声表面波器件工艺原理-2镀膜工艺原理

声表面波工艺原理 第二章 镀膜工艺原理 Page 1 of 6 二，声表器件真空镀膜工艺原理：真空镀膜是声表面波器件制作的一个关键工序。由于激发压电体表面波需要一个金属叉指电极换能器，因此必须在基片表面生长一层金属膜，对这层薄膜的要求是薄、均匀、与基片粘附性好且不会与基片生成有害化合物、便于超声或热压键合、薄膜淀积和光刻成型简单。纯铝是目前常用的金属材料，电子束镀膜和磁控溅射是目前常用的成膜方法。（一）电子束镀膜：1，电子束镀膜原理：电子束镀膜属真空蒸发技术，必须在高真空条件下进行。如果在真空室残留大量气体分 子，则会：a）残留的水气、油气、空气分子会附着在片子表面，影响膜与片子的粘附。b）蒸发粒子受气体分子碰撞几率增多，会改变其直线运动方向，使蒸发粒子与基片表面结合的能量减小，影响蒸发速率，影响平整均匀金属薄膜的形成。c）残余气体分子会与蒸发源、蒸发粒子反应生成化合物，影响蒸发速率，影响薄膜质量。为了获得良好薄膜，通常要求真空度应大于 1.310-3Pa，蒸发源与衬底间的距离应保持在分子平均自由程的 1/10 以下。（有经验数据，电子束镀膜的源衬距离小于 35cm，溅射镀膜的源衬距离小于 10cm。仅供参考。）电子束镀膜是利用高能聚焦电子束打到铝源表面，使之熔化分解为原子或原子的集合体，蒸发到基片表面，形成薄膜。目前使用的主要是 e 型枪（即 270偏转电子枪）电子束蒸发装置，它主要由发射电子的电子枪体和使电子作圆周运动的均匀磁场两部分组成。电子束在磁场作用下，穿过加速极阳极孔飞入磁场空间。调节磁场强度，制控电子束偏转半径，准确打到坩埚内的铝源上，将电子的动能转变为热能，使铝熔化并蒸发；而一部分从铝源表面反射出来的电子受磁场作用偏转，被接地阳极吸收，避免了高能电子对基片表面的损伤。同时，铝原子被高能电子撞击会使其外层电子发生跃迁变成正离子，在磁场作用下，正离子流发生偏转；为避免铝正离子流粘污绝缘子，使高压短路；一般采用240-270电子束偏转角。（另外铝原子的电子跃迁（二次电子）会对基片产生辐射损伤，在铝源还为固态时，更易引起电子跃迁。有试验表明，为减少辐射损伤，在保证蒸发速率足够大时，应尽量采用大电子束流、低加速电压的工作方式。对电子束蒸发引起的基片表面辐射损伤，可用退火方法消除。）2，电子束蒸发的质量控制：1）镀膜前的清洗：为了保证铝膜与基片的良好粘附性，镀膜前一定要把基片（与金属膜接触部分）清洗干净。装机前常采用湿法清洗，清洗后要尽快将基片装入真空室；装机后的清洗主要是高真空高温处理及氩离子清洗，其温度和离子能量视基片情况而定。具体清洗办法见“清洗工艺原理”。2）对膜面质量要求：良好的铝膜应光亮如镜，如果表面发乌或呈雾白色，表明铝膜已氧 化，这样的铝膜接触电阻大，且光刻困难，并易造成压焊虚焊。导致铝膜氧化原因有：a）真空度偏低或扩散泵返油。(真空泵抽气速率低或有微漏)b）蒸发源氧化层没挥发完即过早的打开档板。c）取片时充气用的氮气纯度太低（应大于 99.9%）。d）蒸发速度过小。3）蒸发速率的控制：蒸发速率是获得高质量铝膜的重要因素。高真空下（1.310-3Pa 以上），真空室残存的气体分子主要是水分子，它们不断的与器壁和基片发生碰撞，真空度等声表面波工艺原理 第二章 镀膜工艺原理 Page 2 of 6 于 2.6710-3Pa 时，其碰撞密度（单位时间内落在单位面积上的分子数）是 9.81015/cm.s，当温度 T=300K 时，水分子的碰撞密度相当于每秒钟在基片表面形成 9 个单分子层，即淀积速率达 27A/s（水分子直径为 3A）；而同时，处于高温状态下的铝原子是与水分子一起落到基片，当两者速率可比时，铝膜会严重氧化。