(s)第五章+物理氣相淀積

1、第五章第五章 物理氣相淀積物理氣相淀積主主 講：毛講：毛 維維 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院緒論緒論nPVD：physical vapor depositionn特點(diǎn)：物理過(guò)程；特點(diǎn)：物理過(guò)程；n方法：方法： 蒸發(fā)：早期工藝制備金屬薄膜，目前廣泛應(yīng)用于科蒸發(fā)：早期工藝制備金屬薄膜，目前廣泛應(yīng)用于科 研和研和-族化合物半導(dǎo)體工藝中；族化合物半導(dǎo)體工藝中； 濺射：已取代蒸發(fā)。濺射：已取代蒸發(fā)。5.1 真空蒸發(fā)的基本原理真空蒸發(fā)的基本原理n材料的三態(tài)：材料的三態(tài)：solid，liquid，gas；n蒸氣：任何溫度下，材料表面都存在自身的氣體；蒸氣：任何溫度下，材料表面都存在自

2、身的氣體；n飽和蒸氣壓：在一定的溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的飽和蒸氣壓：在一定的溫度下，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(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的壓力；蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的壓力；n蒸發(fā)溫度：飽和蒸汽壓為蒸發(fā)溫度：飽和蒸汽壓為133.310-2Pa時(shí)的物質(zhì)溫度；時(shí)的物質(zhì)溫度； n升華：低于材料熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程；升華：低于材料熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程；n蒸發(fā)：材料熔化時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程；蒸發(fā)：材料熔化時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程；n真空蒸發(fā)：真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料熔化時(shí)產(chǎn)生的飽和蒸氣壓進(jìn)利用蒸發(fā)材料熔化時(shí)產(chǎn)生的飽和蒸氣壓進(jìn) 行薄膜淀積；行薄膜淀積； 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，薄膜純度高

3、、淀積速率快；工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，薄膜純度高、淀積速率快； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：薄膜與襯底附著力小，臺(tái)階覆蓋差。薄膜與襯底附著力小，臺(tái)階覆蓋差。5.1.1 真空蒸發(fā)設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備電子束蒸發(fā)臺(tái)電子束蒸發(fā)臺(tái)5.1.1 真空蒸發(fā)設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三大部分組成：主要由三大部分組成：真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)基板及加熱系統(tǒng)基板及加熱系統(tǒng)機(jī)械泵機(jī)械泵高真空閥高真空閥高真空泵高真空泵工藝腔工藝腔(鐘罩鐘罩)坩鍋坩鍋蒸發(fā)金屬蒸發(fā)金屬載片盤(pán)載片盤(pán)蒸發(fā)淀積過(guò)程蒸發(fā)淀積過(guò)程主要有三個(gè)基本過(guò)程：主要有三個(gè)基本過(guò)程：加熱蒸發(fā)過(guò)程：加熱蒸發(fā)源（固態(tài)），產(chǎn)生蒸氣；加熱蒸發(fā)過(guò)程：加熱蒸發(fā)源（固態(tài)），產(chǎn)生蒸氣；氣化原子或分子在

4、蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過(guò)程：氣化氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過(guò)程：氣化 的原子、分子擴(kuò)散到基片表面；的原子、分子擴(kuò)散到基片表面；被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過(guò)程：氣化的原被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過(guò)程：氣化的原 子、分子在表面凝聚、成核、成長(zhǎng)、成膜；子、分子在表面凝聚、成核、成長(zhǎng)、成膜； 5.1.5 多組分蒸發(fā)多組分蒸發(fā)n如，合金蒸發(fā)如，合金蒸發(fā)n方法：方法：（按蒸發(fā)源分類(lèi)）（按蒸發(fā)源分類(lèi)） 單源蒸發(fā)：具有薄膜組分比例的單一合金靶；單源蒸發(fā)：具有薄膜組分比例的單一合金靶；n 靶源的要求：各組分蒸汽壓接近；靶源的要求：各組分蒸汽壓接近； 多源同時(shí)蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，

5、同時(shí)蒸發(fā)；多源同時(shí)蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，同時(shí)蒸發(fā)； 多源順序蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，順序蒸發(fā)，多源順序蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，順序蒸發(fā)， 最后高溫退火；最后高溫退火；n 工藝關(guān)鍵：根據(jù)薄膜組分工藝關(guān)鍵：根據(jù)薄膜組分,控制相應(yīng)厚度；控制相應(yīng)厚度； 5.1.5 多組分蒸發(fā)多組分蒸發(fā)（按加熱方式分類(lèi)）（按加熱方式分類(lèi)）n電阻加熱源電阻加熱源n電子束加熱源電子束加熱源n高頻感應(yīng)加熱源高頻感應(yīng)加熱源n激光加熱源激光加熱源5.2 蒸發(fā)源蒸發(fā)源5.2.1 電阻加熱源電阻加熱源n直接加熱源：加熱體與蒸發(fā)源的載體是同一物體；直接加熱源：加熱體與蒸發(fā)源的載體是同一物體； 加熱體采用：加熱體采用：W、Mo、

