電子薄膜實驗

1、電子(dinz)薄膜實驗微電子與固體(gt)電子學院2014共九十五頁聯系方法手機(shu j)mail：共九十五頁課程(kchng)安排總學時20學分1課程考核以實驗報告為準，成績占100%特別培養(yǎng)考試共九十五頁課程(kchng)目的為了滿足(mnz)不同本科教育背景的研究生對材料科學實驗操作的要求，通過電子束蒸發(fā)鍍膜實驗、光刻實驗，使學生掌握基片清洗、金屬蒸發(fā)、光刻膠涂覆、金屬圖形刻蝕等實驗過程，使學生掌握電子薄膜實驗的基本技能，為研究生期間的科學研究打下較好的實驗基礎。共九十五頁第一(dy)部分電子束蒸發(fā)(zhngf)鍍膜實驗共九十五頁共九十五頁簡單的蒸發(fā)(zh

2、ngf)系統共九十五頁共九十五頁共九十五頁（2）電子束熱蒸發(fā)(zhngf)共九十五頁共九十五頁共九十五頁共九十五頁在蒸發(fā)(zhngf)技術中，電子束蒸發(fā)(zhngf)占主流電子束蒸發(fā)的概念： 電子束蒸發(fā)是電子束加熱方式的蒸發(fā)，是在高真空中，電子槍發(fā)出電子經系統加速聚焦形成電子束、再經磁場偏轉入射到坩鍋的成膜材料上加熱，并使之變成氣態(tài)原子沉積到硅片上的物理(wl)過程。共九十五頁電子束蒸發(fā)(zhngf)系統 電子束蒸發(fā)(zhngf)系統共九十五頁 DZS-500型電子束蒸發(fā)(zhngf)鍍膜機中科院沈陽科學儀器研制中心共九十五頁電子束蒸發(fā)系統的組成： 1. 高壓電源系統 2. 真空系統 3. 電

3、子加速聚焦(jjio)偏轉系統 4. 工藝腔 5. 水冷坩鍋系統（通常為帶旋轉的四坩鍋） 6. 載片架共九十五頁電子束蒸發(fā)過程1. 在高真空腔中，電子槍發(fā)射(fsh)的電子經加速獲得足 夠的動能并聚焦形成電子束。 2. 電子束經磁場偏轉，向成膜材料轟擊加熱并使之 蒸發(fā) 3. 成膜材料蒸發(fā)出的原子或分子在高真空環(huán)境下的平均自由程增加，并以直線運動形式撞到硅片表面凝結形成薄膜。共九十五頁蒸發(fā)的缺點： 鍍合金膜，成分與靶材有不同; 鍍化合物要分解，只適合鍍不分解化合物，如氯化物、硫化物、硒化物; 蒸發(fā)粒子的動能為0.11.0EV，膜附著力弱。 蒸發(fā)的優(yōu)點： 金屬(jnsh)膜沉積速率高，常用于功率器

4、件的厚金屬(jnsh)化?？烧翦冸y熔的金屬(jnsh)和非金屬(jnsh)：鋁、鎢、鉬、鍺。最常見的情況是蒸鍍鋁。共九十五頁鋁 鋁的優(yōu)點 1. 電阻率低（2.65.cm） 2. 與硅和二氧化硅的粘附性好 3. 與高摻雜的硅和多晶硅有很好的歐姆接觸（合金(hjn) 化溫度450500） 4. 易于沉積成膜 5. 易于光刻和刻蝕形成微圖形共九十五頁 6. 抗腐蝕性能好，因為(yn wi)鋁表面總是有一層抗腐蝕性好的氧化層（Al2O3） 7. 鋁的成本低共九十五頁實驗(shyn)步驟1、清洗(qngx)基片。2、清潔腔室，放置樣品，關艙門3、關放氣閥，開冷卻水，冷卻水指示燈亮后，開機械泵。共九十五頁