实际蒸发中，若真空度为 310-3Pa，铝的淀积速率应在 250A/s 以上，即约为水分子淀积速率的 10 倍，在此条件下制备的铝膜才光亮、易键合。对不同真空度，必须控制不同的蒸发速率；铝膜蒸发的质量保证速率为：R（A0/s）=1.8105P，其中 P 为真空度，单位为 Pa。淀积速率并不是越大越好，过大的速率会在基片表面形成原子团淀积小丘，影响光刻，且厚度不易控制。4）对镀膜时基片温度的控制：薄膜的性质与蒸发时的基片温度密切相关，较高的温度 可使蒸发铝膜与基片粘附的更好；提高基片温度也容易获得大晶粒的铝膜结构（100晶粒直径为 1.2 微米，400晶粒直径为 8 微米），有利于提高抗电迁涉能力。但如果温度过高，晶粒过大，会造成光刻困难；同时由于基片（LN、LT）的热释电特性，温度太高，会造成裂片；所以镀膜时温度一般宜选在 150以下。5）合金化工艺：合金化的目的是改进金属薄膜与基片的粘附性，同时对在电子束镀膜 时引起的表面辐射损伤起退火消除作用。合金化的关键是合金的温度和时间（合金化温度应低于铝与基片的共熔点），该工艺的实施应根据铝膜和基片的特点及器件性质、生产实际等具体选择控制。6）膜厚控制：由于膜厚决定器件特性，所以对膜厚的精确控制至关重要。决定膜厚的 因素很多，如电子束束流、加速极电压、镀膜时间、源距、真空度等；为此我们常采用在线测试的方法来控制铝膜厚度。a）在线膜厚测试介绍：*石英振荡厚度测试法：它是根据石英晶体振荡片固有频率变化与淀积在石英片上的金属质量有关这一原理测厚；如果金属密度一定，固有频率的变化则与金属厚度成比例。固 有频率变化与蒸镀金属厚度的关系可表示为：T=-fNj/f2jm 式中：f(HZ)：石英晶体固有频率；N(KHZmm)：频率系数，对 AT 切割晶体（即膨胀系数最小的方向）其值 1670；jm(g/cm3)：淀积金属的密度；j（g/cm3）：石英晶体的密度；f（HZ）：频率变化；T（m）：淀积金属的膜厚；在上式中当 f 变化很小时,f 与 T 有线性关系。由于石英晶体具有压电效应，因此在晶体片两面装上电极，便可实现由机械量至电学量的转换而进行测量（因金属薄膜的密度与手册中的体金属密度有偏差，测量时需做校正）。实际应用中，石英测厚仪可由微处理机控制，不但能测量膜厚和淀积速率，而且还能自动控制膜厚。使用此仪器时，石英探头应放在被镀工件的附近，并在同一水平面；并且源最好在下，工件在上；为避免石英振荡片的频率因温度变化而变化，石英探头应通冷水冷却；由于石英片的振荡输出对片的污物极为敏感，注意装石英片时不要用手直接接触。此方法测试精度较高，误差仅为 1%；因溅射台在溅射时有电噪声，测量难以进行，故仅适用于蒸发镀膜。*电阻法：该测量法误差较大。它是以四探针测量或电桥法测量为基础，根据薄膜电阻与淀积薄膜厚度成反比关系，事先用触针法测膜厚，作好测定的阻值与膜厚的校正曲线，在淀积过程中用四探针测量样品上的电阻，然后从薄膜电阻值的变化查得膜的厚度。测试样品采用玻璃板制作，可在玻璃片上镀银作四个电极，然后用导电胶与外引线粘接。