原子層沉積培訓(xùn)

培訓(xùn)類容ALD技術(shù)原理介紹ALD的特點(diǎn)及應(yīng)用ALD的工藝流程第一頁，共51頁。單原子層沉積（atomiclayerdeposition，ALD），起初稱為原子層外延(AtomicLayerEpitaxy)；最初是由芬蘭科學(xué)家提出并用于多晶熒光材料ZnS:Mn以及非晶Al2O3絕緣膜的研制，這些材料是用于平板顯示器。由于這一工藝涉及復(fù)雜的表面化學(xué)過程和低的沉積速度，直至上世紀(jì)80年代中后期該技術(shù)并沒有取得實(shí)質(zhì)性的突破。但是到了20世紀(jì)90年代中期，人們對(duì)這一技術(shù)的興趣在不斷加強(qiáng)，這主要是由于微電子和深亞微米芯片技術(shù)的發(fā)展要求器件和材料的尺寸不斷降低，而器件中的高寬比不斷增加，這樣所使用材料的厚度降低至幾個(gè)納米數(shù)量級(jí)。因此原子層沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來，如單原子層逐次沉積，沉積層極均勻的厚度和優(yōu)異的一致性等就體現(xiàn)出來，而沉積速度慢的問題就不重要了。前言第二頁，共51頁。典型的ALD沉積過程—Al2O3沉積過程第三頁，共51頁。典型的ALD沉積過程—TiO2沉積過程第四頁，共51頁。ALD設(shè)備示意圖第五頁，共51頁。ALD技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)?前驅(qū)體是飽和化學(xué)吸附，保證生成大面積均勻性的薄膜?可生成極好的三維保形性化學(xué)計(jì)量薄膜，作為臺(tái)階覆蓋和納米孔材料的涂層?可輕易進(jìn)行摻雜和界面修正?可以沉積多組份納米薄片和混合氧化物?薄膜生長(zhǎng)可在低溫（室溫~400oC）下進(jìn)行?固有的沉積均勻性，易于縮放，可直接按比例放大?可以通過控制反應(yīng)周期數(shù)簡(jiǎn)單精確地控制薄膜的厚度，形成達(dá)到原子層厚度精度的薄膜?對(duì)塵埃相對(duì)不敏感，薄膜可在塵埃顆粒下生長(zhǎng)?可廣泛適用于各種形狀的基底?不需要控制反應(yīng)物流量的均一性第六頁，共51頁。ALD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)示意圖第七頁，共51頁。各種薄膜沉積方法比較：第八頁，共51頁。ALD應(yīng)用原子層沉積技術(shù)由于其沉積參數(shù)的高度可控性（厚度，成份和結(jié)構(gòu)），優(yōu)異的沉積均勻性和一致性使得其在微納電子和納米材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。而且隨著科技的發(fā)展在不遠(yuǎn)的將來將會(huì)發(fā)現(xiàn)其越來越多的應(yīng)用。根據(jù)該技術(shù)的反應(yīng)原理特征，各類不同的材料都可以沉積出來。已經(jīng)沉積的材料包括金屬、氧化物、碳（氮、硫、硅）化物、各類半導(dǎo)體材料和超導(dǎo)材料等第九頁，共51頁。半導(dǎo)體及納米電子學(xué)應(yīng)用晶體管柵極介電層（high-k）晶體管柵極介電層是ALD的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。Intel處理器就是應(yīng)用了ALD方法制備的高k的HfO2晶體管柵極介電層。而對(duì)于32nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)來講，材料的揮發(fā)性，輸運(yùn)方式以及純度等問題更變得至關(guān)重要。Intel和IBM已經(jīng)同時(shí)宣布使用鉿基材料作為柵極高k絕緣介質(zhì)，加速CMOS制造工藝的革命。