Sputter原理和流程課件

Sputter原理和流程PVD製程知識Sputter原理和流程Sputter原理NSNGasinpumping+--+-+-+-+-+-+-++-++-Sputter原理NSNGasinpumping+--+-電子螺旋運動電子螺旋運動電子平均自由徑比較電子平均自由徑比較MagnetronDCSputtering濺擊產(chǎn)額Ar+數(shù)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MagnetronDCSputtering濺ParameterSubstrateTemperatureChamberPressureGasFlowRateDCPowerMagnetScanSpeed/Field即溫度、壓力、氣體氣流之速率、DC功率密度、磁鐵掃描及範(fàn)圍。ParameterSubstrateTemperaturSputteringprinciple定義：濺鍍，即利用電漿所產(chǎn)生的離子，藉著離子對被濺鍍物體電極的轟擊，使電漿的氣相內(nèi)具有被鍍物的粒子來產(chǎn)生沉積薄膜的一種技術(shù)。原理：利用DCPower將通入的ProcessGas解離成電漿，藉著離子對靶的轟擊將靶材物質(zhì)濺射飛散出來，而附著於目標(biāo)基板形成膜。Sputteringprinciple定義：原CrystalGrowthMechanismNucleationGrainGrowthCoalescenceFillingofChannelsFilmGrowthCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismPVDFlow機械流程動作流程PVDFlowL/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CA33機械流程L/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CASputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)-760torr至10-3

torr2、抽真空(細(xì)抽)-10-3

torr至10-8

torr3、到達(dá)底壓約10-7

torr後通Ar氣,使壓力控

制在約數(shù)mtorr4、加入電場(target為負(fù)極),點燃plasma,

開始鍍膜5、膜厚度達(dá)到之後,停止電場6、基板從SChamber傳到TChamber7、基板送入LChamber,破真空取出SputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)Hillock（Al）原因：wfilm的膨脹系數(shù)小于底材時,從高溫降至室溫,film受到擠壓應(yīng)力,若此應(yīng)力過大時,Al原子沿晶界向膜上移動,形成小的突起wAl成膜的晶粒方向不一致,在後續(xù)高溫制程時,（110）晶粒在兩（111）晶粒間形成hillock,形成的原因為（110）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同HillockHillock（Al）原因：Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號線相會處短路解決方案：w用AlNdtarget代替Altargetw在Al上面再鍍一層覆蓋金屬來抑制Alhillock的產(chǎn)生w減小grainsize可降低hillock凸出的大小Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號線相會處短Splash原因：當(dāng)target局部（如void、oxide處）散熱不均,過熱地方在高溫下融化,在Ar離子轟擊下滴落在基板上,形成Dometype的splash在targetedge有強烈的arcing現(xiàn)象,使邊緣的金屬融化濺落在基板上,形成wingtype的splashSubstrateArOxideorVoidHeatedareaWingtypeDometypeTargetMeltedparticalSplash原因：SubstrateArOxideorSplash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號線短路

解決方案：用Shieldplate裝置保護Target邊緣不被Arcing改變Target的形狀可以減少Arcing預(yù)防Arcing對策->

提高Target的純度,使其低氧化低雜質(zhì)（Inclusion）

提高Target密度（Void）

提高Target表面平整度（SurfaceFinish）

減小target晶粒的大小,提高均一性（GainSize）Splash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號線短路Nodule（ITO）原因:

w

ITO靶材是由氧化銦及氧化錫熱燒結(jié)而成,若混合不均及壓結(jié)密度不足

就易在濺鍍時產(chǎn)生節(jié)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）原因:Nodule（ITO）

後果：w

引起ITOflake產(chǎn)生,掉落於基板為Particle,影響鍍膜品質(zhì),導(dǎo)致ITO層的阻抗惡化并且減少ITO層的透光率

解決方案：用超高密度的ITO靶材（>95%）可獲得改善w

將target表面處理平滑及乾淨(jìng)Nodule（ITO）後果：Void原因：wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時,從高溫降至室溫時,film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過大時,Al原子沿晶界向膜下移動,形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Al在高溫制程時,成膜的晶粒方向不一樣,（111）晶粒在兩（110）晶粒間形成Void,因為（110）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同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VoidITO成膜速度太快使得薄膜呈柱狀結(jié)構(gòu)造成有很多孔洞（Void）產(chǎn)生而影響膜質(zhì)Void原因：Void後果：增加膜的阻抗解決方案：減小grainsize提高靶材密度金屬連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Void後果：增加膜的阻抗Spike(Al)原因：Si在400℃左右對Al有一定的固態(tài)溶解度,因此沉積於Si上

的Al在經(jīng)歷約400℃以上的步驟時,Si將借擴散效應(yīng)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)原因：N+AlSi場氧化膜Spike(Al)後果：如果尖峰長度太長,穿透了膜層,會導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)象的產(chǎn)生Spike(Al)後果：如果尖峰長度太長,穿透了膜層,會導(dǎo)致Electromigration（Al）原因：w當(dāng)薄膜中的原子（Al）在極高的電場下,譬如較高的傳導(dǎo)電流,金屬原子會沿著材質(zhì)本身的晶粒邊界,往電子流動的方向流,使的導(dǎo)線部分的原子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少,導(dǎo)線的截面縮小,終而導(dǎo)致整個導(dǎo)線的斷路

