物理氣相淀積上課件

第五章物理氣相淀積內(nèi)容概述真空技術(shù)蒸發(fā)濺射薄膜淀積機(jī)理概述形成薄膜技術(shù)：薄膜生長(zhǎng)技術(shù)、薄膜淀積技術(shù)薄膜生長(zhǎng)技術(shù)：專(zhuān)指襯底材料也是形成薄膜的元素之一，（如硅的熱氧化生長(zhǎng)二氧化硅）薄膜淀積技術(shù)：薄膜形成過(guò)程中不消耗晶片或襯底材料，薄膜淀積技術(shù)一般可分為兩類(lèi)：化學(xué)氣相淀積（CVD）：利用化學(xué)反應(yīng)生成所需的薄膜材料，常用于各種介質(zhì)材料和半導(dǎo)體材料的淀積，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等，但是隨著CVD技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。物理氣相淀積（PVD）：利用物理機(jī)制制備所需薄膜材料，常用于金屬薄膜的制備淀積，包括蒸發(fā)和濺射等。真空知識(shí)微電子工藝中所用的真空技術(shù)：氣體分子的質(zhì)量輸運(yùn)機(jī)制：低壓CVD等離子體產(chǎn)生機(jī)制：濺射、等離子體增強(qiáng)CVD、反應(yīng)離子刻蝕無(wú)污染的加工環(huán)境：蒸發(fā)、分子束外延氣體分子的長(zhǎng)程輸運(yùn)：離子注入真空基礎(chǔ)知識(shí)真空：低于一個(gè)大氣壓的氣體空間，和正常的大氣相比是比較稀薄的氣體狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：在溫度為20℃，相對(duì)濕度為60％時(shí)的大氣壓強(qiáng)，1atm＝

