XII相變儲存器的具體工藝設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13502相變儲存器的具體工藝設計案例 -1-107041.1清洗 -1-222501.2濺射W和SiO2 -1-79581.3第一次光刻 -3-150651.4刻蝕 -4-88801.5去膠 -5-127921.6第二次光刻 -5-18281.7濺射GST和W頂部電極 -5-144091.8剝離 -6-1.1清洗先帶上手套，打開去離子水制備系統。先清洗燒杯：在燒杯中倒入適量酒精，用手反復擦拭燒杯內壁，再用去離子水清洗，反復操作即可清洗完畢。取3個洗凈的燒杯分別加入適量的丙酮、無水乙醇和去離子水。這里需要注意，可以使用多個燒杯同時清洗，避免不必要的等待時間。方案一使用生長有一層一微米厚的二氧化硅膜的硅片作為實驗的基片。將硅片放入丙酮中，使用超聲清洗器超聲清洗5分鐘，將硅片取出放入無水乙醇中，再使用超聲清洗5分鐘，最后將硅片取出放入去離子水中，超聲清洗5分鐘。清洗完的硅片取出，放在濾紙上，使用吹耳球將其吹干。吹干后的硅片可以放在顯微鏡下觀察，若表面還是不干凈，則重復上述步驟再進行清洗。清洗時需要注意，超聲清洗器中的水會在清洗的過程中升溫，升溫后的水會導致無水乙醇和丙酮的揮發，所以在使用超聲清洗器時需要注意打開蓋子冷卻。清洗時，也需要注意將硅片有氧化層即用來制備工藝的一面朝上，因為燒杯底部雜質較多，朝下的一面不易洗凈。1.2濺射W和SiO2在科研中，一般使用多種方式進行材料的生長，包括但不限于濺射、脈沖激光沉積、等離子體增強化學沉積技術等。這些對不同材料的生長過程的不同選擇也是科研的一部分內容。但是針對實驗教學而言，設備數量有限，再考慮到成本，需要一些更適合實驗教學的生長技術。這里使用的是磁控濺射，所用設備為M79100-2/UM磁控濺射鍍膜機。這臺磁控濺射鍍膜機可以濺射非常多的靶材，包括很多金屬靶、介質靶以及半導體靶材，適用范圍非常廣泛，十分適合教學使用。先打開循環水并對其檢查，再打開開關接通電源，接著打開控制面板，確保儀器一切正常。不在工作狀態時，磁控濺射機的腔內是處于真空狀態的，所以需要向其中通入氮氣讓其與外界氣壓相同。打開氮氣氣瓶，并打開氣閥，向腔室中充入氮氣，等到腔室中的氣壓與外界相同時，再打開腔門，放入潔凈的硅片和靶材。這里注意腔室內有個基板，需要將硅片粘在基板上在將基板放入腔室。硅片制備工藝的一面在腔室內是處于向下的，所以在粘硅片時需要使用鑷子壓一下硅片的四周，確保不會污染到硅片中心的同時，保證硅片在基片旋轉時不會脫落掉下。然后關閉腔門，并且要抽真空。抽真空要先打開機械泵，再開啟旁路閥，讓其抽到幾Pa數量級的時候再改用分子泵抽真空。使用分子泵前先關閉旁路閥，再打開機械泵和分子泵之間的閥門，再打開分子泵。等待分子泵加速達到24000轉之后再打開插板閥，繼續等待抽真空直至腔內氣壓達到10-4數量級及以下。當腔內達到指定的真空度時，點擊控制面板，設置氬氣的流量為15，打開氬氣閥門并調節插板閥，使腔內氣壓達到1Pa。開啟靶材的擋板和電源，設置合適的電源功率，點擊啟動按鈕，并且將機臺旋轉按鈕打開。這時可以透過觀察窗看到腔室內起輝放電，看到起輝后，調整插板閥，使腔內氣壓保持在0.5Pa左右。等待濺射完成后，就要取出硅片了。取出前，先將靶臺的電源功率歸零，然后關閉電源，氬氣流量也歸零，再關閉氬氣閥門，關閉基臺的旋轉。再關閉插板閥，關閉插板閥時需要注意將其扭緊。并關閉分子泵，等待分子泵的速度降下來之后，再關閉分子泵閥門和分子泵電源，并關上機械泵。