半导体100问：PVD知识讲解
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PVD简介
1. PVD的含义 —
PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写，中文意思是“物理气相沉积”，是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。
2. PVD镀膜和PVD镀膜机 —
PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。对应于PVD技术的三个分类，相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。
近十多年来，真空离子镀膜技术的发展是最快的，它已经成为当今最先进的表面处理方式之一。我们通常所说的PVD镀膜 ，指的就是真空离子镀膜；通常所说的PVD镀膜机，指的也就是真空离子镀膜机。
3. PVD镀膜技术的原理 —
PVD镀膜（离子镀膜）技术，其具体原理是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
4. PVD镀膜膜层的特点 —
采用PVD镀膜技术镀出的膜层，具有高硬度、高耐磨性（低摩擦系数）、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点，膜层的寿命更长；同时膜层能够大幅度提高工件的外观装饰性能。
5. PVD镀膜能够镀出的膜层种类 —
PVD镀膜技术是一种能够真正获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法，它能够制备各种单一金属膜（如铝、钛、锆、铬等),氮化物膜（TiN、ZrN、CrN、TiAlN）和碳化物膜（TiC、TiCN),以及氧化物膜（如TiO等)。
6. PVD镀膜膜层的厚度 —
PVD镀膜膜层的厚度为微米级，厚度较薄，一般为0.3μm ～ 5μm，其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.3μm ～ 1μm ，因此可以在几乎不影响工件原来尺寸的情况下提高工件表面的各种物理性能和化学性能，镀后不须再加工。
7. PVD镀膜能够镀出的膜层的颜色种类 —
PVD镀膜目前能够做出的膜层的颜色有深金黄色，浅金黄色，咖啡色，古铜色，灰色，黑色，灰黑色，七彩色等。通过控制镀膜过程中的相关参数，可以控制镀出的颜色；镀膜结束后可以用相关的仪器对颜色进行测量，使颜色得以量化，以确定镀出的颜色是否满足要求。
8. PVD镀膜与传统化学电镀（水电镀）的异同 —
PVD镀膜与传统的化学电镀的相同点是，两者都属于表面处理的范畴，都是通过一定的方式使一种材料覆盖在另一种材料的表面。两者的不同点是：PVD镀膜膜层与工件表面的结合力更大，膜层的硬度更高，耐磨性和耐腐蚀性更好，膜层的性能也更稳定；PVD镀膜不会产生有毒或有污染的物质。
9. PVD镀膜技术目前主要应用的行业 —
PVD镀膜技术的应用主要分为两大类：装饰镀膜和工具镀膜。装饰镀的目的主要是为了改善工件的外观装饰性能和色泽同时使工件更耐磨耐腐蚀延长其使用寿命；这方面主要应用五金行业的各个领域，如门窗五金、锁具、卫浴五金等行业。工具镀的目的主要是为了提高工件的表面硬度和耐磨性，降低表面的摩擦系数，提高工件的使用寿命；这方面主要应用在各种刀剪、车削刀具（如车刀、刨刀、铣刀、钻头等等）、各种五金工具（如螺丝刀、钳子等）、各种模具等产品中。
10. PVD镀膜（离子镀膜）技术的主要特点和优势 —
和真空蒸发镀膜真空溅射镀膜相比较，PVD离子镀膜具有如下优点：
1 ．膜层与工件表面的结合力强，更加持久和耐磨
2 ．离子的绕射性能好，能够镀形状复杂的工件
3 ．膜层沉积速率快，生产效率高
4 ．可镀膜层种类广泛
5 ．膜层性能稳定、安全性高（获得FDA认证，可植入人体）
真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜 真空离子镀膜 三种镀膜方式的比较
比较项目 | 真空蒸发镀膜 | 真空溅射镀膜 | 真空离子镀膜 | |
压强（×133Pa） | 10E-5~10E-6 | 0.15~0.02 | 0.02~0.005 | |
粒子能量 | 中性 | 0.1~1eV | 1~10eV | 0.1~1eV |
