第8章 物理气相淀积

Chap8物理气相淀积真空蒸发法溅射物理气相淀积(PVD)定义：利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底表面上，并淀积成薄膜基本方法及发展：蒸发：薄膜淀积技术发展的初阶段因有较高的淀积速率，相对高的真空度，以及由此导致较高的薄膜质量，故受重视。缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制。溅射：淀积多元化合金薄膜时组分易控制，高纯靶材、高纯气体和制备技术的发展，也使溅射法淀积薄膜的质量得到提高。故溅射法已基本取代真空蒸发法。真空蒸发法制备薄膜的基本原理蒸发：在真空系统中，加热蒸发源，使原子获得足够的能量后便可以脱离蒸发源表面的束缚成为蒸汽原子，入射到晶片上，凝结形成固态薄膜。特点设备比较简单，操作容易，所制备的薄膜纯度高，厚度控制比较精确，成膜速率快，生长机理简单等。缺点：形成的薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够理想，台阶覆盖的能力差真空蒸发法制备薄膜的基本原理真空蒸法设备（1）真空系统（2）蒸发系统（3）基板及加热系统真空蒸法过程:加热蒸发过程：对蒸气源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：原子或分子在真空环境中，由源飞向硅片，飞行过程中可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到硅片之间的距离。被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过程。蒸发概念介绍汽化热：将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得足够的能量，克服固相的原子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，该能量为汽化热ΔH，常用金属的ΔH为4eV蒸汽压：在一定温度下，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为饱和蒸汽压需要真空环境的原因：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。系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，从而严重的影响了淀积薄膜的质量。多组分薄膜制备单源蒸发多源同时蒸发多源顺序蒸发蒸发源-电阻加热源电阻加热源加热体：1.熔点要高、饱和蒸汽压要低、化学性能稳定；2.钨、钼、钽和石墨等。蒸发源-电子束蒸发源电子束蒸发源：比电阻加热源更高的能量密度高纯度薄膜的淀积热效率高蒸发源-激光加热源激光加热源：功率密度高被蒸发材料局部气化，防止坩埚材料的污染，提高薄膜质量可淀积不同熔点的化合物薄膜真空室内装备简单，可获得高真空度价格昂贵。TargetholderSubstrateholderLaserdirectionPLDequipment蒸发源-高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源蒸发速率大蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象温度控制精度高，操作比较简单价格昂贵物理气相淀积真空蒸发法溅射溅射基础-气体辉光放电溅射的过程是建立在辉光放电的基础上的；即射向固体表面的离子都是来源于气体放电。汤生放电反辉光自然电离源汤生放电-自然电离源溅射基础-气体辉光放电溅射的过程是建立在辉光放电的基础上的；即射向固体表面的离子都是来源于气体放电；因正常辉光放电时的电流密度仍然比较小，溅射选在反常辉光放电区(e-f)。汤生放电反辉光击穿自然电离源气体辉光放电放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种气体为等离子体。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。等离子体中高速运动的电子与其他粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制。直流辉光放电和射频（5-30MHz）辉光放电。成膜腐蚀氧化直流和射频产生的等离子体电场分布图由于电子速度快。光强，电荷分布及等离子体（plasma）溅射（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），再来沉积薄膜。（清洗基板表面、蚀刻造型）溅射和蒸镀：溅射粒子和基板之间有较大的能量传递：10-50eV；而蒸镀只有0.1-0.2eV。溅射原子具有更大的动能，在电极表面有更高的迁移能力，改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。溅射特性：溅射阈值

每个靶材都有一个溅射能量阈值，高于该值才发生溅射；10-30eV；1.与靶材材料本身有关。2.与入射离子质量关系不大？（关旭东）WhereU0istheheatofvaporizationandτistheenergy；transferparametergivenby:WhereM1andM2arethemassofthesputteringion，andthesputteredmaterial,andτreachesamaximumM1~M2thenmaxτ,thenminEth。溅射特性：溅射阈值溅射特性：溅射率:轰击时，每个正离子能从靶上打出的原子数目(S：atom/ion)。1.与入射离子能量：