還需要關閉真空機和靶材擋板。當這些依次關閉后，開啟氮氣閥門，向腔室內充入氮氣直至腔室內氣壓與外界一致，再打開腔室取出硅片。取出硅片后可以檢查一下，沒有問題之后就可以進行下一步的濺射。濺射前，可以將硅片收集起來，并將其分別粘在同一塊基板上，可以一次進行多組的濺射，儀器的使用可以在第一次濺射時先行教學，待后續幾次濺射時，可以讓學生們在指導下動手操作或者模擬操作，加強記憶。將硅片放入腔室中，與之前的步驟類似，先抽真空。抽完真空后，點擊控制面板，設置氬氣的流量為15，打開氬氣閥門并扭動插板閥，使氣壓達到2Pa，準備射頻濺射SiO2。開啟靶材的擋板和電源，設置適當的電源功率，點擊啟動按鈕，將機臺旋轉按鈕打開。看到起輝后，調整插板閥使腔內氣壓保持在0.5Pa左右，等待濺射完成，并且取出硅片。取出硅片后，要注意將腔室內部再次抽至真空，再關閉電源。1.3第一次光刻取出5個潔凈的燒杯，分別裝入適量的丙酮、無水乙醇、去離子水、顯影液和去離子水。將濺射完成的硅片進行清洗，并用吸耳球將其輕輕吹干。要提前打開兩個電熱板，分別設置100℃和115℃，并打開光刻機和汞燈。勻膠前，先打開勻膠機的真空泵，將硅片有濺射材料的面朝上放置在勻膠機的中心位置，按下vacuum按鈕，吸附住硅片，并調整勻膠機參數，轉速設置為3600轉每分鐘，時間為60s。這個參數可以獲得1μm厚的光刻膠，如果需要更厚的光刻膠，可以自行改變勻膠參數。滴膠前，先關閉蓋板，點擊啟動按鈕，觀察硅片是否處于中心位置。若不在中心位置，再按下vacuum按鈕，調整好硅片后再次試啟動，直至硅片處于中心位置。再從冰箱中取出光刻膠，在硅片的表面上滴上適宜的光刻膠。再蓋上蓋板，啟動并等待其旋膠完畢。旋涂完光刻膠后的硅片需要進行前烘，溫度為100℃，時間為120s。需要注意的是前烘的時間需要比較準確，可以在其前烘115s的時候就開始移動硅片，這樣做可以及時取下硅片，方便控制時間。前烘完成的硅片放置在光刻機上，按下硅片按鈕，將硅片吸附，并調整光刻機的曝光時間，設置為3s。再取出掩膜版放置在吸臺上，按下掩膜版按鈕，確定吸附住后調整掩膜版和硅片，使掩膜版上的圖形落在硅片中央的位置。然后向上移動機臺，使硅片緊貼著掩膜版。然后將汞燈旋轉到硅片上方，開啟曝光。曝光結束后迅速將汞燈推向另一邊，并且用手遮擋汞燈下方靠近硅片的一側，防止過曝光。再向下移動硅片，將硅片和掩膜版分開，再點擊掩膜版按鈕，松開掩膜版取下，再關閉硅片開關，將硅片取下。這時再使用電熱板進行后烘操作，溫度為115℃，時間為120s。在后烘的過程中調整光刻機參數，改變曝光時間為15s，準備后續的裸曝光。等到后烘完畢后，將硅片放置在吸臺上，將汞燈移到硅片上方，不使用掩膜版，開始曝光。前烘和第一次曝光后，AZ5214光刻膠呈現正膠特性。當再后烘一次和再裸曝光一次時，AZ5214光刻膠就會反轉而形成負膠特性。裸曝光完成的硅片放置在可以浸沒硅片的顯影液中浸沒40s。顯影完成后需要放入去離子水中涮洗一會，去掉殘留的顯影液，以防顯影過度。光刻顯影完成后，可以在顯微鏡下觀察顯影效果，如果顯影效果不好，需要使用丙酮、無水乙醇和去離子水洗去光刻膠再重新光刻。光刻中需要注意的是，要合理地安排時間，電熱板的升溫和降溫過程比較慢，合理控制時間可以減少不必要的等待時間。此外，在曝光前，硅片和掩膜版需要接觸，在上升硅片時，需要緩慢上升，可以通過掩膜版在硅片表面的投影和硅片和掩膜版接觸時產生的壓紋來判斷是否已經接觸。如果上升得過多，會將掩膜版擠出真空吸附狀態，比較危險。