物理氣相淀積上

物理氣相淀積上第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日內(nèi)容概述真空技術(shù)蒸發(fā)濺射薄膜淀積機理第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日概述形成薄膜技術(shù)：薄膜生長技術(shù)、薄膜淀積技術(shù)薄膜生長技術(shù)：專指襯底材料也是形成薄膜的元素之一，（如硅的熱氧化生長二氧化硅）薄膜淀積技術(shù)：薄膜形成過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：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)用范圍逐漸擴大。物理氣相淀積（PVD）：利用物理機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。第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日其它淀積技術(shù)還包括離子鍍膜、溶液鍍膜（化學(xué)反應(yīng)沉積、陽極氧化法、電鍍法等）、旋轉(zhuǎn)涂布法等薄膜淀積是芯片加工過程中一個至關(guān)重要的工藝步驟，通過淀積工藝可以在硅片上生長各種導(dǎo)電薄膜層和絕緣薄膜層。各種不同類型的薄膜淀積到硅片上，在某些情況下，這些薄膜成為器件結(jié)構(gòu)中的一個完整部分，另外一些薄膜則充當(dāng)了工藝過程中的犧牲品，并且在后續(xù)的工藝中被去掉。在SSI和MSIIC時代，蒸發(fā)是主要的金屬化方法。由于蒸發(fā)臺階覆蓋的特性差，所以后來被濺射取代。本章主要介紹物理氣相淀積工藝中的蒸發(fā)和濺射第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日真空知識微電子工藝中所用的真空技術(shù)：氣體分子的質(zhì)量輸運機制：低壓CVD等離子體產(chǎn)生機制：濺射、等離子體增強CVD、反應(yīng)離子刻蝕無污染的加工環(huán)境：蒸發(fā)、分子束外延氣體分子的長程輸運：離子注入第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日真空基礎(chǔ)知識真空：低于一個大氣壓的氣體空間，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℃，相對濕度為60％時的大氣壓強，1atm＝101325Pa＝1013.25mbar＝760torr，壓強單位：帕斯卡(Pa)：國際單位制壓強單位，1Pa=1N/m2

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）：1atm＝101325Pa

乇(Torr)：1torr＝1/760atm＝1mmHg

毫巴(mbar)：1mbar=102Pa第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日真空度：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，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度。超高真空（＜1×10－6Pa），此時每立方厘米的氣體分子數(shù)在1010個以下，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。第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日氣體動力學(xué)理論推導(dǎo)的幾個公式：氣體分子的平均速率：氣體分子的平均自由程：氣體分子處于無規(guī)則的熱運動狀態(tài)，它除了與容器壁發(fā)生碰撞外，氣體分子之間還經(jīng)常發(fā)生碰撞。每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間的路程稱為“自由程”－－其統(tǒng)計平均值稱為平均自由程。

