吳 海，張文朋，王露寒，程壹濤

( 中國電子科技集團公司第十三研究所， 河北 石家莊 050051)

磁控濺射是半導體芯片研制、生產(chǎn)中的一道重要工藝。磁控濺射是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。濺射法常用來制備金屬、半導體、絕緣體等多種材料的薄膜[1]，由于該方法具有易控制、鍍膜面積大和膜附著力強等特點，被廣泛應用于半導體芯片制造領域。

1 直流磁控濺射原理

直流磁控濺射是在陰極靶材背板上安裝強力磁場裝置，真空反應腔室內(nèi)通入1～10 Pa 壓力的惰性氣體氬氣，作為氣體放電的載體。直流磁控濺射是在陰極靶材上面持續(xù)加直流電壓，靶材接DC電源的負高壓，基片接地，在直流高壓作用下Ar氣分子電離成為Ar+和電子，產(chǎn)生輝光放電[2]，電子在加速飛向基片的過程中，受垂直于電場的磁場作用，使電子運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，被束縛在靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，電子以擺線方式沿著靶材表面運動，在運動過程中，不斷地撞擊Ar 氣分子，產(chǎn)生大量的Ar+和電子，二次碰撞出的電子繼續(xù)與Ar 氣分子撞擊電離出Ar+和電子，因此在陰極靶材附近區(qū)域內(nèi)的等離子體密度很高。電子每經(jīng)過一次碰撞后其所攜帶的能量都會削弱，最終沉積在基片或真空反應腔室內(nèi)，Ar+在陰極靶負電壓的吸引下快速飛向靶材并與表面靶原子發(fā)生碰撞[1]，將其本身攜帶的動能傳遞給靶原子，當靶原子獲得足夠的動能后脫離金屬原子之間的吸引力束縛，碰撞出的中性原子落在基片表面形成金屬薄膜，如圖1 所示。

圖1 直流磁控濺射系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)參數(shù)

影響磁控濺射工藝的參數(shù)較多。有些工藝參數(shù)可以在程序運行過程中實時修改和控制；還有一些參數(shù)無法實時修改和控制，是設備自身設計時就已經(jīng)固定好的，只能通過更換硬件才能改變其參數(shù)。陰極靶結(jié)構(gòu)和磁場是2 個重要的固定參數(shù)，它們只能通過更換硬件裝置來改變。

2.1 陰極靶結(jié)構(gòu)

每個靶都具有其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原子排列順序。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，外觀看似相同的兩塊靶材濺射速率可能有很大差別。靶材本身由于在材料的硬度、雜質(zhì)含量、應力大小等參數(shù)不同以及金屬原子排列機構(gòu)不同等都會影響濺射速率。同時也會影響到靶材刻蝕區(qū)的形狀及靶材利用率。改變這種影響只能通過更換新型靶材解決。常用靶材形狀有圓形靶和矩形平面靶2 種，起輝時等離子體刻蝕作用使得靶材局部損耗較快，圓形靶會形成一個圓形凹陷區(qū)域，矩形平面靶表面會形成跑道形狀的凹陷區(qū)域，同樣Ar+轟擊到凹陷區(qū)域有效沉積到基片上的靶材原子數(shù)減少，沉積速率降低，這種損耗帶來的沉積速率降低可以通過提高直流加載功率補償。

2.2 磁場

盡可能保證磁場在整個靶面上一致，磁場強度合適。靶面上磁場不均勻，導致電子分布不均勻，碰撞出的Ar+分布也不均勻，進而導致濺射出的靶材粒子分布不均勻，沉積到基片上的膜層也就不均勻。磁場強度不合適也會導致濺射速率降低。磁場強度過低，只能在靶材表面很小的區(qū)域內(nèi)束縛住電子運動，電子與Ar 氣分子碰撞幾率過小，盡管在靶材表面磁場強度一致也會導致濺射速率較低；另外磁靶背板和靶材之間固定的螺釘容易被Ar+轟擊出非靶材金屬原子沉積到基片上而污染膜層。

3 工藝參數(shù)

