超高真空多功能磁控溅射设备的使用

超高真空多功能磁控溅射设备的使用

一、引言

薄膜的制备方法有许多种，主要包括：物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)

和电化学沉积。物理气相沉积中只发生物理过程，化学气相沉积中包含了化学反应过

程。常见的物理气相沉积方法是真空蒸发，分子束外延(MBE)是一种超高真空中进行的

缓慢的真空蒸发过程，它能够用来生长外延的单晶薄膜。另一种常见的物理气相沉积方

法是溅射，溅射法制膜具有溅射速度快，在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制，

沉积层对衬底的附着力较好，能够大面积成膜等。

近几十年来,磁控溅射技术已经成为最重要的沉积镀膜方法之一。广泛应用于工业

生产和科学研究领域。如在现代机械加工工业中，利用磁控溅射技术在工件表面镀制功

能膜、超硬膜、自润滑薄膜。在光学领域，利用磁控溅射技术制备增透膜、低辐射膜

和透明导膜，隔热膜等。在微电子领域和光、磁记录领域磁控溅射技术也发挥着重要作

用。例如在微电子领域制备Cu互联薄膜等。

二、实验目的

1.了解超高真空多功能磁控溅射系统。主要包括：宜流和射频溅射、电源控制系统、

进样室和生长室、抽气系统的基本工作原理。

2.掌握衬底的清洗、装卸、样品在进样室和生长室间的传递、靶的安装要点等。

三、实验原理

1溅刖

众所周知，溅射现象源于阴极表面的气体辉光放电。在真空系统中，靶材是需要溅

射的材料，它作为阴极，相对于作为阳极的衬底加有数千伏的电压。在对系统预抽真空

以后，通进少量惰性气体(如氧气)，压力一般处于lO^lOPa的范围内。在正负电极

高压的作用下，极间的气体原子将被大量电离。电离过程使Ar原子电离为Ar'离子和能

够对立运动的电子，其中电子飞向阳极，而带正电荷的Ar'离子则在高压电场的加速作

用下飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放出其能量。离子高速撞击的结

果就是大量的靶材原子获得了相当高的能量，使其能够脱离靶材的束缚而飞向衬底，

在衬底上成膜。当然，在上述这种溅射过程中，还可能伴随有其它粒子，如二次电子、

离子、光子等从阴极发射。

溅射法受到大力发展和重视的一个重要原因在于这种方法易于保证所制备薄膜的化

学成分与靶材基本一致，而这一点对于蒸发法很难做到。

溅射法使用的靶材能够根据材质分为纯金属、合金及各种化合物。金属与合金的靶

材能够用冶炼或粉末冶金的方法制备，其纯度及致密性较好；化合物靶材多采用粉末

热压的方法制备，其纯度及致密性往往要稍逊于前者。

主要的溅射方法能够根据其特征分为以下四种：11）直流溅射；（2）射频溅射；（3）

磁控溅射；（4）反应溅射。

2直流溅射法

直流溅射又称阴极溅射或二极溅射。在直流溅射过程中，常见氧气Ar作为工作气

压。工作气压是一个重要的参数，它对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响。

当经过加速的入射离子轰击靶材（阴极）表面时，会引起电子发射，在阴极表面

产生的这些电子，开始向阳极加速后进入负辉光区，并与中性的Ar原子碰撞，产生自

持的辉光放电所需的Ar.离子。在相对较低的气压条件下，Ar原子的电离过程多发生在

距离靶材很远的地方，因而Ar'离子运动至靶材处的几率较小。同时，低气压下电子的

自由程较长，电子在阳极上消失的几率较大，而Ar’离子在阳极上溅射的同时发射出二

次电子的几率又由于气压较低而相对较小。因此，在低工作气压下Ar原子的离化效率

很低，溅射速率和效率很低。

随着氧气工作气压的增加，电子平均自由程减小，原子电离几率增加，溅射电流

增加，溅射速率提高。但当气压过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会

受到过多的散射，因而其沉积到衬底上的儿率反而下降。因此随着气压的变化，溅射沉

积的速率会出现一个极值，一般来讲，沉积速度与溅射功率成正比，与靶材和衬底之间

的间距成反比。

溅射气压较低时，入射到衬底表面的靶材原子没有经过多次碰撞，能量较高，这

有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度。溅射气压的提高使得入

射的原子能量降低，不利于薄膜组织的致密化。

3射频溅射法

采用直流溅射法需要在溅射靶上加一负电压，因而就只能溅射导体材料，而不能

沉积绝缘材料，其原因在于轰击绝缘介质靶材时表面的离子电荷无法中和，于是靶面

电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离机会就会变小，甚至

不能发生电离，致使放电停止或不能连续，溅射停止。因此，对于导电性很差的非金属

材料或绝缘介质的溅射，需要一种新的溅射方法一射频溅射法(RF)法。

射频溅射装置相当于把直流溅射中的直流电源部分由射频发生器，匹配网络和电源

所代替。它是利用高频电磁辐射来维持低气压(约2.5l()2pa)的辉光放电。阴极安置

在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶上，这样，在一个周期内正离子和电子就

能够交替地轰击靶，从而实现溅射介质靶材的目的。当靶电极为高频电压的负半周时，

正离子对靶材进行轰击引起溅射，同时靶材表面会有正电荷的积累；当靶材处于高频

电压的正半周时，由于电子对靶的轰击中和了积累在介质靶表面上的正电荷，这样就

为下一周期的溅射创造了条件。由于在一个周期内对靶材既有溅射又有中和，故能使溅

射持续进行，这就是射频溅射法能够溅射介质靶材的原因。