离子 | － | － | 数百到数千 | |
沉淀速率（微米 / 分） | 0.1~70 | 0.01~0.5 | 0.1~50 | |
绕射性 | 差 | 较好 | 好 | |
附着能力 | 不太好 | 较好 | 很好 | |
薄膜致密性 | 密度低 | 密度高 | 密度高 | |
薄膜中的气孔 | 低温时较多 | 少 | 少 | |
内应力 | 拉应力 | 压应力 | 压应力 |
PVD知识问题 | |
1. | Target (靶材)是什幺? |
答：在PVD中，靶材是用来提供镀膜（film）的金属材料. | |
2. | PVD 制程原理为何? |
答：在Target与wafer间加之高电位差，此时制程气体Ar在高位差下解离成Ar+，又因Ar+带正电被电场吸引而撞向Target，使target产生金属晶粒因重力作用而掉落至wafer形成film.此种工艺是 PVD. | |
3. | 半导体中一般金属导线材质为何? |
答：鵭线(W)/铝线(Al)/铜线(Cu) | |
4. | 在PVD工艺中可以得到那几种金属膜? |
答：铝(AL)，钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钴( Co). 一般wafer进入 PVD机台,必须镀上 钛/氮化钛/铝/钛/氮化钛.五层金属. 钴的功用为金属硅化物 (silicide). | |
5. | 钛(Ti)的功用为何? |
答：降低金属接触阻值 | |
6. | 氮化钛(TiN) 的功用为何? |
答：1.当作扩散阻障层(diffusion barrier layer)， 阻障铝与氧化硅之间的扩散. 2.当作粘着层(glue layer)，钨与氧化硅附着力不好，在二者之间加入氮化钛可以增加彼此的粘着力 3. 当作反反射层(ARC layer), 为了在微影技术制程中为达到高的分辨率，所以需一层抗反射层镀膜以减少来自铝的高反射率. |
7. | chamber待机一段时间后，为何要做Dummy(檔片)? | |
答：chamber待机一段时间后，chamber condition (真空，温度..)有些微变化.若不做dummy，前几片产品会受到影响.一般是由工艺工程师依照实际状态，制定待机时间规则，然后由制造部 operator 放入檔片到chamber 镀膜(其recipe 与产品的recipe相似).经由 dummy后，chamber condition 会恢复正常水准，可以安心生产. | ||
8. | 为何铝靶材需要添加少量的铜? | |
答：电流在铝金属层移动时，铝原子会沿着晶粒界面而移动，若此现象太过剧裂，会导致金属线断路，添加少量的铜可以防止铝线断线 | ||
9 | 既然添加铜可以防止铝尖峰现像，为何只添加0.5%? | |
答：太多铜，会造成蚀刻困难(铜的氯化物不易挥发) | ||
10 | 为何PVD的靶材需要冷却? | |
答：避免target表面温度过高，(造成蒸镀现像，使得金属film 的质量不稳定) | ||
11 | 为何机台必须使用冷却水时，必须控制水质纯净? | |
答：防止结垢，或绝缘 | ||
12 | 为何制程(process)气体管路必须加热（ from gas box to chamber）? | |
答：防止制程气体冷凝为液体，影响制程. | ||
13 | 何谓PM ?机台为何要定期PM? | |
答：PM（preventive maintenance）是预防保养. 按周期对机台相应的Parts(备品)采取相应的维护或更换措施，为保持机台性能的稳定，防止制程良率下降，延长机台及Parts寿命. (1) 依时程而分，可分为月保养，季保养，年保养. (2) 依wafer 数量而分，是为数量保养. | ||
14 | 为何工程师做PM时，必须先冷却加热器(heater) 至(room temp.)适当的温度? | |
答：为了工程师安全及机台安全 | ||
15 | 为何工程师做PM时，chamber必须bake out? | |
答：为了排气，防止不纯气体进入film 中，影响制程 | ||
16 | PVD与W-CVD在IC制造中扮演什幺角色? | |
答：铝与钨为金属层,连通device 与封装的导线,在二者之间形成通路，电流得以畅通无阻.(attached drawing) | ||
17 | Bake out 是什幺? | |
