践镀原理与流程

Sputter原理和流程PVD製程知識NSNGasinpumping+-電子螺旋運動電子平均自由徑比較MagnetronDCSputtering濺擊產額Ar+數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，變大增多，變大增大濺擊能量低ParameterSubstrateTemperatureChamberPressureGasFlowRateDCPowerMagnetScanSpeed/Field即溫度、壓力、氣體氣流之速率、DC功率密度、磁鐵掃描及範圍。Sputteringprinciple•定義：濺鍍，即利用電漿所產生的離子，藉著離子對被濺鍍物體電極的轟擊，使電漿的氣相内具有被鍍物的粒子來產生沉積薄膜的一種技術。•原理：利用DCPower將通入的ProcessGas解離成電漿，藉著離子對靶的轟擊將靶材物質濺射飛散出來，而附著於目標基板形成膜。CrystalGrowthMechanismNucleationGrainGrowthCoalescenceFillingofChannelsFilmGrowthCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismPVDFlow機械流程動作流程機械流程機械流程機械流程機械流程機械流程機械流程SputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)-760torr至10-3torr2、抽真空(細抽)-10-3torr至10-8torr3、到達底壓約10-7torr後通Ar氣,使壓力控制在約數mtorr4、加入電場(target為負極),點燃plasma,開始鍍膜5、膜厚度達到之後,停止電場6、基板從SChamber傳到TChamber7、基板送入LChamber,破真空取出Hillock（Al）原因：wfilm的膨胀系数小于底材时,从高温降至室温,film受到挤压应力,若此应力过大时,Al原子沿晶界向膜上移动,形成小的突起wAl成膜的晶粒方向不一致,在後續高温制程时,（110）晶粒在两（111）晶粒间形成hillock,形成的原因为（110）晶粒和（111）晶粒的热膨胀系数不同HillockHillock（Al）後果：易造成闸极线与信号线相會處短路解决方案：w用AlNdtarget代替Altargetw在Al上面再镀一层覆盖金属来抑制Alhillock的产生w減小grainsize可降低hillock凸出的大小Splash原因：当target局部（如void、oxide處）散热不均,过热地方在高温下融化,在Ar离子轰击下滴落在基板上,形成Dometype的splash在targetedge有强烈的arcing现象,使边缘的金属融化溅落在基板上,形成wingtype的splashSubstrateArOxideorVoidHeatedareaWingtypeDometypeTargetMeltedparticalSplash後果：大块金属残留导致闸极线与信号线短路解决方案：用Shieldplate装置保護Target邊緣不被Arcing改变Target的形状可以減少Arcing預防Arcing對策-提高Target的纯度,使其低氧化低雜質（Inclusion）提高Target密度（Void）提高Target表面平整度（SurfaceFinish）减小target晶粒的大小,提高均一性（GainSize）Nodule（ITO）原因:wITO靶材是由氧化銦及氧化錫熱燒結而成,若混合不均及壓結密度不足就易在濺鍍時產生節瘤wITO靶材為高硬度陶瓷材料,面積大時製造較難,故採用多塊小靶材拼接而成,接縫處常有Nodule存在w制程中Nodule爆裂開形成許多ITO屑,飛到靶材上遮住部分靶材無法Sputter,形成新的NoduleNodule（ITO）後果：w引起ITOflake產生,掉落於基板為Particle,影響鍍膜品質,導致ITO层的阻抗惡化并且减少ITO层的透光率解決方案：w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Void原因：wfilm的膨胀系数大于底材时,从高温降至室温时,film受到拉伸应力,如此应力过大时,Al原子沿晶界向膜下移动,形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)wAl在高温制程时,成膜的晶粒方向不一样,（111）晶粒在