直流磁控溅射系统研究及其维护

吴 海，张文朋，王露寒，程壹涛

( 中国电子科技集团公司第十三研究所， 河北 石家庄 050051)

磁控溅射是半导体芯片研制、生产中的一道重要工艺。磁控溅射是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）的一种。溅射法常用来制备金属、半导体、绝缘体等多种材料的薄膜[1]，由于该方法具有易控制、镀膜面积大和膜附着力强等特点，被广泛应用于半导体芯片制造领域。

1 直流磁控溅射原理

直流磁控溅射是在阴极靶材背板上安装强力磁场装置，真空反应腔室内通入1～10 Pa 压力的惰性气体氩气，作为气体放电的载体。直流磁控溅射是在阴极靶材上面持续加直流电压，靶材接DC电源的负高压，基片接地，在直流高压作用下Ar气分子电离成为Ar+和电子，产生辉光放电[2]，电子在加速飞向基片的过程中，受垂直于电场的磁场作用，使电子运动方向发生偏转，被束缚在靶表面的等离子体区域内，电子以摆线方式沿着靶材表面运动，在运动过程中，不断地撞击Ar 气分子，产生大量的Ar+和电子，二次碰撞出的电子继续与Ar 气分子撞击电离出Ar+和电子，因此在阴极靶材附近区域内的等离子体密度很高。电子每经过一次碰撞后其所携带的能量都会削弱，最终沉积在基片或真空反应腔室内，Ar+在阴极靶负电压的吸引下快速飞向靶材并与表面靶原子发生碰撞[1]，将其本身携带的动能传递给靶原子，当靶原子获得足够的动能后脱离金属原子之间的吸引力束缚，碰撞出的中性原子落在基片表面形成金属薄膜，如图1 所示。

图1 直流磁控溅射系统原理图

2 系统参数

影响磁控溅射工艺的参数较多。有些工艺参数可以在程序运行过程中实时修改和控制；还有一些参数无法实时修改和控制，是设备自身设计时就已经固定好的，只能通过更换硬件才能改变其参数。阴极靶结构和磁场是2 个重要的固定参数，它们只能通过更换硬件装置来改变。

2.1 阴极靶结构

每个靶都具有其自身的内部结构和原子排列顺序。由于内部结构的差异，外观看似相同的两块靶材溅射速率可能有很大差别。靶材本身由于在材料的硬度、杂质含量、应力大小等参数不同以及金属原子排列机构不同等都会影响溅射速率。同时也会影响到靶材刻蚀区的形状及靶材利用率。改变这种影响只能通过更换新型靶材解决。常用靶材形状有圆形靶和矩形平面靶2 种，起辉时等离子体刻蚀作用使得靶材局部损耗较快，圆形靶会形成一个圆形凹陷区域，矩形平面靶表面会形成跑道形状的凹陷区域，同样Ar+轰击到凹陷区域有效沉积到基片上的靶材原子数减少，沉积速率降低，这种损耗带来的沉积速率降低可以通过提高直流加载功率补偿。

2.2 磁场

尽可能保证磁场在整个靶面上一致，磁场强度合适。靶面上磁场不均匀，导致电子分布不均匀，碰撞出的Ar+分布也不均匀，进而导致溅射出的靶材粒子分布不均匀，沉积到基片上的膜层也就不均匀。磁场强度不合适也会导致溅射速率降低。磁场强度过低，只能在靶材表面很小的区域内束缚住电子运动，电子与Ar 气分子碰撞几率过小，尽管在靶材表面磁场强度一致也会导致溅射速率较低；另外磁靶背板和靶材之间固定的螺钉容易被Ar+轰击出非靶材金属原子沉积到基片上而污染膜层。

3 工艺参数

半导体芯片生产主要使用直流磁控溅射，溅射工艺过程中可通过改变功率、压强、速度进行动态控制。

3.1 功率

大多数直流磁控溅射工艺使用单一靶材溅射，各阴极靶共用同一个直流电源，通过继电器切换控制给各靶材上加载功率。根据靶材结构设计不同，加载功率控制在0～10 kW，由于直流电源是恒流源，因此设备软件若设定功率为恒定值时，通过调节电压变化来保证加载到靶材上的功率恒定不变；若设定电压为恒定值时，通过调节功率变化来保证加载到靶材上的电压恒定不变。靶材上施加的功率越高，沉积速率就越快。

3.2 工作压力

溅射时真空腔室内持续通入Ar，真空腔室内的压力越大表明腔室内的工艺气体浓度越大，其他参数条件不变的情况下，压强越大离化率越大，沉积速率也越大，当压强大到某一数值时，沉积速率最大，继续增大压强，沉积速率会下降。气体分子平均自由程与压强关系为：

