為了獲得性能良好的半導(dǎo)體電極Al膜，我們通過優(yōu)化工藝參數(shù)，制備了一系列性能優(yōu)越的Al薄膜。通過理論計算和性能測試，分析比較了電子束蒸發(fā)與磁控濺射兩種方法制備Al膜的特點。

    膜厚

    嚴(yán)格控制發(fā)Al膜的厚度是十分重要的，因為Al膜的厚度將直接影響Al膜的其它性能，從而影響半導(dǎo)體器件的可靠性。對于高反壓功率管來說，它的工作電壓高，電流大，沒有一定厚度的金屬膜會造成成單位面積Al膜上電流密度過高，易燒毀。對于一般的半導(dǎo)體器件，Al層偏薄，則膜的連續(xù)性較差，呈島狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，引起壓焊引線困難，造成不易壓焊或壓焊不牢，從而影響成品率;Al層過厚，引起光刻時圖形看不清，造成腐蝕困難而且易產(chǎn)生邊緣腐蝕和“連條”現(xiàn)象。

    采用電子束蒸發(fā)，行星機(jī)構(gòu)在沉積薄膜時均勻轉(zhuǎn)動，各個基片在沉積Al膜時的幾率均等;行星機(jī)構(gòu)的聚焦點在坩堝蒸發(fā)源處，各個基片在一定真空度下沉積速率幾乎相等。采用磁控濺射鍍膜方法，由于沉積電流和靶電壓可以控制，也即是濺射功率可以調(diào)節(jié)并控制，因此膜厚的可控性和重復(fù)性較好，并且可在較大表面上獲得厚度均勻的膜層。

    Al膜厚度的測量可采用金屬膜厚測量儀，它是根據(jù)渦流原理設(shè)計制造的無損測厚儀。根據(jù)工藝參數(shù)，我們制備了一批試樣，樣品經(jīng)測試，濺射Al薄膜的平均厚度是1.825μm，電子束蒸發(fā)Al薄膜的平均厚度是1.663μm,均符合半導(dǎo)體器件電極對Al膜厚的要求(小信號為1.7±0.15μm;大功率為2.5±0.3μm。

    為了更進(jìn)一步地觀測膜厚及表面形貌，樣品放入環(huán)境掃描電子顯微鏡philipsXL30-ESEM中進(jìn)行觀測，并根據(jù)視頻打印機(jī)輸出的SEM圖片可以看出，電子束蒸發(fā)的膜厚分散度較大，即均勻性較差。

    附著力

    附著力反映了Al膜與基片之間的相互作用力，也是保證器件經(jīng)久耐用的重要因素。濺射原子能量比蒸發(fā)原子能量高1-2個數(shù)量級。高能量的濺射原子沉積在基片上進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換比蒸發(fā)原子高得多，產(chǎn)生較高的熱能，部分高能量的濺射原子產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，在基片上形成一層濺射原子與基片原了相互溶合的偽擴(kuò)散層，而且，在成膜過程中基片始終在等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著力不強(qiáng)的濺射原子，凈化且激活基片表面，增強(qiáng)了濺射原子與基片的附著力，因而濺射Al膜與基片的附著力較高。

    測定附著力所采用的方法是測量Al膜從基片上剝離時所需要的力或者能量，我們采用剝離水法來測定附著力。

    設(shè)薄膜單位面積的附著能為γ，則寬度為b,長度為a的薄膜的總附著能E=abγ(1)

    用于剝離該薄膜的力F所作的功

    Wp=Fa(1-sin(θ))(2)

    如果是靜態(tài)剝離并忽略薄膜彎曲時所產(chǎn)生的彈性能，則F所作的功近似等于薄膜的總附著能，即Wp=E,于是F=bγ/(1-sin(θ))(3)

    (3)式中F隨著θ角的變化而變化，不能真正反映薄膜的附著性能。當(dāng)所加剝離力與薄膜垂直，即θ=0°時，則式簡化為

    F=bγ(4)

