實驗二 金屬薄膜沉積與四點探針方法 Metal deposition and 4 point probe method 半導體專題實驗 實驗二 金屬薄膜沉積與四點探針方法 Metal deposition and 4 point probe method

Outline 實驗原理 四點探針的理論與量測 四點探針公式推導 實驗步驟

金屬鍍膜 (Metal Deposition) 又稱物理鍍膜 (Physical Vapor Deposition；PVD) 需在真空下進行 可分為蒸鍍(evaporation)與濺鍍 (sputtering)兩種 蒸鍍環境：10-6~10-7 Torr

真空環境 一般的機械式抽氣幫浦，只能抽到10-3 Torr的 真空度(粗抽)，之後須再串接高真空幫浦，才 高真空幫浦有以下幾種: 擴散式幫浦 (diffusion pump) 渦輪式幫浦 (turbo pump) 致冷式幫浦 (cryogenic pump)

diffusion pump

turbo pump

cryogenic pump

真空系統示意圖(鍍鋁機)

蒸鍍 根據加熱方式差異，可再分為電阻式(thermal coater)與電子槍式(E-gun evaporator)兩類 電阻式： 將準備熔融蒸發的金屬以線材方式掛在加熱鎢絲上，受熱熔融後，因液體表面張力故，會攀附在加熱鎢絲上，然後徐徐飄附著至腔體四周(包含sample晶圓)。因加熱鎢絲耐熱能力與供金屬熔液攀附空間有限，僅用於低熔點的金屬蒸鍍，如鋁，且蒸鍍厚度有限。

蒸鍍 電子槍式： 利用電子束打入靶材加熱，金屬靶材擺在石墨或鎢質坩堝(crucible)中。待金屬蒸氣壓超過臨界限度，金屬原子開始徐徐飄附著至腔體四周(包含sample晶圓)。 電子槍式蒸鍍機可蒸鍍熔點較高的金屬，厚度也比較不受限制。此系統主要的優勢是可以避免Na+離子汙染晶片，同時可以改善Step Coverage。

Step Coverage 在起伏較劇烈的表面，蒸鍍之金屬斷裂不連續。另外，多片晶圓的大面積蒸鍍也存在厚度均勻的問題。為此，晶片承載臺加上公轉自轉的轉盤機制，方便用於上述兩問題之改善。

電阻式蒸鍍 應用於低溫金屬，以及鍍碳、金等導電用薄膜。圖為鍍鋁機。 製作低溫金屬如銦、錫等時，可以利用蒸鍍的方式得到μm級的膜，快速且平整性及均勻性好。 利用加熱的方式使碳棒放出細微碳分子在試片表面導電用，鍍金亦同。 優點是操作方便，真空潔淨度佳，快速且厚度可大可小。

電阻式蒸鍍

電子槍式蒸鍍

濺鍍 利用一個電漿中的高能離子去轟擊而濺射出一個 靶的原子出來，這些原子接著穿越過一個真空或 非常低壓的氣相，撞擊到晶圓之上，在表面上重 新沉積而形成膜。 氬氣(Ar)是濺鍍製程中最常用的氣體，因為它是 惰性的，質量夠大的以及豐沛的(大氣中約佔1%) ，並且符合成本效益的氣體。 在反應式濺鍍製程中，可以使用氧或氮與氬的混 合氣體來沉積金屬氧化物或氮化物，如氮化鈦。

濺鍍

濺鍍-真空系統 MP TP FV Chamber MV RV VENT GAS VALVE Ar2 N2

濺鍍-操作面板 MP:機械式幫浦 TP:渦輪式幫浦 RV:粗抽閥 FV:細抽閥 MV:主閥 VENT:破真空閥 GAS VALVE:氬氣閥 MOTOR:轉盤 tp mode full/half - speed:TP 升速/降速

濺鍍-操作步驟 關掉主閥MV，按一下VENT破真空。打開chamber後再關閉VENT。 1.破真空，load sample 2.粗抽 Sputter需常年保持在低壓環境下，因此在操作sputter前 先確定MP、TP、FV、MV四個按鈕是開的(即亮綠色)。 1.破真空，load sample 關掉主閥MV，按一下VENT破真空。打開chamber後再關閉VENT。 放入金屬靶材並將檔板先蓋上，然後將準備好的sample用膠帶固定在轉盤上，關上chamber。 2.粗抽 關閉FV，打開RV，打開GAS　VALVE，進行粗抽並確定壓力有下降。

濺鍍-操作步驟 確定壓力抽至5E-2後，關閉RV，打開FV，打開MV，進行細抽，約需一個半小時。 3.細抽 4.降速 確定壓力至5E-6後，按一下tp mode half-speed，讓渦輪降速。 5.預鍍 開啟MOTOR讓轉盤旋轉。通入氬氣並調整流量，開電漿主電源，確定電漿有點起來，預鍍3分鐘。

濺鍍-操作步驟 6.濺鍍 移開擋板開始進行濺鍍。濺鍍完後將擋板遮回，關掉電極主電源，關閉氮氣流量，關掉GAS VALVE。 7.升速 按一下tp mode full-speed，讓渦輪升速。 8.破真空，取出sample 同步驟一，取出sample。 9.抽真空 同步驟2與3，確定sputter處於低壓環境，完成操作。

量測晶圓的電阻率 直接量測法 兩點探針法 一點探針法 線性四點量測法 (本實驗採用) 非線性量測法 (實驗二採用) 1. 正方形排列 2. ven der Pauw量測法

四點探針 V I

四點探針 (1)四點探針法有何好處: 四點探針具有以下特點： 一是當樣品尺寸很大時，樣品尺寸、形狀等幾何參數對測量結果不產生影響，因此不必製作特殊規格的試樣 二是可在工件、器件或設備上直接測量電阻率。

(2)為何四點探針可減少實驗誤差: 在高導電率材料或小電阻器件的電阻測量之中，不僅電路中的接觸電阻不可以忽略不計，甚至導線的電阻都不是無窮小量。 而四點探針法較兩點探針法可有效減少誤差。

四點探針公式推導 當厚度遠小於電流擴散深度時: S 1 2 3 4 I t t<<S

而那部份電荷對周圍電場的影響與長直導線等效 利用上式，即可求出探針2、3 之間的電位差 帶入Q，整理後可得電阻與電壓電流間的關係

當厚度遠大於電流擴散深度時: 當晶片厚度非遠小於晶片 直徑：將電流視為表層點電荷 對點電荷而言 If S1=S2=S3=S

參考照片 1.電阻率量測儀器 2.放置晶片 3.將四點探針對準晶片 4.壓下後數據會顯示出來

結報問題 Calculate metal thickness Rsheet=r/tmetal Plasma and colar Why use Ar Ion gauge

@20oC Au Ag Cu Pt Al Ni Ti W Fe Pb Resistivity (10-8 W-m) 2.44 1.59 1.7 11 2.82 7 42 5.6 10 2.2