集成电路工艺实验

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。常用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，它可以用来生长外延的单晶薄膜。另一种常用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，可以大面积成膜等。

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+离子和可以对立运动的电子，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，使其可以脱离靶材的束缚而飞向衬底，在衬

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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。

溅射法使用的靶材可以根据材质分为纯金属、合金及各种化合物。金属与合金的靶材可以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。

主要的溅射方法可以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，常用氩气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

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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可以交替地轰击靶，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。通常，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，目前国际上通常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

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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可以溅射沉积任何材料。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，非磁性靶材的厚度可以厚些，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

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图2 JGP560D超高真空磁控溅射仪的结构示意图

斜靶 挡板 溅射靶材 挡板转轴 Ar 流量计 诱导磁场 转盘转轴 样品转盘 样品 反溅靶 样品传送杆 预处理室 主溅射室 闸板阀 分子泵 机械泵 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，也可以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。在样品支架上可以加一条形磁铁，在制备样品时根据需要可以加诱导磁场。该设备既可以共溅制备合金层和制备层状膜，也可以制备成楔形结构或均匀膜，并可以精确控制膜层厚度和多层膜层数，从而可以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，可以先用有机溶剂（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

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(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。

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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并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“目前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，而后者不仅可以描述大量原子行为，也适用于少数原子的行为。

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图1-1 薄膜生长过程示意图 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可以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。薄膜生长过程是否可以持续，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：

2840nc4.71022exp() (1-1)

Tc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。通常我们用凝结系数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可以确定其生长类型和不同生长阶段的特征。

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关于溅射法薄膜目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，薄膜的微结构可以分为四种类型，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，此区域中不仅晶粒尺寸小，而且晶粒间有大量的空

图1-2 溅射法薄膜的SZ模型 隙存在；随着衬底温度的升高，薄膜结晶状况有所改善，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，所以作为此模型推

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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

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，既可以制备单层薄膜，又可以制备各种多层薄膜。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。

图2.设备真空系统图示

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；

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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，再通过截止阀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

通过抽真空，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。通过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。

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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。

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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，然后他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技术常常通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还可以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），它们可以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可以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

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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，所以一般称为等离子体。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）可以高达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

一般最常用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；

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（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。 浮 子流 量计 DF7 DF1 质量流量计1 DF2 质量流量计2 DF3 质量流量计3 DF4 质量流量计4 质量流量计4 手动闸分子机械泵Ⅱ板阀 泵 DF6 机械泵Ⅰ 手动蝶阀 罗茨泵 真空室 手动截 微调 阀V1V2V3DF5 止阀 V4

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，可以先用有机溶剂（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

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

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（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，并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。

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集成电路工艺实验讲义

2. 分子泵使用时的注意事项。

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集成电路工艺实验讲义

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。它是通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，且通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，所以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：

SiO2 Si+O2SiO2+2H2↑ Si+2H2O 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，所以

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集成电路工艺实验讲义

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300A～20000A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(单位时间通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，所以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

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集成电路工艺实验讲义

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。 通过SiO2层的流密度F2就是扩散流密度，可表示为：

F2DCoCi （2.8） XoD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。

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集成电路工艺实验讲义

根据稳态条件F1=F2=F3,可得到Ci和CO的表达式：

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→C*.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。所以，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：

dXo (2．12) dt把(2．10)代入到(2．9)式中并与上式联立可得到

F3=N1

KSC*dXo N1 (2.13) F3dt1KS/hKSXO/D 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：

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集成电路工艺实验讲义

A和B都是速率常数，方程(2．14)的解为：

XO

At(121) (2．18) 2A/4B 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 关系可简化为：

XO2B(t) (2．19)

这种情况下的氧化规律称抛物型规律，B为抛物型速率常数。由(2．16)式可知，B与D成正比，所以Si02的生长速率主要由氧化剂在Si02中的扩散快慢所决定，即为扩散控制。

当氧化时间很短，即(t)<XOB(t) (2．20) A在这种极限情况下的氧化规律称线性规律，B／A为线性速率常数，具体表达式为：

KShC*B •(2．21) AKShN1 对大多数的氧化情况来说，气相质量输运系数h是化学反应常数Ks的103倍。因此，在线性氧化规律时，Si02的生长速率主要由表面化学反应速率常数Ks决定，即表面化学反应控制。(2．19)式和(2．20)式分别表示扩散可控态和反应可控态两种情况。 迪尔和格罗夫用(111)晶向的P型硅做实验，在干氧和湿氧两种情况下对硅单晶衬底片进行热生长氧化。温度在700℃至1200℃范围内所测到的实验数据和他们的理论模型(即方程式2．14和2．18式)具有极好的—致性。

表1和表2分别为硅湿氧氧化和干氧氧化的速率常数。大量的实验表明，当氧化温

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集成电路工艺实验讲义

摩高1000℃时，氧化过程基本上符合(2.19)式抛物线规律，氧化速率常数B主要受氧分子在氧化层中的扩散速率D(B=2DC*／N1)所控制。温度越高，氧分子在氧化层中的扩散越快，因此氧化速率B越大，当温度低于1000℃时，氧化层的生长规律与(2．19)式偏离。当温度低于700℃时，氧分子与硅原子的化学反应速度很低，因此氧化层的生长率主要受Si—Si02界面处的化学反应速率所控制，即为(2．20)式的反应可控态。符合线性的生长规律，此时氧化生长速度很慢。由图2.3、图2.4和表1、表2，可见湿氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。虽然干氧的生长速率很慢，但生长的Si02薄膜结构致密、干燥，均匀性和重复性好，掩蔽能力强，钝化效果好，而且由于干氧生长的Si02表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。湿氧氧化速率虽然很快，但在氧化后的硅片表面存在较多的位错和腐蚀坑，而且还存在使Si02表面与光刻胶黏附不良的硅烷醇(Si—OH)。因此在生产实践中，普遍采用干氧一湿氧一干氧交替的氧化方式。在湿氧氧化后，再通一段时间的干氧，既有利于保持硅片表面的完整性，又使Si02表面的硅烷醇(Si—OH)转变成硅氧烷(Si—O—Si)，从而改善了Si02表面与光刻胶的接触，在光刻时对不会产生浮胶现象。这种干、湿氧交替的氧化方式解决了生长速率和质量之间的矛盾，使生长的Si02薄膜更好地满足实际生产的要求。图2.3为干氧和湿氧氧化层厚度与氧化时间的实验关系曲线。

图2.3（111）硅干氧氧化层厚度与时间的关系

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集成电路工艺实验讲义

由实验曲线可见，当氧化温度为1200℃、氧化时间为60分钟时，干氧的氧化层厚度约为1930A，氧化速率常数约6．2X10-4微米2／分。而在同样温度下，当氧气通过水温为95℃的湿氧瓶时，其氧化速率常数约为117.5 X 10—4微米2／分，它的氧化速率常数增加将近20倍。

三、实验内容

取5片经清洗的硅样片，用镊子夹到石英舟上，将炉温控制在1100℃，并通入干02，流量为500ml／min。将石英舟缓慢推入炉中恒温区，分别以5r，10’，20'，40'，60'五种不同时间，生长厚度不同的Si02层。

四、实验要求及思考

1．了解干氧、湿氧情况下热生长二氧化硅层的生长规律 2．熟悉热生长二氧化硅的制备工艺

3．简述氧化操作步骤并画出干氧、湿氧氧化装置图。

4．为什么相同温度、相同时间下生长的干氧氧化层厚度小于湿氧氧化层的厚度?

