濺鍍與真空蒸鍍的差異:原理、階梯覆蓋率、附著性、合金組成比較

兩者都是將固體材料變成原子飛出、附著在晶圓上的PVD(物理氣相沉積)。濺鍍以電漿中的氬離子撞擊靶材,讓被撞出的原子沉積。真空蒸鍍則在高真空中,以電阻加熱或電子束加熱材料使其蒸發。濺鍍容易維持合金組成、附著性也好,因此是晶片配線與阻障金屬的主流。蒸鍍則利用原子直線飛行的性質,用於以剝離(lift-off)形成電極等。

項目濺鍍真空蒸鍍(電阻加熱・電子束)
原子飛出的原理以電漿中的Ar離子撞擊靶材,撞出獲得動量的原子以電阻加熱或電子束加熱材料使其蒸發
壓力與原子能量約0.1〜1 Pa的氣體中。到達的原子一般為數eV〜數十eV高真空(參考值10⁻⁴ Pa以下)。到達的原子約0.1 eV,能量低
階梯覆蓋率偏低(比蒸鍍好)。以離子化濺鍍或準直器改善孔底的沉積非常低。原子直線前進,無法到達被遮住的部分
附著性與膜質好。容易形成緻密的膜多半不如濺鍍。可藉加熱基板等改善
合金與化合物的組成可沉積出與靶材幾乎相同的組成。也可用反應式濺鍍形成氮化物等因各成分蒸氣壓不同,組成容易偏移(以多個蒸發源同時蒸鍍來調整)
沉積速率磁控濺鍍可達實用的速率。依材料而異一般容易提高
對基板的影響暴露於電漿與高能粒子,可能造成加熱或損傷基板溫度上升較小。電子束蒸鍍須注意X光造成的損傷
主要用途晶片配線(Al、Cu)、阻障金屬(Ta、TaN、TiN)、Cu晶種層、矽化物用的金屬以剝離形成電極(化合物半導體等)、研究開發、OLED的發光層

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

濺鍍
想在大尺寸晶圓上形成均勻、附著性好的膜,或想形成合金或氮化物的膜時使用。晶片配線製程中的金屬膜大多以濺鍍沉積。
真空蒸鍍
適合只想讓膜從正上方附著的剝離製程、高純度的膜,以及不想以電漿損傷的材料的沉積。使用電子束時,高熔點金屬也能蒸發。

常見問題

為什麼晶片配線主要使用濺鍍?

因為能以與靶材幾乎相同的組成沉積合金或化合物,膜緻密、附著性好,也容易在大尺寸晶圓上均勻沉積。加入氮氣的反應式濺鍍,也能形成TiN或TaN的阻障金屬。

為什麼蒸鍍適合剝離製程?

蒸鍍時原子幾乎直線飛行,光阻側壁幾乎不會附著膜。因此溶掉光阻時,只有其上方的膜會乾淨地脫落,圖案部分的膜則留下。濺鍍會連側壁也附著膜,不易乾淨地斷開。

電阻加熱與電子束蒸鍍有何不同?

電阻加熱是對裝有材料的金屬舟等通電加熱的簡單方法,但高熔點材料不易蒸發,也可能受到舟的污染。電子束蒸鍍將電子束集中照射在材料上,因此高熔點金屬或氧化物也能蒸發,污染也較少。

如何讓膜沉積到深孔內部?

濺鍍可將飛出的原子離子化、以偏壓垂直吸引,或使用準直器,改善孔底的沉積。仍不足時,則使用以表面反應沉積的CVD或ALD。

理解度檢測

濺鍍(sputtering)所進行的薄膜沉積,屬於下列何者?

  1. APVD(物理氣相沉積)
  2. BCVD(化學氣相沉積)
  3. C熱氧化
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正確答案:A. PVD(物理氣相沉積)

濺鍍是將氬等電漿中的離子以數百V加速並撞擊靶材,使接受動量而被擊出的原子沉積在晶圓上的方法,不使用化學反應,屬於物理現象,因此歸類為PVD(物理氣相沉積)。用於金屬配線、阻障金屬(Ta、TiN等)、Cu的晶種層、電極等的成膜。CVD是利用原料氣體的化學反應,熱氧化則是矽本身的氧化。

關於真空蒸鍍的說明,下列何者正確?

  1. A利用原料氣體的化學反應沉積薄膜
  2. B使金屬在電解液中析出
  3. C在真空中加熱材料使其蒸發,附著於基板
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正確答案:C. 在真空中加熱材料使其蒸發,附著於基板

真空蒸鍍是以電阻加熱或電子束加熱材料使其蒸發,讓原子在約10⁻⁴ Pa以下的真空中飛行並附著於基板的PVD。裝置相對簡單且可得到高純度的薄膜,但原子直線飛行,階梯覆蓋率低,合金的組成也容易偏移,因此LSI的配線主要使用濺鍍。用於化合物半導體電極形成的掀離(lift-off)、有機EL發光層的成膜等。

關於以電子束加熱材料的真空蒸鍍之優點,下列何者正確?

  1. A連高熔點材料也能蒸發
  2. B階梯覆蓋率非常高
  3. C利用原料氣體的化學反應形成薄膜
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正確答案:A. 連高熔點材料也能蒸發

電子束蒸鍍是將以數kV加速的電子束集中照射材料來加熱,因此連電阻加熱難以熔化的鎢、鉬、氧化物等也能蒸發,且來自坩堝的污染也較少。蒸發出的原子直線飛行,階梯覆蓋率低,利用這項性質,可先在光阻上成膜,再連同光阻一起去除不需要的部分,以掀離法製作電極。

  1. 在濺鍍或蒸鍍等PVD中,深溝槽的側壁或底部不易附著薄膜,其主要理由為下列何者?
  2. 與真空蒸鍍相比,關於濺鍍的優點,下列何者正確?
  3. 關於成膜中階梯覆蓋率(step coverage)的說明,下列何者正確?

前往薄膜沉積(CVD與PVD)的練習題

相關名詞的解說

濺鍍
PVD的一種,使電漿中的離子撞擊靶材,將被撞出的原子沉積在晶圓上。
真空蒸鍍
在真空中加熱材料使其蒸發,附著於基板上形成薄膜的方法。若以電子束加熱,也能處理高熔點材料,但階梯覆蓋率較低。
磁控濺鍍
在靶材背面放置磁鐵,以磁場將電子約束在靶材附近,提高電漿密度的濺鍍。可提高成膜速率,是現今濺鍍設備的主流。
反應式濺鍍
在含氮或氧等反應性氣體的氣氛中濺鍍金屬靶材,製作氮化物或氧化物薄膜的方法。用於氮化鈦(TiN)等的成膜。
階梯覆蓋率
表示薄膜在階梯與孔洞的側壁和底部,相較於平坦部分能以多均勻的厚度成膜的指標。ALD表現非常好。
阻障金屬
設置在銅導線周圍,防止銅擴散進絕緣膜或矽中的金屬薄膜。如Ta或TaN等。
晶種層
以電鍍填入銅之前,先以濺鍍等方式薄薄形成的銅膜。成為讓電鍍電流通過的導電層。

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