式(1)中，λ 为气体分子自由程，KB为常数，T为温度，d 为气体分子直径，P 为气体压强，因压强=工作压力/ 腔体横截面积，腔体横截面积一定，工作压力与压强成正比，由此可知，在保持气体分子直径和温度不变的情况下，增大工作压力即增大压强，气体分子自由程减小，溅射原子与气体分子相互碰撞次数增加，二次电子数量增加，二次电子飞向基片过程中与Ar 气分子碰撞出更多的Ar+，在阴极靶负电压作用下，碰撞出更多的中性靶原子，沉积速率增大；当压强增大到λ 值很小时，气体分子自由运动的距离很短时，溅射原子与气体分子之间碰撞几率大大减小，碰撞出二次电子数量减小，二次电子与Ar 气分子碰撞出的Ar+也减少，相应的沉积速率也大大降低，所以真空腔室的压强不是越大越好，而是根据各个参数影响和工艺要求摸索出最佳参数配置。

4 影响沉积速率因素

4.1 Ar+轰击靶材的能量和入射角度

当入射Ar+能量超过阈值（-10 eV）以后才会发生溅射。溅射率在10 eV～1 keV 范围内随粒子能量的增加而提高。但是，入射Ar+获得能量过大会导致其轰击靶材时直接注入到靶材内部，从而降低溅射率，降低沉积速率。

Ar+倾斜一定角度入射有利于靶材表面原子或分子脱离靶材而沉积到基片表面，入射角度过大会导致入射Ar+轰击靶材的能量削弱或者轰击出的靶材原子偏离基片而飞向腔室侧壁；垂直靶材表面入射会使靶材表面被轰击的原子难以脱离，离子能量足够大时离子直接注入到靶材内部，降低溅射率，降低沉积速率。

4.2 靶材温度

靶材原子间吸引力大小受靶材温度影响。靶材温度低，原子间吸引力大，原子间化学键牢固，Ar+轰击靶材时需要提供足够大的能量才能破坏原子间吸引力，激发出靶材中性原子；靶材温度升高，原子间吸引力减小，原子间化学键能变小，当Ar+携带较小的能量就能激发靶材表面中性原子脱离靶材发生溅射，因此，提高靶材温度，能够提高溅射率，从而提高沉积速率。

4.3 反应腔体工作气压

在一定工作气压范围内，气压越大，反应腔体内工艺气体浓度越大，电离产生的带正电离子越多，沉积率越高[3，4]；当工作气压超过这个范围后，虽然工艺气体浓度变大，但是溅射出的靶材中性原子与Ar 气分子发生碰撞次数增多，靶材原子携带的能量不断减少，不足以到达基片或被与分子发生碰撞方向偏离基片，这些情况导致沉积到基片的靶原子大量减少，这个影响超过了气体浓度增加带来的电离影响[5]。因此，在调试工艺参数时，需反复试验测试，找出最佳工作气压值，以获得较高的沉积速率。

利用某型号直流磁控溅射系统进行工艺实验，通过矩形平面金靶工艺实验可知，增大反应腔体工作压力值，沉积速率先增大再减小，实验数据如表1 所示，根据实验数据可得直流磁控溅射矩形靶沉积速率与工作压力关系曲线，如图2 所示。

表1 直流磁控溅射矩形靶沉积速率与工作压力实验数据

图2 直流磁控溅射矩形靶沉积速率与工作压力关系曲线

通过对实验结果分析可知：其它参数不变，增加工作压力时，基片上薄膜沉积速率先变大再变小，在一组参数下存在1 个最大沉积速率对应的工作压力值。

4.4 靶材-基片间距（靶基距）

为了提高沉积速率和膜层附着力，在保证不破坏辉光放电的前提下，基片应当尽可能放置在离阴极靶最近的地方[6]。随着靶材与基片之间距离的增大，溅射出的原子与电子及Ar 气分子之间碰撞几率增加，溅射出的原子在向基片运动过程中能量降低，沉积到基片的速率降低，膜层附着力减小，由于上述原因，尽可能减小靶基距。

同样利用直流磁控溅射系统进行工艺实验，通过矩形平面金靶工艺实验可知，增大靶基距，沉积速率先增大再减小，实验数据如表2 所示，根据实验数据可得直流磁控溅射矩形靶沉积速率与靶基距关系曲线，如图3 所示。

表2 直流磁控溅射矩形靶沉积速率与靶基距实验数据

图3 直流磁控溅射矩形靶沉积速率与靶基距关系曲线

由实验数据可知，其它实验条件相同时，当靶基距过小时出现膜厚偏薄，速率较低；靶基距过大时，膜厚减小，速率也降低，由图3 可知，靶基距在48～58 mm 范围内，靶基距增大，膜厚减小，沉积速率降低。因此，靶基距在一定范围内，随着靶基距的增大沉积速率也会降低。

5 影响沉积均匀性因素

5.1 气压

要尽量保证气压上下区域的均匀性，真空腔体设计时，要考虑真空泵抽气管道口的安装位置和工艺气体进气方式以及腔体内工艺气管的布局，这些布局影响反应腔内反应气体的气流分布情况。气流分布均匀与否影响到电离后等离子分布均匀情况，从而影响到靶材原子溅射出来的均匀情况，最终影响沉积成膜的均匀性。