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固相扩散实验

一引言

扩散是微观粒子(原子、分子等)的一种极为普通的热运动形式，运动结果使浓度分布趋于均匀。集成电路制造中的固态扩散工艺，简称扩散，是利用固体中的扩散现象，将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。

对任何扩散系统的基本要求是，提供使扩散杂质与适当制备的晶片接触的手段，并能把此过程在特定的温度下保持特定的一段时间。在这些总的要求下，还希望有以下特点：

1、能在直至杂质固溶度的大范围内对表面浓度进行控制。

2、扩散过程不能使晶片表面产生损伤。这是一个极端重要的要求，因为整个集成电路是在表面下几个微米的层中制作的。

3、扩散后，滞留在晶片表面的物质，如果需要消除的话，应易于除去。 4、各扩散流程之间以及一个流程内各晶片之间。系统都应给出可重复的结果。 5、系统应能一次处理大量晶片。

1扩散方程的通解：

1、在无限物体情况下扩散方程的通解(杂质浓度)：

N(x,t)2Dt1f()e(x)24Dtd

2、半无限物体扩散方程的解(杂质浓度)：

N(x,t)2Dt10[N1(,0)e(x)24DtN(,0)e(x)24Dx]d

2 扩散方程解的特例（恒源扩散与限定源的扩散）

恒源扩散: 分布函数N(x,t)Nsex24Dt,其中Ns为表面浓度。

x2Dt限定源的扩散: 浓度分布函数N(x,t)= Nserfc其中erfcx2Dt

=1-erfx2Dt为余误差函数

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集成电路工艺实验讲义

二实验目的

1.理解固体掺杂工艺和固相扩散机制。

2.学会使用退火炉实现扩散实验，探针台测量扩散层的电阻，并计算出扩散层的表面杂质浓度。

三实验原理

用由SiO2粘结剂粘合的氮化硼可减小这个问题并且减少形成硼皮的可能性。另一个方法是用由B2O3和BaO、CaO、MgO或A12O3这一类材料组成的混合物做圆片。通常用氮化硼圆片做为硼扩散的固相源。这些圆片和硅片的直径相同（或稍大些），一般来说，必须在750～1100℃对圆片进行大约30分钟的预氧化以便在表面上形成一层薄的B2O3表皮，以此做扩散源。把这些圆片和硅片放在支架上进行扩散。彼此间隔要均匀，使每一个圆片都要放在两硅片工作面之间。虽然不需要任何载气，但是通常通以流量为1L／min左右的干燥氮气，以防止大气中的玷污物反向扩散到扩散管中。由于在这个过程中，晶片之间几乎没有什么气流，因此各批之间扩散的重复性好，并且在晶片的直径方向上很均匀。

圆片和硅表面之间的距离通常大约为2~3 mm，为了保持各批之间的重复性，此距离应保持不变。此外，如果要保证一致性的结果，还必须根据圆片使用的次数，按时进行预氧化。

这种固相源的应用受到很多限制。首先，硅片上的B2O3未用SiO2稀释，因此用这种源时经常产生硼皮。一种防止办法是在载气中加入少量的氧，这使得圆片的径向氧化的不均匀，因为氧化速率是由圆片间的气流决定的。第二个问题是氮化硼圆片粘到二氧化硅支架上。硼在1150℃的扩散系数大约为10-12cm2／s。硼的固溶度高。扩散时可达到电活性表面浓度为4×1020原子／cm3。因此它适用于各种扩散工艺。

硼在硅中的四面体半径是0.88 Å，对应的失配因子=0.254。因此，硅晶格中存在大量的硼伴生应力感生缺陷，造成严重的晶格损伤。这决定了实际结构中所能达到的杂质浓度上限大约为5×1019原子／cm3，其余的是非电活性的。

元素态硼在温度上升甚至超过硅的熔点时，都是不活泼的。田此，扩散是借助于三氧化二硼(B2O3)和硅之间的表面反应进行的，即

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集成电路工艺实验讲义

2B2O3＋3Si4B＋3SiO2

过量的B2O3会在硅片的表面形成硅化物和硼的其它一些化合物。

四实验仪器

1、单管程控氧化炉

整机由以下几个部分构成：净化工作台、扩散炉机箱、加热炉体、气源柜、排毒箱等。

2、四探针电阻率仪

五实验内容及步骤

1、用手工或机械把片子从管子的一端装入 （拉杆速度通常为10cm/min，另一端用于气体或以气相形式存在的杂质流入。

2、通入惰性性载气中把含有杂质的化合物〈通常是它的氧化物〉输送到片子的表面。

3、在扩散温度下（扩散炉的温度范围通常为600～1200℃），化合物和半导体之间发生可逆反应，达到杂质原子的平衡浓度，由此浓度进行扩散。

4、扩散工作完成后，应分析测试扩散结果是否符合要求，主要是测量扩散层的薄层电阻（或表面电阻）Rs和结深Xj，并进而推出扩散层的表面杂质浓度。

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集成电路工艺实验讲义

5、测量扩散层的薄层电阻：

对于有限大（例如a×d=6毫米），但扩散层仍然很薄(2

xjS0.5)的单面扩散。

VadC() IdSadC为边界修正因子，是的函数，其值如表1

dSRs

单面扩散校正系数C

表1

d/s 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 7.5 10.0 15.0 20.0 40.0 ∞

6、测量扩散层的结深：

测量原理是基于在导电型号不同（或相同杂质不同浓度的部分）的硅片上由于电化学势不同而使化学反应进行的速度不同，结果使n、p区上显示不同的颜

a/d=1 2.4515 3.1137 3.5098 4.0095 4.2209 4.3882 4.4516 4.5120 4.5324 a/d=2 1.4788 1.7196 1.9454 2.3532 2.7000 3.2246 3.5749 4.0361 4.2357 4.3947 4.4553 4.5126 4.5324 a/d=3 0.9988 1.2467 1.4893 1.7238 1.9475 2.3541 2.7005 3.2248 3.5750 4.0362 4.2357 4.3947 4.4553 4.5129 4.5324 a/d≥4 0.9994 1.2248 1.4893 1.7238 1.9475 2.3541 2.7005 3.2248 3.5750 4.0362 4.2357 4.3947 4.4553 4.5129 4.5324 28

集成电路工艺实验讲义

色，交界处就是p-n结的位置。这里我们采用的是滚槽法：

利用钢柱（一般的直径D约为2-5厘米），在硅片表面滚磨出一个圆柱形的槽来，如图12、13所示，然后显结并测量出x、y的值，在xyD时可以推知结深为

xjxy DD的值已知，x, y可用测量显微镜测出来，测量时可在不同部分测量后求平均值。

7、扩散层表面浓度的推求:

测出了扩散层的薄层电阻RS和结深xj就可以推求出扩散层的表面浓度NS；由于扩散层不是均匀掺杂，无法给出总体的单一的体电阻率，故引入平均电导率于来描述扩散层的电导性（或用平均电阻率1也可）。

1 Rsxj普遍情况下，人们经常想知道表面下“次扩散层”的特性（图18所示）。此层以结为界，另一边以深度x处平行于结的平面为界，该层的平均电导率为

=

xj11qN(x)dx 0Rs(xjx)(xjx)N代表Nx-NB，Nx为x处的杂质原子浓度，RS为该层的薄层电阻，当x→0时，次扩散层就变成全扩散层了，对应地NS→NS0了。