根據(jù)理想氣體定律,代入上式，得到式中d為分子直徑，P為腔體壓強；n為單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)；式中m為氣體分子質(zhì)量，注意：這些公式只是在時適用,L為腔體的特征長度第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日真空的獲得：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）、測量真空的器具（真空計）以及必要的管道、閥門和其它附屬設(shè)備原理：當(dāng)真空管道兩端存在壓力差的時候，氣體會從高壓處向低壓處擴散，形成氣體流動對于任何一個真空系統(tǒng)而言，都不可能得到絕對真空（P=0），而是具有一定壓強－－稱為極限壓強（或極限真空），這是該系統(tǒng)所能滿足需要的重要指標(biāo)；第二個主要指標(biāo)是抽氣速率－－指在規(guī)定壓強下單位時間所抽氣體的體積，它決定抽真空所需要的時間。第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日真空的獲得：至今還沒有一種真空泵可以從大氣壓一直工作到超高真空的。前級泵：能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進行排氣的通常稱為前級泵。次級泵：只能從較低壓力抽到更低壓力的真空泵稱為次級泵。通常是講幾種真空泵組合使用，如機械泵＋擴散泵、吸附泵＋濺射離子泵＋鈦升華泵系統(tǒng)，前者為有油系統(tǒng)后者為無油系統(tǒng)。第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日種類原理工作壓強范圍機械泵油封機械泵（單級）油封機械泵（雙級）分子泵羅茨泵利用機械力壓縮和排除氣體<100Pa<10－2Pa100～10－8Pa103～10－2Pa蒸氣噴射泵水銀擴散泵油擴散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動量把氣體帶走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氣體進行物理吸附排除氣體<10-2Pa10－2～10－10Pa10－2～10－6Pa第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日機械泵：旋片式、定片式和滑翔式等。旋片式噪聲小，運行速度高應(yīng)用最廣。旋片式機械泵：定子、旋片和轉(zhuǎn)子組成。這些部件全部浸在機械泵油中，轉(zhuǎn)子偏心地置于定子泵內(nèi)。原理：在溫度一定的情況下容器的體積與氣體的壓強成反比。第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日過程：右圖式出了機械泵轉(zhuǎn)子在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中的四個典型位置，圖1表示正在吸氣，同時把上一周期吸入的氣體逐步壓縮；圖2表示吸氣截至，此時泵的吸氣量達(dá)最大并將開始壓縮；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)壓強超過一個大氣壓的時候，氣體推開排氣閥由排氣管道排出。如此不斷進行吸氣、壓縮和排氣，于是和機械泵連接的真空容器便獲得了真空。第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日為減小有害空間的影響，通常采用雙級泵。該泵由兩個轉(zhuǎn)子串聯(lián)構(gòu)成，以一個轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一個轉(zhuǎn)子空間的進氣口，這樣便可使極限真空從單級泵的1Pa提高到10－2Pa數(shù)量級，目前機械泵一般都是雙級泵。由于泵的轉(zhuǎn)子和定子全部浸泡在油箱內(nèi)，則機械泵油的基本要求是飽和蒸氣壓低，具有一定的潤滑性和粘度，以及較高的穩(wěn)定性。擴散泵：利用被抽氣體向蒸氣流擴散的現(xiàn)象實現(xiàn)排氣作用的。第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日過程：當(dāng)擴散泵油被加熱后會產(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，傘形噴嘴向外噴射出來。由于噴嘴外的壓強較低，于是蒸氣會向下噴射出較長距離，形成一高速定向的蒸氣流，其分壓強低于擴散泵進氣口上方被抽氣體分壓強，這樣真空室內(nèi)的氣體分子必然向著壓強低的擴散泵噴口處擴散，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動并被帶往出口處，被機械泵抽走。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)。第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日油擴散泵外形內(nèi)部結(jié)構(gòu)第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日擴散泵必須與機械泵配合使用才能組成高真空系統(tǒng)，單獨使用擴散泵是沒有抽氣作用的。擴散泵油是擴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（無毒無腐蝕），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盡可能高的蒸氣壓。油蒸氣向著真空室的返擴散會造成膜層污染，因此常在進氣口安裝水冷擋板或液氮冷阱來降低返油率。分子泵動量傳輸作用：當(dāng)氣體分子碰撞到高速移動的固體表面時，總會在表面停留很短的時間，并且在離開表面時將獲得與固體表面速率相近的相對切向速率，這就是動量傳輸作用。第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日渦輪分子泵：靠高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子碰撞氣體分子并把它驅(qū)向排氣口，由前級泵抽走，而使得被抽容器獲得超高真空的一種機械式真空泵。分子泵主要特點：啟動迅速、噪聲小、運行平穩(wěn)、抽速大、不需要任何工作液體。1外殼2定子3轉(zhuǎn)子第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日渦輪分子泵渦輪分子泵葉片第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日真空的測量：為了判斷和檢定真空系統(tǒng)所達(dá)到的真空度，必須對真空容器內(nèi)的壓強進行測量，真空環(huán)境壓強低，直接測壓力極不容易，都是利用測量在低氣壓下和壓強有關(guān)的某些物理量，再經(jīng)過變換后確定容器的壓強。任何方法都有一定的測量范圍，這個范圍就是該真空計的量程。目前還沒有一種真空計能夠測量從大氣到10－10Pa的整個領(lǐng)域的真空度。真空計有:電容壓力計、熱傳導(dǎo)規(guī)表（低中真空）、離子規(guī)表（高真空）熱偶真空計：直接用熱電偶測量熱絲溫度的真空計，應(yīng)用廣泛。電離真空計：目前測高真空的主要儀器，利用氣體分子電離的原理測量真空度。第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日蒸發(fā)工藝在半導(dǎo)體制造的早期，所有金屬層都是通過蒸發(fā)方法淀積的。為了獲得更好的臺階覆蓋、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)域濺射已取代蒸發(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（稱為襯底或基片）表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法，也稱熱蒸發(fā)法。分類：該法的改進主要在蒸發(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：設(shè)備簡單、操作容易，制成的薄膜純度高、質(zhì)量好，成模速率快、效率高，薄膜生長機理單純。缺點：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；還有對淀積合金的限制。第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日原理示意圖：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)材料并對其進行加熱基板（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溫裝置基板旋轉(zhuǎn)裝置第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日機械泵高真空閥高真空泵工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片盤蒸發(fā)系統(tǒng)第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日蒸發(fā)過程加熱蒸發(fā)過程：包括由凝聚相變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合?氣相的相變過程），每種蒸發(fā)物質(zhì)在不同的溫度下有不同的蒸氣壓。氣化分子或原子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過程。飛行中真空室內(nèi)殘余氣體分子碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程，以及源－基距（蒸發(fā)源到基片的距離）蒸發(fā)原子或分子在基片表面的淀積過程，即蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄膜?；鍦囟冗h(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，則淀積分子在基板表面直接發(fā)生氣相到固相的轉(zhuǎn)變過程。上述過程都必須在真空環(huán)境下進行，否則蒸發(fā)原子或分子將和大量空氣分子相互碰撞。第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日飽和蒸氣壓：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程中所表現(xiàn)出的壓力稱為飽和蒸氣壓。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)速率第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日蒸發(fā)速率取決于離開蒸發(fā)源的材料有多少；到達(dá)基板材料有多少熱平衡狀態(tài)，單位時間內(nèi)通過單位面積表面的氣體分（原）子數(shù)為：

