半導(dǎo)體工藝原理-薄膜技術(shù)-物理氣相淀積(貴州大學(xué))

微電子工藝----薄膜技術(shù)(1)

物理氣相淀積（PhysicalVaporDeposition）物理氣相淀積（PVD）1真空蒸發(fā)法原理2設(shè)備與方法3加熱器4氣體輝光放電5濺射2第5章PVD物理氣相淀積（Physicalvapordeposition，PVD）是利用某種物理過程，如用真空蒸發(fā)和濺射方法實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底(硅)表面淀積成薄膜。蒸發(fā)必須在高真空度下進(jìn)行。濺射是在氣體輝光放電的等離子狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。PVD常用來制備金屬薄膜:如Al,Au,Pt,Cu，合金及多層金屬。3第5章PVD一、真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)即利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出，形成蒸汽流并入射到硅片襯底表面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。這種物理淀積方法，制備的一般是多晶金屬薄膜。4第5章PVD真空蒸發(fā)法優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡單，操作容易所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快生長機(jī)理簡單真空蒸發(fā)法主要缺點(diǎn)所形成的薄膜與襯底附著力較小工藝重復(fù)性不夠理想臺階覆蓋能力差已為濺射法和化學(xué)氣相淀積法所代替蒸鍍過程源受熱蒸發(fā)；氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)；被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積：凝結(jié)→成核→生長→成膜。6第5章PVD1.1基本參數(shù)汽化熱ΔH被蒸發(fā)的原子或分子需克服固相或液相的原子間束縛，而蒸發(fā)到真空中并形成具有一定動能的氣相原子或分子所需的能量。常用金屬材料汽化熱

/原子（分子）在蒸發(fā)溫度下的動能

/原子（分子）飽和蒸汽壓P在一定溫度下真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時所表現(xiàn)出來的壓力蒸發(fā)溫度在飽和蒸汽壓為133.3×10-2Pa時所對應(yīng)的物質(zhì)溫度7第5章PVD蒸發(fā)速率

蒸發(fā)速率和溫度、蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式有關(guān)，工程上將源物質(zhì)、蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)速率之間關(guān)系繪成為諾漠圖。

分子平均自由程

粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離蒸汽壓蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩?？蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運(yùn)應(yīng)為直線，真空度過低，輸運(yùn)過程被氣體分子多次碰撞散射，方向改變，動量降低，難以淀積到襯底上。真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子或分子在輸運(yùn)過程中氧化，同時也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底上，影響淀積薄膜質(zhì)量。9第5章PVD1.2真空的獲得初真空：0.1~760Torr，10~105Pa中真空：10-4~10-1Torr，10-2~10Pa高真空：10-8~10-4Torr，10-6~10-2Pa超高真空：<10-8Torr，<10-6Pa

1atm=760Torr，

1Torr=133.3Pa半導(dǎo)體工藝設(shè)備一般工作在初、中真空度。而在通入工作氣體之前，設(shè)備先抽至高、超高真空度。10第5章PVD氣體流動及導(dǎo)率----氣體動力學(xué)氣流用標(biāo)準(zhǔn)體積來測量，指相同氣體,在0℃和1atm下所占的體積。閥門質(zhì)量流速qm(g/s)：氣體流量Q(L·atm/min)：G----在體積V內(nèi)氣體的質(zhì)量ρ----質(zhì)量密度11第5章PVDC與電導(dǎo)率一樣并聯(lián)相加；串聯(lián)時倒數(shù)相加若大量氣體流過真空系統(tǒng)，要保持腔體壓力接近泵的壓力，就要求真空系統(tǒng)有大的傳導(dǎo)率----管道直徑；泵放置位置泵入口壓力氣體傳導(dǎo)率C泵的抽速Sp----體積置換率泵的抽速Sp----體積置換率1.3真空泵初、中真空度的獲得用活塞/葉片/柱塞/隔膜的機(jī)械運(yùn)動將氣體正向移位有三步驟：捕捉氣體-壓縮氣體-排出氣體壓縮比旋轉(zhuǎn)葉片真空泵羅茨泵13第5章PVD旋片泵旋片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、定蓋、彈簧等零件組成。其結(jié)構(gòu)是利用偏心地裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動的借助彈簧張力和離心力緊貼在定子內(nèi)壁的兩塊旋片，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，始終沿定子內(nèi)壁滑動。旋片泵工作原理圖

