离子束溅射与刻蚀系统

2013-04-08  来源:

项目分类:加工仪器设备  立项年度:2008

负责人:龙世兵       完成年度:2012

完成单位:中国科学院微电子研究所

一、项目简要说明

“离子束溅射与刻蚀系统”是基于离子束技术研制而成的材料制备及工艺设备,具有离子束溅射/ 共溅射沉积、辅助离子束溅射、衬底加温、原位退火、离子束刻蚀、衬底反溅清洗、通入反应气体的反应离子束溅射和化学辅助离子束刻蚀、膜厚监控等功能,用于电学器件和光学元件中各种金属和介质薄膜及多层膜的高质量沉积、退火和刻蚀,对于新材料的探索性研究以及基于新材料的新结构器件的研究具有重要的科学意义和实用价值。

研制的“离子束溅射与刻蚀系统”具有两个真空腔室:溅射室、刻蚀室。溅射室和刻蚀室的极限真空为6.6×10-5Pa。溅射室中的一个直流离子源和一个射频离子源用于溅射和共溅射,另一个直流离子源个用于辅助轰击和反溅清洗,溅射靶台为2 个可旋转四靶台,溅射工件台为四子台行星结构,可同时放置4 个2 英寸或4 英寸衬底,溅射室具有衬底加热与原位退火功能,样品加热器最高温度为700℃。通过离子源、衬底工件台和靶台的结构设计和布局将离子束溅射、共溅射、清洗、加温退火功能集成于同一个腔室中,可实现共溅射,可连续沉积多层膜,包括介质薄膜、金属薄膜、光学薄膜等。刻蚀室中具有一个射频离子源,刻蚀工件台为6 英寸单工件台,可实现用常规方法难以刻蚀的各种材料的高各项异性、高选择比和高高宽比刻蚀。该设备主要由耐高温离子束溅射室、刻蚀室、进口离子源及电源、国产离子源及电源、四工位公转及自转样品加热转台、单工位自转样品水冷转台、转靶、泵抽系统、真空测量系统、气路系统、电控系统、断水报警系统和微机控制镀层系统等组成,集成了真空、化学、物理、机械、电气等学科的技术,是一个多功能的系统。

该设备的主要技术指标:

(1) 溅射室和刻蚀室的极限真空:经烘烤后连续抽气可达6.6×10-5Pa;

(2) 溅射室和刻蚀室的抽速:两个真空室在充入干燥氮气并短时间暴露大气后开始抽气,30 分钟均可达2×10-3Pa;

(3) 溅射室和刻蚀室的真空泄漏率:停泵关机12 小时后真空度≤ 10Pa;

(4) 衬底基片及样品台温控能力:可一次装载4 片2 英寸或4 英寸衬底,其中2 个衬底可加温,温度达到700℃,控温精度±2℃;

(5) 多层膜淀积功能:能连续淀积4 种不同材料的多层薄膜;

(6) 共溅射功能:能实现2 种材料的共溅射;

(7) 溅射薄膜的厚度均匀性:≤ ±5%(2 英寸);

(8) 溅射薄膜介电常数:溅射沉积的HfO2 薄膜(厚度大于100nm)的介电常数达到14 以上;

(9) 刻蚀深度均匀性:≤ ±7%(2 英寸),刻蚀剖面陡直度:≥ 80 度。

二、在科研工作中发挥的作用

项目组利用自行研制的“离子束溅射与刻蚀系统”,结合其它微纳加工工艺,进行了阻变存储器和X 射线波段系列反射式光栅的研究,并得到了一系列创新性的研究成果:利用该设备生长的氧化铪薄膜材料已经研制成功阻变存储器,并在相关国家科研项目中发挥作用。利用离子束溅射制备了氧化铪阻变层薄膜,

得到的Cu/HfO2/n+-Si 阻变器件具有单极性电阻转变特性,不同器件的初始态电阻相差很小,不需要Forming 过程,电阻开关比>105,不同器件之间Set 电压和Reset 电压分布比较集中,未出现Set 和Reset 电压的重合现象,且具有很好的耐受性。利用离子束溅射制备了W/Ti 电极薄膜,得到的W/Ti/HfO2/Pt 阻变器件具有双极性电阻转变特性和稳定的器件性能,电阻开关比>102,具有很好的耐受性。

利用离子束刻蚀系统,研究了X 射线波段系列反射式光栅,包括平面光栅、闪耀光栅、单级衍射平面光栅和单级衍射闪耀光栅等。通过调节刻蚀气体成分的比例和离子源功率,利用自制的角度可调的刻蚀工件台,在高精度抛光光学衬底(包括高精度硅衬底和高精度石英衬底)上,进行大角度离子束刻蚀,通过改变光刻胶和衬底的刻蚀速率比和图形的占空比,获得了槽型合理、反射面光滑的系列平面和闪耀X 射线光栅。

(微电子所科技处供稿)

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