半導體芯片生產(chǎn)主要使用直流磁控濺射，濺射工藝過程中可通過改變功率、壓強、速度進行動態(tài)控制。

3.1 功率

大多數(shù)直流磁控濺射工藝使用單一靶材濺射，各陰極靶共用同一個直流電源，通過繼電器切換控制給各靶材上加載功率。根據(jù)靶材結(jié)構(gòu)設計不同，加載功率控制在0～10 kW，由于直流電源是恒流源，因此設備軟件若設定功率為恒定值時，通過調(diào)節(jié)電壓變化來保證加載到靶材上的功率恒定不變；若設定電壓為恒定值時，通過調(diào)節(jié)功率變化來保證加載到靶材上的電壓恒定不變。靶材上施加的功率越高，沉積速率就越快。

3.2 工作壓力

濺射時真空腔室內(nèi)持續(xù)通入Ar，真空腔室內(nèi)的壓力越大表明腔室內(nèi)的工藝氣體濃度越大，其他參數(shù)條件不變的情況下，壓強越大離化率越大，沉積速率也越大，當壓強大到某一數(shù)值時，沉積速率最大，繼續(xù)增大壓強，沉積速率會下降。氣體分子平均自由程與壓強關(guān)系為：

式(1)中，λ 為氣體分子自由程，KB為常數(shù)，T為溫度，d 為氣體分子直徑，P 為氣體壓強，因壓強=工作壓力/ 腔體橫截面積，腔體橫截面積一定，工作壓力與壓強成正比，由此可知，在保持氣體分子直徑和溫度不變的情況下，增大工作壓力即增大壓強，氣體分子自由程減小，濺射原子與氣體分子相互碰撞次數(shù)增加，二次電子數(shù)量增加，二次電子飛向基片過程中與Ar 氣分子碰撞出更多的Ar+，在陰極靶負電壓作用下，碰撞出更多的中性靶原子，沉積速率增大；當壓強增大到λ 值很小時，氣體分子自由運動的距離很短時，濺射原子與氣體分子之間碰撞幾率大大減小，碰撞出二次電子數(shù)量減小，二次電子與Ar 氣分子碰撞出的Ar+也減少，相應的沉積速率也大大降低，所以真空腔室的壓強不是越大越好，而是根據(jù)各個參數(shù)影響和工藝要求摸索出最佳參數(shù)配置。

4 影響沉積速率因素

4.1 Ar+轟擊靶材的能量和入射角度

當入射Ar+能量超過閾值（-10 eV）以后才會發(fā)生濺射。濺射率在10 eV～1 keV 范圍內(nèi)隨粒子能量的增加而提高。但是，入射Ar+獲得能量過大會導致其轟擊靶材時直接注入到靶材內(nèi)部，從而降低濺射率，降低沉積速率。

Ar+傾斜一定角度入射有利于靶材表面原子或分子脫離靶材而沉積到基片表面，入射角度過大會導致入射Ar+轟擊靶材的能量削弱或者轟擊出的靶材原子偏離基片而飛向腔室側(cè)壁；垂直靶材表面入射會使靶材表面被轟擊的原子難以脫離，離子能量足夠大時離子直接注入到靶材內(nèi)部，降低濺射率，降低沉積速率。

4.2 靶材溫度

靶材原子間吸引力大小受靶材溫度影響。靶材溫度低，原子間吸引力大，原子間化學鍵牢固，Ar+轟擊靶材時需要提供足夠大的能量才能破壞原子間吸引力，激發(fā)出靶材中性原子；靶材溫度升高，原子間吸引力減小，原子間化學鍵能變小，當Ar+攜帶較小的能量就能激發(fā)靶材表面中性原子脫離靶材發(fā)生濺射，因此，提高靶材溫度，能夠提高濺射率，從而提高沉積速率。

4.3 反應腔體工作氣壓

在一定工作氣壓范圍內(nèi)，氣壓越大，反應腔體內(nèi)工藝氣體濃度越大，電離產(chǎn)生的帶正電離子越多，沉積率越高[3，4]；當工作氣壓超過這個范圍后，雖然工藝氣體濃度變大，但是濺射出的靶材中性原子與Ar 氣分子發(fā)生碰撞次數(shù)增多，靶材原子攜帶的能量不斷減少，不足以到達基片或被與分子發(fā)生碰撞方向偏離基片，這些情況導致沉積到基片的靶原子大量減少，這個影響超過了氣體濃度增加帶來的電離影響[5]。因此，在調(diào)試工藝參數(shù)時，需反復試驗測試，找出最佳工作氣壓值，以獲得較高的沉積速率。

