毛朝斌，佘鵬程，范江華，羅超，陳特超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

磁控濺射技術(shù)(MS)作為一種十分有效的薄膜沉積方法，被普遍和成功地應(yīng)用于許多方面，特別是在混合集成電路、光學(xué)薄膜和材料表面處理領(lǐng)域中，用于薄膜沉積和表面覆蓋層制備[1]。與熱蒸發(fā)和電弧鍍相比較，MS技術(shù)沉積薄膜過程穩(wěn)定，控制方便，可以根據(jù)不同的需要來(lái)設(shè)計(jì)靶材，容易獲得較大范圍的薄膜均勻性。同時(shí)，MS成膜離子的能量一般高于熱蒸發(fā)，低于電弧鍍，因此，容易獲得附著力好、致密度高、內(nèi)應(yīng)力小的薄膜[2]。

目前國(guó)產(chǎn)磁控濺射鍍膜設(shè)備普遍存在自動(dòng)化程度不高、一個(gè)腔室有多個(gè)磁控靶造成靶之間污染等問題[2]。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所成功研制出全自動(dòng)磁控濺射鍍膜設(shè)備。這種磁控濺射鍍膜設(shè)備為單靶單腔，很好地解決了靶間污染問題，同時(shí)采用高真空機(jī)械手進(jìn)行傳送片，減少了工藝腔室真空破壞，大大提高工作效率。

1 磁控濺射鍍膜原理

濺射鍍膜是以鍍膜材料為陰極，基片為陽(yáng)極，利用磁場(chǎng)與電場(chǎng)交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運(yùn)行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率，有效地提高氣體的離化率以增加濺射率的方法。電子在飛向基片的過程中與惰性氣體（一般為Ar）原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生正離子，經(jīng)過電場(chǎng)加速作用具有高能量的正離子撞擊靶材表面，導(dǎo)致靶材表面的原子吸收正離子的動(dòng)能而脫離原晶格束縛，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片并在基片上沉積形成薄膜，更換不同材質(zhì)的靶和控制不同的濺射時(shí)間，便可以獲得不同材質(zhì)和不同厚度的薄膜[3]。

磁控濺射鍍膜的基本原理如圖1所示。

圖1 磁控濺射原理圖

2 全自動(dòng)磁控濺射鍍膜設(shè)備

2.1 整體概述

本設(shè)備主要功能是對(duì)薄膜混合集成電路進(jìn)行物理氣相鍍膜，是一臺(tái)磁控濺射鍍膜的全自動(dòng)設(shè)備。設(shè)計(jì)時(shí)考慮單靶單腔室防止靶中毒和提高生產(chǎn)效率的要求，采用群集的方式，如圖2所示。此磁控濺射鍍膜設(shè)備主要由上料室、獨(dú)立濺射鍍膜室、真空機(jī)械手腔室、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

圖2 全自動(dòng)磁控濺射鍍膜設(shè)備

本設(shè)備提供3個(gè)獨(dú)立濺射鍍膜室，分別可以獨(dú)立濺射金屬或氧化物。每個(gè)腔室進(jìn)行獨(dú)立濺射鍍膜工藝，可以濺射鍍膜200 mm基片。本設(shè)備提供1個(gè)上料室，可以放一個(gè)25片裝的標(biāo)準(zhǔn)片盒，上料室留有晶圓隔離技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口（SMIF）。本設(shè)備還提供了一個(gè)真空機(jī)械手腔室，在真空環(huán)境下，基片可以通過真空機(jī)械手在各腔室間進(jìn)行傳送，真空機(jī)械手腔室為正五邊形，每邊都有真空腔室接口，因此最多可以擴(kuò)充到4個(gè)獨(dú)立濺射鍍膜室。

2.2 濺射鍍膜腔室

濺射鍍膜腔室如圖3所示，為全不銹鋼方形結(jié)構(gòu)，上方裝有1套磁控靶，下方是1套可調(diào)速的工件臺(tái)，工件轉(zhuǎn)架用于安裝待鍍基片，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靶材粒子入射角，調(diào)節(jié)最佳的膜層均勻性及附著力,一般設(shè)定為5～30 r/min。工件臺(tái)上方裝有擋板，擋屏由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)，預(yù)濺射時(shí)，遮擋在陰極靶前，防止基片被污染。工件臺(tái)下方裝有加熱系統(tǒng)，采用紅外加熱方式，加熱功率1 kW，最高溫度400℃。

