BAK蒸發臺金屬薄膜分層臺階現象探究

解 晗，夏久龍，申 強

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京210016)

半導體領域蒸發工藝采用自動化蒸發臺實現。首先為蒸發臺建立高真空環境，通過對坩堝內目標材料源迅速加熱使其熔化為液態，使一部分原子蒸發為氣態逃逸至高真空腔體，最終沉積在晶圓上。從宏觀角度看，蒸發是物體由固態轉為氣態，再由氣態轉為固態的物理過程。在微觀角度上，則是被蒸發的高能原子在高真空環境下的運動并最終被附著的過程。蒸發工藝真空度一般要求為1e-4 Pa及以下，此時腔體內原子的平均自由程可達到50 m，遠大于腔體內坩堝與晶圓之間的距離（0.58 m左右）。在這種情況下，原子在腔體內運動相互碰撞的概率極低，可認為蒸發原子的運動軌跡為無碰撞直線運動，被蒸發原子以坩堝為基點呈發散放射狀擴散至腔體內[1]。

1 問題分析

針對BAK雙源蒸發臺用于元器件金屬電極蒸發工藝，薄膜質量對器件性能的影響尤為重要。晶圓被放置在腔體頂部行星盤的空心槽內，在蒸發過程中行星盤會以一定速度旋轉，同時晶圓和坩堝之間有一塊平面擋板作為均勻性校正板。

在實際鍍膜過程中，金屬薄膜邊緣存在臺階分層現象，在掃描電子顯微鏡下觀察金屬薄膜形貌如圖1所示，薄膜上有明顯的分層痕跡且痕跡間偏移量在100～700 nm不等。此金屬圖形化工藝形成的薄膜包括4層金屬，分置在2個坩堝源內。

圖1 金屬薄膜的分層臺階現象

作為lift-off工藝的一部分，在蒸發之前，晶圓上會涂布一層一定厚度的光刻膠。帶膠的晶圓經過蒸發后再剝離形成薄膜層。在蒸發過程中原子沿直線擴散到晶圓，考慮到光刻膠層的阻擋，有一部分區域會被遮擋而不會產生原子附著沉積。初步分析多金屬層間的臺階偏移和蒸發角度有一定關系。而蒸發角度變化也有多重因素產生。

2 實驗推斷

2.1 坩堝襯位轉動偏差

蒸發的4種金屬源被分在2個坩堝，每個坩堝蒸發2種金屬，通過電機轉動至合適坩堝襯位，對每個金屬源實現蒸發。每個坩堝襯位由電機控制，電機旋轉精度以及傳動齒輪的傳動精度和齒輪回差影響襯位位置精度。若每次轉動后源位置發現細微變化，則會導致蒸發時蒸發角度發生變化，進而圖形偏移。

如圖2所示，通過電機轉動切換不同坩堝襯位A的位置，并通過坩堝蓋板B預留開口實現蒸發。電機轉動中的精度誤差會產生坩堝襯位位置偏差C，該偏差在多層金屬蒸發工藝中不可避免。

圖2 坩堝襯位轉動偏差

不同坩堝襯位之間的最大位置偏差C約等于2.5 mm，被蒸發原子在腔體中為直線運動，結合晶圓上光刻膠掩膜厚度1.26μm，晶圓距離坩堝襯位垂直高度600 mm，按照比例關系可得出晶圓上多層薄膜理論偏差為5.3 nm左右，如圖3所示。該偏差數值僅為實際存在偏差的1%左右，故判斷此因素不是臺階分層現象的主要原因。經過實驗驗證，在沒有坩堝轉動切換襯位的前提下，只在左坩堝蒸發單層金屬鈦，右坩堝蒸發單層金屬鎳，蒸發工藝后掃描電鏡SEM拍攝顯示結果如圖4所示。

圖3 坩堝襯位偏差與晶圓上臺階偏移的關系

圖4 坩堝襯位未經轉動情況下蒸發薄膜SEM圖

由圖4可知，金屬薄膜仍然存在分層，且偏移量沒有好轉。驗證了坩堝襯位轉動偏差對金屬薄膜分層沒有決定性影響。

2.2 蒸發模塊相對位置的偏差

在蒸發過程中如果左右兩個蒸發模塊和蒸發口之間的準直性不夠匹配，蒸發模塊內坩堝與晶圓的相對位置不精確，也會導致蒸發角度變化，產生金屬層偏移。

如圖5所示，左右兩個蒸發模塊的整體位置可調，單個模塊最大移動量在10 mm左右，則兩個模塊間最大偏移量為20 mm。正常使用情況下，偏移量遠小于該值。由此可知其引起的偏差最大不會超過42 nm，只占到實際偏差10%左右，與實際偏差量差了一個數量級，故坩堝位置偏差是應該金屬臺階分層的次要影響因素。