从上所述可知，在一个周期内介质靶最多只在半周期中受到离子轰击。阴极是介质

靶，就相当于在高频电路中加了一个阻塞电容器C,使靶面形成一个直流负电位，即负

的自偏压，从而使靶材受到离子轰击的时间和电压都会增加。

实际应用的高频溅射系统中，常采用非对称平板结构，把高频电源一极接在小电极

(靶)上，而将大电极和屏蔽罩等相连后接地作为另一电极，这样，在小电极处产生的

暗区电压降比大电极暗区压降要大得多，致使流向大电极的离子能量小于溅射阀能，

在大电极上就不会发生溅射。因此，只要用小电极作为靶，而将基片放置在大电极上,

就可进行高频溅射镀膜。一般，在溅射中使用的高频电源频率已经属于射频范围，其频

率区间为10—30MHz左右，当前国际上一般采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会建

议的13.56MHz。

4磁控溅射法

从上面的讨论可知道、溅射沉积具有两个缺点：第一，沉积速率较低；第二，溅

射所需的工作气压较高，这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可能性提高;

磁控溅射技术是从70年代发展起来的一种新型溅射镀膜法，具有沉积速率较高，

工作气压较低的优点。一般磁控溅射的靶材与磁场的布置形式如图2.1所示，这种磁场

设置的特点是在靶材的部分表面上方使磁场方向与电场方向垂直，从而进一步将电子

的轨迹限制到靶面附近。运动电子受到磁场作用（洛仑兹力）而使运动轨迹发生弯曲乃至

形成螺旋运动，导致电子运动路径加长，因而增加了与工作气体分子的碰撞次数，提

高了电子对工作气体的电离几率和有效的利用电子的能量，导致磁控溅射速率数量级

地提高。同时，经多次碰撞而丧失能量的电子进入离阴极靶面较远的弱电场区最后到达

阳极时，已是能量消耗殆尽的低能电子，也就不再会使基片过热，因此可大大降低基

片温度。实际的做法可将永久磁体或电磁线圈放置在靶的后方，从而造成磁力线先穿出

靶面，然后变成与电场方向垂直，最终返回靶面的分布，即如图2.1中所示的磁力线方

向那样。

图1直流磁控溅射法原理图

同溅射一样，磁控溅射也分为直流（DC）磁控溅射和射频（RF）磁控溅射。由于射

频磁控溅射不要求作为电极的材料为导电的，因此，理论上利用射频磁控溅射能够溅

射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们会减弱或改变靶表

面的磁场分布，影响溅射效率甚至无法起辉。因此，磁性材料的靶材需要特别加工成薄

片，尽量减小对磁场的影响。

四、实验装置

本实验采用的JGP560D超高真空磁控溅射系统，该设备共有三室，主溅射室、预

处理室和样品室。

图2为我们所用的JGP560D超高真空磁控溅射仪的结构示意图，该设备共有三室,

主溅射室、预处理室和样品室，图中只给出了主溅射室和预处理室。在主溅射室中总

共有3个靶位，靶直径为5cm,其中3个均匀的分布在腔中。共有1个直流溅射电源和

两个射频溅射电源。磁性靶材的厚度约为2-3mm,非磁性靶材的厚度能够厚些，约为

6mmo在样品转盘上留有六个样品支架，每个样品支架的直径同靶材直径一样，也为

图2JGP560D超高真空磁控溅射仪的结构示意图

6cm,样品转盘和靶基都采用循环水冷却。在靶材和样品转盘之间有一挡板，挡板中留

有一个与靶材直径相同的孔洞，在预溅射时挡住靶材，不致于溅射到衬底上，也能够

用来选择溅射不同的衬底c样品转盘和挡板都可由计算机自动控制，其转速可精确控

制。在样品支架上能够加一条形磁铁，在制备样品时根据需要能够加诱导磁场。该设备

既能够共溅制备合金层和制备层状膜，也能够制备成楔形结构或均匀膜，并能够精确

控制膜层厚度和多层膜层数，从而能够非常方便地制备出具有良好调制周期的各类多

层膜。设备溅射前背景真空度可达5.0X106Pa(3.8X108Torr),溅射时我们一般采

用0.3—0.45用的氧气气压。

五、实验步骤

1.衬底的清洁处理

衬底的清洗处理方法很多，并因衬底材料不同而异。对硅和玻璃衬底，能够先用

有机溶剂(丙酮、乙醇等)除去表面油污，然后用浓硫酸和双氧水煮沸，后用去离子

水冲洗干净并烘干。

2.溅射靶的安放

(1)接通冷却水；启动总电源；

(2)确认Gl、G3、VI、V2、V3、V5已关闭，打开V4和闸板阀G2向溅射室充入N?。

当溅射室气压达到大气压时关闭V4和G2;

(3)检查定位销、机械手、磁力传递杆是否处于安全位置；按电源“升“按钮，升起

真空室顶盖，换靶(屏蔽罩与靶盖的距离在1〜3nm1),用万用表测量保证靶盖与屏

蔽罩绝缘；

(4)按下控制电源“降"按钮，降下大法兰顶盖，注意找正，小心发生碰撞。

3.取进样

(1)打开V4。当进样室气压达到大气压时关闭V4;打开闸板阀G2;推送磁力传递杆进

入主溅射室，旋转转盘手柄，使转盘对准衬底定位指针，将传递杆叉子插入完成镀

膜的样品托槽内，再用手动机械手帮助，使得传递杆叉子夹持样品托回进样室；旋

转样品库手柄到适当高度，将磁力传递杆上的样品托送入指定的样品库位置，如此

连续取放完毕所有样品；

(2)要取出的样品托全部放置到样品库后打开进样室阀门，取/进样；关闭进样室；用

磁力传递杆夹紧样品后旋转180。，再将样品送入溅射室；转动溅射室大法兰上面

的转盅手柄，从观察窗观察使定位销与转盅定位口重合时，推动定位销，使转盘

定位，再推动磁力传递杆，将样品托进入转盘定好的位置，将样品从磁力传递杆

上送入转盘槽内；

(3)启动机械泵II和机械泵I,打开V5;打开复合真空计监测真空度；

(4)当真空度低于lOPa时，启动分子泵T2,打开闸板阀G1;打开超高真空计DL-7监

测真空度。

4.溅射系统的关闭

⑴关闭系统所有阀门：Gl、G2、V5;

