PE型原子層沉積鍍膜設備

　一、設備概述：

　　PE-ALD等離子體增強原子層沉積系統(tǒng)是專門為特殊應用領域的科學研究與工業(yè)開發(fā)用戶而設計的單片沉積系統(tǒng)，系統(tǒng)電氣完全符合CE標準;該系統(tǒng)擴展了普通原子層沉積系統(tǒng)對前驅體源的選擇范圍、提高薄膜沉積速率和降低沉積溫度，廣泛應用于對溫度敏感材料和柔性襯底上薄膜的沉積。

　　此系統(tǒng)包含用于原子層沉積的3路前驅體源、4通道質量流量計控制系統(tǒng)、各部件加熱器系統(tǒng)、精密控溫樣品臺系統(tǒng)等。該管式爐系統(tǒng)為熱壁反應室工藝，它的主要優(yōu)勢是在反應室側壁上所淀積的也都是高品質的ALD薄膜，熱壁反應室設備往往能阻止薄膜的早期剝離，由于從加熱的側壁脫附的反應源流量較高，從而加速了對反應空間的清潔。

　　此套設備可作為單獨的CVD、PECVD、ALD、PEALD使用。搭建等離子增強原子層沉+化學氣相沉積系統(tǒng)(PE-ALD-CVD)，用于生長各類材料。

　　二、技術指標：

　　1. 控制閥門動作等整套系統(tǒng)采用PLC觸摸屏控制;

　　2. 基片加熱溫度：室溫～1000℃，升溫速率10℃/min，控制精度±1℃，可自動左右移動實現(xiàn)快速升降溫，移動速度可調實現(xiàn)階梯鍍膜。

　　3. 前驅體輸運系統(tǒng)：標準3路前驅體管路，可選配;

　　4. 前驅體預熱溫度：室溫～1000℃，控制精度±1℃;

　　5. 源瓶/氣體管道加熱溫度：室溫～200℃，控制精度±1℃;

　　6. ALD閥Swagelok快速高溫ALD專用閥(*小可在10ms完成閥門的開啟或關閉);

　　7. 管內(nèi)真空<10Pa，可自動平衡管內(nèi)真空度;

　　8. 載氣系統(tǒng)N2或者Ar;

　　9. 生長模式：高速沉積模式和停留生長模式;

　　10. 等離子體源：300W;

　　11. 可選購氣液混合裝置，用于CVD系統(tǒng)，可選購恒溫控制模塊;

　　12. 電源 50-60Hz, 220V/5Kw交流電源

　　三、可沉積薄膜種類舉例：

　　單 質：Co, Cu, Ta, Ti, W, Ge, Pt, Ru, Ni, Fe…

　　氮化物：TiN, SiN, AlN, TaN, ZrN, HfN, WN …

　　氧化物：TiO2, HfO2, SiO2, ZnO, ZrO2, Al2O3, La2O3, SnO2…

　　其它化合物：GaAs, AlP, InP, GaP, InAs, LaHfxOy,

　　SrTiO3,SrTaO6…

　　四、ALD的應用：

　　高K柵氧化層，存儲容性電介質，銅互連中高深寬比擴散阻擋層，OLED無針孔鈍化層，MEMS的高均勻鍍膜，納米多孔結構鍍膜，特種光纖摻雜，太陽能電池，平板顯示器，光學薄膜，其它各類特殊結構納米薄膜。

　　操作模式又分為連續(xù)流運行模式，即載氣、前體源脈沖、真空泵不斷，實現(xiàn)連續(xù)周期式鍍膜和前體源脈沖、截止閥、真空泵關閉經(jīng)過特定時間確保前體源可以通過樣品擴散在開啟實現(xiàn)周期式鍍膜兩種模式。

　　通常只有當高寬比用于幾何圖形> 1:10,(孔直徑100納米和1000納米深度)才會采用后一種模式。作為一個建議，1:30縱橫比可以用5秒擴散時間，而氣凝膠或其他高表面積、高縱橫比的樣品需要更長的時間，甚至到60秒或是更長時間。

　　以ALD沉積氧化鋁為例：

　　A、氧化鋁形成原理如下圖所示:

