半導(dǎo)體鍍膜工藝

鍍膜工藝北京亞科晨旭科技有限公司2015年12月基本概念真空等離子體真空1.真空的定義真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)，是一種物理現(xiàn)象。2.真空的計量單位真空度的高低可以用多個參量來度量，最常用的有“真空度”和“壓強”單位Pa

1Pa=1N/㎡=7.5*10-3Torr1mmHg=1Torr=133Pa1Bar=1Kg

/c㎡=1000mBar1Bar=1大氣壓=0.1MPa1mBar=100Pa3.真空區(qū)域的劃分

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為：1.013×10^5Pa（帕斯卡），等于760mmhg（毫米汞（水銀）柱低真空105Pa

~102Pa中真空102Pa

~10-1Pa高真空10-1Pa

~10-5Pa超高真空<10-5Pa4.如何產(chǎn)生真空“抽”各種泵的理論能力極限真空度油封機械泵10-1Pa擴散泵10-2Pa吸附泵10-1Pa濺射離子泵10-3Pa低溫冷凝泵10-9Pa渦輪分子泵10-8Pa復(fù)合渦輪泵10-8Pa干式機械泵10-1Pa5.使用真空的目的物理性：分子數(shù)目少，壓力低與大氣壓造成的壓力差分子密度小氣體稀薄氣體分子平均自由徑長，相互碰撞頻率少，減少表面污染化學(xué)性：造就一個非活躍性空間，避免不必要的污染電子與離子伴隨的化學(xué)反應(yīng)，在大氣壓下無法發(fā)生，在真空狀態(tài)下成為可能等離子體1.什么是等離子體在一定條件下氣體電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等．這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體。電離產(chǎn)生的等離子體往往包含離子、電子、激發(fā)狀態(tài)的原子、分子、分子分解而成的活性基、各種分子簇……這些粒子在等離子體中相互碰撞。等離子為物質(zhì)的第四種形態(tài)（氣體，液體，固體）2.常見的等離子體

日常生活中遇到的閃電和極光，太陽，日光燈等都是等離子體

3.等離子體的產(chǎn)生

4.氣體分子數(shù)與離化幾率的關(guān)系5.等離子體的特點6.等離子體在半導(dǎo)體中的應(yīng)用

物理成膜物理成膜熱蒸發(fā)濺射電阻絲加熱石英坩堝加熱電子束加熱直流二極濺射射頻濺射磁控濺射離子鍍高頻感應(yīng)蒸發(fā)三極和四極濺射零氣壓濺射自濺射直流二極型

射頻放電離子鍍電弧放電型高真空離子束濺射分子束外延MBE脈沖激光沉積PLD1.蒸鍍沉積過程蒸發(fā)或升華。通過一定加熱方式使被蒸發(fā)材料受熱蒸發(fā)或升華，由固態(tài)或液態(tài)變成氣態(tài)。輸運到襯底。氣態(tài)原子或分子在真空狀態(tài)及一定蒸氣壓條件下由蒸發(fā)源輸運到襯底。吸附、成核與生長。通過粒子對襯底表面的碰撞，襯底表面對粒子的吸附以及在表面的遷移完成成核與生長過程。是一個以能量轉(zhuǎn)換為主的過程。第一章

蒸鍍2.蒸鍍熱蒸鍍主要應(yīng)用在對附著力要求不高，可快速大量生產(chǎn)。其中的電子束蒸鍍是阻熱蒸鍍的升級版，由于是直接電子束加熱靶材表面，因此可以避免坩鍋本身對薄膜成分的影響，但是設(shè)備比較復(fù)雜真空蒸發(fā)鍍膜原理電子束蒸發(fā)鍍膜原理1.濺射鍍膜

在某一溫度下,如果固體或液體受到適當(dāng)?shù)母吣茈x子的轟擊,那么固體或液體中的原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸,這一將原子從表面發(fā)射的方式叫濺射.濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面使其中的原子發(fā)射出來。第二章濺射鍍膜磁控濺射是在濺射鍍膜的基礎(chǔ)上增加磁性偏轉(zhuǎn)，增加束縛電子運動路徑，提高氣體的離化率，實現(xiàn)濺射鍍膜效率的提高主要應(yīng)用在制備高附著力、同時對輕微原子損傷無要求的膜2.普通濺射和磁控濺射原理濺射鍍膜原理磁控濺射原理濺射途徑由主要靠等離子體濺射轉(zhuǎn)為主要靠外加離子束來濺射，因此可以避免由于電子附著基材，造成基材的高溫由于需要高真空，所以沉積的膜較等離子濺射鍍膜更純。可以應(yīng)用在制備膜成分控制力強（高純度、多元化），多層次，重復(fù)性好適用與各種薄膜的沉積。3.離子束濺射離子束濺射原理脈沖激光光束聚焦在固體靶面上，激光超強的功率使得靶物質(zhì)快速等離子化，然后濺鍍到目標(biāo)物上。4.脈沖激光沉積PLD特點：真空室簡化，脈沖激光器在真空室外應(yīng)用：制備高熔點、高純度、沉積速率快簡介離子鍍

