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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,8,章 物理气相淀积,（,Physical Vapor Deposition,）,西安交通大学微电子学,8.1 PVD,概述,8.2,真空系统及真空的获得,8.3,真空蒸镀,8.4,溅射,8.5 PVD,金属及化合物薄膜,物理气相淀积（,P,hysical,vapor deposition,，,PVD,）,是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由（靶）源气相转移到衬底表面形成薄膜的过程。,真空,蒸发,和,溅射,方法,蒸发必须在高真空度下进行。,溅射是在气体辉光放电的等离子状态实现。,PVD,常用来制备金属薄膜,:,如,Al,Au,Pt,Cu,，合金及多层金属。,8.1,PVD,概述,真空蒸发法制备薄膜的基本原理,真空蒸发,即利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。,在真空条件下，加热蒸发源，使原子,或分子从蒸发源表面逸出,，形成蒸汽流并入射到硅片衬底表面凝结形成固态薄膜。,制备的薄膜一般是,多晶金属薄膜,。,8.2,真空系统及真空的获得,低真空：,1,760,Torr,，,10,2,10,5,Pa,中真空：,10,-3,1Torr,，,10,-1,10,2,Pa,高真空：,10,-7,10,-3,Torr,，,10,-5,10,-1,Pa,超高真空：,10,-7,Torr,，,10,-5,Pa,1atm=760Torr,，,1Torr=133.3Pa,半导体工艺设备一般工作在低、中真空度。而在通入工作气体之前，设备维持符合要求真空度。,气体流动及导率,-,气体动力学,气流用标准体积来测量，指相同气体,在,0,和,1atm,下所占的体积。,阀门,质量流速,q,m,(,g/s,),：,气体流量,Q,(,L,atm,/min),：,G-,在体积,V,内气体的质量,-,质量密度,C,与电导率一样并联相加；串联时倒数相加,若大量气体流过真空系统，要保持腔体压力接近泵的压力，就要求真空系统有大的传导率,-,管道直径；泵放置位置,泵入口压力,气体传导率,C,泵的抽速,S,p,-,体积置换率,蒸镀过程,源受热,蒸发,；,气化原子或分子在蒸发源与基片之间的,输运,；,被蒸发的原子或分子在衬底表面的,淀积,：凝结,成核,生长,成膜,8.3,真空蒸镀,设备简单，操作容易,所制备的薄膜纯度较高，厚度控制较精确，成膜速率快,生长机理简单,真空蒸镀法主要缺点,所形成的薄膜与衬底附着力较小,工艺重复性不够理想,台阶覆盖能力差,已为溅射法和化学气相淀积法所代替,真空蒸镀法优点,蒸镀过程基本参数,汽化热,H,被蒸发的原子或分子需克服固相或液相的原子间束缚，而蒸发到真空中并形成具有一定动能的气相原子或分子所需的能量。,常用金属材料汽化热,/,原子（分子）,在蒸发温度下的动能,/,原子（分子）,什么是饱和蒸汽压,蒸汽压,指在液,(,固,),表面存在该物质的蒸汽，该蒸汽对液,(,固,),表面产生的压强就是该液体的蒸汽压。,平衡,(,饱和,),蒸汽压,指一定的温度下，与同种物质的液态,(,或固态,),处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压。,蒸发温度,在平衡蒸汽压为,1.333Pa,时所对应的物质温度。,蒸,汽压,蒸发速率,蒸发速率和温度、蒸发面积、表面的清洁程度、加热方式有关，工程上将源物质、蒸发温度和蒸发速率之间关系绘成为,诺漠图。,分子平均自由程,粒子两次碰撞之间飞行的平均距离,真空蒸镀气相输运过程基本参数,真空蒸镀成膜过程基本参数,8.3.2,设备与方法,设备由三部分组成：,真空室,抽气系统,测试部分,蒸发方法：,单组份、多组份蒸发；,衬底是否加热，冷蒸或热蒸；,按加热器分类。,8.3.2,蒸镀设备主要采用的加热器类型及性能,电阻加热蒸镀,电子束,(EB),蒸镀,激光蒸镀,高频感应蒸镀,电阻加热器,出现最早，工艺简单；但有加热器污染，薄膜台阶覆盖差，难镀高熔点金属问题。,对电阻加热材料要求：熔点要高；饱和蒸气压要低；化学稳定性好；被蒸发材料与加热材料间应有,润湿性,。,电子束,(EB),加热,EB,蒸镀基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳极的蒸发材料，使其加热汽化。,EB,蒸镀相对于电阻加热蒸镀,杂质少,，去除了加热器带来的玷污；,可蒸发高熔点金属；热效率高,；,EB,蒸镀薄膜有辐射损伤，即薄膜电子由高激发态回到基态产生的；也有设备复杂，价格昂贵的缺点。,电子束加热器,激光蒸镀,利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热，称为,激光束加热蒸发法。,激光束加热的特点是,加热温度高,，可避免坩埚的污染，,材料蒸发速率高,，蒸发过程容易控制。,激光加热法特别,适应于,蒸发,成份比较复杂的合金,或,化合物材料,。,高频感应蒸发,高频感应蒸发源是通过高频感应对装有蒸发源的坩埚进行加热，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失,(,对铁磁体,),，致使蒸发材料升温,直至汽化蒸发。