其中P是壓強，M是氣體分子的質(zhì)量單位時間內(nèi)坩鍋中蒸發(fā)材料質(zhì)量的消耗速率可寫為：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，同時面積A恒定，則有：為固定值第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)真空室內(nèi)的真空度足夠高時，忽略氣體分子的相互碰撞，可假設(shè)離開蒸發(fā)源的氣體分子以直線形式運動到基板（襯底）表面。離開蒸發(fā)源的氣體分子流F：點源：當(dāng)蒸發(fā)源近似為點源時，氣體分子各向同性平面源。當(dāng)蒸發(fā)源近似為平面源時，氣體分子流與夾角有關(guān):

此時，蒸發(fā)源正上方的基板會得到更多的淀積薄膜第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日到達(dá)基板表面的材料比例常數(shù)可以寫為：為獲得好的均勻性，一般采用球形放置方式，此時有：K為一個常數(shù)，保證了到達(dá)硅片襯底表面各點的氣體分子數(shù)相等，即淀積速率的均勻性。第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日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第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日常用蒸發(fā)系統(tǒng)分類：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)第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電阻式蒸發(fā)原理：采用鉭、鉬、鎢等高熔點金屬，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，對材料進行直接加熱蒸發(fā)，或者把蒸發(fā)材料放入陶瓷或氧化鈹坩鍋中進行直接加熱。由于電阻式加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單，價廉易作，是一種普遍的蒸發(fā)源。對蒸發(fā)源材料要求熔點高：由于蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度（飽和蒸氣壓為10－2乇時的溫度）飽和蒸氣壓低：防止或減少在高溫下蒸發(fā)源材料會隨著蒸發(fā)材料的蒸發(fā)而稱為雜質(zhì)進入鍍膜層化學(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)源第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電阻式蒸發(fā)系統(tǒng)第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電阻式蒸發(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)源材料的潤濕性，選擇蒸發(fā)源形狀。各種形狀的電阻式蒸發(fā)源第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電子束式蒸發(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：基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊到處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電子束蒸發(fā)系統(tǒng)第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)優(yōu)點：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：電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離，有時會影響膜層質(zhì)量。電子槍的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備價格較貴當(dāng)加速電壓過高時所產(chǎn)生的軟X射線對人體有一定的傷害，應(yīng)予以注意。第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日電子束蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)形式：環(huán)形槍、直槍（皮爾斯槍）、e型槍和空心陰極電子槍等幾種。環(huán)形槍：靠環(huán)形陰極來發(fā)射電子束，經(jīng)過聚焦和偏轉(zhuǎn)后打在坩鍋中使坩鍋內(nèi)的材料蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單但功率和效率不高，多用于實驗性研究，在生產(chǎn)中用的較少。直槍：一種軸對稱的直線加速電子槍，電子從陰極燈絲發(fā)射，聚焦成細(xì)束，經(jīng)陽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，缺點是體積大、成本高、蒸發(fā)材料會污染槍體，可以采用在電子束出口設(shè)置偏轉(zhuǎn)磁場，如下圖，并在燈絲部位設(shè)置獨立的抽氣系統(tǒng)，不但避免了燈絲對膜層的污染而且可以延長槍的壽命。第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日直槍式蒸發(fā)源簡圖第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日e型槍：即270度偏轉(zhuǎn)的電子槍，它克服了直槍的缺點，是目前用的較多的電子束蒸發(fā)源。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：1－發(fā)射體2－陽極3－電磁線圈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)示意圖第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日所謂e型槍是由電子運動軌跡而得名的，由于入射電子與蒸發(fā)原子相碰撞而游離出來的正離子，在偏轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生與入射電子相反方向的運動，因而避免了直槍中正離子對蒸鍍膜層的污染，同時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，可方便地通過改變磁場來調(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