监测时先蒸发2000埃与蒸发膜相同的金属，使薄膜上流过1-10mA电流,用数字伏特计测电压,计算得电阻,然后根据校正曲线实现检测。数字伏特计位数不够时可用电桥法。声表面波工艺原理 第二章 镀膜工艺原理 Page 3 of 6 *透光法：利用透光量随膜厚变化，通过测量光敏电阻的阻值变化控制薄膜厚度。b）对非在线膜厚测量介绍：*触针法（台阶仪）：它是把表面光洁度测量方法用于膜厚测量，精度可达 10A左右。此系统装有金刚石探头与被测样品接触，探头在被测样品表面的移动，将表面高低不同的形貌变成探头的上下移动，通过电路转换成电信号并放大，在 X-Y 记录仪上画出表面轮廓，以最直观的形式求出膜厚。此法对样品的要求是金属膜与样品基片表面要有一个台阶，此台阶的形成可用光刻法刻出或在镀膜时将样品基片的一部分用覆盖物遮盖。由于触针针头曲率半径的影响（目前最小作到 1），故在观察到的凹陷前端比实际浅，而观察到的凸起前端成圆形。*涡流磁场法：JM 系列铝膜测试仪（公司现用仪器）是利用涡流原理制造，即被测蒸铝层靠近高频激励磁场时，感应产生涡电流，从而产生涡流磁场，此涡流磁场反作用于原来激励磁场，使传感器阻抗发生变化，然后通过检测电路并进行放大，输出与膜厚相对应模拟电压。为减少漂移和提高测量准确度，该仪器采用了单片机系统，对测厚过程中 的非线性和零飘移进行校正。7）影响膜厚均匀性的因素：膜厚均匀性是影响声表器件一致 性的重要因素。点源的基片膜厚为 t=mcosQ/4r2，其均匀性与蒸发距离r及r与基片法线夹角Q有关；面源的基片膜厚为t=mh2/（h2+j2）2，其均匀性与 j 及 h 有关，并随 j（与基片中心距离）的变大而变薄。（m 为总质量，为密度）a）真空度影响：膜厚均匀性与蒸发分子到达基片的路径中受 残余气体碰撞几率有关。当气压变化 10%，基片中心与边沿膜厚变化 1%，提高真空度可改善膜厚均匀性。b）基片温度的影响：因加热源的位置及能量大小等影响，使夹 具的中间和边沿部分的温差达 30 度，由于凝聚系数的差异，温度高的地方膜厚比温度低的膜厚薄。通过试验，改善温度场分布。c）基片与蒸发源相对位置的影响：无论采用点源或面源，平面 夹具的均匀性都很不理想，平面中心膜厚，边沿膜薄；但若使用球型夹具，均匀性明显改变。对具有方向性的面源，只要蒸发源位于球面夹具的球面；对点源，只要蒸发源位于球心；都能得到较均匀的膜厚。d）基片旋转的影响：如需更均匀的膜厚，则须考虑基片架的公 转、基片夹具的自转及遮蔽板技术。公转是为了解决基片在真空室不同位置的膜厚均匀性，自转是为了改变基片的镀膜角度，所谓遮蔽板技术是指在普通蒸发条件下，蒸发分子是直线前进的，只要我们在基片下面放置一块合适的遮蔽板，让不必要（多余）的分子淀积在遮蔽板上，从而改变基片上的膜厚分布。利用均匀性遮蔽板技术要通过不断实验、测试、修整，才能得到良好效果。e）如要保证炉炉之间的均匀性，还需注意源量及源液面高、真空度、束流、温度、镀 膜时间、夹具转速等等每次都基本一致。（二）溅射：溅射方法有多种，如两极直流溅射、高频溅射、等离子体溅射、磁控溅射等。1，溅射基本原理：它是用高能粒子（由电场加速的正离子）冲击固体靶的表面，靶原子与这些高能粒子交 换能量后从靶面飞出，淀积在基片（阳极）形成薄膜。溅射与蒸发相比，由于淀积粒子的能量较高，膜与基片的粘附性更好；溅射膜的合金成分与靶的合金成分比例基本相同；因溅射声表面波工艺原理 第二章 镀膜工艺原理 Page 4 of 6 电压较低，降低了对基片的辐射损伤。