00第4章集成電路工藝設(shè)備集成電路科學(xué)與工程導(dǎo)論（第2版）4.1集成電路工藝設(shè)備基礎(chǔ)薄膜及圖形表征設(shè)備薄膜沉積設(shè)備圖形制作設(shè)備圖形刻蝕設(shè)備AJA公司生產(chǎn)的磁控濺射系統(tǒng)ASMLTwinScanNXE:3400B型EUV光刻機

IonSys500型IBE設(shè)備

ZEISSSigma300場發(fā)射掃描電子顯微鏡

4.1.1真空基礎(chǔ)真空的發(fā)現(xiàn)1643年

托里切利

(Torricelli)著名的大氣壓實驗

為人類首次揭示了真空

這個

物理狀態(tài)

的存在！■

管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在

而形成真空（托里切利真空）■水銀柱形成的壓力與環(huán)境氣壓互相平衡，

高度為760mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力為1個大氣壓(1atm）1atm=760mmHg（Torr，托）真空的概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走，使該空間內(nèi)的氣壓<1atm，則該空間內(nèi)的氣體物理狀態(tài)就被稱為真空，所以真空不是沒有任何物質(zhì)存在。4.1.1真空基礎(chǔ)真空系統(tǒng)主要包括真空室、真空泵、真空計以及必要的管路和閥門等設(shè)備。真空泵及真空計適用的條件熱偶規(guī)薄膜規(guī)陰極規(guī)離子規(guī)真空計：真空泵：機械泵渦輪分子泵冷凝泵濺射離子泵4.1.1真空基礎(chǔ)真空技術(shù)的應(yīng)用場景物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積4.1.2薄膜技術(shù)基礎(chǔ)薄膜生長過程表面薄膜生長的三種典型模式4.1.3相關(guān)物理和化學(xué)基礎(chǔ)

水花的濺射入射離子濺射靶材原子的物理過程濺射過程濺射產(chǎn)額與入射離子能量的關(guān)系外延生長同質(zhì)外延生長異質(zhì)外延生長4.1.3相關(guān)物理和化學(xué)基礎(chǔ)4.1.3相物理和化學(xué)基礎(chǔ)Si+HNO3+6HF→H2SiF6+HNO2+H2+H2O光刻濕法刻蝕化學(xué)氣相沉積CVD光刻技術(shù)中的正膠與反膠4.2薄膜沉積設(shè)備4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（一）濺射設(shè)備-多級直流濺射四級濺射示意圖系統(tǒng)參數(shù)二極

濺射三極

濺射射頻

濺射壓力

Pa100.51電壓

V300015001000電流

mA/cm20.52.01沉積率

m/min<0.10.30.5優(yōu)勢真空度較高，工作電壓顯著降低；減少了鍍膜污染；沉積速率有一定提高；不足

大面積的均勻等離子體仍較難獲得；

薄膜沉積速率仍然有限(慢)。4.2.1物理氣相沉積設(shè)備基片溫升低、濺射速率高降低了濺射腔體內(nèi)的氣壓提升沉積分子的平均自由程，有利于高質(zhì)量薄膜的生長。（a）直流氣體放電模型；（b）輝光示意圖；（c）氣體放電過程示意圖（一）濺射設(shè)備-磁控濺射優(yōu)勢4.2.1物理氣相沉積設(shè)備

粒子運動方程

電子的回轉(zhuǎn)半徑漂移速度運動軌跡足夠長→電離程度增加。只有當(dāng)電子能量耗盡后才會脫離靶表面從而落在基片上→基片溫升低，損傷小電磁場也能夠?qū)⒌入x子體束縛在靶面附近，減小基片受轟擊的概率對二次電子的有效控制增強了電離程度→降低工作壓力，濺射速率加快腔體內(nèi)氣體原子較少→膜層的質(zhì)量也可以得到有效提升（一）濺射設(shè)備-磁控濺射基本原理4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（一）濺射設(shè)備-磁控濺射陰極（a）磁控濺射系統(tǒng)示意圖（b）電子跑道示意圖磁控濺射系統(tǒng)由真空腔體、真空泵、真空計、電源、陰極和靶材等組成；離子轟擊靶材濺射出靶材原子，靶材原子穿過等離子體在旋轉(zhuǎn)的基片上沉積從而形成薄膜磁控濺射設(shè)備靶材下方設(shè)計了一圈圓形磁鐵，此圓形即為電子跑道。在電子跑道附近由于電離程度強，靶材被轟擊的概率也大，因此被消耗的靶材更多，經(jīng)過一段時間使用后電子跑道處的靶材明顯變薄4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（一）濺射設(shè)備-現(xiàn)有的產(chǎn)品一定溫度下，固體或液體受到高能離子轟擊時，其中的原子有可能通過與高能入射離子的碰撞獲得足夠能量而從表面逃逸，這種從物質(zhì)表面發(fā)射原子的方式被稱為濺射。！發(fā)現(xiàn)：1852年首次被Grove在對輝光放電的研究中發(fā)現(xiàn)。！以訛傳訛：本詞是splatter，意為“(泥漿)潑濺”，后來被寫成splutter