(2)关闭各路仪表，关闭分子泵Tl、T2;关闭机械泵I、机械泵II,总电源和冷却水。

六、思考题

1.按放溅射靶时的注意事项。

2.溅射镀膜的特点。

溅射法在制备半导体薄膜材料中的应用

一、引言

近几十年来，磁控溅射技术已经成为最重要的沉积镀膜方法之一。广泛应用于工业

生产和科学研究领域。如在现代机械加工工业中，利用磁控溅射技术在工件表面镀制功

能膜、超硬膜、自润滑薄膜。在光学领域，利用磁控溅射技术制备增透膜、低辐射

膜和透明导膜、隔热膜等。在微电子领域和光、磁记录领域磁控溅射技术也发挥着重

要作用。例如在微电子领域制备Cu互联薄膜等。

ZnO是一种新型的II-VI族宽禁带化合物半导体材料、与GaN具有相近的晶格常数

和禁带宽度，原料易得廉价，而且具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合

性和较低的电子诱生缺陷,它是较早进入材料研究领域而且得到广泛应用的金属氧化物

之一。随着军事、空间科学、通讯和建筑等领域对新型特殊材料的不断要求，自二十

世纪六十年代开始，薄膜材料以其特有的性质逐步成为材料科学研究的热点并得到广

泛应用。薄膜形态ZnO的研究开始于上世纪七十年代初期，研究主要集中在多晶ZnO薄膜

的制备、压电特性和透明导电特性等方面。到了1980年以后，多晶ZnO薄膜的研究逐步

进入了高潮，关于多晶ZnO薄膜各方面性质的研究不断深入，大量的研究成果和论文出

现。最近几年，随着ZnO光泵浦紫外受激辐射的获得和P型掺杂的实现，ZnO薄膜作为一

种新型的光电材料，在紫外探测器、LED、LD等领域也有着巨大的发展潜力。1999年

10月，在美国召开了首届ZnO专题国际研讨会，会议认为”当前ZnO的研究如同Si、Ge

的初期研究”。世界上逐渐掀起了ZnO薄膜研究开发应用的热潮。

二、实验目的

1.进一步熟悉溅射法制备半导体薄膜的过程，理解薄膜的形成理论。

2.利用射频溅射法成功制备出半导体ZnO薄膜「

三、实验原理

薄膜形成的理论主要有两个模型，一个是以热力学为基础的唯象理论，另一个是

建立在统计物理基础上的原子模型。由于依据的物理基础的差异，前者主要描述大量原

子和原子集团行为，而后者不但能够描述大量原子行为，也适用于少数原子的行为。

薄膜材料的生长过程由于材料性质和制备方法的差异会有很大的差别。溅射法制备

薄膜材料能够看作是从溅射靶上溅射出的气相原子或者原子团在衬底表面凝聚为固相

的过程。如果是反应溅射或者溅射化合物靶材，还会有化学反应发生。薄膜生长过程是

否能够持续，被溅射原子能否凝聚到衬底材料表面是关键问题。研究表明这一过程与衬

底温度有密切关系，入射原子数与衬底温度有如下关系：

%=4.7x1()22exp(_?§19)(1-1)

几

上式中儿和「分别是临界入射原子密度(原子数/cn?sec)和衬底临界温度。不难

发现，如果到达衬底的原子数目小于临界入射原子密度，或者衬底温度太高值得入射

原子数密度小于临界值，薄膜的沉积都无法实现。一般我们用凝结系数a来表征薄膜

生长，它被定义为凝聚到衬底上的原子数与入射原子数之比。显然，薄膜沉积条件是凝

结系数a《1。也应当注意到的是凝聚系数不是一个常数，它与源物质种类、入射原子

密度、衬底温度和薄膜厚度等多种因素有关。

///////////////////^

1」」

(O।Q।C,(Ci।।,,

Volmer-WeberS!FrankwanberMer囚巳型Straski-KrastanovS!

图1-1茴障生长时程示意图

薄膜的生长过程分为三种类型，如图17所示，它们分别是核生长型

(Volmer-Weber型)、层生长型(Frank-vanberMerwe型)和层核生长型

(Straski-Krastanov型)。不同的材料(薄膜材料和衬底材料)具有不同的生长类型,

国1-2酒豺沙薄暄的S7横刑

不同的生长类型成膜过程也有差异。在薄膜生长初期进行原位高分辨率电子显微镜观测

能够确定其生长类型和不同生长阶段的特征。

关于溅射法薄膜当前被大家普遍接受的模型是由J.A.Therton提出的结构带模型

(TheStructureZoneModel,SZ模型)。如图1-2所示,此模型给出了溅射法薄膜的

微结构与衬底温度，和溅射工作气压的关系。根据该模型，不同衬底温度和溅射工作气

压范围内，薄膜的微结构能够分为四种类型，也就是四个区域，这些微结构区域分别

是:

