第六章 物理气相淀积

1、123Silicon substrateOxide宽宽长长厚厚与衬底相比与衬底相比薄膜非常薄薄膜非常薄Figure 11.4薄膜薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一种种固体物质具有三维尺寸，固体物质具有三维尺寸，那么那么薄膜是指一维尺寸薄膜是指一维尺寸远远小于两外两维上的尺寸。远远小于两外两维上的尺寸。4在硅片加工中可以接受的薄膜，必须具备需要的膜特性。在硅片加工中可以接受的薄膜，必须具备需要的膜特性。为了满足器件的性能，可以接受的为了满足器件的性能，可以接受的薄膜一般具有如下特性薄膜一般具有如下特性5共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度6深宽比

2、= 深度 宽度=2 1深宽比 = 500 250 500 D250 W高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。随着集成电路随着集成电路特征尺寸的不断减小，对于高深宽比间隙的均匀、特征尺寸的不断减小，对于高深宽比间隙的均匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。78连续的膜连续的膜气体分子气体分子成核成核凝聚凝聚Substrate9101112Vacuum chamberEvaporationMaterialSubstrateHeaterCloudSputteringMaterialSubstratePlasma1314机械泵高真空阀高真空泵

3、工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘Figure 12.15 15真空蒸发系统组成真空蒸发系统组成161718丝状舟状坩埚19真空知识真空知识20真空度常用毫米汞柱（真空度常用毫米汞柱（mmHg）或托（或托（Torr）来表示，来表示， 也可以用帕（也可以用帕（Pa）1托托1mmHg1/760标准大气压标准大气压（atm）1标准大气压标准大气压760mmHg760Torr1mmHg1Torr133Pa2122高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行。这是基于下达几个理由： (1)被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上。如果真空度很低，被蒸发的原子或

4、分子在输运过程中不断与残余气体的分子碰撞，使被蒸发的原子或分子的运动方向不断改变，很难保证被蒸发的原子或分子淀积在衬底上。 (2)如果真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化。 (3)系统中残余气体及所含质原子或分子也会淀积在衬底上，从而严重地影响了淀积薄膜的质量。23MaterialSubstrateHeaterVacuum chamberCloud真空镀膜机种类不同，结构也不同，但是真空镀膜机种类不同，结构也不同，但是核心三大部分核心三大部分相同：相同：真空镀膜室，抽气系统和测量系统真空镀膜室，抽气系统和测量系统24真空镀膜

5、机由钟罩、蒸发源加热器、衬底加热器等部件组成真空镀膜机由钟罩、蒸发源加热器、衬底加热器等部件组成钟罩有钟罩有玻璃和金属两种玻璃和金属两种，钟罩上有观察窗，以便随时观察蒸发情况，钟罩上有观察窗，以便随时观察蒸发情况2526蒸发操作过程蒸发操作过程（蒸铝膜）蒸铝膜） （a）挂铝丝挂铝丝（99.99%纯度），将硅片置于衬底加热器上，纯度），将硅片置于衬底加热器上，转动活动挡板，使之位于蒸发源与硅片之间，盖好钟罩。转动活动挡板，使之位于蒸发源与硅片之间，盖好钟罩。 （b）抽真空：抽真空：开动机械泵，打开低真空阀，待真空度高于开动机械泵，打开低真空阀，待真空度高于1.3Pa 后，关低真空阀，开高真空阀，

6、转到用扩散泵抽高真空。后，关低真空阀，开高真空阀，转到用扩散泵抽高真空。 （c）硅片加热硅片加热：当真空度抽到：当真空度抽到 6.7 10-3 Pa 后，开始加温，后，开始加温，使衬底温度升到约使衬底温度升到约400 ，恒温数分钟以除去硅片表面吸附的污，恒温数分钟以除去硅片表面吸附的污物，然后降温。物，然后降温。 （d）蒸发：蒸发：衬底温度降至衬底温度降至150且真空度达到且真空度达到 6.7 10-3 Pa 以以上，逐步加热蒸发源使之熔化后附在钨丝上，先使铝中高蒸汽上，逐步加热蒸发源使之熔化后附在钨丝上，先使铝中高蒸汽压杂质挥发掉（提高铝的纯度），然后迅速增大加热电流到一压杂质挥发掉（提高铝