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六、思考题

1、证明限定源扩散中，杂质总量保持不变。（积分公式

0eydy22）

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光刻工艺

一、引言

光刻是一种复印图象和化学腐蚀相结合的综合技术。它采用照相复印的方法，先将光刻掩模版上的图形精确地复印在涂有感光胶的二氧化硅或金属薄层表面，然后利用光刻胶的保护作用，对二氧化硅层(或金属薄层)进行选择性化学腐蚀，从而在二氧化硅(或金属薄层)上得到与光刻掩模版相应的图形。

光刻工艺是硅平面工艺中的关键工艺之一，光刻质量的好坏对半导体器件性能影响极大。本实验要求同学对光刻工艺的原理及操作步骤有一个初步的了解。

二、光刻工艺的操作步骤及原理

图3．1表示光刻工艺的一般流程，步骤2至步骤4必须在暗室内进行。下面对整个光刻过程及原理进行简单的介绍。 1．硅片的清洁处理

待光刻的硅片表面必须保证清洁干燥，这样才能与光致抗蚀剂(即光刻胶)有很好的粘附，这是影响光刻质量的重要因素。一般认为刚刚从高温炉内取出的氧化片或蒸发台内取出的蒸A1的片子，表面较清洁、干燥，不必再进行清洗，可直接涂光刻胶。对已经沾污了的或存放时间较长的氧化片，必须按常规清洗硅片的方法(用I号、H号洗液)清洗， 用去离子水冲洗、烘干，最后送入高温炉(700℃～900℃)通干氧5分钟处理后才能取出涂胶。对于金属表面，就不能用I号、Ⅱ号洗液清洗，可用有机溶剂丙酮、酒精水浴15分钟，再用去离子水冲洗，然后在红外灯下烘干，待涂胶。 2.涂胶

在待光刻的硅片表面涂上一层一定厚度且厚薄均匀、无灰尘杂物存在的光刻胶。实验所用的光刻胶是J-2型负性光刻胶。（即末曝光前是一种可溶解于有机溶剂的高分子化合物，在紫外光照射后发生光聚合反应，硬化成为不可溶的物质。）

最常用的胶法是自转式旋转涂敷法，如图3.2所示。硅片放在圆盘转轴，中心，采用真空吸附。在硅片表面滴上光刻胶，开动马达，旋转圆盘高速旋转，将胶甩开，在片子表面留下薄薄一层光刻胶。光刻胶的厚度与光刻胶本身的浓度和圆盘的转速有关。对一定浓度的光刻胶来说，调节转速可以改变光刻胶的厚度。转速越快，光刻胶膜越薄。

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集成电路工艺实验讲义

薄的光刻胶膜有利于细线条光刻，但胶膜针孔较多，抗蚀能力差，因而光刻胶的厚度要适当。

图3.1 光刻工艺流程图

图3.2涂胶示意图

为了保证光刻质量，涂胶应在超净工作台或防尘操作箱内进行。超净台内的湿度须小于40％。 3.前烘

将涂有光刻胶的片子放入温度为70℃～90℃的烘箱内烘10～20分钟，这步骤称之为前烘。

前烘的目的是促使光刻胶膜内溶剂充分地挥发，让胶膜干燥，增加胶膜强度，使之

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集成电路工艺实验讲义

与样片粘附得更牢。前烘不能过份也不能不足，不然会影响光刻胶膜的图形质量，如出现显影浮胶，图形畸变以及显影不足等等现象。对于不同的光刻胶前烘的时间与温度略有不同，所以我们应该选取合理的前烘时间及温度。 4．对准与曝光

对准和曝光是光刻中的关键步骤，该工序在专用的光刻机上进行。根据所需光刻的图形我们选择相应的光刻掩模版，把它安装在光刻机的支架上使有图形的玻璃面向下，再把涂有光刻胶的硅片放在光刻机可微调的工作台上，胶面朝上，然后把光刻掩模版移到硅片上方，平行靠近而不接触。在显微镜下，仔细调节掩模版及硅片相应的位置，精确套准后，再慢慢将硅片与掩模版紧紧相贴，推到曝光灯下曝光。曝光完毕，取出片子待显影。

曝光时间的选择十分重要，在实际操作中曝光时间是由光刻胶种类、胶膜厚度、光源强度、光源与片子间距离来决定的。曝光时间过长，胶膜出现皱纹，图形边缘出现锯齿形使分辩率下降。曝光时间过短，胶膜未充分交联，显影时曝光部分也会部分被溶解，使图形变形，胶面发黑，抗蚀性大大降低。因此曝光时间必须严格控制。根据本实验室工艺条件，J一2型光刻胶曝光在1分钟左右。 5． 显影

经曝光后的光刻胶必须经过显影以后，胶膜上才显示出图形来。对负性抗蚀剂而言，显影是将未感光部分的胶层溶解掉，留下感光部分的胶层。这样胶膜上显示出与掩模版遮光图案完全相反的保护胶层，见图3.1(5)。不同光刻胶有不同的显影液和漂洗液，J—2型光刻胶的显影液是丁酮，漂洗液是丙酮。显影工序在显影机上完成。待显影的片子放在显影机的自转式圆盘上，用真空吸附，显影机内装有丙酮、丁酮二种溶液。当开动机器片子转动时，机器内的丁酮以喷洒形式对片子进行显影，见图3.3。显影时间约1—2分钟后，机器自动停止丁酮换成丙酮，同样以喷洒形式对片子漂洗1—2分钟。漂洗完毕，机器自动停止，从盘上取下硅片，显影完毕。

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集成电路工艺实验讲义

图3.3 显影示意图

显影后的硅片必须进行认真检查，以保证光刻质量。一般要检查以下几个方面：显影是否彻底(即未感光处应该无残存的胶膜)，感光部分留下来的光刻胶膜应该无针孔、划伤、浮胶现象，图形是否套准，图形尺寸是否正确，边缘是否整齐等等。如有不合格的硅片必须进行返工。(重复步骤1、2、3、4)。 6、坚膜

显影时胶膜会发生软化、膨胀，所以显影后必须进行坚固胶膜的工作，称之为坚膜。坚膜可以使胶膜与硅片之间紧贴得更牢，同时也增加了胶膜的抗蚀能力。

坚膜是在140℃～200℃烘箱内进行。坚膜时间与温度随不同光刻胶种类而不同。坚膜时间过短、温度不足，胶膜没有烘透，不够坚固，腐蚀时容易发生浮胶或严重侧蚀等现象。坚膜过度，会使胶膜因热膨胀产生翘曲和剥落，腐蚀时也会发生浮胶和钻蚀现象。对J一2型光刻胶而言，坚膜温度为180℃，时间约半小时。 7、腐蚀

腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻膜覆盖的氧化层(或金属层)腐蚀掉，把有光刻胶覆盖的区域保存下来，在二氧化硅或金属层上完整、清晰、准确地刻蚀出光刻胶膜上显影出来的图形。腐蚀是光刻工艺中的重要工序，稍有疏忽就会使硅片氧化层损坏及报废，因而必须认真、细致对待。下面着重介绍一下二氧化硅和金属铝的腐蚀液和腐蚀方法。 （1） 二氧化硅腐蚀