5、實驗(shyn)步驟4、兩分鐘后機械泵工作穩(wěn)定，開預閥，使氣壓(qy)從105降到10pa，關預閥。開電磁閥，分子泵電源，分子泵開關。5、待分子泵讀數100以上，開高閥滿刻度，使氣壓低于1*10-3，開基片加熱，溫度穩(wěn)定后真空抽氣完成。6、關真空計，開氣瓶旋鈕，開膜厚監(jiān)控儀，設置膜厚參數共九十五頁實驗(shyn)步驟7、開電子束控制柜電源，開腔燈絲開關，掃描開關， X調0.7/ Y調0 ，由“預置”調節(jié)燈絲電流為0.3A，預熱5min。8、“束流控制”開至自動。高壓(goy)選擇“8Kv”，開手柄“高壓”9 觀察束斑是否在坩堝正中央，如不在（如有紫光等），通過手柄XY調整共九十五頁實驗(shy

6、n)步驟10 通過“預置”調節(jié)束流至20mA預熔5分鐘后，緩慢加大束流50、100、150、200mA，至料完全融化。11開步進電機控制電源，使樣品托盤轉動12 按膜厚檢測儀“startbegin”兩下(lin xi)自動鍍膜開始共九十五頁實驗(shyn)步驟13到達鍍膜終點后，依次關步進電機，手柄“高壓”和“高壓”選擇(xunz)14調節(jié)“預置”使燈絲電流為0.3A，關腔燈絲開關，掃描開關，電子束控制柜電源，鍍膜完成。15冷卻20min后關高閥。關分子泵，先按停下按鈕，等待數值為0，然后按關閉按鈕。停穩(wěn)后關電磁閥。共九十五頁實驗(shyn)步驟16開放氣閥取樣(qyng)。17關艙門，開預閥

7、降至10pa，關機械泵，18關真空控制柜電源，關總電源，冷卻水，氣瓶。共九十五頁沾污可能來源顆粒設備、環(huán)境、氣體、去離子水、化學試劑金屬離子設備、化學試劑、反應離子刻蝕、離子注入有機物室內氣氛、光刻膠、存儲容器、化學試劑自然氧化層環(huán)境濕氣、去離子水沖洗清洗(qngx)共九十五頁清洗(qngx)分三階段預清洗：清除表面嚴重污染，如油污、微粒、水汽(shu q)清洗：進一步清除表面殘留物干燥共九十五頁H2SO4:H2O2=7:3去光刻膠、有機沾污、金屬離子HCl:H2O2:H2O=1:1:6去除活潑金屬、金屬氧化物、氫氧化物HF:H2O=1:10去除自然氧化層常規(guī)(chnggu)清洗注意：使用強腐

8、蝕性化學藥品時，必須戴耐強酸堿手套 清洗用的石英(shyng)玻璃器皿易碎，需小心使用，倒酸必須在通風廚進行共九十五頁超聲清洗（丙酮(bn tn)+乙醇+去離子水）選取基片、燒杯。用去離子水仔細清洗。將基片置于燒杯中，倒入適量丙酮（以淹沒基片為準）。在超聲清洗池中倒入適量水。將盛有丙酮的燒杯放入超聲清洗池中，超聲清洗10分鐘。將基片置于有適量無水乙醇的燒杯中，進一步對基片進行超聲清洗5-10分鐘（注意超聲清洗池中應保持一定的水量，不能過少）從無水乙醇中取出基片，用去離子水沖洗后，用氣槍吹干待用。注意事項：整個過程保持清潔，勿用手直接觸摸(ch m)基片，用鑷子夾取。常規(guī)清洗共九十五頁抽真空(z

9、hnkng)為什么鍍膜時鍍膜室內要具有(jyu)一定的真空度？1）真空環(huán)境可防止工件和薄膜本身的污染和氧化，便于得到潔凈致密的各種薄膜。2）真空鍍膜時，為了使蒸發(fā)料形成的氣體原子不受真空罩內的殘余氣體分子碰撞引起散射而直接到達基片表面。注意：一般蒸鍍真空度為（10-210-5）Pa。這里強調的真空度指的是蒸發(fā)鍍膜前真空罩的起始氣壓。共九十五頁真空(zhnkng)系統圖共九十五頁注意事項1、實驗過程中要保證冷卻水的暢通，鍍膜完畢后也不能馬關閉冷卻水。2、只有在確保壓強低于10-2Pa 才可以打開電離真空計的開關，否則(fuz)會導致電離真空計損壞！共九十五頁第二(d r)部分光刻實驗(shyn)