两（110）晶粒间形成Void,因为（110）晶粒和（111）晶粒的热膨胀系数不同w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VoidwITO成膜速度太快使得薄膜呈柱狀結構造成有很多孔洞（Void）產生而影響膜質Void後果：增加膜的阻抗解决方案：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形成Void控制ITO成膜速度合適Spike(Al)原因：wSi在400℃左右對Al有一定的固態溶解度,因此沉積於Si上的Al在經歷約400℃以上的步驟時,Si將借擴散效應進入Al,Al亦回填Si因擴散而遺留下的空隙,在Al與Si進行接觸部分形成SpikeN+AlSi場氧化膜Spike(Al)後果：如果尖峰長度太長,穿透了膜層,會導致短路解決方案：w一般在金屬鋁的沉積制程中主動加入相當於Si對Al之溶解度的Si（一般為1%）w加入一層阻障層,採用在Al膜下再加一層Mo層,以防止該現象的產生Electromigration（Al）原因：w當薄膜中的原子（Al）在極高的電場下,譬如較高的傳導電流,金屬原子會沿著材質本身的晶粒邊界,往電子流動的方向流,使的導線部分的原子數量遠遠減少,導線的截面縮小,終而導致整個導線的斷路晶粒邊界鋁線Electromigration（Al）後果：導致電路斷路,影響元件可靠性很大,導致失效解決方案：w通常在Al中加入少量的其他元素來防止它的發生,強化鋁線可靠性通常是加入適量的銅,含量約為0.5-4%之間Peeling/Crack原因：w每一層膜從成長到元件的完成之間,將在制程中經歷許多不同的環境,使得每一層的film所承受的機械應力發生變化,當film累積過多的應力可能產生永久的機械性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）wfilm的膨胀系数大于底材时,从高温降至室温时,film受到拉伸应力,如此应力过大时,Al原子沿晶界向膜下移动,形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Peeling/Crack後果：永久性破壞，導致TFT徹底失效解決方案：w在製程過程中控制好參數，使薄膜應力控制在合適的範圍之内w在一些膜層鍍好後可借助AnnealOven回火來調整薄膜應力FillingBad原因：wPVDsputter最大的缺點是無法提供一個階梯覆蓋性良好的film,因爲很多粒子以大角度濺射到基板表面,對溝渠底部沉積能力差,使得大多數的濺鍍金屬沉積在晶片的表面,終而導致填塞不良的現象FillingBad後果：使薄膜沉積形狀不理想，且容易產生Void解決方案：w可以利用準直管將大角度濺鍍現象濾除，使到達基板表面的靶原子都是較小的行徑角度Inclusion在濺鍍的過程中,ITO膜形成時,電漿中的負離子在濺鍍電壓（靶極電位）的作用下,往基板方向射入,此時在膜中形成黑色的絕緣物InO（節瘤成分）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時,這些不純物隨著製程進行而沉積在薄膜中形成雜質濺鍍過程中靶材並非全部沉積於基板,也會鍍在Chamber内,這些附著膜脫落也會形成雜質Chamber中用來密封的O-ring之碎屑也可能成爲製程中的異物Inclusion後果：可影響吸附原子的擴散運動及晶粒的成長、大小與形狀解決方案：適當降低濺鍍電壓（電壓絕對值）來降低負離子射入能量而降低膜質破壞，進而形成低阻值的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來進行沉積,待穩定後再換真正的Substrate其它由外來雜質引起的及材料本身具有的各種缺陷(a)(c)(b)其它由應力造成的變形（彎曲等）(a)(c)(b)T=沉积高温T=室温T=室温薄膜底材其它後果：解決方案：在薄膜沉積完成後借助適當回火調整應力,使薄膜再結晶在薄膜沉積時借助適當的“離子轟擊”來控制薄膜應力CryoCryoCryoTransferchamberLoadLockLoadLockPVDChamberPVDChamberTestLeakCryoSlitvalveOpenpermanentlyPVDToolXPR3PVDToolCryoCryoCryoTestLeakCryoXPR3TransferchamberLoadLockLoadLockPVDChamberPVDChamber