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原子层沉积培训 公共技术平台2014 8 29 1 培训类容 ALD技术原理介绍ALD的特点及应用ALD的工艺流程 2 单原子层沉积 atomiclayerdeposition ALD 起初称为原子层外延 AtomicLayerEpitaxy 最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料ZnS Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制 这些材料是用于平板显示器 由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度 直至上世纪80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破 但是到了20世纪90年代中期 人们对这一技术的兴趣在不断加强 这主要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低 而器件中的高宽比不断增加 这样所使用材料的厚度降低至几个纳米数量级 因此原子层沉积技术的优势就体现出来 如单原子层逐次沉积 沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来 而沉积速度慢的问题就不重要了 前言 3 典型的ALD沉积过程 Al2O3沉积过程 4 典型的ALD沉积过程 TiO2沉积过程 5 ALD设备示意图 6 ALD技术的主要优势 前驱体是饱和化学吸附 保证生成大面积均匀性的薄膜 可生成极好的三维保形性化学计量薄膜 作为台阶覆盖和纳米孔材料的涂层 可轻易进行掺杂和界面修正 可以沉积多组份纳米薄片和混合氧化物 薄膜生长可在低温 室温 400oC 下进行 固有的沉积均匀性 易于缩放 可直接按比例放大 可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度 形成达到原子层厚度精度的薄膜 对尘埃相对不敏感 薄膜可在尘埃颗粒下生长 可广泛适用于各种形状的基底 不需要控制反应物流量的均一性 7 ALD技术的优势示意图 8 各种薄膜沉积方法比较 9 ALD应用 原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控性 厚度 成份和结构 优异的沉积均匀性和一致性使得其在微纳电子和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力 而且随着科技的发展在不远的将来将会发现其越来越多的应用 根据该技术的反应原理特征 各类不同的材料都可以沉积出来 已经沉积的材料包括金属 氧化物 碳 氮 硫 硅 化物 各类半导体材料和超导材料等 10 半导体及纳米电子学应用 晶体管栅极介电层 high k 晶体管栅极介电层是ALD的一个重要应用领域 Intel处理器就是应用了ALD方法制备的高k的HfO2晶体管栅极介电层 而对于32nm以下技术节点来讲 材料的挥发性 输运方式以及纯度等问题更变得至关重要 Intel和IBM已经同时宣布使用铪基材料作为栅极高k绝缘介质 加速CMOS制造工艺的革命 优点 缺陷少 均一 厚度可控 可形成无定形包覆 可厌氧反应 应用如 GaAs AlGaAs等异质结构 晶体管 电子管 HfO2 ZrO2 Al2O3 LaAlO GdScO3等 11 金属栅电极 metalgate 除了晶体管栅极介电层 Intel的新一代处理器金属栅电极同样将应用ALD方法 这种方法是用金属取代半导体多晶硅电极栅以消除层间损耗 优化功能 防止与高k电介质栅的反应 优点 有晶体管栅极介电层的所有优点 另外他对金属栅电极更少的破坏 金属膜光滑 并且用ALD沉积的金属氮化物有更多的应用 应用如 Ru WN Pt RuO TaN TiN HfN等 12 金属的连接 大规模集成电路需要更薄更精密的相互连接的金属 使相互连接的铜和钨都要沉积到复杂的结构中 应用如 Cu W Ru等 互连线势垒层金属铜扩散到大规模电路的硅 二氧化硅以及相连接的金属中需要较小的扩散势垒 由于大部分结构是在狭窄而且较深的通道中 所以沉积方法非常重要 ALD技术很好地解决了这种问题 他能使特殊的金属 金属氮化物在低温 厚度可控的条件下完成沉积 应用如 WN TaN Co 等 13 光电材料及器件 防反射应用防反射包覆在光学产业中相当重要 他常常由高低反射层构成 如SiO2 ZrO2或SiO2 TiO2 过去应用蒸发技术沉积包覆层 但是包覆层的准确厚度直接影响到了防反射能力 通常包覆厚度在10 15 膜的厚度在100nm时 包覆厚度到15nm 这极大的降低了防反射能力 另外 普通蒸发技术要把基体放置于比蒸发源高的多的位置 与此相比 ALD技术能在复杂的基体表面达到较高的一致性 有效的提高了防反射能力并且降低了成本 而且 ALD技术能在基体的两个面上同时进行包覆 14 有机发光显示器反湿涂层 一层用ALD技术沉积的Al2O3膜就能强烈地阻止水蒸气对OLED的侵蚀 除了防潮层以外 透明导电电极同样可用ALD技术制备 ZnO原子沉积晶体管栅极介电层薄膜已经成功制成 15 MEMS微机电系统 1保护膜2憎水涂层3反刻蚀涂层 16 ALD应用实例 用啤酒和水沉积的Al2O3 Al2O3grownwithH2O TMA Al2O3grownwithbeer TMA 17 CMOSHigh kDielectrics 18 SemiconductorMemory 19 Gatedielectricsnon Sidevices 20 ALDLift offTechnology 21 Applications HighAspectRatio CrosssectionofSifoamwithaporesizeof50nm shownacoatingofAl2O3extending100umintotheholes Filmshowscapabilityofcoatinginto2000 