原子層沉積培訓PPT

1、原子層沉積培訓公共技術平臺2014-8-29趙華波培訓類容ALD技術原理介紹ALD的特點及應用ALD的工藝流程單原子層沉積（atomic layer deposition，ALD），起初稱為原子層外延），起初稱為原子層外延(Atomic Layer Epitaxy)；最初是由芬蘭科學家提出并用于多晶熒光材料；最初是由芬蘭科學家提出并用于多晶熒光材料ZnS:Mn以及非晶以及非晶Al2O3絕緣膜的研制，這些材料是用于平板顯示器。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雜的表面化學過程和低的沉積速度，直至上世紀80年代中后期該技術并沒有取得實質性的突破。年代中后期該技術并沒有取得實

2、質性的突破。但是到了20世紀世紀90年代中期，人們對這一技術的興趣在不斷加強，這主年代中期，人們對這一技術的興趣在不斷加強，這主要是由于微電子和深亞微米芯片技術的發(fā)展要求器件和材料的尺寸不斷要是由于微電子和深亞微米芯片技術的發(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納米數(shù)量級。因此原子層沉積技術的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來，如單原子層逐次納米數(shù)量級。因此原子層沉積技術的優(yōu)勢就體現(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，而沉積速度沉積，沉積層極均勻的厚度和優(yōu)異的一致性

3、等就體現(xiàn)出來，而沉積速度慢的問題就不重要了。慢的問題就不重要了。前言典型的ALD沉積過程Al2O3沉積過程沉積過程典型的ALD沉積過程TiO2沉積過程沉積過程ALD設備示意圖ALD技術的主要優(yōu)勢前驅體是飽和化學吸附，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計量薄膜，作為臺階覆蓋和納米孔材料的涂層 可輕易進行摻雜和界面修正 可以沉積多組份納米薄片和混合氧化物 薄膜生長可在低溫（室溫400oC）下進行 固有的沉積均勻性，易于縮放，可直接按比例放大 可以通過控制反應周期數(shù)簡單精確地控制薄膜的厚度，形成達到原子層厚度精度的薄膜 對塵埃相對不敏感，薄膜可在塵埃顆粒下生長 可廣泛適用于各種形

4、狀的基底 不需要控制反應物流量的均一性ALD技術的優(yōu)勢示意圖各種薄膜沉積方法比較：ALD應用 原子層沉積技術由于其沉積參數(shù)的高度可控性（厚度，成份和結構），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域具有廣泛的應用潛力。 而且隨著科技的發(fā)展在不遠的將來將會發(fā)現(xiàn)其越來越多的應用。根據(jù)該技術的反應原理特征，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、各類半導體材料和超導材料等半導體及納米電子學應用晶體管柵極介電層（high-k）晶體管柵極介電層是ALD的一個重要應用領域。Intel處理器就是應用了ALD方法制備的高k的HfO2晶體管柵極介電層。而

5、對于32nm以下技術節(jié)點來講，材料的揮發(fā)性，輸運方式以及純度等問題更變得至關重要。Intel和IBM已經(jīng)同時宣布使用鉿基材料作為柵極高k絕緣介質，加速CMOS制造工藝的革命。優(yōu)點：缺陷少、均一、厚度可控、可形成無定形包覆，可厭氧反應。應用如：GaAs/AlGaAs等異質結構、晶體管、電子管、HfO2、ZrO2、Al2O3、LaAlO、GdScO3等。金屬柵電極（metal gate） 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用ALD方法。 這種方法是用金屬取代半導體多晶硅電極柵以消除層間損耗，優(yōu)化功能，防止與高k電介質柵的反應。 優(yōu)點：有晶體管柵極介電層的所有優(yōu)點，另外

6、他對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用。 應用如：Ru, WN,Pt, RuO, TaN, TiN, HfN等金屬的連接大規(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雜的結構中。應用如：Cu, W, Ru等。 互連線勢壘層金屬銅擴散到大規(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散勢壘，由于大部分結構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。應用如：WN, TaN, Co.等。光電材料及器件防反射應用防反射包覆在光學產(chǎn)