利用某型號直流磁控濺射系統(tǒng)進行工藝實驗，通過矩形平面金靶工藝實驗可知，增大反應腔體工作壓力值，沉積速率先增大再減小，實驗數(shù)據(jù)如表1 所示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得直流磁控濺射矩形靶沉積速率與工作壓力關(guān)系曲線，如圖2 所示。

表1 直流磁控濺射矩形靶沉積速率與工作壓力實驗數(shù)據(jù)

圖2 直流磁控濺射矩形靶沉積速率與工作壓力關(guān)系曲線

通過對實驗結(jié)果分析可知：其它參數(shù)不變，增加工作壓力時，基片上薄膜沉積速率先變大再變小，在一組參數(shù)下存在1 個最大沉積速率對應的工作壓力值。

4.4 靶材-基片間距（靶基距）

為了提高沉積速率和膜層附著力，在保證不破壞輝光放電的前提下，基片應當盡可能放置在離陰極靶最近的地方[6]。隨著靶材與基片之間距離的增大，濺射出的原子與電子及Ar 氣分子之間碰撞幾率增加，濺射出的原子在向基片運動過程中能量降低，沉積到基片的速率降低，膜層附著力減小，由于上述原因，盡可能減小靶基距。

同樣利用直流磁控濺射系統(tǒng)進行工藝實驗，通過矩形平面金靶工藝實驗可知，增大靶基距，沉積速率先增大再減小，實驗數(shù)據(jù)如表2 所示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得直流磁控濺射矩形靶沉積速率與靶基距關(guān)系曲線，如圖3 所示。

表2 直流磁控濺射矩形靶沉積速率與靶基距實驗數(shù)據(jù)

圖3 直流磁控濺射矩形靶沉積速率與靶基距關(guān)系曲線

由實驗數(shù)據(jù)可知，其它實驗條件相同時，當靶基距過小時出現(xiàn)膜厚偏薄，速率較低；靶基距過大時，膜厚減小，速率也降低，由圖3 可知，靶基距在48～58 mm 范圍內(nèi)，靶基距增大，膜厚減小，沉積速率降低。因此，靶基距在一定范圍內(nèi)，隨著靶基距的增大沉積速率也會降低。

5 影響沉積均勻性因素

5.1 氣壓

要盡量保證氣壓上下區(qū)域的均勻性，真空腔體設計時，要考慮真空泵抽氣管道口的安裝位置和工藝氣體進氣方式以及腔體內(nèi)工藝氣管的布局，這些布局影響反應腔內(nèi)反應氣體的氣流分布情況。氣流分布均勻與否影響到電離后等離子分布均勻情況，從而影響到靶材原子濺射出來的均勻情況，最終影響沉積成膜的均勻性。

5.2 磁場

要盡量保證磁場的均勻性和方向一致性，形成一個相對均勻的空間磁場。實際的磁控濺射裝置中的電場和磁場不是處處均勻的，也不是處處正交的，所以磁場的不均勻?qū)﹄x子的影響和對成膜均勻性的影響難以準確計算[7]，不過可以通過氣壓的不均勻來補償磁場的不均勻，最終實現(xiàn)薄膜均勻性一致。

5.3 靶基距

靶基距也是影響均勻性的重要因素。在一定范圍內(nèi)，增加靶基距可以提高沉積薄膜的均勻性[8，9]，這是因為靶基距小時，靶材上某一點濺射出的原子對應沉積在基片的某一點上，出現(xiàn)局部堆疊效應導致基片沉積薄膜均勻性差，增加靶基距，靶材上某一點濺射出的原子對應沉積在基片的一小塊區(qū)域內(nèi)，避免出現(xiàn)局部堆疊效應帶來的均勻性影響，因此，增加靶基距可以提高薄膜沉積均勻性，但這僅是小范圍的均勻性提升[10]。

6 濺射常見故障及解決辦法

6.1 不起輝

進氣正常的情況下，有6 種可能：

（1）濺射氣壓不合適

氣壓過低，真空腔室內(nèi)氣體濃度過低，難以電離出離子形成等離子體；氣壓過高，真空腔室內(nèi)氣體濃度過高，直流電源提供的電離能量不足以發(fā)生氣體電離起輝。通過調(diào)大或調(diào)小氣體流量來調(diào)節(jié)氣壓大小，找出容易起輝的氣壓值。

