(s)第五章+物理气相淀积

1、第五章第五章 物理气相淀积物理气相淀积主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院绪论绪论nPVD：physical vapor depositionn特点：物理过程；特点：物理过程；n方法：方法： 蒸发：早期工艺制备金属薄膜，目前广泛应用于科蒸发：早期工艺制备金属薄膜，目前广泛应用于科 研和研和-族化合物半导体工艺中；族化合物半导体工艺中； 溅射：已取代蒸发。溅射：已取代蒸发。5.1 真空蒸发的基本原理真空蒸发的基本原理n材料的三态：材料的三态：solid，liquid，gas；n蒸气：任何温度下，材料表面都存在自身的气体；蒸气：任何温度下，材料表面都存在自

2、身的气体；n饱和蒸气压：在一定的温度下，真空室内蒸发物质的饱和蒸气压：在一定的温度下，真空室内蒸发物质的 蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力；蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力；n蒸发温度：饱和蒸汽压为蒸发温度：饱和蒸汽压为133.310-2Pa时的物质温度；时的物质温度； n升华：低于材料熔化温度时，产生蒸气的过程；升华：低于材料熔化温度时，产生蒸气的过程；n蒸发：材料熔化时，产生蒸气的过程；蒸发：材料熔化时，产生蒸气的过程；n真空蒸发：真空蒸发：利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进 行薄膜淀积；行薄膜淀积； 优点：优点：工艺及设备简单，薄膜纯度高

3、、淀积速率快；工艺及设备简单，薄膜纯度高、淀积速率快； 缺点：缺点：薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖差。薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖差。5.1.1 真空蒸发设备真空蒸发设备电子束蒸发台电子束蒸发台5.1.1 真空蒸发设备真空蒸发设备主要由三大部分组成：主要由三大部分组成：真空系统真空系统蒸发系统蒸发系统基板及加热系统基板及加热系统机械泵机械泵高真空阀高真空阀高真空泵高真空泵工艺腔工艺腔(钟罩钟罩)坩锅坩锅蒸发金属蒸发金属载片盘载片盘蒸发淀积过程蒸发淀积过程主要有三个基本过程：主要有三个基本过程：加热蒸发过程：加热蒸发源（固态），产生蒸气；加热蒸发过程：加热蒸发源（固态），产生蒸气；气化原子或分子在

4、蒸发源与基片之间的输运过程：气化气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：气化 的原子、分子扩散到基片表面；的原子、分子扩散到基片表面；被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：气化的原被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：气化的原 子、分子在表面凝聚、成核、成长、成膜；子、分子在表面凝聚、成核、成长、成膜； 5.1.5 多组分蒸发多组分蒸发n如，合金蒸发如，合金蒸发n方法：方法：（按蒸发源分类）（按蒸发源分类） 单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶；单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶；n 靶源的要求：各组分蒸汽压接近；靶源的要求：各组分蒸汽压接近； 多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，

5、同时蒸发；多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； 多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发，多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发， 最后高温退火；最后高温退火；n 工艺关键：根据薄膜组分工艺关键：根据薄膜组分,控制相应厚度；控制相应厚度； 5.1.5 多组分蒸发多组分蒸发（按加热方式分类）（按加热方式分类）n电阻加热源电阻加热源n电子束加热源电子束加热源n高频感应加热源高频感应加热源n激光加热源激光加热源5.2 蒸发源蒸发源5.2.1 电阻加热源电阻加热源n直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体；直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体； 加热体采用：加热体采用：W、Mo、