先增加后平缓最后降低，发生离子注入溅射特性：溅射率:2.与被溅射物质的种类：随靶元素原子序数增加而增大；被溅射的原子溅射特性：溅射率:3.与入射离子种类：电子壳层填满的元素的溅射率最大。溅射特性：溅射率:4.与入射角：随入射角的增加，溅射率以1/cosθ规律增加。~70-80oC溅射特性：溅射原子的能量和速度重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，轻元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出速度；溅射率高的靶材料，原子平均逸出能通常较低；相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻的入射离子溅射出的离子其逸出能量较低；

溅射原子的平均逸出能量，随入射离子的能量增加而增加，当入射离子能量达到1keV以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值。在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。溅射方法直流溅射：淀积金属薄膜。射频溅射：适用于淀积各种金属和非金属薄膜。直流和射频溅射比较（绝缘靶材）InsulatorswithoutRF:-Ionsstrikesurfacescausingsecondaryelectronemission-surfacesbecomecharged-plasmaquenchesWithRF:-electronsmovefasterthanions,below10KHzdarkspacesoscillatewithfield-above10kHzionscan’tkeepupwithfieldbutelectronscan(plasmastayspositive)-electronsacceleratedfrombothsurfaces,sobothsurfacesbecomenegativelycharged(sonoelectronrepulsion)-ionsattractedtobothelectrodesbutplasmaachievessteadystateWithRF溅射方法(Cont.)-磁控溅射工作原理：磁控溅射工作原理：利用辉光放电可以进行直流二极溅射，在冷阴极辉光放电中，由于离子轰击会从阴极表面放出二次电子，这些二次电子在电场的作用下被加速，并在运动过程中与气体分子发生电离碰撞，由此维持放电的正常进行。当在该电场上加上磁场时：满足一定条件，高速电子的轨迹将会被改变。平行纯磁场，theta不为0Theta不为0溅射方法(Cont.)-磁控溅射工作原理如果在阴极表面附近施加和电场垂直的磁场，那么电子将作回旋运动，其轨迹为一圆形滚线。这样电离碰撞的次数要明显增加，即使在比较低的溅射气压下也能维持放电。溅射方法(Cont.)-磁控溅射磁控溅射工作原理(cont.)：就是以磁场改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，提高了电子对工作气体的电离几率，有效利用了电子的能量。从而使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场束缚的电子又只能在其能量耗尽时才能沉积在基片上，这就使磁控溅射具有“低温、高速”两大特点。磁控溅射的两种工作方式溅射方法(Cont.)-磁控溅射优缺点优点一般溅射淀积的缺点：淀积速率较低；工作气压较高，对薄膜产生污染。磁控溅射为淀积速率比一般方法高一个数量级；工作气压低，薄膜质量好。缺点：不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所用的磁通量都是通过磁性靶的，所以在靶附近不能外加强磁场；靶的利用率较低（约30%），这是由于靶的侵蚀不均匀造成的。溅射方法(Cont.)反应溅射：淀积化合物(如TiN)氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等。溅射方法

（Cont.)偏压溅射在衬底与靶材之间加偏压，以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量；带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和成膜能力，抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等；还可改善薄膜中的气体含量；为改善溅射沉积形成的薄膜组织及性能的最常用的而且也是最有效的手段之一。溅射方法

（Cont.)长投准直溅射技术靶与硅片之间的距离很长，等离子体在低压下产生，小角度射出的原子几乎无碰撞以直线轨迹到达硅片表面。问题：反应室室壁污染，远离硅片中心的通孔台阶覆盖不对称，低压下获得等离子体难。溅射方法接触孔中薄膜的溅射淀积（深宽比大于一）溅射原子离开靶面时遵守余弦分布，故溅射原子在衬底表面和接触孔上表面的拐角处，沉积速率最高，侧壁适中，底角最低。可采用带准直器的溅射淀积方法（降低淀积速率，换准直器增加了成本）混合溅射方法溅射成膜方法总结：AdvantagesofSputterDeposition:-moreconformalthanevaporativedeposition(EvapD)-betterthicknessuniformityandcompatiblewith-batchprocessing(vs.EvapD)-easierstoichiometrycontrolthanEvapDorCVD-canbedonewithalmostanymaterial(unlikeCVD)-arrivingatomshavehigherenergies+highereffectivesurfacediffusivity-createssubsurfacedefects-amenabletobatchprocessing