,多组分薄膜的蒸镀方法,(a),单源蒸发法,(b),多源同时蒸发法,8.3.3,蒸镀工艺,8.3.2,蒸镀薄膜的质量及控制,真空度,台阶覆盖特性,蒸发速率,蒸镀为什么要求高真空度,蒸发的原子（或分子）的输运应为直线，真空度过低，输运过程被气体分子多次碰撞散射，方向改变，动量降低，难以淀积到衬底上。,真空度过低，气体中的氧和水汽，使金属原子或分子在输运过程中氧化，同时也使加热衬底表面发生氧化。,系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，影响淀积薄膜质量。,台阶覆盖特性,在有深宽比为,1,的微结构衬底上蒸镀薄膜的台阶覆盖,8.4,溅射,溅射,具有一定能量的入射离子在对固体表面进行轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生,能量和动量,的转移，并可能将固体表面的原子溅射出来。,热蒸发本质,能量的转化,溅射本质,能量和动量，原子具有方向性,溅射过程建立在辉光放电的基础上；,微电子工艺中的溅射，是指利用,气体辉光放电,时，离子对阴极轰击，使阴极物质飞溅出来淀积到基片上形成薄膜的工艺方法。,尾气,e-,e-,e-,DC,直流二极管,溅射装置,衬底,1),电场产生,Ar,+,离子,2),高能,Ar,+,离子和,金属靶撞击,3),将金属原子,从 靶中撞击,阳极,(+),阴极,(-),氩原子,电场,金属靶,等离子体,5),金属淀积在衬底上,6),用真空泵将多余,物质从腔中抽走,4),金属原子向衬底迁移,.,进气,+,+,+,+,+,简单平行金属板直流二极管溅射系统,8.4.1,工艺机理,在初、中真空度下，真空室通入少量氩或其它惰性气体，加高压或高频电场，使氩等惰性气体电离，正离子在电场作用下撞击靶，靶原子受碰撞溅射，到达衬底淀积成膜。,入射离子溅射分析,溅射出的原子，获得很大动能，约,10-50eV,。和蒸镀相比（约,0.2eV,）溅射原子在基片表面上的迁移能力强，改善了台阶覆盖性，以及与衬底的附着力。,8.4.2,溅射特性,溅射阈值,每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就不会发生溅射现象。,溅射阈值与入射离子质量无关，而主要,取决于靶,特性。,溅射率,S,又称溅射产额,S=,溅射出的靶,原子数入射离子数。,溅射粒子的,速度和能量,影响溅射率的因素,S,与入射离子能量的关系,S,与入射离子种类的关系,：原子量,;,原子序数,(,周期性,);,惰性气体的溅射率最高。,S,与靶的关系,：随靶原子序数增加而增大。,S,与离子入射角的关系,：,S,还与靶温、靶晶格结构，靶的表面情况、溅射压强、升华热的大小等因素有关。,被溅射出的粒子的速度和能量,重靶逸出能量高，轻靶逸出速度高。,不同靶逸出能不同，溅射率高的靶，逸出能较低。,相同轰击能，逸出能随入射离子质量线性增加；轻入射离子溅射出的靶逸出能量较低，约,10eV,；重入射离子溅射出的靶逸出能量较大，约,30-40eV,。,靶的平均逸出能量，随入射离子能量而增加，当入射离子能达,1keV,时，平均逸出能趋于恒定值。,在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。,8.4.3,溅射方法（式）,直流溅射,射频溅射,磁控溅射,反应溅射,离子束溅射,偏压溅射,1.,直流溅射,最早出现，是将靶作为阴极，只能制备导电的金属薄膜，溅射速率很慢。,工作气压是一个重要参数,气压和淀积速率的关系,2.,射频溅射,在射频电场作用下，气体电离为等离子体。靶相对于等离子体而言是负极，被轰击溅射；衬底放置电极与机壳相连，鞘层压降很小，与等离子体基本等电位。,可溅射介质薄膜，如,SiO,2,等；,功率大，对人身防护成问题。,13.56MHz,3.,磁控溅射,在阴极靶面上建立一个磁场，以控制二次电子的运动，延长电子飞向阳极的行程，使其尽可能多产生几次碰撞电离从而增加了离子密度，提高溅射效率。,也只能制备金属导电薄膜。,溅射质量和速率有了很大提高。,4.,反应溅射,用,化合物作靶,可实现,多组分薄膜淀积,，但得到的薄膜往往与靶的化学组成有很大的差别。可采取,反应溅射，,在溅射室通入反应气体，如：,O,2,，,N,2,，,H,2,S,，,CH,4,，生成：,氧化物：,Al,2,O,3,，,SiO,2,，,In,2,O,3,等,碳化物：,SiC,，,WC,，,TiC,等,氮化物：,TiN,，,AlN,，,Si,3,N,4,等,硫化物：,CdS,，,ZnS,等,各种复合化合物,台阶覆盖与接触孔口,8.5 PVD,金属及化合物薄膜,铝及铝合金薄膜淀积,铜及阻挡层薄膜淀积,其它金属薄膜和化合物薄膜,欧姆接触层：,钛（,Ti,）、铂（,Pt,）、铝（,Al,）、镉（,Cd,）、,锌（,Zn,）,粘附层：,钛（,Ti,）、铬（,Cr,）、铝（,Al,）、锆（,Zr,）等,过渡层：,钯（,Pd,）、钨（,W,）、钼（,Mo,）、镍（,Ni,）及镍,铬合金（,NiCr,）,导电层：,金（,Au,）、铝（,Al,）、银（,Ag,）、铜（,Cu,）等,铜中毒（污染）问题,铜膜的图形刻蚀,本章重点,真空蒸镀机理，高真空的必要性,EB,蒸镀，加热器比较,等离子体的产生,各溅射工艺机理（直流、射频、磁控）,
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