污染,比如氧化物,或金屬靶本身純度不好帶有雜質(zhì)時(shí),這些不純物隨著製程進(jìn)行而沉積在薄膜中形成雜質(zhì)濺鍍過(guò)程中靶材並非全部沉積於基板,也會(huì)鍍?cè)贑hamber內(nèi),這些附著膜脫落也會(huì)形成雜質(zhì)Chamber中用來(lái)密封的O-ring之碎屑也可能成爲(wèi)製程中的異物Inclusion在濺鍍的過(guò)程中,ITO膜形成時(shí),電漿中的負(fù)Inclusion後果：可影響吸附原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及晶粒的成長(zhǎng)、大小與形狀解決方案：適當(dāng)降低濺鍍電壓（電壓絕對(duì)值）來(lái)降低負(fù)離子射入能量而降低膜質(zhì)破壞，進(jìn)而形成低阻值的ITO膜在濺鍍初期為防止靶材表面氧化物隨濺鍍沉積於薄膜,先用Dummy代替Substrate來(lái)進(jìn)行沉積,待穩(wěn)定後再換真正的SubstrateInclusion後果：可影響吸附原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及晶粒的成長(zhǎng)其它由外來(lái)雜質(zhì)引起的及材料本身具有的各種缺陷(a)(c)(b)其它由外來(lái)雜質(zhì)引起的及材料本身具有的各種缺陷(a)(c)(b其它由應(yīng)力造成的變形（彎曲等）(a)(c)(b)T=沉積高溫T=室溫T=室溫薄膜底材其它由應(yīng)力造成的變形（彎曲等）(a)(c)(b)T=沉積高溫其它後果：解決方案：在薄膜沉積完成後借助適當(dāng)回火調(diào)整應(yīng)力,使薄膜再結(jié)晶在薄膜沉積時(shí)借助適當(dāng)?shù)摹半x子轟擊”來(lái)控制薄膜應(yīng)力其它後果：ThankyouallThankyouallCryoCryoCryoTransferchamberLoadLockLoadLockPVDChamberPVDChamberTestLeakCryoSlitvalveOpenpermanentlyPVDToolXPR3CryoCryoCryoTransferLoadLockPVDToolCryoCryoCryoTestLeakCryoXPR3TransferchamberLoadLockLoadLockPVDChamberPVDChamberPVDToolCryoCryoCryoTestLeakC演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！Sputter原理和流程PVD製程知識(shí)Sputter原理和流程Sputter原理NSNGasinpumping+--+-+-+-+-+-+-++-++-Sputter原理NSNGasinpumping+--+-電子螺旋運(yùn)動(dòng)電子螺旋運(yùn)動(dòng)電子平均自由徑比較電子平均自由徑比較MagnetronDCSputtering濺擊產(chǎn)額Ar+數(shù)量及能量電子平均自由徑及能量濺擊總能量低，陰極加磁鐵增長(zhǎng)，變大增多，變大增大濺擊能量低MagnetronDCSputtering濺ParameterSubstrateTemperatureChamberPressureGasFlowRateDCPowerMagnetScanSpeed/Field即溫度、壓力、氣體氣流之速率、DC功率密度、磁鐵掃描及範(fàn)圍。ParameterSubstrateTemperaturSputteringprinciple定義：濺鍍，即利用電漿所產(chǎn)生的離子，藉著離子對(duì)被濺鍍物體電極的轟擊，使電漿的氣相內(nèi)具有被鍍物的粒子來(lái)產(chǎn)生沉積薄膜的一種技術(shù)。原理：利用DCPower將通入的ProcessGas解離成電漿，藉著離子對(duì)靶的轟擊將靶材物質(zhì)濺射飛散出來(lái)，而附著於目標(biāo)基板形成膜。Sputteringprinciple定義：原CrystalGrowthMechanismNucleationGrainGrowthCoalescenceFillingofChannelsFilmGrowthCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismPVDFlow機(jī)械流程動(dòng)作流程PVDFlowL/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CA33機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機(jī)械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CASputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)-760torr至10-3

torr2、抽真空(細(xì)抽)-10-3

torr至10-8

torr3、到達(dá)底壓約10-7

torr後通Ar氣,使壓力控

制在約數(shù)mtorr4、加入電場(chǎng)(target為負(fù)極),點(diǎn)燃plasma,

開(kāi)始鍍膜5、膜厚度達(dá)到之後,停止電場(chǎng)6、基板從SChamber傳到TChamber7、基板送入LChamber,破真空取出SputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)Hillock（Al）原因：wfilm的膨脹系數(shù)小于底材時(shí),從高溫降至室溫,film受到擠壓應(yīng)力,若此應(yīng)力過(guò)大時(shí),Al原子沿晶界向膜上移動(dòng),形成小的突起wAl成膜的晶粒方向不一致,在後續(xù)高溫制程時(shí),（110）晶粒在兩（111）晶粒間形成hillock,形成的原因?yàn)椋?10）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同HillockHillock（Al）原因：Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號(hào)線相會(huì)處短路解決方案：w用AlNdtarget代替Altargetw在Al上面再鍍一層覆蓋金屬來(lái)抑制Alhillock的產(chǎn)生w減小grainsize可降低hillock凸出的大小Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號(hào)線相會(huì)處短Splash原因：當(dāng)target局部（如void、oxide處）散熱不均,過(guò)熱地方在高溫下融化,在Ar離子轟擊下滴落在基板上,形成Dometype的splash在targetedge有強(qiáng)烈的arcing現(xiàn)象,使邊緣的金屬融化濺落在基板上,形成wingtype的splashSubstrateArOxideorVoidHeatedareaWingtypeDometypeTargetMeltedparticalSplash原因：SubstrateArOxideorSplash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號(hào)線短路