7、業(yè)中相當重要。他常常由高低反射層構成，如SiO2-ZrO2或SiO2-TiO2。過去應用蒸發(fā)技術沉積包覆層，但是包覆層的準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，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技術能在復雜的基體表面達到較高的一致性，有效的提高了防反射能力并且降低了成本。而且，ALD技術能在基體的兩個面上同時進行包覆有機發(fā)光顯示器反濕涂層 一層用ALD技術沉積的Al2O3膜就能強烈地阻止水蒸氣對OLED的侵蝕。 除了防潮層以外，透明導電電極同樣可用ALD技術制備，ZnO原

8、子沉積晶體管柵極介電層薄膜已經(jīng)成功制成MEMS微機電系統(tǒng)1 保護膜2 憎水涂層3 反刻蝕涂層ALD應用實例+=用啤酒和水沉積的Al2O3Al2O3grown with H2O/TMAAl2O3grown with beer/TMACMOS High-k DielectricsSemiconductor MemoryGate dielectrics non-Si devicesALD Lift-off TechnologyApplications: High Aspect RatioCross section of Si foam with a pore size of 50nm, shown

9、a coating of Al2O3extending 100um into the holes. Film shows capability of coating into 2000:1 aspect ratio features.Bulk SiO2 with no AlEnd of Al2O3 layerAl2O3 coated foamWith very little SiFoam surfaceNanotube FormationButterfly PC WaveguideMorpho PeleidesbutterflyWing photonic latticeButterfly PC

10、 WaveguideButterfly PC WaveguideGate-Controlled p-n Junction of Graphene原子原子層沉積系統(tǒng)層沉積系統(tǒng) (Atom Layered Deposition)品牌品牌 / 型號型號: PICOSUN / SUNALE R-200關鍵參數(shù)：關鍵參數(shù)：1.前驅體： 固態(tài)，氣態(tài)，臭氧，等離子體 具有六根獨立源管線，最大加載十二個前驅體源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：可達到5004.載氣類型：高純氮氣開機：1.開啟ALD泵和ALD主機電閘2.檢查循環(huán)冷卻水是否正常進水閥門進水閥門出水閥門出水閥門開

11、啟開啟氮氣氮氣（液氮）（液氮）閥閥門門壓縮空氣閥狀態(tài)為開壓縮空氣閥狀態(tài)為開開啟氣體閥（開啟氣體閥（Ar,高純氮）高純氮）3.開啟氮氣（液氮）和氣體閥工藝流程登陸界面主腔室真空加熱溫度樣品臺溫度進樣室真空固態(tài)源氣路氣態(tài)源氣路氣態(tài)源氣路主腔室管道氣路 載氣：高純氮氣 載氣：高純氮氣啟用Load Lock1.啟用Load Lock2. 編寫和調(diào)用RECIPE調(diào)用調(diào)用RECIPE工藝管道工藝管道流量設置流量設置溫度設置溫度設置（1）頁面1設置（2）頁面2設置設置反應設置反應 次數(shù)和反應源次數(shù)和反應源（3）頁面3設置設置各個氣路管道的反應源名稱和溫度（4）頁面4設置設置各個氣路管道的載氣流量和狀態(tài)（5）

12、頁面5設置固態(tài)源時需設置管道狀態(tài)為Master3.放置樣品(1)首先Vent工藝氮氣進入LoadLock，打開進樣室蓋子后將樣品放在托盤上。給主腔室充氣至一個大氣壓。點擊CHANBER LID欄上的“OPEN”，將反應內(nèi)腔升起。給主腔室充氣給主腔室充氣給給LoadLock充氣充氣(2)手動給LoadLock腔充氣，當主腔室（已充氣）和LoadLock之間的壓強差小于10hPa時，開始傳遞樣品。按如下順序進樣：點擊“LOAD WAFER”按鈕確認傳送桿的位置開啟真空閥門傳送樣品確認傳送桿的位置將樣品放置到反應腔支架將傳送桿抽回確認傳送桿在初始位置關閉真空閥門進樣完畢4.工藝前的準備工作（1）進樣