1-泵體;2-旋片;3-轉(zhuǎn)子;4-彈簧;5-排氣閥

兩個旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個部分，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。在泵腔內(nèi)，有二個“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。壓縮比30：1羅茨泵在0°位置時下轉(zhuǎn)子從泵入口封入v0體積的氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)到45°位置時該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強(qiáng)較高，引起一部分氣體返沖過來。當(dāng)轉(zhuǎn)到90°位置時,下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135°時，上轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復(fù)上述過程。180°位置和0°位置是一樣的。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個v0體積的氣體。高、超高真空度的獲得在微電子加工領(lǐng)域，高真空泵分為兩類：

（1）轉(zhuǎn)移動量給氣態(tài)分子而抽吸氣體

（2）俘獲氣體分子抽吸腐蝕性、有毒、大流量氣體--------擴(kuò)散泵、分子泵抽吸通入的小流量氣體或工藝前抽吸腔室-------低溫泵17第5章PVD擴(kuò)散泵靠高速蒸汽射流來攜帶氣體以達(dá)到抽氣的目的工作原理當(dāng)油擴(kuò)散泵用前級泵預(yù)抽到低于1帕真空時,油鍋可開始加熱。沸騰時噴嘴噴出高速的蒸氣流，熱運(yùn)動的氣體分子擴(kuò)散到蒸氣流中，與定向運(yùn)動的油蒸氣分子碰撞。氣體分子因此而獲得動量，產(chǎn)生和油蒸氣分子運(yùn)動方向相同的定向流動。到前級，油蒸氣被冷凝，釋出氣體分子，即被前級泵抽走而達(dá)到抽氣目的。適用于高真空,但入口真空也要求較高,一般前要接機(jī)械泵壓縮比可達(dá)108油擴(kuò)散泵主要由泵體、擴(kuò)散噴嘴、蒸氣導(dǎo)管、油鍋、加熱器、擴(kuò)散器、冷卻系統(tǒng)和噴射噴嘴等部分組成。渦輪分子泵

1958年，聯(lián)邦德國的W.貝克首次提出有實(shí)用價值的渦輪分子泵利用高速旋轉(zhuǎn)的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動而抽氣的真空泵。動葉輪外緣的線速度高達(dá)氣體分子熱運(yùn)動的速度（一般為150～400米／秒）。具有這樣的高速度才能使氣體分子與動葉片相碰撞后改變隨機(jī)散射的特性而作定向運(yùn)動。壓縮比可達(dá)109

渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子（即動葉輪）、靜葉輪和驅(qū)動系統(tǒng)等組成。低溫泵Cryopump

