CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY 第40卷第11期2020年11月
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杨 胜2 夏 洋2d 兰丽丽彳 陶晓俊'冯嘉恒'
明帅强2 卢维尔屈芙蓉「刘涛V
(1.中国科学院微电子研究所仪器设备研发中心北京100029；2.中国科学院大学北京100049；
3.嘉兴科民电子设备技术有限公司嘉兴314006)
Novel Cluster Tool for Multilayer Nanofilm Deposition :
An Instrumentation Study
Yang Sheng' 2,Xia Yang 1 2,3, Lan Lili 3 ,Tao Xiaojun 5, Feng Jiaheng 3,
Ming Shuaiqiang 12 ,Lu Weier 12*
* , Qu Furong 1 , Liu Tao 1 2收稿日期:2020-01-09
* 联系人：Tel : (010)82995823 ；E-mail : luweier@ ime. ac. cn
(1. Microelectronic Instrument and Equipment Center , Institute of Microelectronics of
Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029
2. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China ；
3. Jiaxing Kemin Electronic Equipment Technology Co. ,LTD , Jiaxing 314006,China)
Abstract A novel type of cluster tool has been successfully developed for growth of multilayered nanofilm and
nanostructured patterns. The cluster tool can be conveniently used for high precision synthesis of multilayered nano
film in quite a few techniques in a specific vacuum chamber , including , but not limited to th
e plasma enhanced a-
tomic layer deposition ( PEALD ) , thermal atomic layer deposition (TALD ) , DC and RF magnetron sputtering. The lab ・designed rotary transfer platform allows for rapid transfer of a substrate and/or a pre-coated nanofilm sample , in 2 ~3 s at a base pressure of 5 x 10 5 Pa ,between chambers from one subunit to any other subunit to deposit differ
ent layers in different growth modes without exposure to air which prevents oxidation , contamination and deteriora
tion of film properties. Test results show that the newly-developed cluster tool meets the stringent design require
ments.
Keywords Atomic Layer Deposition , Magnetron Sputtering , Film Preparation , Cluster Tool
摘要 运用模块化的设计构想，将等离子体增强原子层沉积工艺单元、热型原子层沉积工艺单元，直流磁控溅射单元和
射频磁控溅射工艺单元进行高度优化集成，研制了集束型多层纳米薄膜沉积设备。设备创新采用真空旋转传输平台，替代了
传统集成设备的机械手结构，实现了样品在高真空(5xl0-5 Pa)中传输，而且传输速度快(2~3 s)，有效地减少污染，保证样 品表面物性的稳定。设备可在全真空的环境下，实现多层纳米薄膜的制备，同时可以对薄膜生长实现原子层精度的控制。设 备的磁控溅射工艺平台可以安装金属掩膜板，直接制备图形薄膜。另外设备具有非常灵活的扩展性，针对薄膜工艺需求的不
钢板桩支撑
同，可以集成其他的薄膜制备工艺单元。
关键词 原子层沉积 磁控溅射 薄膜制备 集束型设备
中图分类号:TN305. 8
文献标识码:A
doi : 10.13922/j. cnki. cjovst. 2020.11.18
薄膜技术是物理科学、信息器件的基础，在半导 池等方面有重要的应用[，-3]o 当前高性能芯片和新
体器件、激光器、传感器、平板显示及薄膜太阳能电 型半导体器件的薄膜叠层仅有几个纳米量级，所以
第11期杨胜等：集束型多层纳米薄膜沉积设备的研制1097