区域1,结构疏松的楔形晶粒和高浓度孔隙混合区；

区域2,由排列紧密的柱状晶粒构成，薄膜表面平整；

区域3,再结晶区域。

过渡区域（图1-2中未标出），此区域由大量的纤维状晶粒构成。

如图1-2所示，上述几个区域的划分与衬底温度和工作气压都有关系。以衬底温度Ts

和薄膜材料熔解温度，的比值为温度量度标尺，当T/TJ、于0.25且溅射工作气

压高（3Pa以上），薄膜微结构处于区域1,这是由于入射原子能量低且衬底温度低，使

得原子在衬底表面迁移率低造成的，此区域中不但晶粒尺寸小，而且晶粒间有大量的

空隙存在；随着衬底温度的升高，薄膜结晶状况有所改进，晶粒尺寸增大且晶粒间空

隙减少；当衬底温度进一步增大到超过W0.3且溅射工作气压降低（小于IPa）就

进入了区域2,晶粒尺寸进一步增大，薄膜由排列紧密的柱状晶粒构成，薄膜表面平整

度增大，这是与入射原子能量进一步提高和原子在衬底表面的迁移率增加有关；衬底

温度超过熔点的35%后，薄膜微结构具有区域3的特征，薄膜中出现再结晶现象，此时

晶粒尺寸更大，薄膜表面变得粗糙且有细小裂纹出现。

计算机模拟证实了SZ模型描述的溅射法薄膜微结构的正确性，因此作为此模型推

导基础的有效迁移率观点反映了溅射法制备薄膜材料过程中的真实情况，此模型对于

确定薄膜制备条件和分析薄膜结构与沉积条件的依赖关系都具有参考价值。

四、实验装置

本实验使用中国沈阳科学仪器研制中心有限公司制造的JGP500D1型超高真空多功

能磁控溅射设备。此设备是带有进样室的超高真空多功能磁控溅射镀膜设备。它可用于

l/rl'rvAr士k»

超高真空背景下，磁控溅射方式制备各种金属薄膜、介质薄膜、半导体薄膜。在镀膜

工艺条件下，采用先进的微机控制溅射样品转盘和靶极挡板，既能够制备单层薄膜,

又能够制备各种多层薄膜。就总体结构而言，该设备分为真空系统、机械系统与控制

系统这三部分。真空系统提供了薄膜材料制备的环境条件，如图2所示；机械系统包括

溅射室、样品预处理室的开启机构、样品的置入与取出机构和溅射靶位调节机构；控

制系统为两个电源控制箱组成，用于溅射靶和衬底偏压的加载和控制、控制真空机组、

样品室的照明与烘烤和设备各必要部分的真空度测量。

%〜Vg：调节阀门，其中%是直通大气的放气阀；

G1〜截止阀，Gi位于设备后部，用于隔离溅射室与分子泵；G,用于隔离溅射室

与进样室；G,用于隔离进样室与分子泵；

T^-T2：分子泵；

R〜R:机械泵；

MFC1-3:质量流量计；

A、B、C、0:外部气体接口；

DF:隔离电磁阀

五、实验步骤

1.预处理

我们选用的衬底材料是普通玻璃片，先将其分割为20mmX20mm小片，然后用如下

的标准工艺进行清洗：(D中性清洗剂；(2)去离子水30〜50C超声波清洗；(3)王

zK(HN03:HCL=3:l)浸泡5min;(4)去离子水30〜50℃超声波清洗15〜20分钟;(5)

热氮气吹干。

2.进样

保持主溅射室的真空度，进样室充入干燥空气，与大气压力平衡后，将待溅射的样品

3

放入样品库中。然后进样室抽真空，使真空度达到6.6X10-Pao后用磁力传递杆从样

品库上取出衬底，打开空气锁闸板阀G2,输送到主溅射室相应的夹持位置。关闭空气锁

闸板阀G2,用分子泵+机械泵R1对土溅射室继续抽真空到5X10"Pa左右.稍关小闸板

阀G1,减小抽气速度，再经过截止阀V2、V7、V8、V9和MFC质量流量计向主溅射室

充入Ar气，调节闸板阀G：关闭的大小来调节溅射工作压强，使溅射室的真空度维持在

3〜5Pa。

3.抽真空

经过抽真空，使生长室的本底真空达到5X10-,Pa左右

4.溅射

实验中，RF靶位放置高纯度ZnO靶(99.995%),衬底为普通玻璃。经过G1调节溅

射室真空度保证磁控靶正常起辉，适当调节MFC进气量，控制Ar流量为51sccm,使溅

射室真空度维持在4.6Pa,使磁控靶不熄弧。调节匹配电容C1和C2,使反射功率减至

最小，磁控靶起辉，调节板压至所需功率为21.6W,52W,88W,102W,123.5W,165肌

溅射3600S,关闭射频励磁电源和MFC质量流量计可源。美闭主溅射室进气截止阀VI

和V2,全开G1闸板阀，使主溅射室用分子泵直接抽气，进入高真空状态(l(TPa)。同

时进样室由泵抽系统抽真空，再用磁力传递杆在空气锁闸板阀G2打开的状态下将镀完

膜的样品托送至样品库。被镀好的样品置入样品库后，进样室充入干燥空气，然后从样

品库上取出镀好的各块样品，马上放入新样品。

5.关机

(1)关闭各路仪表，关闭系统所有阀门：Gl、G2、V5;

(2)停分子泵D、T2,7〜8分钟后关闭分子泵；关闭机械泵I、机械泵H,总电源和

冷却水。

等离子体化学气相沉积法制备多晶Si薄膜

一、引言

化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包

括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说，它是很简单的:

