薄膜淀積與外延技術(shù)

1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing第五章 薄膜淀積與外延技術(shù)張道禮張道禮 教授教授Email: Email: zhang-zhang-Voice: 87542894Voice: 87542894 超薄膜超薄膜: 10nm 薄膜薄膜: 50nm10m mm 典型薄膜典型薄膜: 50nm 1m mm 厚膜厚膜: 10m mm 100m mm 單晶薄膜單晶薄膜 多晶薄膜多晶薄膜 無序薄膜無序薄膜5.1 5.1 概述概述采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料) )的的基團以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，

2、在襯底材料表面基團以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。薄膜分類薄膜分類 )(filmsolidthin固固態(tài)態(tài)液液態(tài)態(tài)氣氣態(tài)態(tài)（1 1）物態(tài)）物態(tài)（2 2）結(jié)晶態(tài)：）結(jié)晶態(tài)： 集集合合體體組組成成，由由許許多多取取向向相相異異單單晶晶多多晶晶：在在一一襯襯底底上上生生長長質(zhì)質(zhì)外外延延在在單單晶晶基基底底上上同同質(zhì)質(zhì)和和異異單單晶晶：外外延延生生長長晶晶態(tài)態(tài)長長程程無無序序有有序序非非晶晶態(tài)態(tài)：原原子子排排列列短短程程、。、（3 3）化學(xué)角度）化學(xué)角度 無無機機薄薄膜膜有有機機薄薄膜膜5.1 5.1 概述概

3、述（4 4）組成）組成 非非金金屬屬薄薄膜膜金金屬屬薄薄膜膜（5 5）物性）物性 光光學(xué)學(xué)薄薄膜膜磁磁阻阻薄薄膜膜介介電電薄薄膜膜超超導(dǎo)導(dǎo)薄薄膜膜半半導(dǎo)導(dǎo)體體薄薄膜膜金金屬屬導(dǎo)導(dǎo)電電薄薄膜膜熱熱學(xué)學(xué)薄薄膜膜聲聲學(xué)學(xué)薄薄膜膜硬硬質(zhì)質(zhì)薄薄膜膜q 厚度，決定薄膜性能、質(zhì)量厚度，決定薄膜性能、質(zhì)量q 通常，膜厚通常，膜厚 k ks s，則，則C Cs sC CGG, ,這種情況為表面反應(yīng)控制過程這種情況為表面反應(yīng)控制過程有有2 2、如果、如果h hGGk ks s，則，則C CS S00，這是質(zhì)量傳輸控制過程，這是質(zhì)量傳輸控制過程有有 質(zhì)量輸運控制，對溫度不敏感質(zhì)量輸運控制，對溫度不敏感YkNCvsT

4、YhNCvGTkTEkkasexp05.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積表面（反應(yīng)）控制，對溫度特別敏感表面（反應(yīng)）控制，對溫度特別敏感 T T對對k ks s的影響較的影響較h hG G大許多，因此：大許多，因此： h hG Gk ks s表面控表面控制過程在較低溫制過程在較低溫度出現(xiàn)度出現(xiàn)生長速率和溫度的關(guān)系生長速率和溫度的關(guān)系硅外延：硅外延：E Ea a=1.6 eV=1.6 eV斜率與激活能斜率與激活能E Ea a成正比成正比h hG Gconstantconstant5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積以硅外延為例（以硅外延為例（1 atm1 atm，APCVDAPCVD）h

5、 hG G 常數(shù)常數(shù)E Ea a 值相同值相同硅淀積往往是在高硅淀積往往是在高溫下進行，以確保溫下進行，以確保所有硅原子淀積時所有硅原子淀積時排列整齊，形成單排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運晶層。為質(zhì)量輸運控制過程。此時對控制過程。此時對溫度控制要求不是溫度控制要求不是很高，但是對氣流很高，但是對氣流要求高。要求高。多晶硅生長是在低多晶硅生長是在低溫進行，是表面反溫進行，是表面反應(yīng)控制，對溫度要應(yīng)控制，對溫度要求控制精度高。求控制精度高。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積當(dāng)工作在高溫區(qū)當(dāng)工作在高溫區(qū), ,質(zhì)量控制為主導(dǎo)，質(zhì)量控制為主導(dǎo)，h hGG是常數(shù)，此時反應(yīng)是常數(shù)，此時反應(yīng)氣體通過邊