在放电气体（Ar）压力为 10-10-2torr 的溅射室内，两电极（阳极：基片，阴极：靶）之间加上高电压，就出现辉光放电，产生大量电子和正离子，这些离子在电场作用下被加速，最后撞击到阳极上，将靶材原子溅射出来。每个正离子能从阴极打出的平均原子数，称溅射系数 S（溅射率），单位为：原子/离子。溅射系数随离子质量的增大而增加，在惰性气体轰击离子中，Kr 和 Xe 的溅射系数较大，但 Ar 易获得，所以应用广泛。溅射系数与轰击粒子能量之间的关系大致分为三个区域，第一区域为低压区，此时几乎不发生溅射，第二区域的溅射系数随电压上升而增加，离子能量在 70-104eV，第三区域溅射系数随电压上升而下降，离子能量在 3104eV 以上，这是由于高能离子注入到靶材内部，大部分能量损耗在靶材体内的缘故。溅射系数还与气体压力有关，首先随放电气体压力增加而增加，接着随放电气体压力增加而减少，这是由于放电气体压力增加，溅射粒子与气体分子碰撞而返回靶表面，但当气体压力又降低时，返回现象消失，溅射系数不再随气压而变。另外不同的靶材有不同的溅射系数，500eV 氩离子对铝的溅射系数为 1.05 原子/离子。2，二极直流溅射：它是以真空室为放电管，充入放电用的气体，产生两极直流辉光放电实现溅射。溅射台真空系统的结构与真空蒸发设备相似，不同的是溅射室中装有放电气体导入口，气体微调阀及产生辉光放电所需的高压电极。阴极（靶）为溅射源，阳极用不锈钢制成，通常接地，基片放在阳极上。溅射时，首先对阴极通冷却水，抽真空到 1.3mPa,充 Ar，调节氩气到设定压力，关上档板（接地），打开高压，在档板和阴极间放电，以便将靶（阴极）表面的污染剥除干净，打开档板，对基片溅射淀积到预定膜厚，关高压及氩气。决定溅射速率的因素是：两极间的距离、放电气体压力、放电电压和放电电流。当两极间距增大时，则阳极板中心的溅射速率大；当两极间距减小时，则阳极板边沿的溅射速率大；只有同时调好两极间距及放电气体压力，膜厚才能获得批内均匀性。通常放电气体压力为13.3-1.3Pa，放电电压为 1-5KV，在此范围溅射率变化不大，薄膜淀积速率大致与放电电流成正比。直流二极溅射虽简单，但放电不稳；要求气体压力高（因此靶原子与气体分子碰撞严重，导致薄膜欠纯）；基片（阳极）必须接近阴极，这样阴极的二次电子发射与热辐射会引起基片较高温升；并且，由于放电电压较高，使基片辐射损伤严重。3，高频溅射：可避免直流二极溅射存在的问题，还可溅射淀积绝缘膜，而直流溅射则不能，这是由于Ar+撞击到绝缘靶材上，正电荷便堆积在靶表面，排斥后来的正离子继续向靶面轰击，使溅射无法进行。为实现绝缘材料的溅射，可使绝缘靶背面附着在一个金属电极上，加高频电压使绝缘靶体中感生位移电流，将堆积于表面的正电荷中和掉；此高频电压由高频震荡器产生，通过匹配网络加到靶上。高频溅射的效率依赖于高频震荡器的频率，频率太低，则绝缘靶的阻抗太大，感应电压太低，溅射无法进行；频率太高，则匹配困难。常用频率为 13.56MHz，高频溅射电压在0-2KV范围；当放电气压太低不发生放电时，可适当提高压力到13.3-1.3Pa，使之开始放电，然后可降低真空室压力到 0.13Pa 左右.4，磁控溅射：1）磁控溅射原理：磁控溅射是一种新型的溅射技术，它是建立在二极溅射的基础上，即在阴极的后面设置一永恒磁铁或电磁铁，从而产生一个靠近且平行于靶表面的磁场，此磁场同阳极和阴极间的电场相垂直；在电场和磁场的共同作用下，电子（主要是二次电子）在磁力线和靶表面所包围的狭小空间作螺旋运动，这就大大提高了电子与溅射气体分子的碰撞几率，使离化率大大提高，使溅射速率提高一个数量级。