優(yōu)點(diǎn)：缺陷少、均一、厚度可控、可形成無定形包覆，可厭氧反應(yīng)。應(yīng)用如：GaAs/AlGaAs等異質(zhì)結(jié)構(gòu)、晶體管、電子管、HfO2、ZrO2、Al2O3、LaAlO、GdScO3等。第十頁，共51頁。金屬柵電極（metalgate）除了晶體管柵極介電層，Intel的新一代處理器金屬柵電極同樣將應(yīng)用ALD方法。這種方法是用金屬取代半導(dǎo)體多晶硅電極柵以消除層間損耗，優(yōu)化功能，防止與高k電介質(zhì)柵的反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：有晶體管柵極介電層的所有優(yōu)點(diǎn)，另外他對(duì)金屬柵電極更少的破壞，金屬膜光滑，并且用ALD沉積的金屬氮化物有更多的應(yīng)用。應(yīng)用如：Ru,WN,Pt,RuO,TaN,TiN,HfN等第十一頁，共51頁。金屬的連接大規(guī)模集成電路需要更薄更精密的相互連接的金屬。使相互連接的銅和鎢都要沉積到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中。應(yīng)用如：Cu,W,Ru等?；ミB線勢(shì)壘層金屬銅擴(kuò)散到大規(guī)模電路的硅、二氧化硅以及相連接的金屬中需要較小的擴(kuò)散勢(shì)壘，由于大部分結(jié)構(gòu)是在狹窄而且較深的通道中，所以沉積方法非常重要。ALD技術(shù)很好地解決了這種問題，他能使特殊的金屬、金屬氮化物在低溫、厚度可控的條件下完成沉積。應(yīng)用如：WN,TaN,Co.等。第十二頁，共51頁。光電材料及器件防反射應(yīng)用防反射包覆在光學(xué)產(chǎn)業(yè)中相當(dāng)重要。他常常由高低反射層構(gòu)成，如SiO2-ZrO2或SiO2-TiO2。過去應(yīng)用蒸發(fā)技術(shù)沉積包覆層，但是包覆層的準(zhǔn)確厚度直接影響到了防反射能力，通常包覆厚度在10-15％。膜的厚度在100nm時(shí)，包覆厚度到15nm，這極大的降低了防反射能力。另外，普通蒸發(fā)技術(shù)要把基體放置于比蒸發(fā)源高的多的位置。與此相比，ALD技術(shù)能在復(fù)雜的基體表面達(dá)到較高的一致性，有效的提高了防反射能力并且降低了成本。而且，ALD技術(shù)能在基體的兩個(gè)面上同時(shí)進(jìn)行包覆第十三頁，共51頁。有機(jī)發(fā)光顯示器反濕涂層一層用ALD技術(shù)沉積的Al2O3膜就能強(qiáng)烈地阻止水蒸氣對(duì)OLED的侵蝕。除了防潮層以外，透明導(dǎo)電電極同樣可用ALD技術(shù)制備，ZnO原子沉積晶體管柵極介電層薄膜已經(jīng)成功制成第十四頁，共51頁。MEMS微機(jī)電系統(tǒng)1保護(hù)膜2憎水涂層3反刻蝕涂層第十五頁，共51頁。ALD應(yīng)用實(shí)例+=用啤酒和水沉積的Al2O3Al2O3grownwithH2O/TMAAl2O3grownwithbeer/TMA第十六頁，共51頁。CMOSHigh-kDielectrics第十七頁，共51頁。SemiconductorMemory第十八頁，共51頁。Gatedielectricsnon-Sidevices第十九頁，共51頁。ALDLift-offTechnology第二十頁，共51頁。Applications:HighAspectRatioCrosssectionofSifoamwithaporesizeof50nm,shownacoatingofAl2O3extending100umintotheholes.Filmshowscapabilityofcoatinginto2000:1aspectratiofeatures.BulkSiO2withnoAlEndofAl2O3layerAl2O3coatedfoamWithverylittleSiFoamsurface第二十一頁，共51頁。NanotubeFormation第二十二頁，共51頁。ButterflyPCWaveguideMorphoPeleidesbutterflyWingphotoniclattice第二十三頁，共51頁。ButterflyPCWaveguide

