践镀原理与流程

1、Sputter原理和流程 PVD製程知識NSNGas inpumping+-+-+-+-+-+-+-+-+-電子螺旋運動電子平均自由徑比較 Magnetron DC Sputtering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ParameterlSubstrate TemperaturelChamber PressurelGas Flow RatelDC PowerlMagnet Scan Speed/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。Sputtering principle定義： 濺鍍，即利用

2、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DC Power將通入的Process Gas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。Crystal Growth MechanismlNucleationlGrain GrowthlCoalescencelFilling of ChannelslFilm GrowthCrystal Growth MechanismCrystal Growth MechanismCrystal Growth MechanismCrystal Growth

3、Mechanism|機械流程|動作流程L/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CA41L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41L/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CA33L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41Hillock （Al）原因：w film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w Al成膜的晶粒方

4、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AlNd target代替Al targetw 在Al上面再镀一层覆盖金属来抑制Al hillock的产生w 減小grain size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Dome type的splash在target edge有强烈的

5、arcing现象,使边缘的金 属融化溅落在基板上, 形成wing type的splashSubstrate ArOxide or VoidHeated areaWing typeDome typeTargetMelted particalSplash後果：大块金属残留导致闸极线与信号线短路 解决方案：用Shield plate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（Surface Finish） 减小

6、target晶粒的大小,提高均一性（Gain Size）Nodule（ITO）原因: w ITO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 w ITO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ITO flake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：用超高密度的ITO靶材（95%）可

7、獲得改善w 將target表面處理平滑及乾淨Void原因：w film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grain size提高靶材密度金屬連

8、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：Si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Electrom

9、igration（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：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

10、力可能產生永久的機械性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）w film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Anneal Oven回火來調整薄膜應力Filling Bad原因：wPVD sputter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

11、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Filling Bad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

12、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=沉积沉积高温高温T=室温室温T=室温室温薄膜底薄膜底材材其它後果：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CryoCryoCryoTrans