（2）DC 電源無輸出

DC 電源本身出現(xiàn)故障導致無電壓輸出。更換DC 電源解決問題。

DC 電源輸出互鎖條件不滿足導致無輸出。需檢查電源的互鎖條件，如冷卻條件、射頻線連接保護開關(guān)、控制輸出信號等。

（3）陰極靶短路

陰極靶與陽極（設備外殼）或陰極靶連線與陽極（設備外殼）短路，陰陽兩極之間無電壓差，無法進行高壓放電電離氣體。斷開DC 電源與靶材的連接線，用搖表測試陰極靶和陽極之間是否短路，檢查連線與陽極之間是否短路。更換靶材時易出現(xiàn)此故障。

（4）陰極靶濺射表面沾污

起弧放電嚴重導致電源滅弧太頻繁無法穩(wěn)定起輝。這種情況可以先加幾十瓦的小功率進行燒靶去除靶材表面雜質(zhì)[11]，露出靶材本體表面，再正常起輝就沒問題了。

（5）磁場強度太小

磁場強度太小，無法控制粒子流導致不起輝。隨著磁靶背板上的磁鋼使用時間太久磁場強度會衰減，尤其是水冷溫度不好的情況會加快磁鋼磁場強度衰減，磁場強度衰減導致電子運動束縛區(qū)域變小，發(fā)生碰撞幾率變小，進而導致Ar 氣分子離化率降低、濺射率降低、沉積速率降低。另外磁鋼多是浸泡在循環(huán)水中冷卻，循環(huán)水水質(zhì)較差，長期使用會出現(xiàn)水垢粘接或銹蝕，這也會影響磁場強度甚至影響磁場分布不均。通過對磁靶背板上的磁鋼清潔處理或進行充磁或更換新磁鋼解決問題。

（6）真空示數(shù)顯示正常卻不起輝

真空規(guī)在使用過程中，內(nèi)部會有金屬沉積在其測試腔內(nèi)，尤其使用電容式薄膜規(guī)影響較大，金屬表面薄膜沉積較多后影響其形變量值，進而導致真空檢測數(shù)值偏大，同樣設定值情況下，實際真空較差，導致在原有條件下需要更大的電離能量才能起輝，所以適用原有條件難以起輝。更換真空規(guī)或調(diào)整設定值解決故障。

6.2 陽極消失

陰極靶材表面生成絕緣的氧化物出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象時，與地相連的真空反應腔室內(nèi)壁（陽極）也會沉積上氧化物絕緣膜，當電子到達腔室內(nèi)壁時無法進入陽極，電子堆積形成電子鞘層，拉低陰陽極之間的電位差，出現(xiàn)陽極消失的現(xiàn)象。由于電子鞘層堆積，使陰陽極之間的負電壓降低，Ar+轟擊靶材時獲得能量減小，濺射出的原子能量也減小，從而導致濺射速率降低或無法進行濺射。清除真空腔室內(nèi)壁附著的絕緣膜層，露出金屬表面即可解決問題。通常采用加載射頻功率去除靶表面氧化物。

6.3 打弧

陰極靶材表面生成絕緣的氧化物膜層，難以濺射出靶材原子，引起靶材濺射速速率下降。當出現(xiàn)靶“中毒”時，由于靶材表面覆蓋的絕緣膜層阻擋Ar+進入到陰極靶表面，堆積在靶面絕緣膜層上，從而使得靶面絕緣膜層一面帶正電，一面帶負電，容易出現(xiàn)打弧現(xiàn)象[12]，導致濺射異常。

7 維護

為保證設備能夠長期的正常運轉(zhuǎn)，除了要求操作人員能夠熟練操作設備外，使用過程中還需要對設備采取一些必要的維護措施：

（1）定期噴砂處理真空腔室內(nèi)襯板；

（2）定期檢查靶材循環(huán)冷卻水，確保靶材在工作時的溫度；

（3）定期檢查直流電源、靶材連接狀態(tài)；

（4）定期做真空腔室真空漏率測試和真空規(guī)校準，以保證較好的真空度；

（5）定期保養(yǎng)前級真空泵或泵組，以保證良好的真空度和抽速；

（6）定期保養(yǎng)低溫泵或分子泵，以保證良好的設備本底真空度和抽氣速率。