声表面波工艺原理 第二章 镀膜工艺原理 Page 5 of 6 2）磁控溅射与其它溅射技术相比特点如下：在较低电压（300V-700V）及溅射压力（0.13-1.3Pa）下可获得较大的溅射率,溅射速率高；溅射膜质量好，溅射重复性好；溅射时基片温度低，受辐射损伤轻；可采用直流电源和射频电源（采用射频电源可溅射非金属材料）。3）影响溅射速率的因素：离子流密度（靶接受离子流密度越高，速率越高）；离子能量（与电压有关）；溅射气压（该气压有一最佳值，刚开始，速率随气压增加而增加，气压继续增加，速率反而减小）；溅射气体原子量；靶材；磁场形状和强度（在溅射过程中，靶面不是被均匀剥蚀，磁场的形状和强度不同，被剥蚀的形状和程度也不同，被剥蚀的面积越大，溅射率就越高）；靶的冷却速率；靶衬间距与气压的配合（一般情况下，间距较小时需气压较高）。4）几种常见的质量控制问题：a）等离子体辉光放电不正常：*放电不稳：靶快耗完；Ar 气压太低或太高；功率太低或太高；磁场太强。*放电颜色不正常（电弧区颜色由淡红兰色变为微红色）：真空度不高或漏气。*等离子放电有闪光：新靶表面氧化层没清除干净或表面存在脏斑、微粒；系统漏气，铝靶面氧化。b）铝膜表面颜色灰暗：真空度低；予溅射不充分；氩气不纯（应99.99%）；对新托板或新处理的托板没进行予淀积；极限真空度低（系统微漏）；基片没清洗干净；靶冷却水不足或靶温度太高；溅射前对系统预热去气不够或对基片预热温度过高、时间太长。c）可焊性差的原因：铝氧化（铝含氧量与硬度成正比关系）；铝膜太薄；腐蚀铝时，铝膜染色。d）均匀性差的原因：等离子体放电不稳；靶衬间距（即两极间距）与气压配合不当，均匀性档板没调好。（三）讨论：1，剥离工艺对电子束镀膜的要求：为保证剥离顺利进行及条宽偏差，剥离液与待剥离 光刻胶须均匀充分接触，因此要求倒梯形胶的侧面不应有被蒸发的金属；当同时要求光刻条宽偏差 arc tg（100h/r）。其中 h 为倒梯形的高（即胶厚），r 为倒梯形的下底（即光刻条宽）。在保证条宽偏差 arc tg（100h/r）。此时，源、片距离j 与蒸发面积直径 d 和入射角 a 有如下关系：cos a d/2 j，由式可见，j 越大，蒸发面积越大。由于溅射靶为面源，且源、片间距很近，所以溅射不适宜于剥离工艺。2，关于尖峰现象与电迁移：有文章讲到铝的尖峰现象和电迁移会造成声表器件失效，对该提法有如下不同看法：尖峰现象是由于硅原子与铝原子的相互扩散所造成；铝原子的扩散会造成器件 p-n 结击穿；而对声表器件则无须多虑，原因有二，一是，在声表器件的制造工艺中无过高的温度处理过程，无充分扩散的条件。二是，即使有轻微扩散，对声表器件性能也应无甚影响。电迁移是指金属互连线在有直流电流通过时，金属离子沿电流方向的徒动，这种质量运输声表面波工艺原理 第二章 镀膜工艺原理 Page 6 of 6 现象在高温大电流密度下尤其显著，金属离子迁徒的结果会使金属膜产生空洞，直到空洞扩大引起互连线断路，电迁徒也会使金属互连线产生晶须或小丘，引起邻近互连线间短路。然而结合声表器件情况看，由于不存在直流电流，所以电迁移也就无从发生。编者：杜文玺