两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后她们相互之间发生化学反应，

形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(SisND就是一个很好的例子，它

是由硅烷和氮反应形成的C

CVD技术常常经过反应类型或者压力来分类，包括低压CVD(LPCVD),常压CVD

(APCVD),亚常压CVD(SACVD),超高直空CVD(UHCVD),等离子休增强CVD(PECVD),高

密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD)0

近年来，随着纳米技术在高新技术领域的兴起和在新领域的广泛应用，对纳米材

料的研究不断发展和深入，在微电子技术中，以多晶Si作为MOS器件的栅电极是MOS

技术的一项重大发展，其中一个重要原因是多晶Si栅电极的可靠性优于A1电极。另外，

多晶Si还能够作为杂质扩散源以形成浅结，并确保与单晶Si形成欧姆接触。

二、实验目的：

1.了解等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积系统、电源控制系统和气流流量显

示系统的基本工作原理C

2.用PECVD技术制备多晶Si薄膜材料。

三、实验原理

等离子体增强化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低

气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度，

然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成

固态薄膜。PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电

子(120eV),它们能够提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰

撞能够促进气体分子的分解、化合、激发利电离过程，生成活性很高的各种化学基团,

因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得

以在低温实现。由于PECVD方法的主要应用领域是一些绝缘介质薄膜的低温沉积，因而

PECVD技术中等离子体的产生也多借助于射频的方法。

稀薄气体中的电子在高频或直流电场的作用下，将获得加速并与气体中的原子或

分子碰撞使其激发、游离或分解，产生辉光放电。此时气体中包含许多电子、离子、

中性原子和分子、活性根以及亚稳态的原子、分子集团等。因为这些粒子所带的正负

总电荷相等，因此一般称为等离子体。在低气压(约几百Pa)条件下，气体放电所形成

的等离子体是一种低温非平衡等离子体，这种等离子体具有以下性质：

(1)电子和离子的无规则热运动超过了它们的定向运动；

(2)电离过程主要是加速电子与气体分子的碰撞，所形成的粒子正负电荷密度相

等；

(3)电子的平均热运动能量(电子温度)能够高达10410%,远比重粒子(如分

子、原子、离子、自由集团等)的运动能量高，气体温度仍保持恒温；

(4)电子和重粒子碰撞后的能量损失可在两次碰撞之间从电场中得到补偿。

(5)被电子碰撞后反应气体电离生成活性离子或者活性离子集团在衬底上吸附生

长。

用低压反应法沉积多晶Si的温度范围在600℃-650°C之间，以下列反应式分解硅

烷而生成：

Sill,--------6WCSi+2H2

一般最常见的低压沉积方法有两种：一种是在压强约25Pa-130Pa之间，使用

100%的硅烷作为反应气体；另一种是利用氮气作为稀释硅烷的气体，将硅烷浓度控制

在20%-30%之间。上述两种方法每次都可沉积数百片的晶片，且厚度均匀(即误差

在5%以内)。

四、实验装置

本实验采用单室电容耦合射频等离子体CVD设备，该设备由下部分组成:

(1)抽气系统；

(2)预备室；

(3)反应室；

(4)大功率振荡系统，即射频辉光放电系统;

(5)阻抗匹配网络；

(6)气路控制系统；

(7)压强测量及其控制系统；

(8)衬底控制系统；

(9)工艺过程监控系统。

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五、实验步骤

1、衬底的清洁处理

衬底的清洗处理方法很多，并因衬底材料不同而异。对硅和玻璃衬底，能够先用

有机溶剂(丙酮、乙醇等)除去表面油污，然后用浓硫酸和双氧水煮沸，后用去离•子

水冲洗干净并烘干。

2、抽本底真空

(-)PECVD开启程序：

(1)开总电源；

(2)按开按钮，开样品室，放入样品，按停止按钮，关样品室。

(3)开循环水。

(4)开启机械泵I,开蝶阀，卜2分钟后开罗茨泵。

(5)更合真空计，全自动显示，当热偶真空计为10Ta时，关闭蝶阀，关罗茨泵、机

械泵I,开启动机械泵H,打开插板阀，数分钟后打开气路分子泵电源，START按

钮，启动LED。

(二)薄膜生长

(1)温度控制：启动加热按钮，加温按f,降温按I,温度设定好后按ENT,根据不

同的温度选定不同的功率。

(2)射频调节：当压强达到ICTPa数量级，而且温度达到设定的温度，打开灯丝开关,

预热5T0分钟；同时关闭板阀、分子泵，分子泵停止后，关机械泵II。

(3)开气路，开机械泵I,罗茨泵和碟阀。气路1为SiHi,气路2为Ar,气路3为电

气路4为CH”打开顺序：开样品室顶部旋扭一流量电源一相应气路和气

柜内相应气路->气瓶。调节流量计和蝶阀位置，使得各气路流量达到设定

的流量，调节蝶阀，使气压达到需要的压强(25T30Pa)。然后沉积一定的时间。

(三)PECVD关闭程序:

(1)关射频：先将板压调为零，关板压和灯丝。

(2)抽气路：当质量流量计读数接近零时，关闭截止阀，开启氨气，使得氨气反冲到

氢气和甲烷气路(实验过程中氢气和甲烷气瓶已经关闭)，当质量流量计读数接

近零时开始关气路C

(3)关气路：关气瓶一气柜内相应气路一流量计一相应气路。

(4)压力达到IO2Pa时，关碟阀，关罗茨泵和开机械泵Io

(5)关电源，关循环水。

六、思考题

1.实验中所用的SilL的物理和化学性质。

2.分子泵使用时的注意事项。

热氧化生长SiO2薄膜

一引言

在硅片表面生长一层优质的氧化层对整个半导体集成电路制造过程具有极为重要

的意义。它是经过离子注入或热扩散对硅表面进行定域掺杂的掩蔽层，也是保证器件表

面不受周围气氛影响的钝化层。它不光是介质隔离中器件与器件之间电学隔离的绝缘层,

同时也是MOS工艺以及多层金属化系统中保证电隔离的主要组成部分。因此了解硅氧化

层的生长机理、控制并重复生长优质的硅氧化层对保证高质量的集成电路可靠性是至

关重要的。

在硅表面形成Si。2的技术有很多种：热生长氧化、热分解淀积（即CVD法）、真空

蒸发、反应溅射及阳极氧化法等。其中热生长氧化在集成电路工艺中用得最多，其操

作简便、氧化层致密，足以用作扩散掩蔽层，旦经过光刻容易形成定域扩散图形。

本实验目的是熟悉热生长二氧化硅氧化层工艺，测量一定温度下二氧化硅干氧和

湿氧的氧化速率，建立厚度d和时间t之间的函数关系。

二、实验原理

1.氧化机理

经过严格清洗的硅片表面处于高温的氧化气氛（干氧、湿氧、水蒸汽）中时，由于

硅原子与氧原子有很高的亲和力，因此在硅表面迅速生成二氧化硅氧化层，其化学反

应方程式如下：

Si+02----->SiO2

Si+2H0——>SiO2+2H2t

在反应过程中，硅和氧的价屯子重新分配，形成Si-0的共价键结构。在氧化过程中，

Si-SiO?间的界面朝着硅方向延伸，使SiO」厚度逐渐增大。生长的结果，Si。,的外表与

原始的硅表面不是同一平面，若Si。?生长厚度为d,则硅表面被氧化掉的厚度将是

0.44d,如图2.1所示。当硅表面生长一薄层SiOz以后，它阻挡了或乩0直接与硅

表面接触，此时氧原子和水分子必须穿过SiOz薄膜到达Si—SiO?界面才能继续与硅反

应生长SiOz。显然，随着氧化层厚度的增长，氧原子和水分子穿过氧化膜进一步氧化就

越困难，因此氧化膜的生长速率将越来越小。

图2.1Si02生长过程中硅表面位置变化情况

迪尔(deal)—格罗夫［grove)的氧化动力学模型描述了热氧化的具体过程。迪尔一

格罗夫模型对温度在700℃〜1300C范围内，压力从2X10'Pa到1.01x105Pa,氧化层

厚度在300A〜0A之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。

图2.2给出了热氧化时气体内部(主气流区)、SiO,中以及表面处氧化剂的浓度分

布情况以及相应的压力。在SiO?表面附近存在有一个气体附面层。图中件表示氧化剂从

气体内部以扩散形式穿过附面层运动到气体一SiO?界面的流密度(单位时间经过单位面

积的粒子数)，F?表示氧化剂以扩散方式穿过SiO2层到达Si(h—Si界面的流密度，而

1%则为氧化剂在Si表面与Si反应生长Si02的流密度。在氧化过程中，由于SiO2层不断

生长，因此SiO2—Si界面也就不断向Si内移动。在准静态近似下，上述三个流密度应

该相等，则有：

F1=F2=F3

附面层中的流密度取线性近似，即从气体内到气体一SiOz界面处的氧化剂流密度

区正比于气体内部氧化剂浓度Cg与贴近SiOz表面上的氧化剂浓度Cs的差：

F,=hg(Cg-C5)(2.1)

其中hg是气相质量输运系数。

出2.2块争T匕illP.'1-个区域的久1匕剂浓庾

图2.2热氧化过程三个区域的氧化剂浓度

假定在我们所讨论的热氧化过程中，亨利定律是成立的，即在平衡条件下固体中

某种物质的浓度正比于该物质在固体周围的气体中的的分压。于是Sid表面的氧化剂浓

度Co正比于贴近SiO?表面的氧化剂分压Ps,

则有：

Co=HPs(2.2)

H为亨利定律常数。在平衡情况下，SiO?中氧化剂的浓度C*应与气体中的氧化剂分

压Pg成正比，即有：

C*=HPg(2.3)

由理想气体得到：

c=4一

(2.4)

aKT

C、.=区

(2.5)

KT

把式(2.2)〜(2.5)代入式(2.1)中彳

F|=h(C*-Co)(2.6)

(2.7)

IIKT

其中h是用固体中的浓度表示的气相质量输运系数。

经过SiO?层的流密度B就是扩散流密度，可表示为：

(2.8)

Xo

D为氧化剂在SiO?中的扩散系数，C。和Ci分别表示Si。?表面和SiO—Si界面处的

氧化剂,X。为SiO2的厚度,

假定在SiOz—Si界面处，氧化剂与Si反应的速率正比于界面处氧化剂的浓度Ci,

于是有：

F3=KsCi(2.9)

Ks为氧化剂与反应的化学反应常数。

根据稳态条件正邑小,可得到Ci和C。的表示式：

(2.10)

l+KJh-iKSXJD

，。=?7｝方宣75⑵D

当式中扩散系数D极大或极小时，上述两式产生极限情况。当D很小时(DWsXo),

得Ci-因扩散速度太慢，大量氧化剂堆积在SiQ的表面处，浓度趋向于同气相平

衡时的浓度C*。在这种情况下，SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO?中的扩散速度所决

定,称为扩散控制态。如果扩散系数D很大,则Ci=Co=C*/(1+Ks/h)。在这种情况下,

进入SiOz中的氧化剂快速扩散到S1O2-Si界面处。相比之下，在界面处氧化剂与Si

反应生成SiO?的速率很慢，结果造成氧化剂在界面处堆积，趋向于SiO?表面处的浓度。

因此SiOz的生长速率由Si表面的化学反应速度控制，称为反应控制态。

为了计算氧化层生长的速率，我们定义N1为每生长一个单位体积SiO,所需要氧化

剂的分子个数。每立方厘米SiO2的分子数为2.2X10”个，每生成一个Si()2分子需要一

个氧分子，或者两个水分子。因此，对氧气氧化来说，N1为2.2x1022/c/,对水汽氧

化来说，皿为4.4x1022/cm3o

随着SiO,不断地生长，界面处的Si也就不断地转化为Si。,中的成份。因此，Si表

面处的流密度也可表示为：

F=N.—⑵⑵

3dt

把(2.10)代入到(2.9)式中并与上式联立可得到

KC

N吧S(2.13)