6、石墨。、石墨。n間接加熱源：坩堝盛放蒸發(fā)源；間接加熱源：坩堝盛放蒸發(fā)源； (坩堝采用：高溫陶瓷、石墨坩堝采用：高溫陶瓷、石墨)n對(duì)加熱材料的要求：對(duì)加熱材料的要求： 熔點(diǎn)要高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度；熔點(diǎn)要高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度； 飽和蒸汽壓要低：低于蒸發(fā)源；飽和蒸汽壓要低：低于蒸發(fā)源； 化學(xué)性能要穩(wěn)定：在高溫下與蒸發(fā)材料不發(fā)生化學(xué)化學(xué)性能要穩(wěn)定：在高溫下與蒸發(fā)材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不形成合金。反應(yīng)，不形成合金。目的：不產(chǎn)生污染目的：不產(chǎn)生污染n優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，蒸發(fā)速率快；優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，蒸發(fā)速率快； 缺點(diǎn)：難以制備高熔點(diǎn)、高純度薄膜。缺點(diǎn)：難以制備高熔點(diǎn)、高純度薄膜。n原理：電子轟擊蒸發(fā)材料，

7、使其原理：電子轟擊蒸發(fā)材料，使其 熔化蒸發(fā)。熔化蒸發(fā)。n特點(diǎn)：可淀積高熔點(diǎn)（特點(diǎn)：可淀積高熔點(diǎn)（3000）、 高純薄膜；高純薄膜；n應(yīng)用：應(yīng)用：W、Mo、SiO2、Al2O3 5.2.2 電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源5.2.2 電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 蒸發(fā)溫度高：能量密度高于電阻加熱源；蒸發(fā)溫度高：能量密度高于電阻加熱源； 高純度淀積：水冷坩堝可避免容器材料的蒸發(fā)；高純度淀積：水冷坩堝可避免容器材料的蒸發(fā)； 熱效率高：熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少。熱效率高：熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少。 n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 一次電子與二次電子使蒸發(fā)原子等電離；一次電子與二次電子使蒸發(fā)原子等電離； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，

8、會(huì)產(chǎn)生軟結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，會(huì)產(chǎn)生軟X射線。射線。n原理：原理：利用高功率激光束進(jìn)行加熱。利用高功率激光束進(jìn)行加熱。n主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)： (1)加熱溫度高，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料。加熱溫度高，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料。 (2)坩堝材料對(duì)蒸發(fā)材料的污染小，薄膜純度高。坩堝材料對(duì)蒸發(fā)材料的污染小，薄膜純度高。 (3)能量密度高，可保證化合物薄膜成分比例。能量密度高，可保證化合物薄膜成分比例。 (4)易獲得高真空度。易獲得高真空度。 (5)適合蒸發(fā)成分比較復(fù)雜的合金或化合物。適合蒸發(fā)成分比較復(fù)雜的合金或化合物。n主要缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)： 大功率激光器價(jià)格較昂貴。大功率激光器價(jià)格較昂貴。5.2.3 激光加熱源

9、激光加熱源5.2.4 高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)速率快；蒸發(fā)速率快；溫度控制精確；溫度控制精確；工藝簡(jiǎn)便；工藝簡(jiǎn)便；n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：成本高；成本高；電磁干擾。電磁干擾。5.4 濺射濺射n原理：原理：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體具有能量的離具有能量的離 子轟擊靶材子轟擊靶材靶材原子獲得能量從靶表面逸出靶材原子獲得能量從靶表面逸出 (被濺射出被濺射出)濺射原子淀積在表面。濺射原子淀積在表面。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：被濺射出的原子動(dòng)能很大，被濺射出的原子動(dòng)能很大，10-50eV（蒸發(fā)：（蒸發(fā)： 0.1-0.2eV）；故，）；故， 還可實(shí)現(xiàn)離子注入。還可實(shí)現(xiàn)離子注入

10、。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋好（遷移能力強(qiáng)）。臺(tái)階覆蓋好（遷移能力強(qiáng)）。5.4.3 濺射方法濺射方法n直流、射頻、磁控、反應(yīng)、直流、射頻、磁控、反應(yīng)、 離子束、偏壓等濺射；離子束、偏壓等濺射；1.直流濺射直流濺射 n濺射靶：陰極濺射靶：陰極n襯底：陽(yáng)極（接地）襯底：陽(yáng)極（接地）n工作氣體：工作氣體：Ar氣氣n要求：靶材導(dǎo)電性好要求：靶材導(dǎo)電性好n特點(diǎn)：只適于金屬靶材特點(diǎn)：只適于金屬靶材簡(jiǎn)單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng)簡(jiǎn)單平行金屬板直流二極管濺射系統(tǒng)尾氣e-e-e-DC 直流二極管濺射裝置襯底 1) 電場(chǎng)產(chǎn)生 Ar+ 離子 2) 高能Ar+ 離子和 金屬靶撞擊 3) 將金屬原子 從 靶中撞擊陽(yáng)極(+)陰極 (-)氬原子電場(chǎng)金屬靶等離子體 5) 金屬淀積在襯底上 6) 用真空泵將多余 物質(zhì)從腔中抽走4) 金屬原子向襯底遷移.進(jìn)氣5.4.3 濺射方法濺射方法2. RF濺射濺射n原理：高頻電場(chǎng)經(jīng)其他阻抗形式耦合進(jìn)入淀積室；原理：高頻電場(chǎng)經(jīng)其他阻抗形式耦合進(jìn)入淀積室；n特點(diǎn)：適于各種金屬與非金屬靶材；特點(diǎn)：適于各種金屬與非金屬靶材；5.4.3 濺射方法濺射方法3.磁控濺射磁控濺射n原理：磁場(chǎng)