第二十四頁，共51頁。ButterflyPCWaveguide第二十五頁，共51頁。Gate-Controlledp-nJunctionofGraphene第二十六頁，共51頁。第二十七頁，共51頁。第二十八頁，共51頁。原子層沉積系統(tǒng)(AtomLayeredDeposition)品牌/型號(hào):PICOSUN/SUNALE?R-200關(guān)鍵參數(shù)：1.前驅(qū)體：固態(tài)，氣態(tài)，臭氧，等離子體具有六根獨(dú)立源管線，最大加載十二個(gè)前驅(qū)體源2.基片尺寸與類型：最大8英寸基片、三維物件和多孔基底。3.工藝溫度：可達(dá)到500℃4.載氣類型：高純氮?dú)獾诙彭摚?1頁。開機(jī)：1.開啟ALD泵和ALD主機(jī)電閘2.檢查循環(huán)冷卻水是否正常進(jìn)水閥門出水閥門開啟氮?dú)猓ㄒ旱╅y門壓縮空氣閥狀態(tài)為開開啟氣體閥（Ar,高純氮）3.開啟氮?dú)猓ㄒ旱┖蜌怏w閥工藝流程第三十頁，共51頁。登陸界面第三十一頁，共51頁。主腔室真空加熱溫度樣品臺(tái)溫度進(jìn)樣室真空固態(tài)源氣路氣態(tài)源氣路氣態(tài)源氣路主腔室管道氣路

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載氣：高純氮?dú)獾谌?，?1頁。啟用LoadLock1.啟用LoadLock第三十三頁，共51頁。2.編寫和調(diào)用RECIPE調(diào)用RECIPE工藝管道流量設(shè)置溫度設(shè)置（1）頁面1設(shè)置第三十四頁，共51頁。（2）頁面2設(shè)置設(shè)置反應(yīng)次數(shù)和反應(yīng)源第三十五頁，共51頁。（3）頁面3設(shè)置設(shè)置各個(gè)氣路管道的反應(yīng)源名稱和溫度第三十六頁，共51頁。（4）頁面4設(shè)置設(shè)置各個(gè)氣路管道的載氣流量和狀態(tài)第三十七頁，共51頁。（5）頁面5設(shè)置固態(tài)源時(shí)需設(shè)置管道狀態(tài)為Master第三十八頁，共51頁。3.放置樣品(1)首先Vent工藝氮?dú)膺M(jìn)入LoadLock，打開進(jìn)樣室蓋子后將樣品放在托盤上。給主腔室充氣至一個(gè)大氣壓。點(diǎn)擊CHANBERLID欄上的“OPEN”，將反應(yīng)內(nèi)腔升起。給主腔室充氣給LoadLock充氣第三十九頁，共51頁。(2)手動(dòng)給LoadLock腔充氣，當(dāng)主腔室（已充氣）和LoadLock之間的壓強(qiáng)差小于10hPa時(shí)，開始傳遞樣品。按如下順序進(jìn)樣：點(diǎn)擊“LOADWAFER”按鈕確認(rèn)傳送桿的位置開啟真空閥門傳送樣品確認(rèn)傳送桿的位置將樣品放置到反應(yīng)腔支架將傳送桿抽回確認(rèn)傳送桿在初始位置關(guān)閉真空閥門進(jìn)樣完畢第四十頁，共51頁。4.工藝前的準(zhǔn)備工作（1）進(jìn)樣后首先點(diǎn)“CHAMBERLID”欄的”CLOSE”關(guān)上反應(yīng)腔（2）隨后在“EVACUTEREACTOR”欄點(diǎn)擊“START”抽反應(yīng)腔真空第四十一頁，共51頁。（3）在MANUAL菜單的（2）頁面內(nèi)設(shè)置工藝溫度TE2為樣品臺(tái)的設(shè)置溫度TE1max.