（coldpump|cryogenicpump|cryovacuumpump|lowtemperaturepump）

利用低溫表面冷凝氣體真空泵，又稱冷凝泵。抽氣原理在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機(jī)冷卻到極低溫度的冷板。它使氣體凝結(jié)，并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達(dá)到抽氣作用。低溫泵是獲得清潔真空的極限壓力最低、抽氣速率最大的真空泵,廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和集成電路的研究和生產(chǎn),以及分子束研究、真空鍍膜設(shè)備、真空表面分析儀器、離子注入機(jī)等方面。2、設(shè)備與方法設(shè)備由三部分組成：真空室抽氣系統(tǒng)測試部分蒸發(fā)方法：單組份、多組份蒸發(fā)；襯底是否加熱，冷蒸或熱蒸；按加熱器分類。21第5章PVD多組分薄膜的蒸鍍方法(a)單源蒸發(fā)法(b)多源同時蒸發(fā)法22第5章PVD3蒸發(fā)源電阻加熱蒸鍍電子束(EB)蒸鍍激光蒸鍍高頻感應(yīng)蒸鍍23第5章PVD3.1電阻加熱器出現(xiàn)最早，工藝簡單；但有加熱器污染，薄膜臺階覆蓋差，難鍍高熔點(diǎn)金屬問題。對電阻加熱材料要求：熔點(diǎn)要高；飽和蒸氣壓要低；化學(xué)穩(wěn)定性好；被蒸發(fā)材料與加熱材料間應(yīng)有潤濕性。24第5章PVD3.2電子束(EB)加熱EB蒸鍍基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使其加熱汽化。EB蒸鍍相對于電阻加熱蒸鍍雜質(zhì)少，去除了加熱器帶來的玷污；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)金屬；熱效率高；EB蒸鍍薄膜有輻射損傷，即薄膜電子由高激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產(chǎn)生的；也有設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴的缺點(diǎn)。25第5章PVD3.3電子束加熱器26第5章PVD3.4激光蒸鍍利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱，稱為激光束加熱蒸發(fā)法。激光束加熱的特點(diǎn)是加熱溫度高，可避免坩堝的污染，材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程容易控制。激光加熱法特別適應(yīng)于蒸發(fā)那些成份比較復(fù)雜的合金或化合物材料。27第5章PVD3.5高頻感應(yīng)蒸發(fā)高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)源的坩堝進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失(對鐵磁體)，致使蒸發(fā)材料升溫．直至汽化蒸發(fā)。28第5章PVD4氣體輝光放電濺射具有一定能量的入射離子在對固體表面進(jìn)行轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來。熱蒸發(fā)本質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化

濺射本質(zhì)能量和動量，原子具有方向性濺射過程建立在輝光放電的基礎(chǔ)上濺射選定區(qū)域f幾Pa-幾十Pa氣體4.1原理無光放電區(qū)：極少量原子受到高能宇宙射線激發(fā)而電離；電流微弱、，且不穩(wěn)定湯生放電區(qū)：電壓升高，電子、離子的能量逐漸升高，α作用；γ作用；輝光放電：氣體放電擊穿；負(fù)阻現(xiàn)象；陰極電流密度一定，有效放電面積隨電流增加而增大；反常輝光放電：陰極全部成為有效放電區(qū)域，只有增加功率才可增加陰極電流密度電弧放電：隨電流增加，放電電壓再次大幅下降30第5章PVD反常輝光放電區(qū)暗區(qū)，相當(dāng)于離子和電子從電場獲取能量的加速區(qū)；輝光區(qū)，相當(dāng)于不同離子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。負(fù)輝區(qū)，是最亮區(qū)域。31第5章PVD4.2等離子體等離子體（Plasma）是指具有一定導(dǎo)電能力的氣體，它由正離子、電子、光子以及原子、原子團(tuán)、分子及它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體，宏觀上呈現(xiàn)電中性。輝光放電構(gòu)成的等離子體中粒子能量、密度較低，放電電壓較高。其特點(diǎn)是質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團(tuán)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子的能量，是一種非熱平衡狀態(tài)的等離子體。32第5章PVD等離子鞘層電子：等離子體中電子平均動能2eV，對應(yīng)溫度T=23000K;平均運(yùn)動速度

v=9.5*105

m/s離子及中性原子處于低能狀態(tài)，對應(yīng)溫度在T=300-500K；平均速度vAr=5*102m/s等離子鞘層：電子與離子具有不同速度，結(jié)果是形成所謂的等離子鞘層，即任何處于等離子中的物體相對于等離子體來講都呈現(xiàn)出負(fù)電位，且在物體表面出現(xiàn)正電荷積累。33第5章PVD輝光放電中的碰撞過程彈性碰撞無激發(fā)、電離或復(fù)合非彈性碰撞動能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能維持了自持放電電離過程：e-+