二氧化硅的化学性质非常稳定，只能与氢氟酸发生化学反应，反应式如下：

其中，反应生成的H2SiF6可溶于水。 常用的二氧化硅腐蚀液配方是：

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集成电路工艺实验讲义

其中氢氟酸的浓度为48％。

腐蚀时把硅片浸入腐蚀液中，腐蚀时间取决于腐蚀液温度、二氧化硅层厚度及二氧化硅膜的性质。一般取腐蚀液温度为32℃ 时，二氧化硅的腐蚀速率约为2000A／分。按不同的氧化层厚度选取不同的腐蚀时间。腐蚀时间必须严格控制，如果腐蚀时间太短，氧化层未腐蚀干净，影响扩散效果。若腐蚀时间过长，图形边缘会钻蚀，严重时会出现胶膜浮胶，造成硅片报废。因此在实际操作中，腐蚀前必须先取一片样片做试验，确定正确、合理的腐蚀时间，及时发现腐蚀过程中可能出现的浮胶、钻蚀和毛刺现象。如果试片在腐蚀过程中氧化层还未腐蚀干净，就出现浮胶等现象，那么整批片子就不能腐蚀。样品只能返工，重复图3.1中1至5步工序。试片一切正常，那么整批片子才能按正确腐蚀时间腐蚀。腐蚀好的片子从腐蚀液内取出后，立即用去离子水漂洗干净，在显微镜下认真检查，如有不合格者作返工或报废处理。 (2) 铝层腐蚀

金属铝层的腐蚀液是浓磷酸，温度为30℃一90℃之间。腐蚀时把片子放入浓磷酸溶液中，铝和浓磷酸反应激烈表面会不断冒出气泡，片子会浮起来，这时可用镊子把片子浸入浓磷酸内并用毛笔轻轻抹去气泡。当看到铝层图形清楚地显示出来了说明腐蚀完毕。腐蚀时间必须严格掌握，腐蚀时间过短，腐蚀不干净，铝条会短路，腐蚀时间过长，造成引线过细，甚至会断开。 8、去胶

去除留在硅片表面上的光刻胶。二氧化硅层上去除光刻胶方法很多，最常用的是化学湿法去胶方法。即用硫酸和双氧水的混合液浸泡。配方如下：

使胶层碳化脱落后，用去离子水冲净。铝层上的胶膜可采用等离子去胶法去除。

三、实验内容

1.取若干已生成二氧化硅层的硅片和有一定图形的光刻掩模版，按光刻的工艺操作步骤，在二氧化硅层刻蚀出套准精确的清晰图形。

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。集成电路工艺实验讲义

2.违反正常的操作要求进行光刻(如硅片不清洗、前烘不足、前烘温度过高、曝光时间过长、曝光时间不足或不坚膜等)，观察光刻图形和二氧化硅层上刻蚀图形会出现的现象。(这项内容可根据实验时间多少而选做部分内容。)

四、实验要求

1.光刻工艺的原理以及在集成电路制造过程中的重要性 2.掌握光刻工艺的操作流程

五、思考题

1.要刻蚀出线条挺直、尺寸精确的图形，操作过程中必须注意些什么？

2.对于不经过光刻胶坚膜步骤或腐蚀时间过长的样品，图形会出现什么问题，为什么?

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高温烧结炉的熟悉和使用

一 引言

OTF-1200X真空管式炉外型美观大方,结构为保温层两半开启式,集控制系统与炉膛为一体。它是专为在可控多种气氛及真空状态下对金属,非金属及其它化合物进行烧结、熔化、分析而研制的专用产品。本实验的目的主要是熟悉并使用它。 二 原理

两种气体，由气体钢瓶经减压阀减压至所需压力输入到气体混合配比器，再通过调节每一组分的体积流量，输出预定比例关系的混合气体，达到实验室所需要的气氛。严禁氢气和氧气同时供气，以确保安全。

将配比器进口的连接头直接到15MP的供气钢瓶减压阀上，选择连接好两种气体，按顺序开启供气钢瓶上的阀门、配比器上对应的截止阀及流量计旋钮，再旋转减压阀旋钮增大气体压力，调节气体流量，输出所需要的压力和流量。

三 操作步骤

1. 打开瓶阀，检查配比器连接头与气瓶瓶阀连接处是否连接可靠，有无漏气。 2. 打开截止阀，缓慢旋转减压阀旋钮增大气体压力至规定值。Pmax<0.05Mpa。 3. 调节输出气体流量计流量，数分钟后即可供给所需要的混合气体。 4. 打开电源，绿色power指示灯亮。 5. 打开控制电源开关Lock。

6. 输入控温程序曲线。（参考控温设定）

7. 按下绿色Turn-on按键，听见嘭的一声，主继电器吸合。

8. 按住仪表上” ∨”键2秒钟，SV显示“Run”，进入仪表自动控制状态。

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集成电路工艺实验讲义

混气罐(A) 进气口A P3 1 P2 TV1 MFC1 200 混气罐(B) 进气口B 2 4 TV2 MFC2 500 高温管式炉 FFC2 P1 MFC1 MFC2 混气罐 机械泵抽气口

TV3 气体质量流量控制器面板显示 混气出口

3

9. 设备运行一段时间后（一般在200℃～300℃左右），若偏差还不能消除，或控温程

序运行时控温精度太低，偏差过大或温度上下摆动过于平凡，可在自己使用最高温度的80%温度段启动自整定功能来协助确定M5，P，t控制参数。

10. 程序运行结束后，仪表处于“Stop”的基本状态。若中途需停止运行控温程序，按

仪表“∧”停止键使仪表处于Stop的基本状态。 11. 按下红色Turn-off按键使主继电器断开。 12. 关闭Lock开关切断控制电源，关闭总电源。

四 控温程序的设定

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硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示

一实验目的

硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起p-n 结的反向漏电增大等。各种缺陷的产生和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示等方法。对表面缺陷也可以用扫描电子显微镜来观察。由于金相腐蚀显示技术设备简单，操作易掌握，又较直观，是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。金相腐蚀显示可以揭示缺陷的数量和分布情况，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关系，为改进工艺，减少缺陷、提高器件合格率和改善器件性能提供线索。 二原理

硅单晶属金刚石结构，在实际的硅单晶中不可能整块晶体中原子完全按金刚石结构整齐排列，总有某些局部区域点阵排列的规律性被破坏，则该区域就称为晶体缺陷。硅单晶中的缺陷主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷等三类。晶体缺陷可以在晶体生长过程中产生，也可以在热处理、晶体加工和受放射性辐射时产生。

在硅单晶中缺陷区不仅是高应力区，而且极易富集一些杂质，这样缺陷区就比晶格完整区化学活拨性强，对化学腐蚀剂的作用灵敏，因此容易被腐蚀而形成蚀坑，在有高度对称性的低指数面上蚀坑形状通常呈现相应的对称性，如位错在（111）、（100）、（110）面上分别呈三角形、方形和菱形蚀坑。

用作腐蚀显示的腐蚀剂按不同作用大体可分为两类，一类蚀非择优腐蚀剂，它主要用于晶体表面的化学抛光，目的在于达到清洁处理，去除机械损伤层和获得一个光亮的表面；另一类是择优腐蚀剂，用来揭示缺陷。一般腐蚀速度越快择择优性越差，而对择优腐蚀剂则要求缺陷蚀坑的出现率高、特征性强、再现性好和腐蚀时间短。 通常用的非择优腐蚀剂的配方为：