    根據(jù)測量所得的F便可計算出附著能γ=F/b。如果要直接計算單位長度的附著力f，根據(jù)定義并采用上述方法(θ=0°)進(jìn)行剝離可得f=γ?？梢?，附著力的大小和附著能γ的數(shù)據(jù)相同，由于Al膜的附著能γ較高，所以其附著力較大。實驗測得的數(shù)據(jù)是：濺射Al膜的平均附著力25N，電子束蒸發(fā)Al膜的平均附著力為9.8N。這些數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)論一致。

    致密性

    考慮Al膜的致密性就相當(dāng)于考慮Al膜的晶粒的大小，密度以及能達(dá)到均勻化的程度，因為它也直接影響Al膜的其它性能，進(jìn)而影響半導(dǎo)體嘩啦的性能。

    氣相沉積的多晶Al膜的晶粒尺寸隨著沉積過程中吸附原子或原子團(tuán)在基片表面遷移率的增加而增加。

    由此可以看出Al膜的晶粒尺寸的大小將取決環(huán)于基片溫度、沉積速度、氣相原子在平行基片方面的速度分量、基片表面光潔度和化學(xué)活性等因素。

    由于電子束蒸發(fā)的基片溫度Ts=120°C，蒸發(fā)速率20-25A/s，蒸汽Al原子的能量為0.1-0.3eV，而濺射的基片溫度Ts=120°C，濺射速率8000A/min(133.3A/s)或10000A/min(166.7A/s)，濺射閾為13eV，濺射Al原子的能量比電子束蒸發(fā)的Al原了能量高1-2個數(shù)量級，所以電子束蒸發(fā)的Al原子碰到基片，很快失去能量，且遷移率很小，故原子在表面上重新排列較困難，即沉積的地方就是定位的地方成原子之間的空隙較大，有面粗糙度很大;濺射的基片溫度較高，Al原子能量也較高，在而基片表面的原子遷移率增大，使得薄膜表面橫向動能較大，易于連結(jié)殂成光滑的表面，穩(wěn)定性較高，晶粒較大，原子間距較小，因而形成的薄膜表面粗糙芳減小。

    通過環(huán)境掃描電子顯微鏡philipsXL30-ESEM觀測，并分析兩種Al膜的晶粒大小及表面形貌的SEM照片也能驗證這一結(jié)論，電子束蒸發(fā)的平均粒徑為266.8nm，濺射的平均粒徑為1.528μm，雖然電子束蒸發(fā)Al膜的粒徑明顯小于濺射的Al薄膜，但是電子束蒸發(fā)的Al原子最終不得靠得很近，當(dāng)中存在很多間隙，而且濺射的Al原子相互靠得很緊，從側(cè)面觀測，濺射的Al膜平滑而且色澤光亮，說明濺射Al膜的致密較好。

    濺射的晶粒較大還有一個好處，減小了晶界面積，從而減少電遷移短路通道的數(shù)目，有利于增強(qiáng)Al膜的抗電遷移能力，延長Al膜的平均壽命。但晶粒尺寸不可太大，否則影響Al膜細(xì)線條圖形的光刻質(zhì)量。同時，濺射的Al膜晶粒雖大，但可以通過的后面的熱處理使之細(xì)化并使性能更加優(yōu)越。[next]

　　電導(dǎo)率

    金屬與半導(dǎo)體接觸并非一定能夠形成一個純電阻性接觸。如果接觸電阻太大，即電阻率低，則外加的信號電壓就會有相當(dāng)大的一部分降落在接觸電阻上，造成不必要的電壓降和功率損耗，所以要想獲得低阻的歐姆接觸，膜層的電阻率應(yīng)盡量小，電導(dǎo)率應(yīng)盡量高。

    Al膜的電阻率與Al塊材的非常接近。電阻率隨結(jié)晶粒徑的減小而增加。由于電子束蒸發(fā)Al膜的結(jié)晶粒徑明顯小于濺射，所以濺射的電阻率小于電子束蒸發(fā)，其電導(dǎo)率較高。

    折射率

    折射率一般可以反映薄膜的致密程度，隨致密程度的增加而增加，而我們所制備的電極引線Al膜要求致密性好，這就可能通過測試折射率的大小來定性地判斷Al膜的致密性。而折射率可以通過反射率間接地?fù)Q算得到。