　　1、以三甲基鋁(TMA)和水為反應源，在3寸Si襯底上ALD生長的Al2O3薄膜;

　　2、p-Si作為沉積基片，并在實驗前對硅片表面進行了氫氟酸酸洗，目的是除去附著在其表面的污染物和自然氧化層;

　　3、三甲基鋁(TMA)室溫下為液態(tài)，我們將其置于20°C恒溫水浴槽內(nèi)，使其保持恒定的飽和蒸汽壓，在壓差的作用下進入真空腔室。

　　B、ALD實驗步驟舉例：

　　以下5步連續(xù)的沉積步驟組成了1個完整的沉積周期，一個周期大概0.11nm，本次按照100個周期=11nm厚度：

　　1. 開啟設備總電源，準備好動力氣源和載氣氣源，放入樣品，在自動化界面輸入各參與實驗閥門參數(shù)、設定參與反應流量計參數(shù)、設定各加熱器參數(shù)、設定真空系統(tǒng)參數(shù)，啟動即可;

　　2. 單體TMA由高純度的Ar攜帶進入反應室，載氣流量10sccm，在基片表面完成化學吸附反應，時間為0.05s;

　　3. Ar吹洗多余單體，流量60 sccm，吹洗時間為20s;

　　4. 將氧化性氣體氧氣輸入沉積室，時間為0.05s，和之前吸附的TMA單體進行化學反應，生成氧化鋁薄膜;

　　5. Ar吹洗多余的氧氣和反應副產(chǎn)物，流量60 sccm，吹洗時間20s;

　　設置成自動模式下，設置好沉積周期，系統(tǒng)可以自動重復以上步驟，直至周期完成，系統(tǒng)停止。(以上通氣時間均為參考值，實際使用需要根據(jù)實驗條件適當調整)

　　ALD Precursor 通入石英腔內(nèi)的脈沖序列如下圖所示：

　　A Source為單體TMA，B Source為氧化性氣體，Purge和Carrier均為Ar。

PE-ALD(等離子體增強原子層沉積)：

　　此工藝可取消ALD原子層淀積中的一個步驟，從而進一步縮短生產(chǎn)周期。

　　PE-ALD過程中，在淀積溫度下互不發(fā)生反應的互補反應源在同一時間被引入到石英腔內(nèi)(引入方式、時間和流量大小可參考上述ALD工藝)，然后反應源關閉并凈化反應室(通入氬氣吹洗)，接著施加一個直接的等離子脈沖，這個等離子體環(huán)境產(chǎn)生高活性自由基并與吸附于襯底的反應物反應形成原子層。關閉等離子可迅速清除活性自由基源，反應室中一直流過的清潔氣體將清除過剩自由基和反應副產(chǎn)物。循環(huán)周期和引入反應源的相關參數(shù)均可以預先設置在系統(tǒng)中，實現(xiàn)自動運行。

　　PE-ALD Precursor 通入石英腔內(nèi)的脈沖序列如下圖所示：

除了較高的生長速度和較短的周期時間，PE-ALD薄膜表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的原子層淀積薄膜更高的密度和更高的擊穿電壓。該技術已經(jīng)在多個應用中取得了發(fā)展，如DRAM、MIM和eDRAM電介質薄膜。

　　五、PE-ALD主要特點：

　　1. 氣體預熱——增加前端氣體預熱區(qū)，沉積速度更快，成膜效果更好;

　　2. AIO控制系統(tǒng)——加熱控制、等離子射頻控制、氣體流量控制、真空系統(tǒng)控制集中于一個7英寸觸摸屏進行統(tǒng)一集中調節(jié)和操控，協(xié)調控制;

　　3. 管內(nèi)壓力自動平衡——管內(nèi)壓力實時監(jiān)測，自動平衡管內(nèi)壓力。

　　4. 智能氣路通斷——每路氣體均可定時通斷，省時省力;

　　5. 射頻功率和開關定時控制——預先設定好功率的大小和打開與關閉的時間，自動運行;

　　6. 爐膛移動速度可調——根據(jù)實驗要求，用戶可設定爐膛左右移動的速度可距離;

　　7. 整機結構融為一體——移動方便，避免分散組裝的困擾