HF(40-42%):HNO3(65%)=1:2.5

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集成电路工艺实验讲义

它们的化学反应过程为：

Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O

通常用的择优腐蚀剂主要有以下二种： （1）希尔腐蚀液（铬酸腐蚀液）

先用CrO3与去离子水配成标准液： 标准液＝50g CrO3+100g H2O 然后配成下列几种腐蚀液：

A. 标准液：HF(40-42%)=2:1(慢速液) B. 标准液：HF(40-42%)=3:2(中速液) C. 标准液：HF(40-42%)=1:1(快速液) D. 标准液：HF(40-42%)=1:2(快速液)

一般常用的为配方C液，它们的化学反应过程为：

Si+CrO3+8HF=H2SiF6+CrF2+3H2O

(2)达希腐蚀液

达希（Dash）腐蚀液的配方为：

HF(40-42%):HNO3(65%):CH3COOH(99%以上)＝1:2.5:10

硅单晶中不同种类的缺陷需选用上述不同的配方，采用不同的腐蚀工艺。下面对硅单晶中三类缺陷的性质和腐蚀显示分别作一介绍。 1.点缺陷

硅单晶中的点缺陷是指三维（长、宽、高）都很小的缺陷。例如空位、间隙原子和微缺陷等。硅单晶中某些热运动能量大的原子可以离开格点位置到达晶体表面。从而在晶体内部留下一个空格点，称为“空位”，这种缺陷称为肖特基缺陷，或者脱离格点的原子进入晶体内部的间隙位置，那么在晶体内部会同时出现空位和间隙原子，间隙原子－空位对组成的缺陷称为弗兰克缺陷。单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。温度愈高，平衡浓度愈大。高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移；也可以和碳、氧及金属杂质凝聚成沉积团，这种沉积团叫做微缺陷。如果晶体生长过程中冷却速度较快，那些过饱和的间隙原子和空位就来不及通过上述途径消失，那么它们在以后的热处理过程中将按热处理的具体条

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件变化其状态。间隙原子和空位目前尚无法观察，但微缺陷可用腐蚀金相法显示。 2. 线缺陷

硅单晶中的线缺陷是二维上很小，一维上不很小的缺陷，如位错等。晶体生长过程中，晶体受到热应力引起塑性形变，在某些晶面族间产生滑移。如果在晶面上有局部区域发生滑移，则在滑移区和未滑移区之间就存在一条位错线。位错一般可分为刃位错和螺位错。若一条位错线处处都是刃位错（螺位错），则称为纯刃位错（或纯螺位错），否则就称为混合位错。位错线具有封闭性，它可以自成封闭回路，也可终止在晶体表面或晶粒间界上，但不能终止在晶体的内部。

对于（111）晶面的硅单晶用希尔腐蚀液腐蚀后，位错蚀坑呈黑三角形。处于[111]晶向的晶面上，刃位错可以明显地看出是台阶式正三角形，螺位错能看到螺线。如果晶向略微偏离[111]晶向，则对称性被破坏，于是腐蚀图形也会发生变形。

在高温条件下，如果位错在滑移过程中遇到障碍物，则它会在障碍物前被阻止前进，后边那些接连而来的滑移位错也就依次停下来，从而排成一整齐的列队形式，这种一列位错称为位错排。在（111）面上可以发现位错排中所有三角形位错蚀坑的底边都在一直线上，它沿[110]晶向。

大量的位错排可以构成星形结构，在[111]晶向的晶体中，它的特定形状可以是三角星形结构。 3. 面缺陷

面缺陷是硅单晶中一维上很小，两维上不很小的缺陷，它是晶体中某一晶面的晶格不完整所形成的一种缺陷，如晶界、小角度晶界、层错和孪晶等。 （1）小角度晶界

在硅单晶体内当某一“晶界”的两边晶体取向略有偏离，而偏离角度小于10度时，就称此“晶界”为“小角度晶粒间界”，简称为“小角度晶界”。偏离角度大于10度就成了孪晶。在[111]方向生长的硅单晶中，小角度晶界由三角形的位错蚀坑所构成，它的图形特征是蚀坑以角底相顶的形式整齐排列，可长可短。 （2）层错

在晶体生长过程中，特别是在外延生长过程中，由于生长条件的扰乱（如外延衬底质量较差；在生长过程中有小的颗粒杂质引入等），使硅原子的生长排列出现新的核化位置，导致局部区域原子密排面的层序发生位错，这种缺陷称为“层错”。

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层错的腐蚀金相蚀坑由一条倾斜面槽构成，这些倾斜面槽在（111）密排面上的层错多数呈现等边三角形，也有成为一条直线或自成120度角或相互交成60度、120度角，其方向通常沿[110]晶向，层错可以贯穿到晶体表面，也可以终止于晶体内的半位错或晶粒间界处。

三实验方法

本实验是使用不同的腐蚀液核腐蚀方法显示硅单晶中各种不同的缺陷蚀坑，然后用金相显微镜来观察、区分和研究各种蚀坑的形态，定量计数比较缺陷密度大小，并用金相显微摄影仪拍摄各种缺陷的典型照片。

四实验步骤

1. 晶体的化学腐蚀显示 （1）样品的预处理

要正确地判断分析各种缺陷的蚀坑图形，晶体背景干扰必须小，所以切割下的晶体表面必须经过预处理，使晶体表面清洁且光亮如镜。

①沿硅单晶棒的[111]（或[100]、[110]）晶向垂直切下薄圆片（偏角必须小于7度，越小越好）依次用300#、600#、302＃、303＃金刚砂细磨其表面。

②把样品放入10％的“海鸥水”中加热至沸腾约10-20分钟去除油污，然后用去离子水冲洗干净。

③把样品放入化学抛光液中腐蚀去除研磨损伤层，化学抛光液即前述的非择优腐蚀液。必须将样品浸没在腐蚀液中，而且要不停地搅拌以增强抛光的均匀性，抛光结束后用去离子水将样品冲洗干净。

④把样品放入HF溶液中漂洗，除去残存的氧化层，再用去离子水冲洗干净，经上述处理后即可得到一个清洁的、光亮如镜的表面。 外延片本身是平整的镜面，可不必作任何预处理。 （2）样品的化学腐蚀显示 ①腐蚀剂的配制

对于（111）面的样品希尔腐蚀液是一种十分有效的显示液，它的配方如前所述，

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可针对缺陷（如位错）密度高低而分别选用A-D液，一般常用的为C液。还可以用增减HF来调整腐蚀速率，HF增加，腐蚀速率增大；反之则减小。此种腐蚀剂对（110）面的样品也是一种很好的显示液。

对于（100）面的样品通常用达希腐蚀液，它的配方如前所述，应该注意的是腐蚀液配方力求严格，对HF更应精确计量。 ②样品的腐蚀

将（111）面样品放入希尔腐蚀液中，根据不同样品所要显示的不同缺陷，选用不同的腐蚀时间和腐蚀温度。

通常显示层错在室温下腐蚀时间是10－30秒左右，显示位错在室温下腐蚀5－10分钟，对微缺陷显示要求在沸腾的腐蚀液中腐蚀2－3分钟，若在室温下往往需要腐蚀20－30分钟。对（110）面的缺陷腐蚀条件类似。腐蚀结束后用去离子水冲洗干净。 将抛光好的（100）样品放入达希腐蚀液中，在35度的恒温条件下，腐蚀3－4小时后可显示位错。腐蚀结束后用去离子水冲洗干净，然后检查表面是否有氧化膜而影响观察，可将样品放入用过的希尔液中浸泡15－20分钟以去除氧化膜，同时还可扩大腐蚀图形便于进行观察。 2. 金相显微镜观察

（1）将照明灯泡电线与变压器相接，然后接上变压器电源，开亮照明灯泡，选择适当的亮度。

(2)在物镜转换器上装一个八倍物镜并转到工作位置，在目镜管上装上15倍目镜，并把被测样品放在载物台上；

（3）缓慢转动粗调焦手轮，观察到图像后，再进一步使用细调焦手轮，调到图像清晰为止。

（4）调节孔径光栅，使整个视场获得最明亮而均匀的照明；

（5）转动载物台位置，选择所需观察的位置并且仔细地观察各种物象的图形，记下位置和视场中缺陷（如位错）的数量。根据不同的情况和要求可转动物镜转换器或调换目镜来获得各种放大倍数；