直至sputter

！基本過程：自由電子被電場加速飛向陽極，與路遇的放電氣體(通常是惰性氣體—Ar氣)碰撞，使之失去外層電子而電離，并釋放出Ar+和自由電子；

Ar+受到電場加速飛向置于陰極的靶材，撞擊出靶材原子，以及二次電子，使自由電子數(shù)

；電子在飛行過程中，還可能與Ar+相撞，使之恢復(fù)中性狀態(tài)，但此過程中電子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，需要放出能量，這部分能量以發(fā)射光子形式釋放。因有大量光子釋出，放電形成的等離子體出現(xiàn)了發(fā)光現(xiàn)象，這就是所謂的“輝光”放電。4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（一）濺射設(shè)備-國產(chǎn)化北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院自行研制的超高真空磁控濺射系統(tǒng)集成12個陰極，可以實現(xiàn)多種材料的超薄多層膜的制備陰極角度、陰極與基片距離可調(diào)。陰極可選直流或射頻濺射，最高支持四靶共濺射。極限真空度可達(dá)6×10-11Torr。樣品架可旋轉(zhuǎn)，可加熱。各項指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（二）電子束蒸發(fā)設(shè)備電子束蒸發(fā)設(shè)備原理圖采用電場(5~10kV)加速獲得高能電子束，在磁場作用下聚焦到蒸發(fā)源材料表面，實現(xiàn)對源材料的轟擊，電子的動能轉(zhuǎn)換為源材料的熱能，從而使材料氣化蒸發(fā)。1、電子槍分類(電子發(fā)射機制不同)：

熱陰極型

由難熔金屬制成的燈絲發(fā)射熱電子；

空心陰極型

由惰性氣體電離形成的等離子體引出電子。3、應(yīng)用場合：適用于高純度、高熔點、易污染薄膜材料的沉積。4、優(yōu)、缺點：

加熱溫度高，可蒸發(fā)任何材料；

局部加熱，可避免來自坩鍋、加熱體和支撐部件的污染；

電子束的絕大部分能量會被坩鍋的水冷系統(tǒng)帶走，熱效率較低；

過高的加熱功率會對薄膜沉積系統(tǒng)造成強烈的熱輻射；

電子槍系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴。4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（三）分子束外延設(shè)備Riber公司MBE設(shè)備實物圖分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）屬于物理氣相外延沉積技術(shù)，是沉積單晶材料的方法之一。該技術(shù)由貝爾實驗室科學(xué)家亞瑟（J.R.Arthur）和卓以和（AlfredY.Chao）發(fā)明，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、氧化物及異質(zhì)結(jié)生長領(lǐng)域MBE設(shè)備原理圖4.2.1物理氣相沉積設(shè)備（四）脈沖激光沉積設(shè)備PLD設(shè)備原理圖高功率的脈沖激光聚焦于靶材表面，使靶材形成氣態(tài)或等離子體態(tài)擴散，最終沉積在基片上。該技術(shù)具有生長速度快，可以真實還原靶材的化學(xué)組分等特點。近年來廣泛用于氧化鉿（HfO2）、釔鐵石榴石鐵氧體（YIG）等氧化物和磁性薄膜的生長Neocera8英寸PLD系統(tǒng)4.2.2化學(xué)氣相沉積設(shè)備（一）等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備沈陽拓荊科技有限公司PECVD設(shè)備實物圖PECVD主要用于沉積絕緣薄膜，能夠在低溫條件下制備高質(zhì)量的薄膜。此外等離子體的一些生成物能夠在薄膜表面進(jìn)行擴散，填充一些微小的結(jié)構(gòu)，提高膜層的均勻度。PECVD設(shè)備原理圖4.2.2化學(xué)氣相沉積設(shè)備（二）金屬有機化合物氣相沉積（MOCVD）中晟光電ProMaxy168型MOCVD設(shè)備

MOCVD技術(shù)主要用于生長高質(zhì)量的單晶薄膜，該技術(shù)可以獲得高質(zhì)量的外延晶態(tài)層，主要用于III-V族化合物半導(dǎo)體外延薄膜的生長。4.2.2化學(xué)氣相沉積設(shè)備（三）原子層沉積（ALD）設(shè)備

