摘要：介紹了半導體晶片制造設備濺射機和濺射工藝對晶片碎片的影響，給出了如何減少晶片應力以達到少碎片的目的。

關鍵詞：濺射：輝光放電：濺射沉積功率

中圖分類號：TN305．92 文獻標識碼：A 文章編號：1003-353X(2004)04-0019-02

1 引言

在半導體晶片制造過程中，一個重要的工序環節就是金屬薄膜沉積，該工藝是作為電路引線用。沉積金屬薄膜最常用的方法是蒸發和濺射。然而隨著集成電路向線結和圖形微細化的方向發展，加上對接觸和互連的要求也越來越嚴，特別是鋁硅互溶引起的結穿通和電遷移現象變得更加嚴重，接觸和互連材料就有必要采用鋁的合金以及各種難溶金屬。對于這些材料，用通常的真空蒸發方法難于勝任，一般采用磁控濺射技術。濺射機就是基于此技術發展起來的一種濺射設備，由美國VARIAN公司制造。

Sputter設備結構是由濺射腔、傳送裝置和高低真空系統組成。加工過程是送片裝置將晶片送入裝卸腔，濺射腔旋轉盤上的彈簧夾片夾住晶片，借助旋轉盤旋轉轉到各濺射腔中濺鍍金屬薄膜，濺鍍完金屬薄膜后又由旋轉盤將晶片送出裝卸腔卸載。整個送片加工過程都是在垂直平面上進行，如圖1所示。

由于Sputter濺射腔垂直結構的特點，如果晶片太薄或晶片殘存的內應力大，常常引起晶片在濺射腔里破裂，而碎渣又可能造成真空設備的損壞和制作成本的提高，相反臥式濺射機平面傳送晶片裝置就不存在這種裂片問題，因此有必要探討濺射機的碎片問題，盡可能減少碎片的產生。

2 影響晶片碎片的因素

Sputter濺射可對晶片正面、背面濺射金屬薄膜，而在加工過程中晶片大多在濺射腔或卸載腔內裂片，排除機械裝置引起碎片的可能，問題關鍵在于Sputter加工環境對晶片的影響。眾所周知，濺射是與氣體放電現象相聯系的一種薄膜淀積技術。在真空中充入放電所需要的氣體(常用惰性氣體)，在強電場作用下放電，產生大量陽離子(被稱為輝光放電，常伴著藍光出現，起點火功能)。陽離子受強電場加速，形成高能量的離子流去轟擊源材料(稱為靶)。當離子的動能超過靶原子的結合能時，靶表面的原子就脫離表面，濺射到對面的陽極上(常為硅片)，淀積成薄膜。根據這一成膜原理，影響晶片碎片的兩個主要因素是靶原子的作用力和晶片的熱應力。

2．1 靶原子作用力的影響

在金屬靶和硅片間所加濺射沉積功率形成強電場，放電氣體在強電場的作用下被離子化成陽離子，陽離子又被電場驅動獲得了動能去撞擊靶材料。當靶原子獲得的動能超過靶原子結合能的能量時，靶原子就會脫離靶濺射到對面的硅片上形成金屬薄膜。因此如中間介質——放電氣體Argon被電離成陽離子的數量越多，撞擊出靶原子的機會也越多，晶片受到的外力也越大；同理沉積功率越大(電場越強)靶原子獲得的動能越大，晶片受到的作用力越大，晶片碎裂的可能性也越大。而沉積功率大小直接影響靶原子作用力的大小。

2．2 晶片熱應力的影響

待濺射的晶片經過了多次光刻后，晶片表面形成了大量的臺階，晶片本身殘余了內應力。進入濺射腔后，晶片被加熱并且放電氣體在強電場的作用下放電起輝產生大量的熱能，放電氣體越多，熱量越多，晶片溫度也越高。晶片受熱膨脹再加上晶片各處熱應力不均勻，導致晶片變形甚至裂片。為減少晶片的熱應力就需降低晶片的加熱溫度，減小放電氣體的壓力。但是減小放電氣體的壓力存在一個問題，根據不同的靶材料，放電氣體起弧壓力也會相應不同，如鋁靶放電氣體起弧壓力為6～8millitorr，但鉻靶或鎳鉻靶放電氣體起弧壓力為20millitorr以上，故需保證在起弧的基礎上盡可能減小放電氣體的壓力。

3 減少碎片的解決方案及措施

從以上分析可知，晶片碎片與放電氣體流量、濺射沉積功率、加熱溫度等工藝條件有關。因此在保證其他條件不變的情況下，分別作了以下三個實驗加以驗證：

(1)減小沉積功率從60％→30％，延長沉積時間；

(2)降低加熱溫度，300℃→常溫；

(3)放電氣體壓力從15．0 millitorr以上→7．5-8．5 millitorr。

通過實驗發現，分別減小沉積功率、加熱溫度和放電氣體壓力均能很好的減少碎片率。由此對工藝進行了改進，表1是改進前后工藝對比情況。

改進工藝后，碎片率從原來的5％減少到3％，加工的晶片厚度可薄至350 μm甚至以下。有時晶片在裝卸腔里破裂，除吸盤伸出位置及真空大小需要調節外，另一個不容忽視的就是晶片停留裝卸腔的冷卻時間。當晶片從沉積腔旋轉到裝卸腔時，因晶片剛沉積了金屬薄膜，表面溫度高，熱應力大，晶片變形嚴重，此時卸載晶片容易引起破片，所以需要適當延長晶片在卸載腔中的冷卻時間使之冷卻充分。實踐證明冷卻時間設定為10～15s為宜。

  作者：鄒建和(深愛半導體有限公司，廣東 深圳 518000)