晶粒邊界鋁線Electromigration（Al）原因：晶粒鋁線Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,影響元件可靠性很大,導(dǎo)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(fā)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

Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,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(jīng)歷許多不同的環(huán)境,使得每一層的film所承受的機械應(yīng)力發(fā)生變化,當(dāng)film累積過多的應(yīng)力可能產(chǎn)生永久的機械性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時,從高溫降至室溫時,film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過大時,Al原子沿晶界向膜下移動,形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Peeling/Crack原因：Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失效解決方案：w在製程過程中控制好參數(shù)，使薄膜應(yīng)力控制在合適的範(fàn)圍之內(nèi)w在一些膜層鍍好後可借助AnnealOven回火來調(diào)整薄膜應(yīng)力Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失FillingBad原因：PVDsputter最大的缺點是無法提供一個階梯覆蓋性良好的film,因爲(wèi)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,使得大多數(shù)的濺鍍金屬沉積在晶片的表面,終而導(dǎo)致填塞不良的現(xiàn)象FillingBad原因：FillingBad後果：使薄膜沉積形狀不理想，且容易產(chǎn)生Void解決方案：w可以利用準(zhǔn)直管將大角度濺鍍現(xiàn)象濾除，使到達(dá)基板表面的靶原子都是較小的行徑角度FillingBad後果：使薄膜沉積形狀不理想，且容易產(chǎn)生Inclusion在濺鍍的過程中,ITO膜形成時,電漿中的負(fù)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(jié)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(zhì)時,這些不純物隨著製程進行而沉積在薄膜中形成雜質(zhì)濺鍍過程中靶材並非全部沉積於基板,也會鍍在Chamber內(nèi),這些附著膜脫落也會形成雜質(zhì)Chamber中用來密封的O-ring之碎屑也可能成爲(wèi)製程中的異物Inclusion在濺鍍的過程中,ITO膜形成時,電漿中的負(fù)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(dāng)降低濺鍍電壓（電壓絕對值）來降低負(fù)離子射入能量而降低膜質(zhì)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(wěn)定後再換真正的SubstrateInclusion後果：可影響吸附原子的擴散運動及晶粒的成長其它由外來雜質(zhì)引起的及材料本身具有的各種缺陷(a)(c)(b)其它由外來雜質(zhì)引起的及材料本身具有的各種缺陷(a)(c)(b其它由應(yīng)力造成的變形（彎曲等）(a)(c)(b)T=沉積高溫T=室溫T=室溫薄膜底材其它由應(yīng)力造成的變形（彎曲等）(a)(c)(b)T=沉積高溫其它後果：解決方案：在薄膜沉積完成後借助適當(dāng)回火調(diào)整應(yīng)力,使薄膜再結(jié)晶在薄膜沉積時借助適當(dāng)?shù)摹半x子轟擊”來控制薄膜應(yīng)力其它後果：ThankyouallThankyouallCryoCryoCryoTransferchamberLoadLockLoadLockPVDChamberPVDChamberTestLeakCryoSlitvalveOpenpermanentlyPVDToolXPR3CryoCryoCryoTransferLoadLockPVDToolCryoCryoCryoTestLeakCryoXPR3TransferchamberLoadLockLoadLockPVDChamberPVDChamberPVDToolCryoCryoCryoTestLeakC演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！Sputter原理和流程PVD製程知識Sputter原理和流程Sputter原理NSNGasinpumping+--+-+-+-+-+-+-++-++-Sputter原理NSNGasinpumping+--+-電子螺旋運動電子螺旋運動電子平均自由徑比較電子平均自由徑比較MagnetronDCSputtering濺擊產(chǎn)額Ar+數(shù)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MagnetronDCSputtering濺ParameterSubstrateTemperatureChamberPressureGasFlowRateDCPowerMagnetScanSpeed/Field即溫度、壓力、氣體氣流之速率、DC功率密度、磁鐵掃描及範(fàn)圍。ParameterSubstrateTemperaturSputteringprinciple定義：濺鍍，即利用電漿所產(chǎn)生的離子，藉著離子對被濺鍍物體電極的轟擊，使電漿的氣相內(nèi)具有被鍍物的粒子來產(chǎn)生沉積薄膜的一種技術(shù)。原理：利用DCPower將通入的ProcessGas解離成電漿，藉著離子對靶的轟擊將靶材物質(zhì)濺射飛散出來，而附著於目標(biāo)基板形成膜。Sputteringprinciple定義：原CrystalGrowthMechanismNucleationGrainGrowthCoalescenceFillingofChannelsFilmGrowthCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismPVDFlow機械流程動作流程PVDFlowL/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CA33機械流程L/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CAL/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CASputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)-760torr至10-3