\+Ks/h+KsXo/D

这个微分方程的初始条件是Xo(0)=Xi,Xi代表氧化前硅片上原有的Si。?厚度。.微

分方程(2.13)的解给出了Si。2的生长厚度与时间的普遍关系式：

Xj+XX0=B(t+T)(2.14)

其中A=2D(l/Rs+l/h)(2.15)

B=2DC'/N|(2.16)/

/

T=(Xi2(2.17)

A和B都是速率常数，方程(2.14)的解为:

VA.It+T..

X0——(.14------------1)(2.18)

02VA2/4B

SiO?生长的快慢将山氧化剂在Si。2中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个

因素决定，即存在上面描述的扩散控制和表面反应控制两种极限情况。

当氧化时间很长，即t»T和t»A2/4B时，Si。?生长厚度与时间的

关系可简化为:

X/=B(r+r)(2.19)

这种情况下的氧化规律称抛物型规律，B为抛物型速率常数。由(2.16)式可知，B

与D成正比，因此SiOz的生长速率主要由氧化剂在Si。?中的扩散快慢所决定，即为扩散

控制。

当氧化时间很短，即〃+T)〈〈A2/4B时，则SiO2的厚度与时间的关系可简亿为:

D

X=-(t+T)(2.20)

oA

在这种极限情况下的氧化规律称线性规律，B/A为线性速率常数，具体表示式为：

纥此工⑵21)

AKs+hN、

对大多数的氧化情况来说，气相质量输运系数h是化学反应常数Ks的10：'倍。因此,

在线性氧化规律时，Si02的生长速率主要由表面化学反应速率常数Ks决定，即表面化

学反应控制。(2.19)式和(2.20)式分别表示扩散可控态和反应可控态两种情况。

迪尔和格罗夫用(111)晶向的P型硅做实验，在干氧和湿氧两种情况下对硅单晶衬

底片进行热生长氧化。温度在700C至1200℃范围内所测到的实验数据和她们的理论模

型(即方程式2.14和2.18式)具有极好的一致性。

表1和表2分别为硅湿氧氧化和干氧氧化的速率常数。大量的实验表明，当氧化温

摩高1000C时，氧化过程基本上符合(2.19)式抛物线规律，氧化速率常数B主要受氧

分子在氧化层中的扩散速率口(13=2。0/风)所控制。温度越高，氧分子在氧化层中的扩

散越快，因此氧化速率B越大，当温度低于1000C时，氧化层的生长规律与(2.19)式

偏离。当温度低于700℃时，氧分子与硅原子的化学反应速度很低，因此氧化层的生长

率主要受Si—Si。2界面处的化学反应速率所控制，即为(2.20)式的反应可控态。符合

线性的生长规律，此时氧化生长速度很慢。由图2.3、图2.4和表1、表2,可见湿氧

氧化速率比干氧氧化速率快得多。虽然干氧的生长速率很慢，但生长的SiO?薄膜结构致

密、干燥，均匀性和重复性好，掩蔽能力强，钝化效果好，而且由于干氧生长的Si02

表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。湿氧氧化速率虽然很快，但在氧化后的硅片

表面存在较多的位错和腐蚀坑，而且还存在使Si。z表面与光刻胶黏附不良的硅烷醉(Si

-0H)o因此在生产实践中，普遍采用干氧一湿氧一干氧交替的氧化方式。在湿氧氧化

后，再通一段时间的干氧，既有利于保持硅片表面的完整性，又使SiO?表面的硅烷醇

(Si—0H)转变成硅氧烷(Si—0—Si),从而改进了SiO,表面与光刻胶的接触，在光刻时

对不会产生浮胶现象。这种干、湿氧交替的氧化方式解决了生长速率和质量之间的矛

盾，使生长的Si。?薄膜更好地满足实际生产的要求。图2.3为干氧和湿氧氧化层厚度与

氧化时间的实验关系曲线C

2

(

兴

)

赵

独

眼

羊

麻

图2.3(111)硅干氧氧化层厚度与时间的关系

由实验曲线可见，当氧化温度为1200℃、氧化时间为60分钟时，干氧的氧化层厚

度约为1930A,氧化速率常数约6.2X1CT微米2/分。而在同样温度下，当氧气经过水

温为95℃的湿氧瓶时，其氧化速率常数约为117.5X10一」微米2/分，它的氧化速率常

数增加将近20倍。

三、实验内容

取5片经清洗的硅样片，用镒子夹到石英舟上，将炉温控制在H00℃,并通入干

02,流量为5为ml/min。将石英舟缓慢推入炉中恒温区,分别以5r,10',20',40',60'

五种不同时间，生长厚度不同的SiO?层。

四、实验要求及思考

1.了解干氧、湿氧情况下热生长二氧化硅层的生长规律

2.熟悉热生长二氧化硅的制备工艺

3.简述氧化操作步骤并画出干氧、湿氧氧化装置图。

4.为什么相同温度、相同时间下生长的干氧氧化层厚度小于湿氧氧化层的厚度?