原子層沉積（ALD）是一種可以將材料以單原子層膜的形式一層一層鍍在襯底上的方法。原子層沉積技術(shù)與化學(xué)氣相沉積有相似之處，但原子層沉積技術(shù)中每次反應(yīng)只沉積一層原子。ALD沉積Al2O3薄膜的循環(huán)示意圖反應(yīng)過程有序性、表面可控沉積過程精確和可重復(fù)膜層質(zhì)量高（超薄、致密、均勻以及吸附力較高）。優(yōu)勢4.2.3其他沉積設(shè)備

（一）電化學(xué)沉積設(shè)備電化學(xué)沉積（ElectrochemicalDeposition）技術(shù)是指在外加電壓下，使電解液中金屬離子在陰極還原為原子而沉積的過程。電化學(xué)沉積設(shè)備在集成電路領(lǐng)域主要應(yīng)用于形成規(guī)則生長的納米點陣結(jié)構(gòu)，如納米線、納米柱和納米點陣列等。（二）溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是濕法制備材料的一種化學(xué)方法，該技術(shù)是一種由金屬有機化合物、金屬無機化合物或混合物經(jīng)過水解縮聚過程逐漸凝膠化，經(jīng)后處理流程后形成氧化物或其他化合物的工藝。該方法主要利用了交替分散體系的一些物理化學(xué)性能。（三）離子束沉積離子束沉積方法是指利用離化的粒子作為蒸鍍物質(zhì)在低基片溫度的情況下形成優(yōu)良薄膜的技術(shù)。離子束沉積法主要分為直接引出式離子束沉積、質(zhì)量分離式離子束沉積、部分離化沉積、離子團(tuán)束沉積和離子束輔助沉積幾種類型。4.3圖形制作設(shè)備

圖形制作（PatternCreation）設(shè)備是集成電路加工設(shè)備中的重要一類，圖形制作工藝主要是指在襯底材料或者薄膜表面形成各種各樣的微納米圖形。主流的圖形制作技術(shù)包括光刻技術(shù)和電子束曝光技術(shù)。ASMLTwinScanNXY-2000i型DUV光刻機4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備

光學(xué)曝光是指利用特定波長的光進(jìn)行輻照，將掩模版（mask）上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上的過程。光源種類波長/nm應(yīng)用特征尺寸/μm高壓汞燈G-Line436500H-Line405

I-Line365350~250準(zhǔn)分子激光XeF351

XeCl308

KrF（DUV）248250~180ArF193180~130F2激光F2157130~100X射線傳統(tǒng)靶級X射線（碰撞電子）＜100光誘發(fā)等離子（X射線）同步輻射（X射線）EUV13.5＜22各種光學(xué)曝光源的種類與參數(shù)4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備

光學(xué)曝光模式根據(jù)曝光方式可以分為掩模對準(zhǔn)式曝光和投影式曝光兩種。基本光學(xué)曝光模式示意圖對準(zhǔn)式曝光設(shè)備接觸式接近式等比投影縮小投影投影式曝光設(shè)備4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備投影式曝光設(shè)備的同軸照明方式和離軸照明方式

德國SUSSMA6型光刻機同軸照明離軸照明4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備浸沒式曝光原理示意圖CanonDUVKrF光刻機傳統(tǒng)干式曝光原理示意圖傳統(tǒng)干式曝光與浸沒式曝光在普通的光學(xué)曝光設(shè)備中，光源物鏡鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，而浸沒式曝光設(shè)備使用液體代替鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)。4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備

年份廠家型號NA光刻尺寸/nm浸沒液折射率2005ASMLTwinScanAT：1250i0.85651.442005~2006ASMLTwinScanXT：1400Ei0.9365/451.442005~2006ASMLTwinScanXT：1700Fi1.2451.442007ASMLTwinScanXT：1900i1.35≤401.442005Sematech/ExitechMS-193i1.370/451.442005~2006NikonNSR-S6091.0755/451.442006NikonNSR-S610C1.3451.442007Canon

≥1.2

1.64

ASMLTwinScanNXT：1970Ci0.85~1.35≤38

2015ASMLTwinScanNXT：1980Di1.35≤38

2018ASMLTwinScanNXT：2000i1.35≤38

NikonNSR-S322F0.92≤651.44

NikonNSR-S622D1.35≤381.44

NikonNSR-S635E1.35≤381.44193nm浸沒式光刻機開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備

ASMLTwinScanNXY-2000i型DUV光刻機浸沒式光刻機NikonNSR-S322F深紫外線浸沒式光刻機4.3.1光學(xué)曝光設(shè)備EUVL系統(tǒng)原理圖極紫外光刻機ASMLTwinScanNXE:3400B型EUV光刻機上海微電子SSX600/200光刻機實物圖EUV設(shè)備使用波長為13.5nm的極紫外射線，設(shè)備分辨率可以顯著提高。4.3.2電子束光刻設(shè)備

