全自動磁控濺射鍍膜設(shè)備及工藝的研究

毛朝斌，佘鵬程，范江華，羅超，陳特超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙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)不同的需要來設(shè)計靶材，容易獲得較大范圍的薄膜均勻性。同時，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]。

目前國產(chǎn)磁控濺射鍍膜設(shè)備普遍存在自動化程度不高、一個腔室有多個磁控靶造成靶之間污染等問題[2]。中國電子科技集團公司第四十八研究所成功研制出全自動磁控濺射鍍膜設(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，同時采用高真空機械手進行傳送片，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，基片為陽極，利用磁場與電場交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，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)備主要功能是對薄膜混合集成電路進行物理氣相鍍膜，是一臺磁控濺射鍍膜的全自動設(shè)備。設(shè)計時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、獨立濺射鍍膜室、真空機械手腔室、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

圖2 全自動磁控濺射鍍膜設(shè)備

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

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，工件轉(zhuǎn)架用于安裝待鍍基片，由旋轉(zhuǎn)電機帶動，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。工件臺上方裝有擋板，擋屏由旋轉(zhuǎn)電機帶動，預(yù)濺射時，遮擋在陰極靶前，防止基片被污染。工件臺下方裝有加熱系統(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，采用進口質(zhì)量流量控制器對工藝氣體進行精確控制，以滿足工藝要求。

濺射鍍膜腔室中真空泵、濺射靶等部分在運行過程中會產(chǎn)生熱量，采用水冷的方式對各個發(fā)熱部件進行冷卻。當(dāng)設(shè)備進入真空后，進氣系統(tǒng)負責(zé)充氣，使真空室的氣壓達到動態(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 真空機械手腔室

真空機械手腔室（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化程度，縮短了搬運的時間，減少人工干預(yù)，且要避免晶圓在搬運過程中受損傷，以提高晶圓的生產(chǎn)效率和成品率，并有利于提高整臺設(shè)備的密封性，保證了工藝環(huán)境的潔凈度。

圖4 移載機械手

真空機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械手，機械手能實現(xiàn)360°自由旋轉(zhuǎn)，機械手手臂由三節(jié)伸縮臂組成，可以將基片傳送到各腔室。基片在各腔室間的傳送，移動時運行平穩(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+工控機作為系統(tǒng)控制核心，對設(shè)備進行實時監(jiān)控，如圖5所示。PLC與工控機通過交換機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，對設(shè)備進行操作。每個腔室有一臺PLC獨立控制，通過交換機與工控機進行數(shù)據(jù)交換，這樣方便濺射鍍膜腔室的增減，而不影響整個控制系統(tǒng)。圖5是設(shè)備硬件系統(tǒng)示意圖，工控機監(jiān)控濺射鍍膜腔室PLC和主控PLC。主控PLC將整機狀態(tài)發(fā)送到工控機，同時接受濺射鍍膜腔室PLC狀態(tài)信息，控制機械手傳送流程，進行安全互鎖、報警等。濺射腔室PLC控制真空系統(tǒng)、工件臺、工藝氣體流量、濺射靶電源等。

圖5 控制系統(tǒng)圖

3 工藝實驗及分析

全自動磁控濺射鍍膜設(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)備在實驗線上通過對工藝探索，滿足工藝要求。在連續(xù)生產(chǎn)運行近4個月后，碎片率保持在千分之一以下。

3.1 膜厚均勻性實驗及結(jié)果

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

3.2 鍵合強度試驗及結(jié)果

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

表1 成膜均勻性測試試驗

表2 鍵合強度試驗檢測數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

全自動磁控濺射鍍膜設(shè)備在借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)設(shè)計。針對產(chǎn)品應(yīng)用方向，進行了適合本設(shè)備的工藝研究，并指導(dǎo)工藝試驗，取得了階段性的勝利。目前設(shè)備控制系統(tǒng)已定型，經(jīng)長期試用，系統(tǒng)運行可靠、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.