固相扩散实验

一引言

扩散是微观粒子（原子、分子等）的一种极为普通的热运动形式，运动结果使浓度

分布趋于均匀。集成电路制造中的固态扩散工艺，简称扩散，是利用固体中的扩散现象,

将一定种类和一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电学性质，并使掺

入的杂质数量、分布形式和深度等都满足要求。

对任何扩散系统的基本要求是，提供使扩散杂质与适当制备的晶片接触的手段，

并能把此过程在特定的温度下保持特定的一段时间。在这些总的要求下，还希望有以下

特点：

1-,能在直至杂质固溶度的大范围内对表面浓度进行控制。

2、扩散过程不能使晶片表面产生损伤。这是一个极端重要的要求，因为整个集成

电路是在表面下几个微米的层中制作的。

3、扩散后，滞留在晶片表面的物质，如果需要消除的话，应易于除去。

4、各扩散流程之间以及一个流程内各晶片之间。系统都应给出可重复的结果。

5、系统应能一次处理大量晶片。

1扩散方程的通解:

1、在无限物体情况下扩散方程的通解（杂质浓度）:

N(x,f)=

2、半无限物体扩散方程的解（杂质浓度）：

4+和’

5=加R［乂(—g,O)es+N«,O)e

2扩散方程解的特例（恒源扩散与限定源的扩散）

恒源扩散：分布函数N（x"）=Nse4。,其中Ns为表面浓度。

限定源的扩散：浓度分布函数N（x,t）二风crfcT

其中erfc_"=l-erf+为余误差函数

24DI2>lDf

二实验目的

1.理解固体掺杂工艺和固相扩散机制。

2.学会使用退火炉实现扩散实验，探针台测量扩散层的电阻，并计算出扩散层的表面

杂质浓度。

三实验原理

用由SiOz粘结剂粘合的氮化硼可减小这个问题而且减少形成硼皮的可能性。另一个

方法是用由和BaO、CaO.MgO或AI2O3这一类材料组成的混合物做圆片。一般见氮

化硼圆片做为硼扩散的固相源。这些圆片和硅片的直径相同（或稍大些），一般来说，

必须在750〜1100℃对圆片进行大约30分钟的预氧化以便在表面上形成一层薄的BA

表皮，以此做扩散源。把这些圆片和硅片放在支架上进行扩散。彼此间隔要均匀，使每

一个圆片都要放在两硅片工作面之间。虽然不需要任何载气，可是一般通以流量为1L

/min左右的干燥氮气，以防止大气中的玷污物反向扩散到扩散管中。由于在这个过程

中，晶片之间几乎没有什么气流，因此各批之间扩散的重复性好，而且在晶片的直径

方向上很均匀。

圆片和硅表面之间的距离一般大约为2~3n叫为了保持各批之间的重复性，此距

离应保持不变。另外，如果要保证一致性的结果，还必须根据圆片使用的次数，按时进

行预氧化。

这种固相源的应用受到很多限制。首先，硅片上的BQ，未用Si。2稀释，因此用这种

源时经常产生硼皮。一种防止办法是在载气中加入少量的氧，这使得圆片的径向氧化的

不均匀，因为氧化速率是由圆片间的气流决定的。第二个问题是氮化硼圆片粘到二氧化

硅支架上。硼在1150c的扩散系数大约为10%m2/s。硼的固溶度高。扩散时可达到电

3

活性表面浓度为4义10"原子/cmo因此它适用于各种扩散工艺。

硼在硅中的四面体半径是0.88A,对应的失配因子二0.254。因此，硅品格中存在大

量的硼伴生应力感生缺陷，造成严重的晶格损伤。这决定了实际结构中所能达到的杂质

浓度上限大约为5X1()19原子/cm3,其余的是非电活性的。

元素态硼在温度上升甚至超过硅的熔点时，都是不活泼的。田此，扩散是借助于三

氧化二硼(BO)和硅之间的表面反应进行的，即

2BA+3Sii=MB+3SiO2

过量的风。,会在硅片的表面形成硅化物和硼的其它一些化合物。

四实验仪器

1、单管程控氧化炉

整机由以下几个部分构成：净化工作台、扩散炉机箱、加热炉体、气源柜、排

毒箱等。

帕丁寿支祭上的片子

中—^一名)]皿IIL一接推风口

II]石英夕陂管/

的0。和♦,计

1I

图3固相源扩散系统

2、四探针电阻率仪

五实验内容及步骤

1、用手工或机械把片子从管子的一端装入(拉杆速度一般为lOcm/min,另一

端用于气体或以气相形式存在的杂质流入。

2、通入惰性性载气中把含有杂质的化合物(一般是它的氧化物〉输送到片子的

表面。

3、在扩散温度下（扩散炉的温度范围一般为600〜1200C）,化合物和半导体

之间发生可逆反应，达到杂质原子的平衡浓度，由此浓度进行扩散。

4、扩散工作完成后，应分析测试扩散结果是否符合要求，主要是测量扩散层的

薄层电阻（或表面电阻）R.和结深Xj,并进而推出扩散层的表面杂质浓度。

5、测量扩散层的薄层电阻:

X

对于有限大（例如aXd=6毫米2）,但扩散层依然很薄（£＜（）.5）的单面扩散。

R=-C（-.-）

5IdS

C为边界修正因子，是的函数，其值如表1

dS

单面扩散校正系数C

表1

d/sazd=la/d=2a/d=3a/d>4

1.00.99880.9994

1.251.24671.2248

1.51.47881.48931.4893