另外，在光刻的過程中，眼睛不要注視汞燈，紫外光能量較大，可能會損壞視力。1.4刻蝕常見的科研實驗中，制備相變存儲器時會使用ICP刻蝕技術，但是ICP刻蝕技術要求的技術較高，設備也較為昂貴，不適合在實驗教學中使用。這里使用的是RIE刻蝕，使用的儀器是M46150-1/UM反應離子刻蝕機。這種反應離子刻蝕機結構簡單價格低廉，適合本科生教學使用。但是在刻蝕的過程中，增加的等離子體密度會導致離子轟擊的能量也會同時增加，這可能導致刻蝕的過程中有可能會破壞底部材料，需要在使用的過程中合理的控制參數，避免此問題。打開循環水，并檢查設備的工作狀態。再打開電源和氣瓶，啟動電腦打開控制軟件。打開CF4和N2氣閥，分別設置壓強為0.3和0.5。在軟件上點普N2按鍵，向腔室內充入氮氣，等到與外界氣壓一致，打開腔門。放入硅片，注意有光刻膠的一面向上，關閉腔門。用鼠標點擊機械泵打開，并點擊慢抽閥開始慢抽。當腔內氣壓下降到50Pa以下時，就可以關閉慢抽閥并且打開主抽閥。當氣壓下降到10Pa時，打開RF電源，設置電源功率參數為100W，需要注意的是要點擊參數設置按鈕確認參數修改。將工藝氣體流量設置為8，并打開工藝氣體閥門。待其穩定下來后，點擊開始按鈕，開始刻蝕。這時可以看到腔室內起輝，等待刻蝕結束后點擊停止按鈕，將功率設為0。將工藝氣體流量設為0，再關閉閥門和RF電源。等待十分鐘讓機器冷卻，再關閉主抽閥，并通入氮氣，等待氣壓與外界一致，取出硅片。取出硅片后，需要注意將腔室內抽到20Pa左右的真空，再關閉機器和水電氣。刻蝕也可以和濺射類似，將硅片收集起來，并一同放入多組，可以節省教學時間。1.5去膠刻蝕完后的硅片上的光刻膠就是多余的了，需要把這些去除。去除這些光刻膠還是和清洗時類似，分別使用丙酮、無水乙醇和去離子水浸泡。這里需要注意，最好不要使用超聲清洗器，因為超聲清洗時可能會導致濺射上去的兩層薄膜脫落。可以將硅片使用丙酮清洗，將硅片浸泡即可去除光刻膠。清洗完后的硅片放在濾紙上，并使用吸耳球吹干。1.6第二次光刻第二次光刻與第一次光刻時操作完全一致，只有在對準時需要注意。當硅片勻完膠并且前烘完畢后，將其放在光刻機上。放置的時候需要注意將圖案的位置放置在第二塊掩膜圖形附近。放置好硅片后，撥動硅片開關，使其吸附。再放上掩膜版，讓第二塊掩膜圖形的邊框圖案對準硅片上的底部電極區域。粗略對準后，向上移動硅片，使其貼近掩膜版但是不與掩膜版接觸。這是為了可以更加方便對準，如果距離掩膜版較遠，使用對準顯微鏡觀察時就看不清硅片上的圖案，如果距離掩膜版較近，則在移動掩膜版對準時較為困難，并且光刻膠會粘在掩膜版上，造成污染。對準時，先使用對準顯微鏡找到一個對準標記，在外邊框粗略對準的情況下，可以看到硅片上和掩膜版上的兩個對準標記。在對準時，優先轉動硅片，再移動掩膜版。將一個標記對準好之后，再移動工作臺，尋找另外的標記。這樣，通過兩處標記來回對準，就可以使得硅片上的圖案和掩膜版上的圖案精準套構。然后再按照第一次光刻過程進行光刻即可。光刻之后的硅片可以用顯微鏡觀察，如果效果較好就可以進行后續的濺射。1.7濺射GST和W頂部電極與第一步濺射類似，前續操作后，點擊控制面板，設置氬氣的流量為15，打開氬氣閥門并轉動插板閥，使氣壓達到1Pa，準備直流濺射GST材料。開啟靶材的擋板和電源，設置電源功率，點擊啟動按鈕，將機臺旋轉打開。看到起輝后，調整插板閥使腔內氣壓保持在0.5Pa左右，等待濺射完成。濺射完成后，不取出硅片，再按照第一步的濺射過程進行W頂部電極的濺射。待兩次濺射都完成之后，就可以取出硅片，并將機器抽真空，再關閉水電氣。1.8剝離此