101325Pa＝1013.25mbar＝760torr，壓強(qiáng)單位：帕斯卡(Pa)：國(guó)際單位制壓強(qiáng)單位，1Pa=1N/m2

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）：1atm＝101325Pa

乇(Torr)：1torr＝1/760atm＝1mmHg

毫巴(mbar)：1mbar=102Pa真空度：低于大氣壓的氣體稀薄程度。真空區(qū)域劃分：粗真空、低真空、高真空、超高真空粗真空（1×105Pa～1×102Pa），氣態(tài)空間的特性和大氣差不多，氣體分子的平均自由程短；低真空（1×102Pa～1×10－1Pa），每立方厘米的氣體分子數(shù)為1016～1013個(gè)，此真空區(qū)域由于分子數(shù)減少，分子的平均自由程和容器的尺寸相當(dāng)；高真空（1×10－1Pa～1×10－6Pa），氣體分子的平均自由程大于一般容器的線(xiàn)度。超高真空（＜1×10－6Pa），此時(shí)每立方厘米的氣體分子數(shù)在1010個(gè)以下，超高真空的用途之一是得到純凈的氣體，其二是可獲得純凈的固體表面。真空的獲得：真空系統(tǒng)的組成：待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）、測(cè)量真空的器具（真空計(jì)）以及必要的管道、閥門(mén)和其它附屬設(shè)備原理：當(dāng)真空管道兩端存在壓力差的時(shí)候，氣體會(huì)從高壓處向低壓處擴(kuò)散，形成氣體流動(dòng)對(duì)于任何一個(gè)真空系統(tǒng)而言，都不可能得到絕對(duì)真空（P=0），而是具有一定壓強(qiáng)－－稱(chēng)為極限壓強(qiáng)（或極限真空），這是該系統(tǒng)所能滿(mǎn)足需要的重要指標(biāo)；第二個(gè)主要指標(biāo)是抽氣速率－－指在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間所抽氣體的體積，它決定抽真空所需要的時(shí)間。真空的獲得：至今還沒(méi)有一種真空泵可以從大氣壓一直工作到超高真空的。前級(jí)泵：能使壓力從一個(gè)大氣壓力開(kāi)始變小，進(jìn)行排氣的通常稱(chēng)為前級(jí)泵。次級(jí)泵：只能從較低壓力抽到更低壓力的真空泵稱(chēng)為次級(jí)泵。通常是講幾種真空泵組合使用，如機(jī)械泵＋擴(kuò)散泵、吸附泵＋濺射離子泵＋鈦升華泵系統(tǒng)，前者為有油系統(tǒng)后者為無(wú)油系統(tǒng)。種類(lèi)原理工作壓強(qiáng)范圍機(jī)械泵油封機(jī)械泵（單級(jí)）油封機(jī)械泵（雙級(jí)）分子泵羅茨泵利用機(jī)械力壓縮和排除氣體<100Pa<10－2Pa100～10－8Pa103～10－2Pa蒸氣噴射泵水銀擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動(dòng)量把氣體帶走100～10－7Pa100～10－6Pa干式泵濺射離子泵鈦升華泵利用濺射或升華形成吸氣、吸附排除氣體10－2～10－8Pa10－1～10－8Pa干式泵吸附泵冷凝泵冷凝吸附泵利用低溫表面對(duì)氣體進(jìn)行物理吸附排除氣體<10-2Pa10－2～10－10Pa10－2～10－6Pa過(guò)程：右圖式出了機(jī)械泵轉(zhuǎn)子在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的四個(gè)典型位置，圖1表示正在吸氣，同時(shí)把上一周期吸入的氣體逐步壓縮；圖2表示吸氣截至，此時(shí)泵的吸氣量達(dá)最大并將開(kāi)始?jí)嚎s；圖3表示吸氣空間另一次吸氣，而排氣空間繼續(xù)壓縮；圖4表示排氣空間內(nèi)的氣體已被壓縮到當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)一個(gè)大氣壓的時(shí)候，氣體推開(kāi)排氣閥由排氣管道排出。如此不斷進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣，于是和機(jī)械泵連接的真空容器便獲得了真空。為減小有害空間的影響，通常采用雙級(jí)泵。該泵由兩個(gè)轉(zhuǎn)子串聯(lián)構(gòu)成，以一個(gè)轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一個(gè)轉(zhuǎn)子空間的進(jìn)氣口，這樣便可使極限真空從單級(jí)泵的1Pa提高到10－2Pa數(shù)量級(jí)，目前機(jī)械泵一般都是雙級(jí)泵。由于泵的轉(zhuǎn)子和定子全部浸泡在油箱內(nèi)，則機(jī)械泵油的基本要求是飽和蒸氣壓低，具有一定的潤(rùn)滑性和粘度，以及較高的穩(wěn)定性。擴(kuò)散泵：利用被抽氣體向蒸氣流擴(kuò)散的現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)排氣作用的。