7、的纯度），然后迅速增大加热电流到一定值，打开挡板，使铝蒸发到硅片上。蒸发完毕转回挡板，并定值，打开挡板，使铝蒸发到硅片上。蒸发完毕转回挡板，并停止蒸发源加热。停止蒸发源加热。 （e）取片：取片：待硅片温度降至待硅片温度降至150以下，关闭高真空阀，关以下，关闭高真空阀，关闭扩散泵电源，对真空室放气，打开钟罩，取出硅片。闭扩散泵电源，对真空室放气，打开钟罩，取出硅片。 27真空蒸发系统个的能源(通常为热源)将蒸发源材料加热到足够高的温度、使其原子或分获得足够的能量，克服固相(或液相)的原子束缚而蒸发到真空个，并形成具有一定动能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热汽化热H。汽化热的主要部分是用来央

8、克服凝聚相中原子间的吸引力，至于动能(3/2T)所占的比例则很小。常用金属材料的汽化热每个原子近似为4eV的数量级，而在蒸发温度下的动能仅为0.2eV/原子左右。 蒸发过程中的几个概念28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比来的压力称为该物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压P。只有当环境中被蒸发物质的分压降到了它平衡时的饱和蒸汽压以下时，才可能有物质的净蒸发。在一定温度下，各种物质的饱和蒸汽压是不相同的，但具有恒定的数值。相反，一定的饱和蒸汽压必定对应一定的物质温度，已经规定在饱和蒸汽压为133.310-2Pa(1Torr133.3Pa)时的温度，称为该物质的蒸发温度物质的蒸

9、发温度。29303132在集成电路制造工艺中，往往需要制备多组分薄膜。利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有以下三种(a)单源蒸发法、(b)多源同时蒸发法和(c)多源顺序蒸发法。336.2.1 辉光放电的物理过程气体原子的电离是辉光放电的关键，而电子与气体分子的非弹性碰撞是维持自持放电的主要机制。在非弹性碰撞中，可能发生许多不同的过程，其中最具代表性的是：(1)电离过程： e-+ Ar Ar+2e- 这一过程是电子数目增加(2)激发过程： e-+ O2 O2 +e- 使气体分子处于较高的激发态(3)分解反应： e-+ CF4 CF3 +F +e- 在这一过程中分子被分解为两个反应基团，其化学活性将

10、远高于原来的分子。 除了电子外，中性原子、离子之间发成的碰撞过程也存在。各种各样的过程使对等离子体的描述十分复杂。34(1)无放电区域ab(2)汤生放电区bc(3) 辉光放电区ce(4)反常辉光放电区ef(5)电弧放电区fg35 放电击穿之后的气体具有一定的导电性，我们把这种具有一定导电能力的气体称为等离子体等离子体，等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体，而且正、负带电粒的数目相等，宏观上呈现电中性的物质存在形态。不同的粒子具有相差极大的运动速率。其中电子与离子具有不同的直接后果就是在阴极和阳极表面附近形成所谓的等离子鞘层等离子鞘层，即任何处于

11、等离子体中的物体表面相对于等离子来说都呈现负电性，并在物体表面附近出现正电荷积累。E36 在一定气压下，当阴阳极之间所加交变电压的频率在射频范围(13.56MHz)时，就会产生稳定的射频解光放电其特点足： (1)在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，则带电粒子不容易到达电极和器壁而离开放电空间，这就相对地减少了带电粒子的损失。同时在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量并使气体分子电离，只要有较低的电场就可以维持放电。另外，阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。而在直流放电中，离子对阴极碰撞所产生的二次电子发射对维持放电是不可忽略的。 (2)射频电场可以通过任何一

12、种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可是绝缘体。由于这个特点、射频辉光放电在溅射技术中得到十分广泛的应用。 射频放电的激发源有两种：一种是用高频电场直接激发的，称为E型放电；另一种是用高频磁场感应激发的，称为H型放电 。3738394041溅射镀膜的基本原理溅射镀膜的基本原理 用高能粒子（经电场加速的正离子）冲击作为阴极用高能粒子（经电场加速的正离子）冲击作为阴极的固态靶，靶原子与这些高能粒子交换能量后从表面的固态靶，靶原子与这些高能粒子交换能量后从表面飞出，淀积在作为阳极的硅片上，形成薄膜。飞出，淀积在作为阳极的硅片上，形成薄膜。 直流二极溅射台直流二极溅射台 高频溅射台高频溅

13、射台42物理现象物理现象43444546 6.3.2 溅射方式溅射方式直流溅射：直流溅射：阴极溅射、直流二极溅射阴极溅射、直流二极溅射 1） 衬底呈阳极、靶接负电压，呈阴极。衬底呈阳极、靶接负电压，呈阴极。 2） 靶材的导电性要求比较好靶材的导电性要求比较好 3）适用于）适用于金属薄膜的淀积金属薄膜的淀积，不适用于非金不适用于非金属材料的淀积属材料的淀积47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