（6）用石英标准微米尺标定显微镜视场直径，并计算视场面积。如果换用物、目镜则需重新进行标定。 3.金相显微摄影

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将观察到的缺陷图形通过与显微镜相连的计算机数据采集卡读入计算机，并保存起来； 4. 缺陷计数

位错、层错和微缺陷常常用单位面积上的缺陷数目来表示：N=n/S, 式中n表示视场中观测到的缺陷数目，S为视场面积。为了正确反映晶体内缺陷的密度情况，一般取几个点的读数进行平均。

五实验结果与分析

1.对几块有位错、位错排、小角度晶界和微缺陷的单晶及有层错的外延片进行腐蚀显示后，用金相显微镜仔细地观察其蚀坑形态，并区分各种不同额缺陷； 2. 用金相显微摄影仪拍摄所观察到的各种缺陷的典型照片；

3. 对一块单晶样品的位错密度（或者微缺陷密度）作定量计数，求出缺陷密度。 六思考题

1. 为什么位错蚀坑在（111）、（100）、（110）面上分别呈现三角形、方形和菱形？ 2. （111）面上的位错蚀坑式三角形的，而微缺陷往往也呈三角形，如何区分？为什么？ 3. 在单晶样品的腐蚀显示中往往发现有位错的区域就不存在微缺陷；而在微缺陷存在的区域里就没有位错，如何解释这种现象？

4. 在实验的过程中你是怎样理解和体会样品预处理的重要性的？ 参考文献

1. 1976, Annual Book of ASTM Standards part 43, F416-577; F80-74; F47-70.

2. W.R.Runyan, “Semiconductor Measurements and Instrumentation”, McGraw-Hill Book Company, (1975) P21

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真空蒸发法金属Al薄膜制备

背景介绍：

薄膜（thin film）是材料的一种形态，通常意义上的薄膜是指厚度在m及以下数量级上的物质层，其长度、宽度尺寸远远大于厚度尺寸。大多数情况下，薄膜是附着在另外的物质上的，薄膜附着物质叫做衬底（substrate）或者基片，特殊情况下，也有无附着衬底的自支撑薄膜材料。构成薄膜的材料叫做膜材，它可以是单质，也可以是化合物；可以是有机物，也可以是无机物；可以是导体材料，也可以是半导体或者绝缘体材料。从物质结构上说，对于固态薄膜，它可以是非晶态、多晶态或者晶态的。因此，根据标准的不同，薄膜材料的分类是非常多的。

薄膜材料有着极为广泛的用途，它遍布国防、航空航天、重工、电子、日常生活的方方面面，尤其在电子工业领域，薄膜几乎到了一统天下的地步，半导体集成电路、电子元器件、激光器、磁带、磁头等等都是应用薄膜材料的。薄膜材料与薄膜制备技术已经逐步发展为一门独立的应用技术学科。

薄膜的广泛应用促进了薄膜技术的飞速发展，根据基本原理的差异，薄膜制备技术可以大致分为：气相生成法、液相生成法、氧化法、扩散与喷涂法、电镀方法等等（详细的分类见附录I）。

本实验介绍的是最为常见的薄膜气相制备方法——真空蒸发法。

实验目的： 1、 2、 3、

实验原理： 1、真空现象介绍

粗略地说，真空就是指气压值低于一个大气压的状态或者环境，真空的物理基础是了解真空的获得、测量的一般知识；

了解蒸发镀膜设备的结构、工作原理、操作规程； 掌握金属铝薄膜制备工艺；

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气体分子运动论，用于描述真空环境的物理量是气压值，专指真空时称为真空度，根据真空度的不同，我们有如下的分类：

低真空 中真空 高真空 超高真空 102Pa 102~101Pa 101~105Pa 105Pa 可见真空度越高，相应的气压值是越低的。描述真空度的物理量除了国际单位的Pa，常用的还有Torr、mmHg和bar。有如下的换算关系(全部换算关系见附录II)：

1Torr1mmHg133.332Pa1Pa10ba7.5006210Torr53

根据分子运动论的知识，我们知道真空度越高，气压越低，分子的数密度越小，分子之间碰撞的几率也越的，分子平均自由程越高。量化的表示如下：（ 、 n、 分别是分子自由程、分子数密度和分子通量）

1 2ndp RTNAnNAp

2MRT真空环境对于很多工艺来说是必要的和各不相同的，就薄膜制备和分析技术来说，其一定要在不同的真空环境下完成。真空蒸发需要的是高真空和超高真空范围，溅射技术和低压化学气相沉积技术需要的真空度分别是中、高真空范围和中、低真空范围，而电子显微镜和其他各种表面分析技术需要的则是超高真空范围。 2、真空的获得与测量

真空环境通常是在一个相对封闭的空间或者腔室中实现的，目前大多数情况下都是

通过真空泵来实现真空的。真空泵是一大类设备的总称，它们也是真空系统的主要组成部分。根据工作原理的不同，可以分为输运式真空泵和捕获式真空泵。其中输运式真空泵是通过压缩气体的办法来实现真空的，而捕获式真空泵则是通过气体分子在真空系统内部的凝聚、吸附方式实现真空的。输运式真空泵又细分为机械式气体输运泵和气流式

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气体输运泵，前者如旋转式机械真空泵、罗茨泵以及涡轮分子泵，后者如油扩散泵等；

图1 旋片式机械真空泵结构示意图 捕获式真空泵包括低温吸附泵、溅射离子泵等。

本实验中我们用到的是旋片式机械真空泵和油扩散泵。它们的工作原理简述如下： 旋片式机械泵：其结构如图1所示，它的核心部分是装有偏心转子和划片的腔室，转子上划片把真空系统与外界分割开来，划片的告诉旋转完成气体的隔离、压缩和排放工作。为了保证密封的严密和机械部件的润滑，上述部分都用专用油保护。这种泵通常是串联工作的，单级泵的极限真空度大约是1Pa，两级串联后可以达到10－2Pa，抽气速率是1～300L/sec。

油扩散真空泵：油扩散泵的工作原理不同与机械泵，其中没有转动和压缩部件。如图2所示，它的工作原理是通过电炉加热处于泵体下部的专用油，沸腾的油蒸汽沿着伞形喷口高速向上喷射，遇到顶部阻碍后沿着外周向下喷射，此过程中与气体分子发生碰撞，使得气体分子向泵体下部运动进入前级真空泵。扩散泵泵体通过冷却水降温，运动到下部的油蒸汽与冷的泵壁接触，又凝结为液体，循环蒸发。为了提高抽气效率，扩散泵通常由多级喷油口组成（3、4个），这样的泵也称为多级扩散泵。扩散泵具有极高的抽气速率，通常可以达到103～104/L，其极限真空度10－4～10－5Pa，排气口压力1～10Pa。根据扩散泵的工作原理，可以知道扩散泵有效工作一定要油冷却水辅助，因此实验中一

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定要特别注意冷却水是否通畅和是否有足够的压力。另外，扩散泵油在较高的温度和压强下容易氧化而失效，所以不能在低真空范围内开启油扩散泵。油扩散泵一个不容忽视的问题是扩散泵泵油反流进入真空腔室造成污染，对于清洁度要求高的材料制备和分析