10、共九十五頁掩膜版（Reticle或Mask）掩膜版的材質有玻璃(b l)和石英之分，亞微米及以下技術都用石英版，石英版的透光性好、熱膨脹系數低。版上不透光的圖形是金屬鉻膜。共九十五頁共九十五頁光刻共九十五頁基本(jbn)流程共九十五頁表面處理 為什么要進行(jnxng)表面處理 由于晶圓容易吸附潮氣到它的表面。光刻膠黏附要求要嚴格的干燥表面， 所以在涂膠之前要進行脫水烘焙和黏附劑的涂覆。脫水烘焙的溫度通 常在120度到200度之間。有時還要用到黏附劑，黏附劑通常使用HMDS （六甲基二硅胺脘）。表面處理的主要作用是提高光刻膠與襯底之間的粘附力，使之在顯影過程中光刻膠不會被液態(tài)顯影液滲透。（如下

11、 圖）是否要使用黏附劑要根據圖形大小、襯底及光刻膠的種類 來決定，HMDS 可以(ky)用浸泡、噴霧和氣相方法來涂覆。共九十五頁光刻工藝的8個基本步驟 1. 氣相成底膜 2. 旋轉涂膠 3. 軟烘 4. 對準(du zhn)和曝光 5. 曝光后烘培（PEB） 6. 顯影 7. 堅膜烘培 8. 顯影檢查共九十五頁光刻工藝(gngy)的8個基本步驟共九十五頁1. 氣相成底膜工藝(gngy)目的：增加光刻膠與硅片的粘附性。共九十五頁工藝方法：硅片放在成底膜真空腔(kn qin)中的熱板上，熱板溫度控制在200 250，用N2攜帶六甲基二硅胺烷（HMDS）進入真空腔，處理時間60秒。這樣在硅片上形成了

12、底膜。 HMDS是液態(tài)具有很高的蒸氣壓，能使光刻膠與硅片很好地粘附。共九十五頁2. 旋轉(xunzhun)涂膠涂膠目的：就是在晶園表面建立一厚度均勻的、并且沒有缺陷的光刻膠膜。 光刻膠（Photoresist ,PR）是一種有機化合物，它曝光后在顯影液中的溶解度發(fā)生顯著變化。也稱為抗蝕劑。光刻膠的用途 1. 做硅片上的圖形模版（從掩膜版轉移到硅片上的圖形） 2. 在后續(xù)工藝中，保護下面的材料（例如刻蝕或離子 注入）共九十五頁共九十五頁共九十五頁負性膠光刻共九十五頁正性膠光刻共九十五頁共九十五頁光刻對光刻膠的要求(yoqi)：1. 分辨率高（區(qū)分硅片上兩個相鄰特征尺寸圖形的能力強）2. 對比度好

13、（指曝光區(qū)和非曝光區(qū)過渡的陡度） （a）對比度差 （b）對比度好共九十五頁3. 敏感度好（是指硅片表面光刻膠中產生良好圖形所需要的一定波長光的最小能量值，以mJ/cm2為單位）4. 粘滯性好（表征液體光刻膠流動性的一個指標，即粘度，單位用cps表示）5. 粘附性好（指光刻膠與襯底表面的粘附性好）6. 抗蝕性好（在后續(xù)刻蝕工藝中，光刻膠很好地保護襯底表面，膠的這種性質稱為(chn wi)抗蝕性）7. 顆粒少共九十五頁涂膠工藝方法(fngf)： 1. 滴膠 2. 勻膠 ：轉速500rpm700rpm 3. 旋轉：轉速 3000rpm-5000rpm工藝要求：厚度：1.0m左右均勻性：3以內共九十五

14、頁方法：靜態(tài)(jngti)旋轉涂覆 動態(tài)噴灑涂覆共九十五頁靜態(tài)涂膠： 首先把光刻膠通過管道堆積在晶圓的中心，然后低速(d s)旋轉使光刻膠鋪開，再高速旋轉甩掉多余的光刻膠，高速旋轉時光刻膠中的溶劑會揮發(fā)一部分。共九十五頁動態(tài)涂膠： 隨著wafer直徑越來越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動態(tài)噴灑是以低速旋轉，目的是幫助光刻膠最初的擴散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而達到(d do)更均勻的光刻膠膜，然后高速旋轉完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。共九十五頁滴膠時常出現(chxin)問題：共九十五頁涂膠的質量要求是：（1）膜厚符合設計的要求，同時膜厚要均勻(jnyn)，膠面上看不到干涉花紋；（2）膠層