電子束曝光（Electronbeamlithography,EBL）技術(shù)由于具有較高的圖形分辨率而被廣泛應(yīng)用于制備磁性納米結(jié)構(gòu)中。典型電子束曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖廠家型號加速電壓曝光特征尺寸RAITHEBPG5200/5150100KV<8nmRAITHRAITH150Two30KV≥5nmNBLNanoBeamnB520KV~100KV8nm日本株式會社EBM-950050KV7nm當(dāng)前電子束曝光機研發(fā)現(xiàn)狀

RAITH150Two型高分辨電子束光刻機4.3.3其他圖形制作設(shè)備

Heidelberg公司DWL66FS型激光直寫機激光直寫設(shè)備原理圖激光直寫技術(shù)4.3.3其他圖形制作設(shè)備Obducat公司EitreLarge

Area型壓印機納米壓印技術(shù)納米壓印原理示意圖4.4圖形刻蝕設(shè)備4.4.1常用的圖形轉(zhuǎn)移方法4.4.2反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備4.4.3電感耦合等離子體刻蝕設(shè)備4.4.4離子束刻蝕設(shè)備4.4.5濕法刻蝕設(shè)備4.4.6其他刻蝕設(shè)備4.4.1常用的圖形轉(zhuǎn)移方法溶膠剝離刻蝕

襯底表面涂膠

曝光并顯影

薄膜的沉積

剝離去膠工藝留下特定的圖形

涂膠并進(jìn)行曝光、顯影

刻蝕工藝光刻膠保護(hù)的薄膜存留

去膠工藝

留下特定的圖形不同方向性的刻蝕剖面示意圖刻蝕工藝的主要特征參數(shù)為刻蝕速率、選擇比、方向性、刻蝕深寬比和刻蝕粗糙度。4.4.2反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備魯汶儀器Haasrode-R150S反應(yīng)離子刻蝕機RIE設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)圖輝光放電的等離子體在偏壓下轟擊樣品，伴隨活性離子與樣品的化學(xué)反應(yīng)輔助物理刻蝕過程，完成高精度的圖形刻蝕。4.4.3電感耦合等離子體刻蝕設(shè)備中微半導(dǎo)體公司的電感耦合刻蝕機電感耦合等離子體中離子的能量較高，可以實現(xiàn)高刻蝕速率和高刻蝕選擇比電感耦合等離子體裝置示意圖4.4.4離子束刻蝕設(shè)備干法刻蝕的典型設(shè)備——離子束刻蝕（IoneamEtching,IBE）設(shè)備IBE設(shè)備工作原理示意圖RIBE設(shè)備工作原理示意圖CAIBE設(shè)備工作原理示意圖4.4.4離子束刻蝕設(shè)備終點檢測裝置——精確的控制刻蝕深度，實現(xiàn)在到達(dá)某一層材料后停止刻蝕終點檢測裝置實物圖實際膜層刻蝕示意圖終點檢測原理圖通過質(zhì)譜分析，檢測出特定元素的濃度隨刻蝕時間的變化，進(jìn)而判斷刻蝕的進(jìn)展。4.4.4離子束刻蝕設(shè)備IonSys500型IBE設(shè)備實物圖設(shè)備實際刻蝕的四英寸樣品設(shè)備主要包括刻蝕工藝模塊、離子束源、氣體控制系統(tǒng)、質(zhì)譜儀、空壓機與冷凝裝置、真空系統(tǒng)和電源控制系統(tǒng)。4.4.5濕法刻蝕設(shè)備和其他刻蝕設(shè)備部分材料常用的濕法刻蝕溶液濕法刻蝕技術(shù)通過化學(xué)液體，將未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域腐蝕，留下被光刻膠保護(hù)的部分。控制精度低、容易產(chǎn)生化學(xué)污染。重復(fù)性好選擇性好效率高設(shè)備簡單成本較低優(yōu)點：缺點：4.5集成電路表征及測試設(shè)備主要表征設(shè)備X射線衍射（X-RayDiffraction,XRD）設(shè)備原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopes,AFM）透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM）掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope,SEM）主要測試設(shè)備探針臺測試機分選機4.5.1表征設(shè)備JVdelta-X型XRD設(shè)備X射線衍射（X-RayDiffraction,XRD）設(shè)備基本原理：將一束單色的X射線照射到樣品上，樣品中原子的電子受到X射線的作用而產(chǎn)生振動，成為發(fā)射球面電磁波的次生波源，所發(fā)射球面波的頻率與入射的X射線一致。Bruker公司multimode8型AF