溅射镀膜介绍
一: 溅射镀膜应用:
溅射镀膜主要用于半导体生产的金属薄膜的生长.如下图的金属层1到金属层6都是运用溅射镀膜所生产.
溅射镀膜到形成所需的金属线的过程为：
溅射镀膜--→光照显影--→蚀刻（形成金属连接线）
二: 溅射镀膜原理
溅射淀积（溅射）是另一种老工艺，能够适应现代半导体制造需要。
它几乎可以在任何衬底上淀积任何材料，而且广泛应用在人造珠宝涂层，镜头和眼镜的光学涂层的制造。
在真空反应室中，由镀膜所需的金属构成的固态厚板被称为靶材（target）（图1），靶材接阴极，衬底接阳极并接地。
首先将氩气充入室内，并且电离成正电荷。
带正电荷的氩离子被不带电的靶吸引，加速冲向靶。
在加速过程中这些离子受到引力作用，获得动量，轰击靶材。
这样在靶上就会出现动量转移现象（momentum transfer）。
正如在桌球，球杆把能量传递到其他球，使它们分散一样，氩离子轰击靶，引起其上的原子分散。
被氩离子从靶上轰击出的原子和分子进入反应室。
这就是溅射过程。
从靶上轰击出原材料之后，氩离子、轰击出的原材料、气体原子和溅射工艺所产生的电子在靶前方形成一个等离子区域。
等离子区是可见的，呈现紫色。
而黑色区域将等离子区和靶分开，我们称之为暗区（dark space）。
图1 溅射工艺的原理
被轰击出的原子或分子散布在反应室中，其中一部分渐渐地停落在晶圆上，形成薄膜，溅射工艺的主要特征是淀积在晶圆上的靶材不发生化学或合成变化。
形成薄膜的过程有如下几个过程(图2所示):
1长晶
2 晶粒成长
3 晶粒聚集
4 缝隙填补
5 沉积膜的成长
图2 溅射工艺的原理
三：溅射镀膜相对于真空蒸发优点：
1 靶材的成分不会改变。
这种特征的直接益处就是有利于合金膜和绝缘膜的淀积。
合金真空蒸发的问题在前一部分已作描述。
对于溅射工艺来说，含有2%铜的铝靶材就可以在晶圆上生长出含有2%铜的铝薄膜。
2 阶梯覆盖度也可以通过溅射改良。
蒸发来自于点源，而溅射来自平面源。
因为金属微粒被从靶材各个点溅射出来的，所以在到达晶圆承载台时，它们可以从各个角度覆盖晶圆表面。
阶梯覆盖度还可以通过旋转晶圆和加热晶圆，得到进一步的优化。
3溅射形成的薄膜对晶圆表面的粘附性也比蒸发工艺提高很多。
首先，轰击出的原子在到达晶圆表面时的能量越高，因而所形成薄膜的粘附性就越强。
其次，反应室中的等离子环境有“清洁”5晶圆表面的作用，从而增强了粘附性。
因此在淀积薄膜之前，将晶圆承载台停止运动，对晶圆表面溅射一小段时间，可以提高粘附性和表面洁净度。
在这种模式下，溅射系统所起的作用与在第十章介绍的离子刻蚀（溅射刻蚀，反溅射）设备一样。
4溅射最大的贡献恐怕就是对薄膜特性的控制了。
这种控制是通过调节溅射参数达到的，包括压力、薄膜淀积速率和靶材。
通过多种靶材的排列，一种工艺就可以溅射出像三明治一样的多层结构。
5清洁干燥的氩气（或氖气）可以保持薄膜的成分特征不变，而且低湿度可以阻止薄膜发生不必要的氧化。
反应室装载晶圆之后，泵开始抽气（向外），将其压力减小到1×10-9托左右。
然后充入氩气，并使其电离。
要严格控制进入室内的氩气的量，因为氩气增多会造成室内压力升高。
由于氩气和轰击出的原材料存在，室内压力将上升到大约10-3托。