6、界層的擴散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計和晶片氣體通過邊界層的擴散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計和晶片如何放置顯得很重要。如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點：記住關(guān)鍵兩點：k ks s 控制的淀積主要和溫度有關(guān)控制的淀積主要和溫度有關(guān)h hG G 控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積單晶硅淀積要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片單晶硅淀積要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜的石墨舟為什么要有傾斜? ? 5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積這里界面層厚度這里界面層厚度 s s是是x x方向平板長度的函數(shù)。方向平板長度

7、的函數(shù)。隨著隨著x x的增加，的增加， s s( (x x) )增加，增加，h hG G下降。下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會下降速度會下降沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少, , 同同樣導(dǎo)致淀積速度會下降樣導(dǎo)致淀積速度會下降sGGDhUxxs)( 為氣體粘度為氣體粘度 為氣體密度為氣體密度U U為氣體速度為氣體速度5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積因此，支座傾斜可以促使因此，支座傾斜可以促使 s s( (x x) )沿沿x x變化減小變化減小原理：原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導(dǎo)致由于支座傾斜后，氣流的流過的

8、截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進而導(dǎo)致氣流速度的增加，進而導(dǎo)致 s s( (x x) )沿沿x x減小和減小和h hG G的增加。從的增加。從而用加大而用加大h hGG的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對質(zhì)量傳輸控制的淀積至而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如關(guān)重要，如APCVDAPCVD法淀積法淀積硅硅。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q 優(yōu)點優(yōu)點 即可制作金屬、非金屬薄膜，又可制作多組分合金薄膜；即可制作金屬、非金屬薄膜，又可制作多組分合金薄膜； 成膜速率高于成膜速率高于LPE和和MBE

9、；（幾微米至幾百微米幾微米至幾百微米/min？）？） CVD反應(yīng)可在常壓或低真空進行，繞射性能好；反應(yīng)可在常壓或低真空進行，繞射性能好； 薄膜純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好；薄膜純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好； 薄膜生長溫度低于材料的熔點；薄膜生長溫度低于材料的熔點； 薄膜表面平滑；薄膜表面平滑； 輻射損傷小。輻射損傷小。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q 缺點缺點 參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或有毒，需環(huán)保措施，有時還有防腐蝕要求；有毒，需環(huán)保措施，有時還有防腐蝕要求； 反應(yīng)溫度還是太高，盡管低于物質(zhì)的熔點；溫度反

10、應(yīng)溫度還是太高，盡管低于物質(zhì)的熔點；溫度高于高于PVD技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制；技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制； 對基片進行局部表面鍍膜時很困難，不如對基片進行局部表面鍍膜時很困難，不如PVD方方便。便。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q CVD的分類及其在微電子技術(shù)中的應(yīng)用的分類及其在微電子技術(shù)中的應(yīng)用5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q CVD反應(yīng)體系必須具備三個條件反應(yīng)體系必須具備三個條件 在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室；以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室； 反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮反應(yīng)產(chǎn)物除了

11、形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的；發(fā)性的； 沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q 開口體系開口體系CVD 包括：氣體凈化系統(tǒng)、氣體測量和控制系統(tǒng)、反應(yīng)包括：氣體凈化系統(tǒng)、氣體測量和控制系統(tǒng)、反應(yīng)器、尾氣處理系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)等。器、尾氣處理系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)等。 臥式：臥式：5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積感應(yīng)加感應(yīng)加熱熱5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 冷壁冷壁CVD：器壁和原料區(qū)都不加熱，僅基片被加熱，器壁和原料區(qū)都不加熱，僅基片被加熱，沉積區(qū)一般采用感應(yīng)加熱或光輻射加熱。缺點是沉積區(qū)一般