薄膜界面层质量尤为重要。由于超薄薄膜在空气中极易氧化或者受到污染，会严重影响薄膜界面层质量及制备器件的性能，所以多层超薄膜堆叠结构的生长，如磁性存储器（MRAM）中的多层膜磁性隧道结，必须在全真空条件下实现，这就需要将不同的薄膜生长系统集成在一个真空腔室中。
目前国内对多种薄膜工艺集成设备的需求主要依靠进口，不仅价格昂贵而且周期较长，同时高性能的纳米薄膜生长技术是未来信息技术的核心，国外一直严格控制相关关键技术及装备输出⑷O
针对这个问题，本文研发了一种创新的集束型多层纳米薄膜沉积设备，实现了磁控溅射、原子层沉积（ALD）等薄膜工艺平台的集成，实现工艺样品的真空传输及多层纳米薄膜的制备。
1设备的功能需求和技术指标
集束型多层纳米薄膜沉积设备已经应用于当前主流的磁电子薄膜和器件工艺⑼。针对磁性材料和器件的界面层敏感性，通过在全真空条件下生长多层薄膜，可以提高界面层工艺的可靠性，提升器件性能［，°-1，］0立足现有工艺需求，设备覆盖的应用方向主要包括:①高真空磁控溅射镀膜;②基于ALD
的单层/少层二维薄膜材料制备；③磁性/非磁性多层薄膜制备，应用于MRAM等的特性研究。同时将本设备集成的4个工艺单元介绍如下。
表1工艺单元介绍
Tab.1Deposition conditions of the four film growth techniques
工艺主要性能指标特点优势应用方向
射频磁控溅射本底真空为10~5Pa，射频功率1000W,
沉积薄膜非均匀性＜±5%，具有掩膜功
能。
1.可控性和重复性好
2.附着力强
3•纯度高质量好
4.溅射速率快
金属类镀膜（Cu.Ag等），磁性材料（Fe、
Co等），氮化物（TiN等）
直流磁控溅射本底真空为IO
*Pa，沉积薄膜非均匀性
＜±5%，具有掩膜功能。
1•可控性和重复性好
2.结构简单成本低
3•附着力强
金属类材料:Cu.AI.Ti等
移动消防泵热型ALD 本底真空为IO、Pa，温度范围0~
300^，温度波动范围V±1弋，沉积薄膜
非均匀性＜±1%
1•三维保型性优异
2•大面积的均匀性好
3•精确的膜厚控制
氧化物（高k栅介质层，磁绝缘间隔层
等），氮化物，单质等
等离子体增强
ALD 本底真空为10-5Pa，射频功率为0~500
1•沉积温度低
2.沉积速率快
3.薄膜性能好防火拉链
金属类（Cu.Pt等），金属氧化物（A12O3
W，提供4路气源，沉积薄膜非均匀性＜等），金属氮化物（A1N等），多元化合物
土1%
4.沉积薄膜范围广
等
2设备的系统构成和工作原理
图1为集束型纳米薄膜沉积设备的设计图和实物照片。设备创新采用主腔体嵌套多个子反应腔体的形式，实现不同子工艺腔室的高度集成，其中总反应腔室与真空系统直接连接，形成总体的真空环境。设备采用旋转传输平台，替代了传统设备的机械手结构，实现样品在不同工艺反应腔之间的切换。由于切换过程中，样品一直位于总腔的真空环境中，因此可以做到高真空下的工艺切换，从而实现样品在全真空的环境下，完成不同的薄膜生长工艺t，2'13］o 设备主要由真空腔体、真空系统、源气体输入系统、真空旋转传输平台、磁控溅射工艺单元、原子层沉积工艺单元和控制系统等构成。
2.1真空腔体及真空系统
集束型纳米薄膜沉积设备通过腔体嵌套结构，实现不同工艺单元的高度集成如图2（a）所示。该集束型设备具有很灵活的可扩展性，可以根据需求不同，嵌套入不同的工艺单元。工艺单元的反应腔体采用柱形结构，相对于传统的球扩散形式的腔体，柱形结构的柱扩散形式使腔内电场和气流分布更加均匀，有利于提高薄膜的质量，如图2（b）所示。
针对集束型纳米薄膜沉积设备的结构特性，设计了顶部辐射加热装置，如图3所示。该加热装置采用热辐射的方式对样品进行加热，加热温度的波动范围＜±0.5£，热有效传导率可达到60%，且加热盘位于腔盖内部，节省空间，同时可以根据实际需求实现分组独立加热。
设备针对不同工艺需求，配备了高低两套真空系统，如图4所示［14-15］O低真空系统由油泵及电磁阀等构成，本底真空可以达到5x10-'Pa，可以满足
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真空科学与技术学报
第40卷
ALD 工艺实验需求。高真空系统由转速为60000 r/min 的分子泵、机械泵、电磁阀和全量程真空计等
构成，本底真空可以达到2x10-' Pa 。当使用磁控
溅射工艺时，先利用低真空系统进行预抽真空，当真
空达到0. 1 ~2 Pa 后，开启高真空系统，同时低真空
系统关闭U6-'7]o 为避免分子泵在低真空中误操作 造成损坏，设定了分子泵开启气压限制和报警功能。
subchamber
main chamber'
molecular pump
rotating platfom
(a) desigh diagram of the cluster tool (b) photograph of the cluster tool
图1集束型纳米薄膜沉积设备
Fig.l Photo of the cluster tool
(a) desigh diagram of the cluster tool (b) photograph of the cluster tool
图2真空腔体结构
Fig.2 Structure of the vacuum chamber
2.2旋转传输平台
集束型纳米薄膜沉积设备集成了多种不同的工
艺单元，创新采用旋转传输平台，替代了传统集成设 备的机械手结构，如图5所示。通过传输平台的旋