13、后首先點“CHAMBER LID”欄的”CLOSE”關上反應腔（2）隨后在“EVACUTE REACTOR”欄點擊“START”抽反應腔真空（3）在MANUAL 菜單的（2）頁面內(nèi)設置工藝溫度TE2為樣品臺的設置溫度TE1max.為加熱溫度（一般比TE2高150）設置固態(tài)源瓶溫度設置工藝溫度注意：此處所設置的溫度要與RECIPE中的溫度設置一致，否則將執(zhí)行RECIPE 的設置溫度反應腔的升溫溫度較慢，一般在1個小時以上5.工藝過程點擊“START”檢查反應腔是否關上檢查溫度是否穩(wěn)定到設置溫度這幾個步驟自動進行完成后會變成綠色溫度穩(wěn)定時間倒計時實際工藝時間在工藝開始前一定要開源瓶！工藝結束后一定

14、要關閉源瓶！關閉源瓶關閉源瓶點擊“Unload”后自動反應腔充氣打開反應腔點擊“UNLOAD WAFER”按鈕確認傳送桿的位置開啟真空閥門將傳送桿伸入到反應腔將樣品放置到反應腔支架將傳送桿抽回確認傳送桿在初始位置關閉真空閥門6.取樣品取完樣品后將LOADLOCK腔抽真空7.清洗管道注意：清洗管道前一定要再確認一下源瓶處在關閉狀態(tài)！否者清洗時會將源瓶內(nèi)的源帶出，堵塞管道，更換管道將花費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8.關機（1）將反應腔溫度和管道溫度設為室溫（2）確認反應腔已抽真空（3）點擊“Shutdown”關機3.關閉關閉ALD泵和泵和ALD主機電閘主機電閘關

15、閉氮氣（液氮）和氣體閥關閉氮氣（液氮）和氣體閥關閉氣體閥（關閉氣體閥（Ar,高純氮）高純氮）2.關閉氮氣（液氮）和氣體閥關閉氮氣（液氮）和氣體閥（4）關閉主機開關和機械泵）關閉主機開關和機械泵點擊機械泵控制手柄上的點擊機械泵控制手柄上的“STOP”關閉主機開關關閉主機開關一進樣流程一進樣流程首先Vent工藝氮氣打開進樣室的蓋子，將樣品放置在托盤上，抽進樣室真空，再充氮氣至一個大氣壓。再充主腔室氮氣至1個大氣壓， 在Actions界面(1)中vent reactor中點Start,開始充氣，進Deposit界面觀察Vent后氣壓變化等到Diff pressure sp為15hPa后，點Actio

16、ns 界面內(nèi)(1)點cancel終止充氣。開反應腔Chamber LID點OPEN(將反應腔的上蓋打開，準備接受樣品)回到Loadlock界面Handyman中可以看到三個綠燈是亮的）點Load wafer,閘板閥打開，將傳送桿手動拉到最左端，這時在主室可以看到樣品已經(jīng)傳送至反應腔正下方，然后點Pick wafer,將樣品放置到反應腔的托盤上。再把傳送桿拉到原始位置，之后關閉閘板閥。最后去Actions界面點CLOSE關閉反應腔。點Actions界面的Evacuate Reactor抽主腔室的真空，直到觀察IMspace至10hPa左右。ALD操作流程操作流程1.在MANUAL-（2）頁內(nèi)手動

17、加熱TE2 設置反應溫度TE1 max 設定加熱電阻溫度（比反應溫度高150C）到Deposit 頁面看到左上方六個方框全綠時點START，(此時設備旁報警燈為綠色（之前為黃色）2點擊LID 關反應腔室的蓋子，Soft Pumpdown. V2開（抽速慢）Main Pumpdown. V1開（抽速快）3.Heating狀態(tài)燈為亮，反應腔開始升溫，直到預設溫度。4.這時一定要將源瓶打開（閥門開兩圈即可）5.Temperature Stabilization 5min 看源瓶內(nèi)是否有剩余Actions 頁-(2)檢測每個源的蒸發(fā)量，看脈沖閥每次的量是否均勻換瓶前手動開關閥門，直到每次的蒸發(fā)量脈沖穩(wěn)定為止。二工藝操作二工藝操作三三. 卸載（卸載（Unload）1.關閉源瓶，按Venting按鈕給主腔室充氣至1個大氣壓（氣壓穩(wěn)定后1min，可以開閥）2.