Ar

→Ar++2e-激發(fā)過程：e-+O2→O2*+e-分解反應(yīng)：e-+CF4→CF3*+F*+e-

等離子體中高速運(yùn)動的電子與其它粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機(jī)制。34第5章PVD4.3射頻輝光放電國際上采用的射頻頻率多為美國聯(lián)邦通訊委員會(Fcc)建議的13.56MHz。在一定氣壓條件下，在陰陽電極之間加交變電壓頻率在射頻范圍時，會產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。35第5章PVD射頻放電的激發(fā)源E型放電：高頻電場直接激發(fā)H型放電：高頻磁場感應(yīng)激發(fā)射頻輝光放電與直流放電很不相同：電場周期性改變方向，帶電粒子不容易到達(dá)電極和器壁，減少了帶電粒子的損失。在兩極之間不斷振蕩運(yùn)動的電子可從高頻電場中獲得足夠能量，使氣體分子電離，電場較低就可維持放電。陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿必要條件。射頻電場可由容抗或感抗耦合進(jìn)淀積室。電極可以是導(dǎo)體，也可是絕緣體。5濺射微電子工藝中的濺射，是指利用氣體輝光放電時，離子對陰極轟擊，使陰極物質(zhì)飛濺出來淀積到基片上形成薄膜的工藝方法。37第5章PVD5.1工藝機(jī)理在初、中真空度下，真空室通入少量氬或其它惰性氣體，加高壓或高頻電場，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達(dá)襯底淀積成膜。38第5章PVD入射離子濺射分析濺射出的原子，獲得很大動能，約10-50eV。和蒸鍍相比（約0.2eV）濺射原子在基片表面上的遷移能力強(qiáng)，改善了臺階覆蓋性，以及與襯底的附著力。39第5章PVD5.2濺射特性濺射閾值每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺射閾值與入射離子質(zhì)量無關(guān)，而主要取決于靶特性。濺射率S

又稱濺射產(chǎn)額

S=濺射出的靶原子數(shù)／入射離子數(shù)。濺射粒子的速度和能量40第5章PVD濺射率的影響因素S與入射離子能量的關(guān)系：隨著入射離子能量的增加，濺射率先是增加，其后是一個平緩區(qū)，當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時，濺射率反而下降，此時發(fā)生了離子注入現(xiàn)象。41第5章PVD濺射率的影響因素S與入射離子種類的關(guān)系：濺射率依賴于入射離子，其原子量越大，濺射率越高。濺射率也與入射離子的原子序數(shù)有密切的關(guān)系，呈現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性變化。惰性氣體的濺射率最高。S與靶的關(guān)系：隨靶原子序數(shù)增加而增大。42第5章PVD濺射率的影響因素S與離子入射角的關(guān)系：S還與靶溫、靶晶格結(jié)構(gòu)，靶的表面情況、濺射壓強(qiáng)、升華熱的大小等因素有關(guān)。43第5章PVD被濺射出的粒子的速度和能量重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。不同靶逸出能不同，濺射率高的靶，逸出能較低。相同轟擊能，逸出能隨入射離子質(zhì)量線性增加；輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約10eV；重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約30-40eV。靶的逸出能量，隨入射離子能量而增加，當(dāng)入射離子能達(dá)1keV時，平均逸出能趨于恒定值。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。44第5章PVD5.3濺射方法（式）直流濺射射頻濺射磁控濺射反應(yīng)濺射離子束濺射偏壓濺射45第5章PVD1）、直流濺射最早出現(xiàn)，是將靶作為陰極，只能制備導(dǎo)電的金屬薄膜，濺射速率很慢。氣壓和淀積速率的關(guān)系46第5章PVD2）、射頻濺射在射頻電場作用下，氣體電離為等離子體。靶相對于等離子體而言是負(fù)極，被轟擊濺射；襯底放置電極與機(jī)殼相連，鞘層壓降很小，與等離子體基本等電位?？蔀R射介質(zhì)薄膜，如SiO2等；功率大，對人身防護(hù)成問題。13.56MHz47第5章PVD3）、磁控濺射在陰極靶面上建立一個磁場，以控制二次電子的運(yùn)動，延長電子飛向陽極的行程，使其盡可能多產(chǎn)生幾次碰撞電離從而增加了離子密度，提高濺射效率。也只能制