答：工程师做PM时，打开Chamber时，Chamber内部曝露在大气中，当工程师做完PM时，必须做Bake out，加热Chamber，将附着在内部的水分子…等气体赶走，如此一来可提高真空度 | ||
18 | PVD制程中，使用的气体为何? | |
答：N2与Ar | ||
19 | N2与Ar在 PVD制程中，使用的目的为何? | |
答：Ar被电子离子化后，成为撞击target的子弹将TARGET的原子打下落在wafer上，N2的目的是氮化target的表面原子. |
20 | 为何使用Ar来做PVD溅镀的气体来源? |
答：1.钝气，不易起化学变化 2.质量重 (AMU 40)，溅击效果好 3.价格便宜 | |
21 | PVD 的制程压力为何? |
答：2~20 mTorr. | |
22 | PVD 测机项目为什幺? |
答：反射率(reflectivity index)，厚度(thickness)，阻值(resistance sheet)，微粒(particle)，均匀度(uniformity) | |
23 | 为何机台测漏，喜欢使用氦气来检漏? |
答：(1) 氦气在大气中的含量很低，避免误判. (2) 氦气渗透力强，很容易检漏 (3) 氦气为钝性气体，不易造成机台污染或腐蚀. | |
24 | PVD制程中，镀膜之前为何需要预先去除原始氧化层? |
答：预先去除原始氧化层，让金属层之间电阻不会过大以及增加膜与衬底的结合力. | |
25 | PVD制程中，为何使用DC power ? |
答：使用DC power，再加上通一定的氩气 （Ar gas），在真空室就会形成等离子体（电浆）。离子体中的离子撞击TARGET，将TARGET的原子打下落在wafer上而形成金属film。 | |
26 | 为何机台必须使用冷却水? |
答：控制温度，以防温度太高，造成机台破坏 | |
27 | Process kit是什幺? |
答：在chamber 内部形成遮敝，镀膜时可以防止膜镀在chamber 内部.每次PM时将其卸下清洗或更换. | |
28 | 为何粗真空pump要使用干式，而不使用油式? |
答：防止油微粒回流污染到机台( prevent oil back stream.) | |
29 | PVD制程中，使用几种真空pump? |
答：粗真空用Rough pump（机械泵）从大气压抽至5mTorr， 高真空用Cryo pump （深冷泵） 从5mTorr抽至10E-9 Torr。 | |
30 | PVD制程中，如何可以得到高真空? |
答：使用高真空泵（pump）. | |
31 | 在附属设备方面 local scrubber 的作用为何? |
答：因制程中使用到相当多的有害气体，在将其排至环境前必须作处理，使之有害气体含量极低，而local scrubber则是负责有害气体处理的装置.一般可以分为吸附式，湿式，加热式. |
32 | 在机台上方粘贴许多警告卷标有何用处? |
答：一般警告卷标有显示危险因子的作用，如高温，高电压与腐蚀液体….对不熟悉的人提出警告 | |
33 | 机台日常点检要注意事项有那些? |
答：一般不脱离水，电，气的点检，除此之外一些PM life Time(预防保养周期)也是点检事项 | |
34 | 何谓MFC？ |
答：Mass flow controller气体流量控制器;用于控制 反应气体的流量 | |
35 | PH试纸测试溶剂 酸性与碱性将显示何种颜色? |
答：酸性为红色，碱性为蓝色 | |
36 | 人体不慎沾到HF酸(氢氟酸)对人体危害如何? |
答：HF会渗入皮肤组织，腐蚀骨头. | |
37 | 接触到HF(氢氟酸)该如何急救? |
答：(1) 至冲身洗眼器处，大量冲水15分钟以上 (2) 到医务室在患部大量涂抹葡萄酸钙 (3) 由医务室人员判断是否送医 | |
38 | 接触到强酸或强碱应如何处理? |
答：(1) 至冲身洗眼器处，大量冲水15分钟以上(硫酸例外) (2) 到医务室做适当的处理 (3) 由医务室人员判断是否送医 | |
39 | 接触到硫酸时应如何处理? |
答：(1) 患部立刻用吸酸棉将残余的硫酸吸出(不可直接冲水，因硫酸遇水会产生热，导致二次灼伤) (2) 再至冲身洗眼器处，大量冲水15分钟以上 (3) 到医务室做适当的处理 (4) 由医务室人员判断是否送医 |
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