解決方案：用Shieldplate裝置保護(hù)Target邊緣不被Arcing改變Target的形狀可以減少Arcing預(yù)防Arcing對(duì)策->

提高Target的純度,使其低氧化低雜質(zhì)（Inclusion）

提高Target密度（Void）

提高Target表面平整度（SurfaceFinish）

減小target晶粒的大小,提高均一性（GainSize）Splash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號(hào)線短路Nodule（ITO）原因:

w

ITO靶材是由氧化銦及氧化錫熱燒結(jié)而成,若混合不均及壓結(jié)密度不足

就易在濺鍍時(shí)產(chǎn)生節(jié)瘤

w

ITO靶材為高硬度陶瓷材料,面積大時(shí)製造較難,故採(cǎi)用多塊小靶材拼接而成,

接縫處常有Nodule存在

w制程中Nodule爆裂開(kāi)形

成許多ITO屑,飛到靶材上

遮住部分靶材無(wú)法Sputter,

形成新的NoduleNodule（ITO）原因:Nodule（ITO）

後果：w

引起ITOflake產(chǎn)生,掉落於基板為Particle,影響鍍膜品質(zhì),導(dǎo)致ITO層的阻抗惡化并且減少I(mǎi)TO層的透光率

解決方案：用超高密度的ITO靶材（>95%）可獲得改善w

將target表面處理平滑及乾淨(jìng)Nodule（ITO）後果：Void原因：wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時(shí),從高溫降至室溫時(shí),film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過(guò)大時(shí),Al原子沿晶界向膜下移動(dòng),形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Al在高溫制程時(shí),成膜的晶粒方向不一樣,（111）晶粒在兩（110）晶粒間形成Void,因?yàn)椋?10）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同金屬連線高低起伏的外觀使上面鍍絕緣層不易完全將縫隙填滿（填塞不良）,留下VoidITO成膜速度太快使得薄膜呈柱狀結(jié)構(gòu)造成有很多孔洞（Void）產(chǎn)生而影響膜質(zhì)Void原因：Void後果：增加膜的阻抗解決方案：減小grainsize提高靶材密度金屬連線上絕緣層通常厚度比較薄在1000到3000之間,即使金屬層角落部分有凸出也不至於連起來(lái)形成Void控制ITO成膜速度合適Void後果：增加膜的阻抗Spike(Al)原因：Si在400℃左右對(duì)Al有一定的固態(tài)溶解度,因此沉積於Si上

的Al在經(jīng)歷約400℃以上的步驟時(shí),Si將借擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)入Al,Al亦回填Si因擴(kuò)散而遺留下的空隙,在Al與Si進(jìn)行接觸部分形成SpikeN+AlSi場(chǎng)氧化膜Spike(Al)原因：N+AlSi場(chǎng)氧化膜Spike(Al)後果：如果尖峰長(zhǎng)度太長(zhǎng),穿透了膜層,會(huì)導(dǎo)致短路解決方案：w一般在金屬鋁的沉積制程中主動(dòng)加入相當(dāng)於Si對(duì)Al之溶解度的Si（一般為1%）w

加入一層阻障層,採(cǎi)用在Al膜下再加一層Mo層,以防止該現(xiàn)象的產(chǎn)生Spike(Al)後果：如果尖峰長(zhǎng)度太長(zhǎng),穿透了膜層,會(huì)導(dǎo)致Electromigration（Al）原因：w當(dāng)薄膜中的原子（Al）在極高的電場(chǎng)下,譬如較高的傳導(dǎo)電流,金屬原子會(huì)沿著材質(zhì)本身的晶粒邊界,往電子流動(dòng)的方向流,使的導(dǎo)線部分的原子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少,導(dǎo)線的截面縮小,終而導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)線的斷路

晶粒邊界鋁線Electromigration（Al）原因：晶粒鋁線Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,影響元件可靠性很大,導(dǎo)致失效解決方案：通常在Al中加入少量的其他元素來(lái)防止它的發(fā)生,強(qiáng)化鋁線可靠性通常是加入適量的銅,含量約為0.5-4%之間

Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,Peeling/Crack原因：w每一層膜從成長(zhǎng)到元件的完成之間,將在制程中經(jīng)歷許多不同的環(huán)境,使得每一層的film所承受的機(jī)械應(yīng)力發(fā)生變化,當(dāng)film累積過(guò)多的應(yīng)力可能產(chǎn)生永久的機(jī)械性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時(shí),從高溫降至室溫時(shí),film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過(guò)大時(shí),Al原子沿晶界向膜下移動(dòng),形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Peeling/Crack原因：Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失效解決方案：w在製程過(guò)程中控制好參數(shù)，使薄膜應(yīng)力控制在合適的範(fàn)圍之內(nèi)w在一些膜層鍍好後可借助AnnealOven回火來(lái)調(diào)整薄膜應(yīng)力Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失FillingBad原因：PVDsputter最大的缺點(diǎn)是無(wú)法提供一個(gè)階梯覆蓋性良好的film,因爲(wèi)很多粒子以大角度濺射到基板表面,對(duì)溝渠底部沉積能力差