15、內無點缺陷（如針孔等）；（3）涂層表面無塵埃和碎屑等顆粒。 共九十五頁3. 軟烘目的：蒸發(fā)光刻膠中溶劑，提高光刻膠的粘附性。使得曝光過程中成像完整、在刻蝕中光刻膠不剝落。主要參數：時間(shjin)、溫度典型的軟烘條件：在熱板上100度烘60S共九十五頁共九十五頁4、對準和曝光工藝目的： 將掩膜板上的圖形通過鏡頭由紫外線傳遞到硅片表面光刻膠膜上, 形成(xngchng)光敏感物質在空間的精確分布，最終達到圖形精確轉移的目的。共九十五頁4、對準(du zhn)曝光 系統示意圖共九十五頁共九十五頁共九十五頁共九十五頁共九十五頁共九十五頁URE-2000/35光刻機中國科學院光電技術(jsh)研究所

16、紫外接近，接觸式光刻曝光面積：100mm100mm；分辨力：1m（膠厚2m 的正膠）；掩模尺寸：2.5inch、3 inch、4 inch、5 inch；樣片尺寸：15mm - 100 mm；樣片厚度(hud)：0.1mm - 6mm；曝光波長：365nm共九十五頁共九十五頁5. 曝光后烘培（PEB）工藝目的：使曝光后的光敏感物質(wzh)在光刻膠內部進行一定的擴散，可有效防止產生駐波效應。工藝方法：在溫度為100的熱板烘60秒 共九十五頁共九十五頁駐波(zh b)效應共九十五頁6. 顯影工藝(gngy)目的：溶解硅片上曝光區(qū)域的膠膜，形成精密的光刻膠圖形。共九十五頁顯影(xin yng)及顯

17、影(xin yng)后的硅片圖形共九十五頁正膠負膠顯影液氫氧化鈉NaOH二甲苯四甲基氫氧化銨TMAH 弱堿Stoddard(斯托達德)溶劑沖洗水H2On-醋酸丁酯共九十五頁7. 堅膜烘培工藝目的： 使存留在光刻膠中的溶劑徹底揮發(fā)，提高光刻膠的粘附性和抗蝕性。這一步(y b)是穩(wěn)固光刻膠，對下一步(y b)的刻蝕或離子注入過程非常重要。正膠的堅膜烘焙溫度約為120度到140度，比軟烘高，但不可太高，否則光刻膠流動破壞圖形共九十五頁過堅膜引起光刻膠流動(lidng)，影響光刻的分辨率共九十五頁基本(jbn)流程共九十五頁8. 顯影(xin yng)檢查共九十五頁光刻的質量(zhling)光刻的質量

18、:用分辨率、光刻精度以及(yj)缺陷密度等來衡量。影響光刻質量的主要因素是：光刻掩模板、光刻膠、曝光方式、曝光系統等。共九十五頁 環(huán)境條件對光刻的影響 1. 溫度：掩膜版架、光學系統、承片臺等 2. 濕度：膠粘附性、數值孔徑、聚焦等 3. 振動：定位、對準、聚焦、曝光等 4. 大氣壓力：空氣折射率、激光干涉計 5. 顆粒(kl)污染：圖形缺陷共九十五頁超凈間亦稱為無塵室，是將一定空間范圍內之空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物排除，并將室內之溫度、潔凈度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電(jngdin)控制在某一需求范圍內，而所給予特別設計之房間。不論外在之空氣條件如何變化，其室內均能俱有維持原先所設定要求之潔凈度、溫濕度及壓力等性能之特性。 超凈間最主要之作用在于控制產品（如硅芯片等）所接觸之大氣的潔凈度、溫度、濕度，使產品能在一個良好之環(huán)境空間中生產、制造。共九十五頁共九十五頁超凈間共九十五頁第三(d sn)部分刻蝕實驗(shy