過(guò)程：當(dāng)擴(kuò)散泵油被加熱后會(huì)產(chǎn)生大量的油蒸氣，油蒸氣沿著蒸氣導(dǎo)管傳輸?shù)缴喜浚?jīng)過(guò)，傘形噴嘴向外噴射出來(lái)。由于噴嘴外的壓強(qiáng)較低，于是蒸氣會(huì)向下噴射出較長(zhǎng)距離，形成一高速定向的蒸氣流，其分壓強(qiáng)低于擴(kuò)散泵進(jìn)氣口上方被抽氣體分壓強(qiáng)，這樣真空室內(nèi)的氣體分子必然向著壓強(qiáng)低的擴(kuò)散泵噴口處擴(kuò)散，同具有較高能量的超音速蒸氣分子相碰撞而發(fā)生能量交換，驅(qū)使被抽氣體分子沿蒸氣流方向高速運(yùn)動(dòng)并被帶往出口處，被機(jī)械泵抽走。而射出的油蒸氣噴到水冷的泵壁被冷凝成液體，流回泵底再重新加熱成蒸氣。如此循環(huán)。擴(kuò)散泵必須與機(jī)械泵配合使用才能組成高真空系統(tǒng)，單獨(dú)使用擴(kuò)散泵是沒(méi)有抽氣作用的。擴(kuò)散泵油是擴(kuò)散泵的重要工作物質(zhì)，泵油應(yīng)具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性（無(wú)毒無(wú)腐蝕），熱穩(wěn)定性（高溫不分解），抗氧化性和較低的飽和蒸氣壓以及在工作時(shí)盡可能高的蒸氣壓。油蒸氣向著真空室的返擴(kuò)散會(huì)造成膜層污染，因此常在進(jìn)氣口安裝水冷擋板或液氮冷阱來(lái)降低返油率。分子泵動(dòng)量傳輸作用：當(dāng)氣體分子碰撞到高速移動(dòng)的固體表面時(shí)，總會(huì)在表面停留很短的時(shí)間，并且在離開(kāi)表面時(shí)將獲得與固體表面速率相近的相對(duì)切向速率，這就是動(dòng)量傳輸作用。渦輪分子泵：靠高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子碰撞氣體分子并把它驅(qū)向排氣口，由前級(jí)泵抽走，而使得被抽容器獲得超高真空的一種機(jī)械式真空泵。分子泵主要特點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)迅速、噪聲小、運(yùn)行平穩(wěn)、抽速大、不需要任何工作液體。1外殼2定子3轉(zhuǎn)子渦輪分子泵渦輪分子泵葉片蒸發(fā)工藝在半導(dǎo)體制造的早期，所有金屬層都是通過(guò)蒸發(fā)方法淀積的。為了獲得更好的臺(tái)階覆蓋、間隙填充和濺射速度，在70年代后期，在大多數(shù)硅片制造技術(shù)領(lǐng)域?yàn)R射已取代蒸發(fā)。原理：在真空室中加熱蒸發(fā)容器（坩鍋）中待蒸發(fā)的原材料，使其原子和分子從表面氣化溢出，形成蒸氣流，入射到固體（稱(chēng)為襯底或基片）表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法，也稱(chēng)熱蒸發(fā)法。分類(lèi)：該法的改進(jìn)主要在蒸發(fā)源上，主要有電阻式蒸發(fā)、高頻感應(yīng)式蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)。特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易，制成的薄膜純度高、質(zhì)量好，成模速率快、效率高，薄膜生長(zhǎng)機(jī)理單純。缺點(diǎn)：不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)薄膜、薄膜和基板的附著力小、工藝重復(fù)性不好，不能產(chǎn)生臺(tái)階覆蓋；性能上不能形成具有深寬比大于1.0:1的連續(xù)薄膜；還有對(duì)淀積合金的限制。原理示意圖：組成：真空室：提供真空環(huán)境蒸發(fā)源或蒸發(fā)源加熱器：放置蒸發(fā)材料并對(duì)其進(jìn)行加熱基板（襯底材料）：用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體薄膜基板加熱器及其測(cè)溫裝置基板旋轉(zhuǎn)裝置機(jī)械泵高真空閥高真空泵工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片盤(pán)蒸發(fā)系統(tǒng)飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣與固體或液體平衡過(guò)程中所表現(xiàn)出的壓力稱(chēng)為飽和蒸氣壓。物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，在一定溫度下，各種物質(zhì)的飽和蒸氣壓不相同，且具有恒定的數(shù)字，相反一定的飽和蒸氣壓必定對(duì)應(yīng)一定的物質(zhì)溫度。常用材料的飽和蒸氣壓蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率取決于離開(kāi)蒸發(fā)源的材料有多少；到達(dá)基板材料有多少熱平衡狀態(tài)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積表面的氣體分（原）子數(shù)為：