    金屬膜的特性一般用折射率NM=n-ik來表征，設(shè)金屬膜厚度為dM,折射率為NM=n-ik,位相厚度為δM=2πNMdM/λ,若考慮垂直入射，金屬膜與Si基底的組合導(dǎo)納為YM=((ngcos(δM)+iNMsin(δM))/(cos(δM)+isin(δM)ng/NM)=YM(1)+iYM(2)(5)從而整個結(jié)構(gòu)的反射率為RM=|(n0-YM)/(n0+YM)|2={[(n0-YM(1))]2+[YM(1)]2}/{[(n0+YM(1))]2+[YM(1)]2}(6)但其描述和計算過程過于復(fù)雜，故可以有下面的描述和計算代替。

    當(dāng)光束垂直入射到單層薄膜有面時，反射率RM=(n0n2-NM2)/(n0n2+NM2)(7)

    則NM={[(1-RM)/(1+RM)]n0n2}1/2(8)

    式中RM-----------反射率

    n0------------空氣的反射率

    NM---------------Al膜的折射率

    n2-----------Si片的折射率(約為3.5)

    只要準(zhǔn)確測出垂直入射的反射率RM就可以求出Al膜的反射率NM。通過日本島津生產(chǎn)的UV3101型分光光度計測得的在不同波長范圍內(nèi)的反射率可知，在可見光400—760nm范圍內(nèi)，Al膜的反射率11#樣品為RM=0.82，8#樣品為RM=0.83，通過(7)、(8)式計算，得出Al薄膜的反射率NM：8#樣品為NM=0.702,

    11#樣品為NM=0.688。雖然，濺射Al膜的折射率大于電子束蒸發(fā)的Al膜，濺射Al膜的致密性比電子束蒸發(fā)好。

    結(jié)論

    電子束蒸發(fā)和磁控濺射制Al膜是半導(dǎo)體器件電極制備生產(chǎn)中常用的兩種方法，通過理論與實驗分析，并對樣品進(jìn)行了膜厚、附著力、致密性，電導(dǎo)率、折射率等指標(biāo)的綜合測試，實驗表明：電子束蒸發(fā)制得的Al薄膜厚度的可控性和重復(fù)性較差及分散度較大;Al薄膜與Si基片的附著力較小;Al薄膜的晶粒雖小，但很疏松，導(dǎo)致其致密性較差;Al膜的電導(dǎo)率、折射率較塊狀A(yù)l材小得多。而磁控濺射制得的Al膜的性能指標(biāo)則比電子束蒸發(fā)的指標(biāo)優(yōu)越。實踐證明，磁控濺射方法制備的Al薄膜的綜合性能優(yōu)于電子束蒸發(fā)，所以在生產(chǎn)實踐中絕大多數(shù)采用磁控濺射沉積半導(dǎo)體電極材料，這也是半導(dǎo)體行業(yè)中薄膜行業(yè)的發(fā)展方向。

    此外，濺射還可以解決電子束蒸發(fā)帶來的三個問題：

    ①臺階覆蓋度。一般器件的圖形尺寸為2--3μm或更小，要求在1μm左右高的臺階部位盡量能鍍覆膜厚均勻的金屬鍍層。采用電子束蒸發(fā)和行星回旋式基片架機(jī)構(gòu)組成的裝置，難以得到十分理想的覆蓋度。

    ②合金膜的成分控制。隨著圓形的微細(xì)化，為確保可靠性并提高成品率采用Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu等Al合金膜代替純金屬Al膜。如果采用電子束蒸發(fā)來制取合金膜，由于組分蒸氣壓不同會引起分解，很難控制合金膜使其達(dá)到所要求的成分。

    ③裝卡基片復(fù)雜，難于實現(xiàn)自動化。在高度復(fù)雜的元器件制造工藝中，為提高可靠性和重復(fù)性，應(yīng)盡量減少人工操作，提高自動化操作水閏。采用電子束蒸發(fā)，行星回旋式支架上只能一個一個地裝卡Si片，而且只能采取單批式蒸鍍。因此，難于實現(xiàn)自動化操作。