导电橡胶片转，实现样品在不同工艺之间的切换。样品平台托
盘上可以固定4枚4英寸晶圆，传输真空可达10"
Pa，传输时间仅为2 ~3 s 。而机械手结构传输真空
为10" Pa，传输时间为10-20 s 。相比较之下，旋 转传输平台具有高真空快速传递和无取放样品过程
的两大创新优势。
2.3源气输入系统
源气输入系统主要由专用源瓶，电磁控制阀，
气
第11期杨胜等：集束型多层纳米薄膜沉积设备的研制1099 heating plate
chamber cover
图3顶部辐射加热系统
Fig.3Schematic diagram of the top radiation heater
Fig.4Schematic diagram of the four vacuum chambers for the subunit
rotary transmission system
图5真空旋转传输系统
Fig.5Schematics of the lab-designed rotary transfer
platform
动阀，流量计以及通气管道等构成。通过对气动阀的开断来实现对某一气体管道的控制，使用流量计来实时测量气体的通入量。对于ALD前驱体源的通入，一般使用专用电磁阀控制，电磁阀的灵敏度可达5ms0同时ALD中低饱和蒸气压的液体和固体前驱体源，需要对源瓶和输运管道进行加热，防止前驱体冷凝从而发生管道堵塞O
2.4控制系统
控制系统采用了PLC控制器以及输入输出的控制模块，实现了对设备各功能的控制以及数据的记录。设备控制面板分为真空、工艺切换、源气路控
图6源气输入系统
Fig.6Gas supply arrangement
制、工艺实验等模块，如图7所示。工艺实验的温度、真空度、气体流量、时间和功率等参数都可以进行设定，程序自动执行，并实现实时参数测量和数据记录。由于工艺模块的实验条件不同，程序采用多重自锁和互锁功能以及报警功能，以避免误操作出现的安全隐患以及设备损坏的问题。
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KIKIi I
图7控制系统的主界面
Fig.7Homepage of the control unit
2.5磁控溅射工艺单元
磁控溅射工艺单元的原理结构如图8所示，磁控溅射单元采用了高强度磁体组件的靶，可沉积Fe、Co、Ni等磁性金属薄膜，同时配备了3英寸无压环靶材平台，可实现不同靶材的灵活快速更换W-20〕。配备了500W固态射频电源和1000V的直流电源。工艺平台可实现2x10"Pa的极限真空，可沉积4英寸及以下尺寸的样片，靶基距可以实
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现80-120mm的可调范围。加热系统可对样片加
热到200七，满足磁控溅射对反应温度的要求，同时
可以安装金属掩膜板，直接制备图形薄膜［21'22］0
图8磁控溅射工艺单元结构图
Fig.8Schematic diagram f the magnetron sputtering
幻听的中药
reactor subunit
2.6ALD X艺单元
ALD有等离子体ALD(PEALD)和热型ALD (TALD)两个单元,PEALD是对TALD工艺单元的功能扩展。该工艺单元主要由反应腔室、等离子体发生系统、源气通入系统等构成，如图9所示［23-24\等离子发生
系统采用平板电容放电的方式，由高纯石英管、金属板和射频电源及匹配器等构成，配备了500W的射频电源，满足工艺实验需要。同时在底部和侧面都安装了加热装置，配合顶部加热装置，能够实现80%的热传导率，温度可调范围为0~ 300P。
3设备的测试验证
为了验证集束型纳米薄膜沉积设备的性能，对
图9PEALD工艺单元结构图
Fig.9Photo of the PEALD reactor subunit
各工艺单元进行了薄膜制备性能的考察。
3.1磁控溅射制备图形薄膜及其他工艺
硬币组合在磁控溅射工艺平台上安装掩膜板系统，使用Ti靶材，射频功率为100W，溅射时间为10min，得到如图10的样品图案薄膜，在光学显微镜下可以看到，图形薄膜样品表面均匀，线条均匀。
(a)sample photo(b)sample photo under an
optical microscope
图10利用掩膜板制备的图形薄膜样品
Fig.10One of the test results
使用椭偏仪在样品上采取5点厚度测试，结果如表2所示。计算得到Ti薄膜的非均匀性为0.5%，生长速率为0.035nm/s。
表2样品薄膜的厚度测试数据
Tab.2Measured thickness of the test sample of Ti-nanofilm
样品沉积工艺
厚度/nm均
性
非
匀
-12345
Ti薄膜射频磁控溅射20.9320.7620.8121.0520.740.5%
3.2集束型纳米薄膜沉积设备制备多层纳米薄膜
在4英寸晶圆上沉积高k栅多层膜结构〔旳。使用TALD工艺平台，沉积30个周期，制备出3.97 nm的Abo」介质层皿］；通过旋转平台，将样品传输到PEALD工艺平台，沉积180个周期，制备岀19.5 nm的HQ?薄膜层⑵］；最后再通过旋转平台，将样品传输到磁控溅射工艺平台，使用Ti靶材，制备出13.6nm的Ti电极层，从而实现了在全真空的环
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