其中P是壓強(qiáng)，M是氣體分子的質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)坩鍋中蒸發(fā)材料質(zhì)量的消耗速率可寫(xiě)為：其中,Pe是蒸發(fā)材料的飽和蒸氣壓，T是材料溫度假設(shè)材料溫度近似為恒定，同時(shí)面積A恒定，則有：為固定值至此淀積速率的公式為：

其中，是淀積材料的質(zhì)量密度，Rd的單位是：m/s影響淀積速率的主要參數(shù)：被蒸發(fā)材料本身的性質(zhì)淀積溫度：溫度越高，飽和蒸氣壓越高真空室和坩鍋的幾何形狀常用蒸發(fā)系統(tǒng)分類(lèi)：主要有電阻式蒸發(fā)、高頻感應(yīng)式蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)電阻式蒸發(fā)原理：采用鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝入待蒸發(fā)材料，讓電流通過(guò)，對(duì)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者把蒸發(fā)材料放入陶瓷或氧化鈹坩鍋中進(jìn)行直接加熱。由于電阻式加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)廉易作，是一種普遍的蒸發(fā)源。對(duì)蒸發(fā)源材料要求熔點(diǎn)高：由于蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度（飽和蒸氣壓為10－2乇時(shí)的溫度）飽和蒸氣壓低：防止或減少在高溫下蒸發(fā)源材料會(huì)隨著蒸發(fā)材料的蒸發(fā)而稱(chēng)為雜質(zhì)進(jìn)入鍍膜層化學(xué)性能穩(wěn)定：在高溫下不應(yīng)與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電阻式蒸發(fā)源電阻式蒸發(fā)系統(tǒng)電阻式蒸發(fā)源的形狀：根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)，結(jié)合考慮蒸發(fā)源材料的潤(rùn)濕性，選擇蒸發(fā)源形狀。各種形狀的電阻式蒸發(fā)源電子束式蒸發(fā)隨著薄膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電阻式蒸發(fā)不能滿(mǎn)足蒸鍍某些難熔金屬和氧化物材料的要求，特別是制膜純度很高的需求，于是發(fā)展了電子束蒸發(fā)。過(guò)程：將蒸發(fā)材料放入水冷的銅坩鍋中，直接利用電子束加熱，使蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)后凝結(jié)在基板表面成膜，是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)的發(fā)展方向。原理：基于電子在電場(chǎng)作用下，獲得動(dòng)能轟擊到處于陽(yáng)極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。電子束蒸發(fā)系統(tǒng)電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)優(yōu)點(diǎn)：電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度，因此可以使高熔點(diǎn)蒸發(fā)材料蒸發(fā)，并且能有較高的蒸發(fā)速率。如蒸發(fā)W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等。由于被蒸發(fā)材料置于水冷坩鍋內(nèi)，因而可避免容器材料蒸發(fā)，以及容器材料和蒸發(fā)材料之間的反應(yīng)，提高純度。熱量可直接加到蒸鍍材料的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少電子束蒸發(fā)的缺點(diǎn)：電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離，有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量。電子槍的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格較貴當(dāng)加速電壓過(guò)高時(shí)所產(chǎn)生的軟X射線(xiàn)對(duì)人體有一定的傷害，應(yīng)予以注意。電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)形式：環(huán)形槍、直槍?zhuān)ㄆ査箻專(zhuān)?、e型槍和空心陰極電子槍等幾種。環(huán)形槍?zhuān)嚎凯h(huán)形陰極來(lái)發(fā)射電子束，經(jīng)過(guò)聚焦和偏轉(zhuǎn)后打在坩鍋中使坩鍋內(nèi)的材料蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功率和效率不高，多用于實(shí)驗(yàn)性研究，在生產(chǎn)中用的較少。直槍?zhuān)阂环N軸對(duì)稱(chēng)的直線(xiàn)加速電子槍?zhuān)娮訌年帢O燈絲發(fā)射，聚焦成細(xì)束，經(jīng)陽(yáng)極加速后轟擊坩鍋中的蒸發(fā)材料使其加熱蒸發(fā)。直槍的功率從幾百瓦到幾千瓦都有。不僅可以得到高的能量密度而且易于控制，應(yīng)用較為方便，缺點(diǎn)是體積大、成本高、蒸發(fā)材料會(huì)污染槍體，可以采用在電子束出口設(shè)置偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如下圖，并在燈絲部位設(shè)置獨(dú)立的抽氣系統(tǒng)，不但避免了燈絲對(duì)膜層的污染而且可以延長(zhǎng)槍的壽命。直槍式蒸發(fā)源簡(jiǎn)圖e型槍?zhuān)杭?70度偏轉(zhuǎn)的電子槍?zhuān)朔酥睒尩娜秉c(diǎn)，是目前用的較多的電子束蒸發(fā)源。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：1－發(fā)射體2－陽(yáng)極3－電磁線(xiàn)圈4－水冷坩鍋5－收集極6－吸收極7－電子軌跡8－正離子軌跡9－散射離子軌跡10－等離子體e型槍結(jié)構(gòu)示意圖所謂e型槍是由電子運(yùn)動(dòng)軌跡而得名的，由于入射電子與蒸發(fā)原子相碰撞而游離出來(lái)的正離子，在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生與入射電子相反方向的運(yùn)動(dòng)，因而避免了直槍中正離子對(duì)蒸鍍膜層的污染，同時(shí)e型槍也大大減少了二次電子（高能電子轟擊材料表面所產(chǎn)生的電子）對(duì)基板轟擊的幾率。由于e型槍有效抑制二次電子，可方便地通過(guò)改變磁場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)電子束的轟擊位置，再加上在結(jié)構(gòu)上采用的內(nèi)藏式陰極，防止了極間放電、避免了燈絲污染。目前e型槍已經(jīng)取代了直槍和環(huán)形槍。高頻感應(yīng)蒸發(fā)源原理：將裝有蒸發(fā)材料的坩鍋放在高頻螺旋線(xiàn)圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失（對(duì)鐵磁體），致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化。蒸發(fā)源