torr2、抽真空(細(xì)抽)-10-3

torr至10-8

torr3、到達(dá)底壓約10-7

torr後通Ar氣,使壓力控

制在約數(shù)mtorr4、加入電場(target為負(fù)極),點燃plasma,

開始鍍膜5、膜厚度達(dá)到之後,停止電場6、基板從SChamber傳到TChamber7、基板送入LChamber,破真空取出SputterProcessFlow:1、抽真空(粗抽)Hillock（Al）原因：wfilm的膨脹系數(shù)小于底材時,從高溫降至室溫,film受到擠壓應(yīng)力,若此應(yīng)力過大時,Al原子沿晶界向膜上移動,形成小的突起wAl成膜的晶粒方向不一致,在後續(xù)高溫制程時,（110）晶粒在兩（111）晶粒間形成hillock,形成的原因為（110）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同HillockHillock（Al）原因：Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號線相會處短路解決方案：w用AlNdtarget代替Altargetw在Al上面再鍍一層覆蓋金屬來抑制Alhillock的產(chǎn)生w減小grainsize可降低hillock凸出的大小Hillock（Al）

後果：易造成閘極線與信號線相會處短Splash原因：當(dāng)target局部（如void、oxide處）散熱不均,過熱地方在高溫下融化,在Ar離子轟擊下滴落在基板上,形成Dometype的splash在targetedge有強烈的arcing現(xiàn)象,使邊緣的金屬融化濺落在基板上,形成wingtype的splashSubstrateArOxideorVoidHeatedareaWingtypeDometypeTargetMeltedparticalSplash原因：SubstrateArOxideorSplash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號線短路

解決方案：用Shieldplate裝置保護Target邊緣不被Arcing改變Target的形狀可以減少Arcing預(yù)防Arcing對策->

提高Target的純度,使其低氧化低雜質(zhì)（Inclusion）

提高Target密度（Void）

提高Target表面平整度（SurfaceFinish）

減小target晶粒的大小,提高均一性（GainSize）Splash後果：大塊金屬殘留導(dǎo)致閘極線與信號線短路Nodule（ITO）原因:

w

ITO靶材是由氧化銦及氧化錫熱燒結(jié)而成,若混合不均及壓結(jié)密度不足

就易在濺鍍時產(chǎn)生節(jié)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）原因:Nodule（ITO）

後果：w

引起ITOflake產(chǎn)生,掉落於基板為Particle,影響鍍膜品質(zhì),導(dǎo)致ITO層的阻抗惡化并且減少ITO層的透光率

解決方案：用超高密度的ITO靶材（>95%）可獲得改善w

將target表面處理平滑及乾淨(jìng)Nodule（ITO）後果：Void原因：wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時,從高溫降至室溫時,film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過大時,Al原子沿晶界向膜下移動,形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Al在高溫制程時,成膜的晶粒方向不一樣,（111）晶粒在兩（110）晶粒間形成Void,因為（110）晶粒和（111）晶粒的熱膨脹系數(shù)不同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VoidITO成膜速度太快使得薄膜呈柱狀結(jié)構(gòu)造成有很多孔洞（Void）產(chǎn)生而影響膜質(zhì)Void原因：Void後果：增加膜的阻抗解決方案：減小grainsize提高靶材密度金屬連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Void後果：增加膜的阻抗Spike(Al)原因：Si在400℃左右對Al有一定的固態(tài)溶解度,因此沉積於Si上

的Al在經(jīng)歷約400℃以上的步驟時,Si將借擴散效應(yīng)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)原因：N+AlSi場氧化膜Spike(Al)後果：如果尖峰長度太長,穿透了膜層,會導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)象的產(chǎn)生Spike(Al)後果：如果尖峰長度太長,穿透了膜層,會導(dǎo)致Electromigration（Al）原因：w當(dāng)薄膜中的原子（Al）在極高的電場下,譬如較高的傳導(dǎo)電流,金屬原子會沿著材質(zhì)本身的晶粒邊界,往電子流動的方向流,使的導(dǎo)線部分的原子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少,導(dǎo)線的截面縮小,終而導(dǎo)致整個導(dǎo)線的斷路

晶粒邊界鋁線Electromigration（Al）原因：晶粒鋁線Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,影響元件可靠性很大,導(dǎo)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(fā)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

Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致電路斷路,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(jīng)歷許多不同的環(huán)境,使得每一層的film所承受的機械應(yīng)力發(fā)生變化,當(dāng)film累積過多的應(yīng)力可能產(chǎn)生永久的機械性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）wfilm的膨脹系數(shù)大于底材時,從高溫降至室溫時,film受到拉伸應(yīng)力,如此應(yīng)力過大時,Al原子沿晶界向膜下移動,形成許多空隙(Void)或裂痕(Cracks)Peeling/Crack原因：Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失效解決方案：w在製程過程中控制好參數(shù)，使薄膜應(yīng)力控制在合適的範(fàn)圍之內(nèi)w在一些膜層鍍好後可借助AnnealOven回火來調(diào)整薄膜應(yīng)力Peeling/Crack後果：永久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失FillingBad原因：PVDsputter最大的缺點是無法提供一個階梯覆蓋性良好的film,因爲(wèi)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