6、石墨。、石墨。n间接加热源：坩埚盛放蒸发源；间接加热源：坩埚盛放蒸发源； (坩埚采用：高温陶瓷、石墨坩埚采用：高温陶瓷、石墨)n对加热材料的要求：对加热材料的要求： 熔点要高：高于蒸发源的蒸发温度；熔点要高：高于蒸发源的蒸发温度； 饱和蒸汽压要低：低于蒸发源；饱和蒸汽压要低：低于蒸发源； 化学性能要稳定：在高温下与蒸发材料不发生化学化学性能要稳定：在高温下与蒸发材料不发生化学反应，不形成合金。反应，不形成合金。目的：不产生污染目的：不产生污染n优点：工艺简单，蒸发速率快；优点：工艺简单，蒸发速率快； 缺点：难以制备高熔点、高纯度薄膜。缺点：难以制备高熔点、高纯度薄膜。n原理：电子轰击蒸发材料，

7、使其原理：电子轰击蒸发材料，使其 熔化蒸发。熔化蒸发。n特点：可淀积高熔点（特点：可淀积高熔点（3000）、 高纯薄膜；高纯薄膜；n应用：应用：W、Mo、SiO2、Al2O3 5.2.2 电子束蒸发源电子束蒸发源5.2.2 电子束蒸发源电子束蒸发源n优点：优点： 蒸发温度高：能量密度高于电阻加热源；蒸发温度高：能量密度高于电阻加热源； 高纯度淀积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发；高纯度淀积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发； 热效率高：热传导和热辐射损失少。热效率高：热传导和热辐射损失少。 n缺点：缺点： 一次电子与二次电子使蒸发原子等电离；一次电子与二次电子使蒸发原子等电离； 结构复杂、价格昂贵，

8、会产生软结构复杂、价格昂贵，会产生软X射线。射线。n原理：原理：利用高功率激光束进行加热。利用高功率激光束进行加热。n主要优点：主要优点： (1)加热温度高，可蒸发任何高熔点材料。加热温度高，可蒸发任何高熔点材料。 (2)坩埚材料对蒸发材料的污染小，薄膜纯度高。坩埚材料对蒸发材料的污染小，薄膜纯度高。 (3)能量密度高，可保证化合物薄膜成分比例。能量密度高，可保证化合物薄膜成分比例。 (4)易获得高真空度。易获得高真空度。 (5)适合蒸发成分比较复杂的合金或化合物。适合蒸发成分比较复杂的合金或化合物。n主要缺点：主要缺点： 大功率激光器价格较昂贵。大功率激光器价格较昂贵。5.2.3 激光加热源

9、激光加热源5.2.4 高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源n优点：优点：蒸发速率快；蒸发速率快；温度控制精确；温度控制精确；工艺简便；工艺简便；n缺点：缺点：成本高；成本高；电磁干扰。电磁干扰。5.4 溅射溅射n原理：原理：气体辉光放电产生等离子体气体辉光放电产生等离子体具有能量的离具有能量的离 子轰击靶材子轰击靶材靶材原子获得能量从靶表面逸出靶材原子获得能量从靶表面逸出 (被溅射出被溅射出)溅射原子淀积在表面。溅射原子淀积在表面。n特点：特点：被溅射出的原子动能很大，被溅射出的原子动能很大，10-50eV（蒸发：（蒸发： 0.1-0.2eV）；故，）；故， 还可实现离子注入。还可实现离子注入

10、。n优点：优点：台阶覆盖好（迁移能力强）。台阶覆盖好（迁移能力强）。5.4.3 溅射方法溅射方法n直流、射频、磁控、反应、直流、射频、磁控、反应、 离子束、偏压等溅射；离子束、偏压等溅射；1.直流溅射直流溅射 n溅射靶：阴极溅射靶：阴极n衬底：阳极（接地）衬底：阳极（接地）n工作气体：工作气体：Ar气气n要求：靶材导电性好要求：靶材导电性好n特点：只适于金属靶材特点：只适于金属靶材简单平行金属板直流二极管溅射系统简单平行金属板直流二极管溅射系统尾气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5.4.3 溅射方法溅射方法2. RF溅射溅射n原理：高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室；原理：高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室；n特点：适于各种金属与非金属靶材；特点：适于各种金属与非金属靶材；5.4.3 溅射方法溅射方法3.磁控溅射磁控溅射n原理：磁场