真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜技術(shù)。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜（剝離效果需小于沉積效果）

應(yīng)用：制備高附著力、高純度、繞射性好的膜，制備速度快可以鍍較厚的薄膜第三章離子鍍簡介分子束外延MBE在超高真空環(huán)境下，使具有一定熱能的一種或多種分子（原子）束流噴射到晶體襯底，在襯底表面發(fā)生反應(yīng)的過程，由于分子在“飛行”過程中幾乎與環(huán)境氣體無碰撞，以分子束的形式射向襯底，進行外延生長，故此得名

應(yīng)用：外延生長原子級精確控制的超薄多層二維結(jié)構(gòu)材料和器件（超晶格、量子阱、調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)、量子阱激光器、高電子遷移率晶體管等）；結(jié)合其他工藝，還可制備一維和零維的納米材料（量子線、量子點等）第四章分子束外延MBE特點：速度最慢，但是有著精確膜控能力鍍膜方式的對比熱蒸鍍電子束蒸鍍離子濺射磁控濺射離子鍍激光脈沖沉積分子束外延MBE優(yōu)點設(shè)備簡單，沉膜速度快直接加熱，效率高，能量密度大，蒸發(fā)高熔點材料，避免坩堝本身對薄膜的污染附著力強，任何材料都可以，任何物質(zhì)均可以濺射，附著性強，重復(fù)性好鍍膜范圍廣，附著性好，純度高，能在復(fù)雜圖形上鍍，成膜速度高可蒸鍍高熔點材料，加熱源在真空室外，簡化真空室，非接觸式加熱，無污染可嚴格控制生長速率以及膜成分，極好的膜厚控制性，缺點不容易形成結(jié)晶膜，附著力差，重復(fù)性差裝置復(fù)雜，殘余氣體和部分蒸汽電離對薄膜性能有影響附著力較差不能沉積大面積均勻的膜，設(shè)備復(fù)雜，運行成本高設(shè)備需要高壓，設(shè)備復(fù)雜沉膜速度較蒸鍍慢，受到離子攻擊膜會有缺陷，受到離子攻擊膜會有缺陷，受離子和電子攻擊基材需加冷卻裝置，離子污染費用高不適合厚膜生長，以及大量生產(chǎn)第五章小結(jié)化學(xué)沉積

化學(xué)合成方法化學(xué)氣相沉積CVD熱氧化電鍍其他等離子體PECVD低壓化學(xué)氣相沉積LPCVD有機金屬MOCVD金屬CVD低介電常數(shù)CVD常壓化學(xué)氣相沉積APCVD溶膠&凝膠涂敷陽極氧化原子層沉積ALD履帶式APCVD裝置1.常壓化學(xué)氣相沉積APCVDAPCVD就是在壓力接近常壓下進行CVD反應(yīng)的一種沉積方式。特點：不需要昂貴復(fù)雜的設(shè)備，即可高溫快速鍍膜應(yīng)用：對于膜成分要求不高可大量生產(chǎn)例如：鈍化保護膜化學(xué)氣相沉積LPCVD裝置示意圖2.低壓化學(xué)沉積LPCVD低壓CVD的設(shè)計就是將反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)進行沉積反應(yīng)時的操作能力，降低到大約100Torr(1Torr=133.332Pa)一下的一種CVD反應(yīng)特點：低壓下分子平均自由程增加，氣體傳輸速度加快，沉膜速度速度加快，同時氣體分布的不均勻性在很短時間內(nèi)可以消除，所以能生長出厚度均勻的薄膜。應(yīng)用：簡單的操作即可在工業(yè)上快速生產(chǎn)均勻性較好膜，例如多晶硅、氮化硅、二氧化硅等3.等離子化學(xué)沉積PECVD在低真空的條件下，利用等離子體，以增強化學(xué)反應(yīng)，從而降低沉積溫度，可以在常溫至350℃條件下，沉積氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅及非晶硅膜等（通常1000℃左右）。低溫淀積是PECVD的一個突出優(yōu)點，淀積的薄膜具有良好的附著性、低針孔密度、良好的階梯覆蓋及電學(xué)特性應(yīng)用：可以鍍純度高性能好的優(yōu)質(zhì)薄膜例如：在鋁上淀積二氧化硅或者氮化硅。