腔室有三路工藝氣體：Ar，N2，O2，采用進(jìn)口質(zhì)量流量控制器對(duì)工藝氣體進(jìn)行精確控制，以滿足工藝要求。

濺射鍍膜腔室中真空泵、濺射靶等部分在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，采用水冷的方式對(duì)各個(gè)發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入真空后，進(jìn)氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)充氣，使真空室的氣壓達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。為保證工藝的穩(wěn)定性，要求真空室真空度恒定、送氣量平穩(wěn)。

圖3 工藝腔室

2.3 真空機(jī)械手腔室

真空機(jī)械手腔室（如圖4所示）主要用于在真空環(huán)境下，將基片在濺射鍍膜腔室與上料室之間傳遞，提高濺射鍍膜工藝的自動(dòng)化程度，縮短了搬運(yùn)的時(shí)間，減少人工干預(yù)，且要避免晶圓在搬運(yùn)過程中受損傷，以提高晶圓的生產(chǎn)效率和成品率，并有利于提高整臺(tái)設(shè)備的密封性，保證了工藝環(huán)境的潔凈度。

圖4 移載機(jī)械手

真空機(jī)械手腔室采用全鋁合金正五邊形結(jié)構(gòu)，腔室下方裝有真空機(jī)械手，機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)360°自由旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手手臂由三節(jié)伸縮臂組成，可以將基片傳送到各腔室?；诟髑皇议g的傳送，移動(dòng)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，定位精確度優(yōu)于±0.5 mm。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用以PLC+工控機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖5所示。PLC與工控機(jī)通過交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。每個(gè)腔室有一臺(tái)PLC獨(dú)立控制，通過交換機(jī)與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣方便濺射鍍膜腔室的增減，而不影響整個(gè)控制系統(tǒng)。圖5是設(shè)備硬件系統(tǒng)示意圖，工控機(jī)監(jiān)控濺射鍍膜腔室PLC和主控PLC。主控PLC將整機(jī)狀態(tài)發(fā)送到工控機(jī)，同時(shí)接受濺射鍍膜腔室PLC狀態(tài)信息，控制機(jī)械手傳送流程，進(jìn)行安全互鎖、報(bào)警等。濺射腔室PLC控制真空系統(tǒng)、工件臺(tái)、工藝氣體流量、濺射靶電源等。

圖5 控制系統(tǒng)圖

3 工藝實(shí)驗(yàn)及分析

全自動(dòng)磁控濺射鍍膜設(shè)備的工藝質(zhì)量和碎片率是能否應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。本設(shè)備在實(shí)驗(yàn)線上通過對(duì)工藝探索，滿足工藝要求。在連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行近4個(gè)月后，碎片率保持在千分之一以下。

3.1 膜厚均勻性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

靶材：Cu；基片：φ200 mm硅片；功率：100 W/50 W；壓強(qiáng)：0.5 Pa；靶-基距：100 mm，所測(cè)試樣品全部合格。表1為檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果

通過陶瓷基片上濺射鍍膜鈦鎢合金和純金電極，對(duì)濺射后的樣品進(jìn)行25 μm金絲鍵合強(qiáng)度檢測(cè)，所測(cè)試樣品全部合格，表2為檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 成膜均勻性測(cè)試試驗(yàn)

表2 鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

全自動(dòng)磁控濺射鍍膜設(shè)備在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用方向，進(jìn)行了適合本設(shè)備的工藝研究，并指導(dǎo)工藝試驗(yàn)，取得了階段性的勝利。目前設(shè)備控制系統(tǒng)已定型，經(jīng)長(zhǎng)期試用，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，能夠滿足工藝要求。

[1]姜偉，劉杰.混合集成電路濺射鍍膜技術(shù)[J].混合微電子技術(shù)，2017，19(1)：58-63.

[2]劉瑞鵬，李劉合.磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展[J].真空，2009，(2)：19-25.

[3]Gudmundsson J T.Ionized physical vapor deposition(IPVD)：Magnetron sputtering discharges[J].Journal of-Physics，2008，(100)：082002.