图2 油扩散泵结构示意图 过程，这样的污染是致命的，所以现在的高端材料制备、分析设备都采用无油真空系统，避免油污染。

通常的真空系统不是只有一种真空泵在工作，而是由至少两级真空泵组成的。本实验中真空系统由两级构成，前级泵是旋片式机械泵构成，二级泵是油扩散泵。 3、真空的测量

真空的测量就是对真空环境气压的测量，考虑到真空环境的特殊性，真空的准确测

量是困难的，尤其是高真空和超高真空环境的测量。一般解决思路是现在真空中引入一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的某些物理量，最后根据特征量与压强的关系确定出压强。对于不是很高的真空，可以通过压强计直接测量，这样的真空计叫做初级真空计或者绝对真空计，中度以上真空需要间接测量，这样的真空计叫做次级真空计或者相对真空计。

下表给出了常用真空计极其测量范围：

真空计名称 测量范围（Torr） 真空计名称 测量范围 49

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（VTorr） 水银U形真空计 油U形真空计 光干涉油微压计 压缩真空计（一般型） 压缩真空计（特殊型） 静态变形真空计 薄膜真空计 振膜真空计 热传导真空计（一般型） 热传导真空计（特殊型） 760～0.1 100～0.01 10－2～10－4 10～10－5 10～10－7 760～1 10~10-4 高真空电离真空计 高压强电离真空计 B-A超高真空电离计 分离规、抑制规 宽量程电离真空计 放射能电离真空计 冷阴极磁控放电真空计 磁控管型放电真空计 克努曾真空计 10－3～10－7 1～10－6 10－5～10－10 10－9～10－13 10－1～10－10 760～10－3 102～10－－7 1000～10－4 1～10－3 10－4～10－8 10－3～10－7 1000～10－3 分压强真空计 10－3～10－5 本实验中用到的真空计是热电偶真空计和热阴极电离真空计，又叫做热偶规和电离规，其结构如下图所示。它们的工作原理分别简述如下：（1）热偶规

在热偶规中，热丝的温度由一个细小的热电偶测量。热电偶就是不同金属绞接构成

的，当两个结构温度不同时，有温差电动势存在，也就是所谓的温差电效应。其测量过程是：在铂丝上加一定的电流，铂丝温度升高，热电偶出现温差电动势，它的大小可以通过毫伏计测量。如果加热电流是一定的，那么铂丝的平衡温度在一定的气压范围内取决于气体的压强，所以温差电动势也就取决于气体的压强。热电动势与压强的关系可以通过计算得出，形成一条校准曲线。考虑到不同气体的导热率不同，所以对于同一压强，温差电动势也是不同的（通常的热偶规是校准气体是空气或者氮气）。热偶规热丝由于长期处于较高的温度，受到环境气体的作用，故容易老化，所以存在显著的零点漂移和灵敏度变化，需要经常校准。

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（2）电离规

常见的电离规的结构非常类似于三极管。热阴极灯丝加热后发射热电子，栅状阳极

图3 热偶规、电离规结构示意图 具有较高的正电压。热电子在栅状阳极作用下加速并被阳极吸收。由于栅状阳极的特殊形状，除了一部分电子被吸收外，其他的电子流向带有负电的板状收集极，再返回阳极。也就是说部分电子要来回往返几次才能最终被阳极吸收。可以想象，在电子运动的过程中，一定会与气体分子碰撞并电离，电离的阳离子被收集极吸收并形成电流。电子电流Ie、阳离子电流Ii与气体压强之间满足如下关系：

P1I3 KIe由此可以确定出气压。对于很高真空度的情况，气体分子很稀薄，所以被电离的气体分子数目很小，因此需要配置微电流放大装置和灯丝稳流装置。电离规的线性指示区域是10－3～10－7Torr。电离规是中高真空范围应用最广的真空计。低真空范围内，电离规的灯丝和阳极很容易被烧掉，所以一定要避免在低真空情况下使用电离规。

一般情况下应用广泛的是由热偶规和电离规组成的所谓“复合真空计”，它总的量程是10－1～10－7Torr，其中10－1～10－3Torr由热偶规测量，而10－3～10－7范围由电离规测量。 4、真空蒸发原理

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真空蒸发法就是把衬底材料放置到高真空室内，通过加热蒸发材料使之气化或者升华，然后沉积到衬底表面而形成源物质薄膜的方法。

这种方法的特点是在高真空环境下成膜，可以有效防止薄膜的污染和氧化，有利于得到洁净、致密的薄膜，因此在电子、光学、磁学、半导体、无线电以及材料科学领域得到广泛的应用。

对于真空蒸发法而言，首先要明确成膜真空度范围，也就是说在说明样的真空范围内，薄膜的生成是可能的。

根据分子运动论，我们知道气体分子处于不停的热运动中，分子间存在频繁的碰撞。任意两次连续碰撞间一个分子自由运动的平均距离叫做分子平均自由程，它的表达式是：

kT 22dP其中d、T、P分别是分子直径、环境温度和气体压强。常温下，上式可以简化为（压强单位是Torr）：

5105(m)

P真空镀膜要求的必要条件是：从蒸发源出来的蒸汽分子或者原子到达衬底材料的距离要小于真空室内残余气体分子的平均自由程。这个道理是显而易见的，因为： （1）蒸发源物质的蒸汽压可以达到或者超过残余气体压力，从而产生快速蒸发； （2）蒸发源物质的蒸汽分子与残余气体的碰撞机会减小，大多数可以直接到达衬底表

面。这样的好处在于蒸发分子不与残余气体分子碰撞，保证形成的薄膜具有高的纯度，也在于蒸发分子保持由较大的动能与衬底材料表面碰撞，有利于形成牢固的膜层；

（3）防止蒸发源在高温下与水汽或者与氧反应而破坏蒸发源，同时又减小热传导，不

至于造成蒸发困难；

蒸发法制备薄膜材料过程中另外一个问题是蒸发速率与凝结速率的问题。任何物质在一定的温度下，总会有一些分子从凝聚态（液、固相）变成气相离开物质表面。对于真空室内的蒸发物质，当它与真空室温度相同时，则由部分气相分子因热运动而返回凝聚态，经过一定时间后达到平衡。所以说，薄膜的沉积过程实际上是物质气相与凝聚相

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相互转化的一个复杂过程。

理论分析表明，真空中单位面积洁净表面上发射的原子或者分子的蒸发速率是：

N23.51310Pv(M/T)(mol.cm.sec1)

其中PV是蒸发源物质的饱和蒸汽压，M是蒸汽粒子的分子量。

到达衬底表面的蒸发源物质，一部分以一定的凝结系数形成薄膜，另一部分以一定的几率反射重新回到气相状态。也就是说蒸发源物质凝结为薄膜时，有一定的凝结速率，这取决于蒸发速率、蒸发源相对衬底的位置和凝结系数。通常情况下，凝结速率的提高可以使得膜层结构均匀致密，机械强度增大，光散射减小，薄膜的纯度提高，但是也有不利的影响，那就是表面迁移率减小导致的薄膜内应力增大，薄膜龟裂脱离衬底。因此，薄膜制备过程中蒸发、凝结的速率应当保持在一个合理的范围内。

衬底温度也是一个需要认真考虑的工艺参数。衬底温度越高，吸附在其上的残余气体分子将排除的越干净，从而增加薄膜与衬底的附着力，提高机械强度和结构致密度；衬底温度提高减小了与蒸发源物质再结晶温度的差异，从而消除薄膜内应力，改善膜层力学性质；衬底温度的提高也使得凝结的分子与残余气体反应加剧，对于特殊的材料而言，这种反应的充分是有意的；如果蒸镀的是金属材料，通常是采用冷衬底的，目的在于避免薄膜从存在大尺寸的晶粒对光的反射和氧化反映引起的光吸收，提高薄膜的反射率。