1aspectratiofeatures BulkSiO2withnoAl EndofAl2O3layer Al2O3coatedfoamWithverylittleSi Foamsurface 22 NanotubeFormation 23 ButterflyPCWaveguide MorphoPeleidesbutterfly Wingphotoniclattice 24 ButterflyPCWaveguide 25 ButterflyPCWaveguide 26 Gate Controlledp nJunctionofGraphene 27 28 29 原子层沉积系统 AtomLayeredDeposition 品牌 型号 PICOSUN SUNALE R 200 关键参数 1 前驱体 固态 气态 臭氧 等离子体具有六根独立源管线 最大加载十二个前驱体源2 基片尺寸与类型 最大8英寸基片 三维物件和多孔基底 3 工艺温度 可达到500 4 载气类型 高纯氮气 30 开机 1 开启ALD泵和ALD主机电闸 2 检查循环冷却水是否正常 开启氮气 液氮 阀门 压缩空气阀状态为开 开启气体阀 Ar 高纯氮 3 开启氮气 液氮 和气体阀 工艺流程 31 登陆界面 32 主腔室真空 加热温度 样品台温度 进样室真空 固态源气路 气态源气路 气态源气路 主腔室管道气路 载气 高纯氮气 载气 高纯氮气 33 启用LoadLock 1 启用LoadLock 34 2 编写和调用RECIPE 调用RECIPE 工艺管道流量设置 温度设置 1 页面1设置 35 2 页面2设置 设置反应次数和反应源 36 3 页面3设置 设置各个气路管道的反应源名称和温度 37 4 页面4设置 设置各个气路管道的载气流量和状态 38 5 页面5设置 固态源时需设置管道状态为Master 39 3 放置样品 1 首先Vent工艺氮气进入LoadLock 打开进样室盖子后将样品放在托盘上 给主腔室充气至一个大气压 点击CHANBERLID栏上的 OPEN 将反应内腔升起 给主腔室充气 给LoadLock充气 40 2 手动给LoadLock腔充气 当主腔室 已充气 和LoadLock之间的压强差小于10hPa时 开始传递样品 按如下顺序进样 点击 LOADWAFER 按钮 确认传送杆的位置 开启真空阀门 传送样品 确认传送杆的位置 将样品放置到反应腔支架 将传送杆抽回 确认传送杆在初始位置 关闭真空阀门 进样完毕 41 4 工艺前的准备工作 1 进样后首先点 CHAMBERLID 栏的 CLOSE 关上反应腔 2 随后在 EVACUTEREACTOR 栏点击 START 抽反应腔真空 42 3 在MANUAL菜单的 2 页面内设置工艺温度TE2为样品台的设置温度TE1max 为加热温度 一般比TE2高150 设置固态源瓶温度 设置工艺温度 注意 此处所设置的温度要与RECIPE中的温度设置一致 否则将执行RECIPE的设置温度 反应腔的升温温度较慢 一般在1个小时以上 43 5 工艺过程 点击 START 检查反应腔是否关上 检查温度是否稳定到设置温度 这几个步骤自动进行完成后会变成绿色 温度稳定时间倒计时 实际工艺时间 在工艺开始前一定要开源瓶 工艺结束后一定要关闭源瓶 关闭源瓶 点击 Unload 后自动反应腔充气 打开反应腔 44 点击 UNLOADWAFER 按钮 确认传送杆的位置 开启真空阀门 将传送杆伸入到反应腔 将样品放置到反应腔支架 将传送杆抽回 确认传送杆在初始位置 关闭真空阀门 6 取样品 取完样品后将LOADLOCK腔抽真空 45 7 清洗管道 注意 清洗管道前一定要再确认一下源瓶处在关闭状态 否者清洗时会将源瓶内的源带出 堵塞管道 更换管道将花费几万元 清洗前先抽真空 选择要清洗的管道 开始清洗 至少10分钟以上 46 8 关机 1 将反应腔温度和管道温度设为室温 2 确认反应腔已抽真空 3 点击 Shutdown 关机 47 3 关闭ALD泵和ALD主机电闸 关闭氮气 液氮 和气体阀 关闭气体阀 Ar 高纯氮 2 关闭氮气 液氮 和气体阀 4 关闭主机开关和机械泵 点击机械泵控制手柄上的 STOP 关闭主机开关 48 一 进样流程首先Vent工艺氮气打开进样室的盖子 将样品放置在托盘上 抽进样室真空 再充氮气至一个大气压 再充主腔室氮气至1个大气压 在Actions界面 1 中ventreactor中点Start 开始充气 进Deposit界面观察Vent后气压变化等到Diffpressuresp为15hPa后 点Actions界面内 1 点cancel终止充气 开反应腔ChamberLID点OPEN 将反应腔的上盖打开 准备接受样品 回到Loadlock界面Handyman中可以看到三个绿灯是亮的 点Loadwafer 闸板阀打开 将传送杆手动拉到最左端 这时在主室可以看到样品已经传送至反应腔正下方 然后点Pickwafer 将样品放置到反应腔的托盘上 再把传送杆拉到原始位置 之后关闭闸板阀 最后去Actions界面点CLOSE关闭反应腔 点Actions界面的EvacuateReactor抽主腔室的真空 直到观察IMspace至10hPa左右 ALD操作流程 49 1 在MANUAL 2 页内手动加热TE2设置反应温度TE1max设定加热电阻温度 比反应温度高150 C 到Deposit页面看到左上方六个方框全绿时点START 此时设备旁报警灯为绿色 之前为黄色 2 点击LID关反应腔室的盖子 SoftPumpdown V2开 抽速慢 MainPumpdown V1开 抽速快 3 Heating状态灯为亮 反应腔开始升温 直到预设温度 4 这时一定要将源瓶打开 阀门开两圈即可 5 TemperatureStabilization5min看源瓶内是否有剩余Actions页 2 检测每个源的蒸发量 看脉冲阀每次的量是否均匀换瓶前手动开关阀门 直到每次的蒸发量脉冲稳定为止 二 工艺操作 50 三 卸载 Unload 1 关闭源瓶 按Venting按钮给主腔室充气至1个大气压 气压稳定后1min 可以开阀 2 点OPENLID开反应腔盖 将传送杆手动拉到最右端取样CLOSEGATE后气