5.2 磁场

要尽量保证磁场的均匀性和方向一致性，形成一个相对均匀的空间磁场。实际的磁控溅射装置中的电场和磁场不是处处均匀的，也不是处处正交的，所以磁场的不均匀对离子的影响和对成膜均匀性的影响难以准确计算[7]，不过可以通过气压的不均匀来补偿磁场的不均匀，最终实现薄膜均匀性一致。

5.3 靶基距

靶基距也是影响均匀性的重要因素。在一定范围内，增加靶基距可以提高沉积薄膜的均匀性[8，9]，这是因为靶基距小时，靶材上某一点溅射出的原子对应沉积在基片的某一点上，出现局部堆叠效应导致基片沉积薄膜均匀性差，增加靶基距，靶材上某一点溅射出的原子对应沉积在基片的一小块区域内，避免出现局部堆叠效应带来的均匀性影响，因此，增加靶基距可以提高薄膜沉积均匀性，但这仅是小范围的均匀性提升[10]。

6 溅射常见故障及解决办法

6.1 不起辉

进气正常的情况下，有6 种可能：

（1）溅射气压不合适

气压过低，真空腔室内气体浓度过低，难以电离出离子形成等离子体；气压过高，真空腔室内气体浓度过高，直流电源提供的电离能量不足以发生气体电离起辉。通过调大或调小气体流量来调节气压大小，找出容易起辉的气压值。

（2）DC 电源无输出

DC 电源本身出现故障导致无电压输出。更换DC 电源解决问题。

DC 电源输出互锁条件不满足导致无输出。需检查电源的互锁条件，如冷却条件、射频线连接保护开关、控制输出信号等。

（3）阴极靶短路

阴极靶与阳极（设备外壳）或阴极靶连线与阳极（设备外壳）短路，阴阳两极之间无电压差，无法进行高压放电电离气体。断开DC 电源与靶材的连接线，用摇表测试阴极靶和阳极之间是否短路，检查连线与阳极之间是否短路。更换靶材时易出现此故障。

（4）阴极靶溅射表面沾污

起弧放电严重导致电源灭弧太频繁无法稳定起辉。这种情况可以先加几十瓦的小功率进行烧靶去除靶材表面杂质[11]，露出靶材本体表面，再正常起辉就没问题了。

（5）磁场强度太小

磁场强度太小，无法控制粒子流导致不起辉。随着磁靶背板上的磁钢使用时间太久磁场强度会衰减，尤其是水冷温度不好的情况会加快磁钢磁场强度衰减，磁场强度衰减导致电子运动束缚区域变小，发生碰撞几率变小，进而导致Ar 气分子离化率降低、溅射率降低、沉积速率降低。另外磁钢多是浸泡在循环水中冷却，循环水水质较差，长期使用会出现水垢粘接或锈蚀，这也会影响磁场强度甚至影响磁场分布不均。通过对磁靶背板上的磁钢清洁处理或进行充磁或更换新磁钢解决问题。

（6）真空示数显示正常却不起辉

真空规在使用过程中，内部会有金属沉积在其测试腔内，尤其使用电容式薄膜规影响较大，金属表面薄膜沉积较多后影响其形变量值，进而导致真空检测数值偏大，同样设定值情况下，实际真空较差，导致在原有条件下需要更大的电离能量才能起辉，所以适用原有条件难以起辉。更换真空规或调整设定值解决故障。

6.2 阳极消失

阴极靶材表面生成绝缘的氧化物出现“中毒”现象时，与地相连的真空反应腔室内壁（阳极）也会沉积上氧化物绝缘膜，当电子到达腔室内壁时无法进入阳极，电子堆积形成电子鞘层，拉低阴阳极之间的电位差，出现阳极消失的现象。由于电子鞘层堆积，使阴阳极之间的负电压降低，Ar+轰击靶材时获得能量减小，溅射出的原子能量也减小，从而导致溅射速率降低或无法进行溅射。清除真空腔室内壁附着的绝缘膜层，露出金属表面即可解决问题。通常采用加载射频功率去除靶表面氧化物。

6.3 打弧

阴极靶材表面生成绝缘的氧化物膜层，难以溅射出靶材原子，引起靶材溅射速速率下降。当出现靶“中毒”时，由于靶材表面覆盖的绝缘膜层阻挡Ar+进入到阴极靶表面，堆积在靶面绝缘膜层上，从而使得靶面绝缘膜层一面带正电，一面带负电，容易出现打弧现象[12]，导致溅射异常。

7 维护

为保证设备能够长期的正常运转，除了要求操作人员能够熟练操作设备外，使用过程中还需要对设备采取一些必要的维护措施：

（1）定期喷砂处理真空腔室内衬板；

（2）定期检查靶材循环冷却水，确保靶材在工作时的温度；

（3）定期检查直流电源、靶材连接状态；

（4）定期做真空腔室真空漏率测试和真空规校准，以保证较好的真空度；

（5）定期保养前级真空泵或泵组，以保证良好的真空度和抽速；

（6）定期保养低温泵或分子泵，以保证良好的设备本底真空度和抽气速率。