除了衬底，蒸发源材料也是重要的因素。这包括蒸发源材料的选择与形状。大多数情况下，蒸发源物质的蒸发温度为1000～2000℃，所以蒸发源材料的熔点一定要大于这个值。为了减少蒸发源材料与蒸发源物质同时蒸发对薄膜造成的污染，通常选择高熔点的材料，如W、Ta、Mu、Pt等。另外，还需要考虑两者之间是否发生合金反应、两者是否浸润等等，如果蒸发源物质与蒸发源材料发生合金反应，那么容易造成蒸发源材料断裂而蒸发终止；如果两者不浸润，那么在选择蒸发源材料的形状时，一定要考虑选用舟状，线状容易导致蒸发源物质掉落。常见的蒸发源材料形状有螺线管状、半盒状、舟状、线状等等。

（5）真空蒸发薄膜制备的基本工艺流程

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2212本实验是真空蒸发法在玻璃衬底上制备金属Al薄膜，其基本工艺流程如图四所示：

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图4 真空蒸发金属Al薄膜工艺流程 实验仪器：

本实验的主要仪器是北京北仪创新真空技术公司生产的DM－300B型镀膜机，它由真空镀膜室、真空系统、提升机构和电器控制四部分组成。 （1）真空镀膜室

由钟罩、底板、蒸发源、离子轰击、烘烤装置、旋转机构组成。钟罩由不锈钢制成，钟罩前面和顶部各有一个观察窗，由硬质玻璃与真空橡胶连接保证真空密封。钟罩与提升机相连，可以在控制机构作用下上下移动。真空镀膜室的底板用碳钢制成，表面镀镉，底部与真空系统相通，底板上由各种电极和旋转机构。 （2）真空系统

真空系统是本设备的主体，其结构示意图如下。本设备采用了XK－150A型真空系统，配有针形阀和测量仪表。机械泵放在装有橡皮垫的槽钢上。另外，在钟罩顶部安装有针形阀，可以控制钟罩内的真空度，以便进行离子轰击。 （3）提升机构

钟罩的升降采用电动，电动机经过一级皮带轮减速后，带动丝杠旋转，螺母连同立

柱作升降运动。在最高、最低处有限位开关控制。 （4）电气控制

电气控制包括机械泵、扩散泵、轰击、蒸发、烘烤、工件旋转、钟罩升降控制和安

全保护装置等等。

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实验内容：

图5 真空蒸发设备真空系统示意图 1、衬底材料、蒸发源材料的预处理； 2、真空的测量；

3、金属Al薄膜的蒸发沉积；

实验步骤：

1、衬底材料、蒸发源材料、物质的清洗处理； 2、真空蒸发台的操作； （1）开总电源；

（2）开磁力充气阀，对钟罩充气完毕关闭气阀，升起钟罩； （3）安装蒸发源、蒸发物质及衬底材料；

（4）落下钟罩，开机械泵，低阀处于抽钟罩位置，接通低真空测量； （5）机械泵对钟罩抽低真空至1.3Pa；

（6）接通轰击电路，调节针阀，使真空保持在6～7Pa。调节轰击调压器，进行离子轰

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击；约20分钟后，将调压器调回零位，关闭针阀；

（7）接通冷却水，将低阀推到系统位置，开扩散泵加热40分钟后，开高阀，待真空度

超过1.3×10－1Pa时接通高真空测量，低真空测量开关打到扩散泵前级测量位置； （8）接通烘烤，调节好所需达到的温度；

（9）开工件旋转，调节前左门的调压器，在工件加热过程中使工件低速旋转，当蒸发

时再调制所需要的旋转速度；

（10）选好蒸发电极，接通蒸发，调节调压器，逐渐加大电流，开始预熔化，用挡板挡

住蒸发源，避免初熔时的杂质蒸发到工件上； （11）加大电流开始蒸发，移开挡板进行薄膜沉积；

（12）沉积过程完成后，转动挡板蒸发源，迅速将调压器回零。选择电流分配器，使另

一对电极工作，按照10～12的步骤进行；

（13）待工件冷却后，关闭高真空测量，关高阀，低阀拉出到位置II（抽钟罩位置），

停机械泵，对钟罩充气，开启钟罩取零件，清洗镀膜室； （14）需要下一次镀膜是操作程序如下：

A.同（3）

B.关钟罩，接通低真空测量，开机械泵，对镀膜室抽低真空； C.同（6）；

D.将低阀推至抽系统位置，开高阀，接通高真空测量，低真空测量转换至前级测量；

E.按照（8）～（13）进行。

（15）如果需要停止镀膜机工作，先关闭高真空测量，停扩散泵，关高阀，将低阀拉出

至II位置，停止机械泵，再对钟罩充气。再取出工件后，再将钟罩内工件清洗干净，落下钟罩，开机械泵对钟罩抽低真空3～5min后，停止机械泵，低真空磁力阀自动对机械泵充气，关好总电源，切断冷却水，全部工作结束。

镀膜机使用维护的注意事项：

1、镀膜工作进行2～3次后，必须及时清洗钟罩及镀膜室内零件，避免蒸发物质大量进入真空系统而损害真空性能；

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2、扩散泵连续工作时，落下钟罩后必须先对钟罩抽低真空，当达到6～7Pa后再开高阀，绝对不容许直接抽高真空，以避免扩散泵油氧化；

3、制备工作结束后，应首先切断高真空测量，再关闭高阀，然后充气以免电离规管损坏及扩散泵油氧化；

4、中途突然停电，应立即切断高真空测量，再关闭高阀，低阀拉出到II位置，来电后，待机械泵工作2～3分钟后，再恢复正常工作；

5、若真空度不正常，可以利用附件(管道盖板)将镀膜室底板上排气口盖住，试一下底板一下的真空性能是否正常，以缩小可疑点，正确找出原因； 6、钟罩处于真空状态时，绝对不能提升钟罩，否则提升机构将损坏； 7、充气完毕后，应将充气阀门立即关闭； 8、各真空元件及仪表的维修保养参阅其说明书。 问题：

1、真空的定义是什么？日常生活中哪些地方用了真空现象？ 2、估计1个标准大气压在1平方米面积上产生的压力是多少？ 3、什么是分子平均自由程？真空度越高，平均自由程越大还是越小？ 4、真空泵有哪些？实验中用到的真空泵的极限真空度是多少？ 5、蒸发法薄膜制备中，要得到优良的薄膜，需要注意哪些问题？

6、为什么选择钨丝作为蒸发源加热材料？用高纯度碳棒可以吗？为什么？

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参考文献：

1、 田民波、刘德令，薄膜科学与技术手册，机械工业出版社，1991 2、 汪泓宏、田民波，离子束表面强化技术，机械工业出版社，1990 3、 王欲知，真空技术，四川科学技术出版社，1985

4、 杨邦朝、王文生，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，1994 5、 顾培夫，薄膜技术，浙江大学出版社，1990

6、 王福贞、闻立时，表面沉积技术，机械工业出版社，1989 7、 陈宝清，离子镀及溅射技术，国防工业出版社，1990 8、 李云奇，真空镀膜技术与设备，东北大学出版社，1989 9、 杨烈宇等，材料表面薄膜技术，人民交通出版社，1991 10、王力衡、黄运添、郑海涛，薄膜技术，清华大学出版社，1991

11、 J.L.Vossen et al，Thin Film Processes，Academic Press，Inc.New York，1978

图表 1集成电路工艺实验讲义

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