（低熔點基材，高熔點薄膜）PECVD裝置示意圖4.有機金屬化學(xué)沉積MOCVDMOCVD是常規(guī)CVD技術(shù)的發(fā)展。它與常規(guī)CVD的區(qū)別僅在于使用有機金屬化合物和氫化物作為原料氣體。應(yīng)用：制備各種各樣的材料（單晶外延膜、多晶膜和非晶態(tài)膜。但最重要的應(yīng)用是Ⅲ～Ⅴ族及Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體化合物材料）特點：MOCVD的主要特點是沉積溫度低，所以也稱中溫CVD，其缺點是沉積速率低、膜中雜質(zhì)多MOCVD裝置5.原子層沉積ALD通過工藝循環(huán)，分步向真空腔體添加反應(yīng)氣體，逐步反應(yīng)實現(xiàn)對膜厚度及純度的精確控制。應(yīng)用：TSV種子層的制作、MEMS、器件鈍化……特點：純度極高、接近100%階梯覆蓋率、均勻性強三甲基鋁化學(xué)吸附吹掃循環(huán)水化學(xué)吸附吹掃循環(huán)ALD沉積氧化鋁熱氧化在腔體中通入氧氣或者水蒸汽，高溫使被氧化化材料鍍一層氧化物薄膜。常用在晶元沉積氧化硅膜熱氧化裝置電鍍電鍍是將鍍件（制品），浸于含有欲鍍上金屬離子的藥水中并接通陰極，藥水的另一端放置適當(dāng)陽極（可溶性或不可溶性），通以直流電后，鍍件的表面即析出一層金屬薄膜的方法。例如：TSV通孔種子層上鍍銅簡示電鍍END附錄資料：不需要的可以自行刪除工藝尺寸鏈的計算當(dāng)零件加工時，多次轉(zhuǎn)換工藝基準(zhǔn)，引起測量基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合，這時，需要利用工藝尺寸鏈原理來進行工序尺寸及其公差的計算。1、尺寸鏈的定義和特征在零件加工或機器裝配過程中，由一系列相互聯(lián)系的尺寸所形成的封閉圖形，稱為尺寸鏈。一、尺寸鏈的基本概念尺寸鏈設(shè)計尺寸鏈工藝尺寸鏈在零件的加工過程中所形成的尺寸鏈。加工臺階零件的尺寸鏈加工套筒零件的尺寸鏈尺寸鏈的主要特征如下：（1）封閉性。尺寸鏈必須是首尾相接且封閉的尺寸組合。其中，應(yīng)包含一個間接保證的尺寸和若干個對此有影響的直接獲得的尺寸。（2）關(guān)聯(lián)性。尺寸鏈中間接保證的尺寸精度是受這些直接獲得的尺寸精度所支配的，彼此間具有特定的函數(shù)關(guān)系，并且間接保證的尺寸精度必然低于直接獲得的尺寸精度。2、尺寸鏈的組成和尺寸鏈簡圖的作法組成尺寸鏈的各個尺寸稱為尺寸鏈的環(huán)，按性質(zhì)不同可分為組成環(huán)和封閉環(huán)。（1）封閉環(huán)指在尺寸鏈中最后形成或未標(biāo)注間接保證的尺寸。每個尺寸鏈中，封閉環(huán)只能有一個，用A0表示。（2）組成環(huán)除封閉環(huán)以外的其他環(huán)都稱為組成環(huán)。根據(jù)組成環(huán)對封閉環(huán)影響，將其分成如下兩類：①增環(huán)在尺寸鏈中，當(dāng)其余各組成環(huán)不變，而該環(huán)增大使封閉環(huán)也增大的，稱為增環(huán)。引起封閉環(huán)同向變動。②減環(huán)在尺寸鏈中，當(dāng)其余各組成環(huán)不變，而該環(huán)增大使封閉環(huán)減小的環(huán)，稱為減環(huán)。引起封閉環(huán)異向變動。（3）尺寸鏈簡圖的作法常采用標(biāo)箭頭的方法來判斷增減環(huán)。在尺寸鏈圖中用首尾相接的單向箭頭順序表示各尺寸環(huán)，其中與封閉環(huán)箭頭方向相反者為增環(huán),與封閉環(huán)箭頭方向相同者為減環(huán)。封閉環(huán)A1A0A2A3減環(huán)ABC

1、封閉環(huán)確定

2、組成環(huán)確定1、加工順序確定后才能確定封閉環(huán)。2、封閉環(huán)的基本屬性為“派生”，表現(xiàn)為尺寸間接獲得。

關(guān)鍵

要領(lǐng)設(shè)計尺寸往往是封閉環(huán)。

關(guān)鍵1、封閉環(huán)確定后才能確定。2、直接獲得。3、對封閉環(huán)有影響二、尺寸鏈計算的基本公式（極值法）1、封閉環(huán)的基本尺寸封閉環(huán)的基本尺寸等于所有增環(huán)基本尺寸之和減去所有減環(huán)基本尺寸之和，即：