為加熱溫度（一般比TE2高150℃）設(shè)置固態(tài)源瓶溫度設(shè)置工藝溫度注意：此處所設(shè)置的溫度要與RECIPE中的溫度設(shè)置一致，否則將執(zhí)行RECIPE的設(shè)置溫度反應(yīng)腔的升溫溫度較慢，一般在1個(gè)小時(shí)以上第四十二頁，共51頁。5.工藝過程點(diǎn)擊“START”檢查反應(yīng)腔是否關(guān)上檢查溫度是否穩(wěn)定到設(shè)置溫度這幾個(gè)步驟自動(dòng)進(jìn)行完成后會(huì)變成綠色溫度穩(wěn)定時(shí)間倒計(jì)時(shí)實(shí)際工藝時(shí)間在工藝開始前一定要開源瓶！工藝結(jié)束后一定要關(guān)閉源瓶！關(guān)閉源瓶點(diǎn)擊“Unload”后自動(dòng)反應(yīng)腔充氣打開反應(yīng)腔第四十三頁，共51頁。點(diǎn)擊“UNLOADWAFER”按鈕確認(rèn)傳送桿的位置開啟真空閥門將傳送桿伸入到反應(yīng)腔將樣品放置到反應(yīng)腔支架將傳送桿抽回確認(rèn)傳送桿在初始位置關(guān)閉真空閥門6.取樣品取完樣品后將LOADLOCK腔抽真空第四十四頁，共51頁。7.清洗管道注意：清洗管道前一定要再確認(rèn)一下源瓶處在關(guān)閉狀態(tài)！否者清洗時(shí)會(huì)將源瓶?jī)?nèi)的源帶出，堵塞管道，更換管道將花費(fèi)幾萬元清洗前先抽真空選擇要清洗的管道開始清洗，至少10分鐘以上第四十五頁，共51頁。8.關(guān)機(jī)（1）將反應(yīng)腔溫度和管道溫度設(shè)為室溫（2）確認(rèn)反應(yīng)腔已抽真空（3）點(diǎn)擊“Shutdown”關(guān)機(jī)第四十六頁，共51頁。3.關(guān)閉ALD泵和ALD主機(jī)電閘關(guān)閉氮?dú)猓ㄒ旱┖蜌怏w閥關(guān)閉氣體閥（Ar,高純氮）2.關(guān)閉氮?dú)猓ㄒ旱┖蜌怏w閥（4）關(guān)閉主機(jī)開關(guān)和機(jī)械泵點(diǎn)擊機(jī)械泵控制手柄上的“STOP”關(guān)閉主機(jī)開關(guān)第四十七頁，共51頁。一．進(jìn)樣流程首先Vent工藝氮?dú)獯蜷_進(jìn)樣室的蓋子，將樣品放置在托盤上，抽進(jìn)樣室真空，再充氮?dú)庵烈粋€(gè)大氣壓。再充主腔室氮?dú)庵?個(gè)大氣壓，在Actions界面(1)中ventreactor中點(diǎn)Start,開始充氣，進(jìn)Deposit界面觀察Vent后氣壓變化等到Diffpressuresp為15hPa后，點(diǎn)Actions界面內(nèi)(1)點(diǎn)cancel終止充氣。開反應(yīng)腔ChamberLID點(diǎn)OPEN(將反應(yīng)腔的上蓋打開，準(zhǔn)備接受樣品)回到Loadlock界面Handyman中可以看到三個(gè)綠燈是亮的）點(diǎn)Loadwafer,閘板閥打開，將傳送桿手動(dòng)拉到最左端，這時(shí)在主室可以看到樣品已經(jīng)傳送至反應(yīng)腔正下方，然后點(diǎn)Pickwafer,將樣品放置到反應(yīng)腔的托盤上。再把傳送桿拉到原始位置，之后關(guān)閉閘板閥。最后去Actions界面點(diǎn)CLOSE關(guān)閉反應(yīng)腔。點(diǎn)Actions界面的EvacuateReactor抽主腔室的真空，直到觀察IMspace至10hPa左右。ALD操作流程第四十八頁，共51頁。1.在MANUAL-（2）頁內(nèi)手動(dòng)加熱TE2設(shè)置反應(yīng)溫度TE1max設(shè)定加熱電阻溫度（比反應(yīng)溫度高150°C）到Deposit頁面看到左上方六個(gè)方框全綠時(shí)點(diǎn)START，(此時(shí)設(shè)備旁報(bào)警燈為綠色（之前為黃色）2．點(diǎn)擊LID關(guān)反應(yīng)腔室的蓋子，SoftPumpdown.V2開（抽速慢）Main