圖5 蒸發模塊與均勻性擋板、載片之間位置關系

調整蒸發模塊的整體位置，盡量將相對位置偏差降到最低。在此基礎上進行實驗驗證，仍然只通過左坩堝蒸發單層金屬鈦，右坩堝蒸發單層金屬鎳。所得結果如圖6所示，偏移量有輕微減小，但仍然有數百納米的偏移層。

圖6 調整蒸發模塊后蒸發薄膜SEM圖

2.3 均勻性擋板蒸發通道徑向偏移

均勻性擋板是為了校正各個蒸發角度上金屬的蒸發量而設計，放置于晶圓與蒸發源之間，保證晶圓上蒸發薄膜的均勻性。BAK蒸發臺所用均勻性擋板上存在兩處蒸發通道開口，一處位于坩堝垂直正上方位置，另一處位于蒸發臺輔助離子銑位置，該位置與坩堝－晶圓連線存在一定的徑向偏移。在工藝過程中擋板上實際有兩個開口區域是晶圓的有效鍍膜區域。

坩堝可以看作是一個小平面的蒸發源S，晶圓放置在平行平面A的行星盤上。坩堝垂直方向上的蒸發點為O，離子銑處蒸發點為P。這是一個典型的小平面源對平行平面蒸發的模型[2]，如圖7所示。

圖7 小平面源對平行平面蒸發模型簡圖

小平面蒸發源S以每秒m克的速率，將密度為ρ的材料蒸發至平行平面A的某一位置P。源到受蒸發平面A的垂線為h，垂足O與受蒸發位置P的距離為b，蒸發源與受蒸發點的距離為r，h與r的夾角為φ。受蒸發位置P的蒸發膜厚t可由式(1)得出：

其中cosφ=h/r，r2=h2+b2；

由公式可知P點的蒸發膜厚：

蒸發源垂足點O（b=0 mm）的蒸發膜厚：

比較可知平行平面的任意一點與垂足點蒸發速率比可由式(4)計算：

經測量，輔助離子銑開口處P的位置參數：

代入式(4)計算可知蒸發速率比：

離子銑開口處P的蒸發速率是坩堝正上方O蒸發速率的0.39倍。因為兩處開口的大小一致，蒸膜的厚度亦可用速率衡量。為了驗證這一假設，將金屬層有偏移的晶圓放在聚焦離子束（FIB）下切斷面，SEM觀察結果如圖8所示。

圖8 薄膜分層臺階橫截面SEM圖

根據之前的分析可知，D4所標位置只能在坩堝正上方開口處鍍膜，在離子銑開口處由于蒸發角因素被遮擋，蒸發速率為to，D1處在上述兩處都可以實現鍍膜，蒸發速率為to+tp，如圖9所示。

圖9 薄膜分層臺階橫截面簡圖

根據模型計算結果D1和D4處的蒸發速率比為：

經過FIB及SEM測量，實際結果顯示D1處薄膜厚度304.54 nm，D4處薄膜厚度222.55 nm，故實際速率比為1.37，模型理論計算與實際測量結果相似度達98%，基本符合實際情況。由此可知，晶圓在徑向偏移的蒸發通道開口處因為蒸發角度和光刻膠厚度的綜合影響，蒸發原子無法在D4處沉積鍍膜，這就和D1處形成了沉積薄膜厚度上的差別，從而造成了薄膜的臺階分層現象。

坩堝中蒸發原子是按直線運動，所以出現偏移的位移量和坩堝與晶圓的橫向距離呈比例關系，同時還與光刻膠厚度、晶圓擺放的角度有關。

為了驗證結論，將均勻性擋板輔助離子銑開口處封堵上，單獨用坩堝垂直上方的開口做蒸發工藝，SEM掃描結果如圖10所示。

圖10 調整均勻性擋板蒸發通道徑向偏移后蒸發薄膜SEM圖

由圖10可知，排除了均勻性擋板蒸發通道徑向偏移后，金屬邊緣的分層現象已經消失并且邊緣斜度保持在合理范圍內，符合工藝所要求的形貌條件。

3 結 論

經過一系列的理論分析和工藝實驗，得出結論：（1）均勻性擋板輔助離子銑處開口設計不合理，出現蒸發通道徑向偏移，進而導致金屬薄膜臺階分層；（2）坩堝襯位轉動偏差和蒸發模塊相對位置的偏差對薄膜分層的影響非常小，在完成坩堝襯位和蒸發模塊位置校準后可最大限度降低影響；（3）對于包含輔助離子銑裝置的蒸發設備可以通過設置聯動驅動擋板保證蒸發鍍膜時開口的封閉，杜絕了蒸發開口角度的差異和金屬薄膜分層現象。

通過對各項影響鍍膜形貌的因素進行探討，確定了導致蒸發金屬邊緣分層現象的原因并給出了解決方案。對機臺的原設計做了部分優化改造，徹底解決了蒸發金屬薄膜的分層現象，保證了金屬化相關工藝的鍍膜質量和器件可靠性。