四：溅射分类：
1直流溅射
在反应室中，靶接负电压呈阴极；而衬底呈阳极。
带负电的靶驱逐电子，使其加速飞向阳极。
在运动过程中，电子与氩原子碰撞，使氩原子电离成氩离子。
具有正电性的氩离子加速飞向靶，开始溅射工艺。
氩离子（+）和靶（-）形成了两极。
电离工艺的另一结果是电子对气体原子的影响。
这导致在靶下方的等离子区呈现可见的紫色。
暗区仅存在与靶的侧面和前方。
当等离子区被限制在靶和晶圆之间，溅射效率将大大提高。
将暗区护罩放置在靶的侧面可以增强这种限制。
护罩可以防止靶材从靶的侧面溅射出来，因而靶材不会淀积到晶圆上。
另一个问题是在反应室处于真空情况下，室壁污染物会产生外溢气体。
我们把这种情况称之为虚漏。
它与大气进入系统而形成的实际泄漏是相对的。
污染物除了破坏反应室的压力级别，还会掺入所淀积的薄膜。
下一个问题是在晶圆承载台放置的微小负偏压（电荷）。
它可以在晶圆表面产生离子，在淀积膜时驱逐游弋的外溢气体的分子。
直流二极溅射主要用于金属淀积。
2射频溅射
为了改善溅射，将靶材与高频发生器（RF）负极相连。
气体在靶表面附近发生电离，而不需要导电的靶。
高频溅射不仅可以溅射绝缘体材料，也可以溅射导体材料。
偏压还可与高频溅射共同作用，达到清洁晶圆表面的效果。
高频溅射偏压具有对已暴露的晶圆表面进行刻蚀和清洁的优点。
将晶圆承载台放在一个不同的场压下，使得氩原子直接轰击晶圆，来完成刻蚀和清洁。
这种工艺程序被称为溅射刻蚀（sputter etch）、反溅射（reverse sputter）或离子打磨（ion milling）。
它可清除晶圆上的污染物和一层薄的膜。
清除污染物提高了已暴露晶圆区域与薄膜之间的电连接，同时提高了薄膜对晶圆表面其他部分的粘度。
二极溅射中的许多工艺过程都发生在晶圆表面上或附近。
由于氩原子影响，
系统产生大量电子。
一方面，它们使衬底升温（可达到350ºC），造成镀膜不均匀；另一方面，它们还会产生辐射环境，造成敏感元件的损坏。
在二极溅射过程中，升温对铝膜的淀积带来一系列问题。
升温使得残余在靶上和反应室中的氧气与铝结合生成氧化铝。
它是绝缘体，破坏了铝膜的导电性。
更为严重的是，升温会在靶材表面生成一层氧化铝膜，这使得正在轰击的氩原子（在二极溅射过程中）没有足够能量击穿这层膜。
实际上，靶材被密封，溅射也就随之停止。
3磁控溅射
二极溅射的另一个问题是逃入反应室的电子，而且它们对用于淀积的等离子体建立不产生任何作用。
我们用磁控溅射系统来解决这个问题。
磁控系统是将磁极安装在靶的背面和四周，捕获和/或限制电子在靶的正面活动。
它对于提高淀积速率更加有效。
因此，磁控系统产生的离子流（轰击靶的氩离子的密度）要比传统的二极溅射系统好。
其次，反应室的压力将更低，这有利于淀积膜的清洁。
另外，磁控溅射系统使得靶的温度降低，有利于金属和合金的溅射。
实际生产用的溅射系统各种各样。
有的反应室是批晶圆系统，有的则是单晶圆生产系统。
大部分生产设备都有自动装料能力。
装料口就像接待室，它是局部真空，可以保证反应室维持真空。
它的优点就是提供了更高的生产率。
生产设备通常可以支持一种或两种靶材，而且随着机械技术的发展，将来的设备会有更大的扩展性。