—封閉環(huán)的基本尺寸；—增環(huán)的基本尺寸；—減環(huán)的基本尺寸；m

—增環(huán)的數(shù)量；n

—組成環(huán)的總數(shù)（不包括封閉環(huán)）。2、封閉環(huán)的極限尺寸封閉環(huán)的最大極限尺寸等于所有增環(huán)最大極限尺寸之和，減去所有減環(huán)最小極限尺寸之和；而封閉環(huán)的最小極限尺寸等于所有增環(huán)最小極限尺寸之和，減去所有減環(huán)最大極限尺寸之和。即：3、封閉環(huán)的上、下偏差和公差封閉環(huán)的上偏差等于所有增環(huán)上偏差之和減去所有減環(huán)下偏差之和，封閉環(huán)的下偏差等于所有增環(huán)下偏差之和減去所有減環(huán)上偏差之和。即：

、—增環(huán)的上、下偏差；

、—減環(huán)的上、下偏差。封閉環(huán)的公差等于各組成環(huán)的公差和，即：

、分別是封閉環(huán)、組成環(huán)的公差。4、工藝尺寸鏈解題步驟（1）確定封閉環(huán)；（2）查明全部組成環(huán)，畫出尺寸鏈簡圖；（3）判明增、減環(huán)，用符號（箭頭）標(biāo)明增、減環(huán)；（4）利用尺寸鏈計算公式求解。注意：所建立的尺寸鏈必須使組成環(huán)數(shù)最少，這樣能更容易滿足封閉環(huán)的精度或者使各組成環(huán)的加工更容易、更經(jīng)濟。三、工藝尺寸鏈的分析與解算工藝基準(zhǔn)（工序、定位、測量等）與設(shè)計基準(zhǔn)不重合，工藝尺寸就無法直接取用零件圖上的設(shè)計尺寸，因此必須進行尺寸換算來確定其工序尺寸。1）定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合的尺寸換算2）測量基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合的尺寸換算3）表面淬火、滲碳、鍍層的工藝尺寸計算加工下圖a所示零件，設(shè)1面已加工好，現(xiàn)以1面定位加工3面和2面，其工序簡圖如圖b所示，試求工序尺寸A1與A2。1）定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合的尺寸換算（1）由于加工3面時定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)重合，因此工序尺寸A1就等于設(shè)計尺寸，A1

=

mm。（2）加工2面時，定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合，這就導(dǎo)致在用調(diào)整法加工時，只能以尺寸A2為工序尺寸，但這道工序的目的是為了保證零件圖上的設(shè)計尺寸A0，即：（10±0.3）mm。因此A0與A1、A2構(gòu)成尺寸鏈，如圖c所示。根據(jù)尺寸鏈特性，A0為封閉環(huán)，A1為增環(huán)，A2為減環(huán)。所以，A2

=

20

mm，按入體原則表示為A2

=

20.1

mm。由公式A0

=

A1?A2

得：A2

=

A1?A0

=

30?10

=

20

mm；由公式ES0

=

ES1?EI2

得：EI2

=

ES1?ES0

=

0?0.3

=

?0.3

mm；由公式EI0

=

EI1?ES2

得：ES2

=

EI1?EI0

=

?0.2?(?0.3)

=

0.1

mm；2）測量基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合的尺寸換算加工一軸承座，設(shè)計尺寸為A1和A0。由于設(shè)計尺寸A0加工時無法直接測量，只好通過測量A2尺寸來間接保證它，求A2的工序尺寸和公差。由公式A0

=

A2?A1

得：A2

=

A1+A0

=

10+50

=

60

mm；由公式ES0

=

ES2?EI1得：ES2

=

EI1+ES0

=

-0.15+0

=

?0.15

mm；由公式EI0

=

EI2?ES1

得：EI2

=

ES1+EI0

=

?0.05+(?0.15)

=-

0.2

mm；因此A2=A0為封閉環(huán)，A1為減環(huán)，A2為增環(huán)?！锛購U品問題若實測尺寸A2=59.90mm，按上述要求判為廢品，但此時如A1=9.9mm，則實際A0=50mm，仍合格，即“假廢品”。當(dāng)實測尺寸與計算尺寸的差值小于或等于尺寸鏈其它環(huán)公差之和時，就可能出現(xiàn)假廢品。此時應(yīng)對該零件各有關(guān)尺寸進