12、采用感應(yīng)加熱或光輻射加熱。缺點是有有較大較大溫差溫差，溫度均勻性問題需特別設(shè)計來克服。溫度均勻性問題需特別設(shè)計來克服。 適合反應(yīng)物在室溫下是氣體或具有較高蒸氣壓的液適合反應(yīng)物在室溫下是氣體或具有較高蒸氣壓的液體。體。 熱壁熱壁CVD：器壁和原料區(qū)都是加熱的，反應(yīng)器壁加器壁和原料區(qū)都是加熱的，反應(yīng)器壁加熱是為了防止反應(yīng)物冷凝。管壁有反應(yīng)物沉積，易剝落熱是為了防止反應(yīng)物冷凝。管壁有反應(yīng)物沉積，易剝落造成污染。造成污染。 臥式反應(yīng)器特點：常壓操作；裝、卸料方便。但是臥式反應(yīng)器特點：常壓操作；裝、卸料方便。但是薄膜的均勻性差。薄膜的均勻性差。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積開口體系開口體系CV

13、DCVD工藝的特點工藝的特點 能連續(xù)地供氣和排氣，能連續(xù)地供氣和排氣，物料的運輸一般是靠惰性氣物料的運輸一般是靠惰性氣體來實現(xiàn)的。體來實現(xiàn)的。反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)，而有利于形，而有利于形成薄膜沉積層成薄膜沉積層（至少有一種反應(yīng)產(chǎn)物可連續(xù)地從反應(yīng)區(qū)排（至少有一種反應(yīng)產(chǎn)物可連續(xù)地從反應(yīng)區(qū)排出）。出）。 在大多數(shù)情況下，開口體系是在一個大氣壓或稍高在大多數(shù)情況下，開口體系是在一個大氣壓或稍高于一個大氣壓下進行的。于一個大氣壓下進行的。但也可在真空下連續(xù)地或但也可在真空下連續(xù)地或脈沖地供氣及不斷地抽出副產(chǎn)物。脈沖地供氣及不斷地抽出副產(chǎn)物。 開口體系的沉積工藝容易控制，工藝重現(xiàn)性好，

14、工開口體系的沉積工藝容易控制，工藝重現(xiàn)性好，工件容易取放，同一裝置可反復(fù)多次使用。件容易取放，同一裝置可反復(fù)多次使用。 有立式和臥式兩種形式。有立式和臥式兩種形式。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 立式：立式：氣流垂直于基體，可使氣流以氣流垂直于基體，可使氣流以基板為中心均勻分布基板為中心均勻分布5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積沉積區(qū)域為球形，基沉積區(qū)域為球形，基片受熱均勻，反應(yīng)氣片受熱均勻，反應(yīng)氣體均勻供給；產(chǎn)品的體均勻供給；產(chǎn)品的均勻性好，膜層厚度均勻性好，膜層厚度一致，質(zhì)地均勻。一致，質(zhì)地均勻。特點？特點？5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q 封閉式（閉管沉積系統(tǒng)）

15、封閉式（閉管沉積系統(tǒng)）CVD把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩的基體分別放在反應(yīng)器的兩端，抽空后充入一定的輸運端，抽空后充入一定的輸運氣體，然后密封，再將反應(yīng)氣體，然后密封，再將反應(yīng)器置于雙溫區(qū)爐內(nèi)，使反應(yīng)器置于雙溫區(qū)爐內(nèi)，使反應(yīng)管內(nèi)形成溫度梯度。管內(nèi)形成溫度梯度。溫度梯度造成的負自由能溫度梯度造成的負自由能變化是傳輸反應(yīng)的推動力，變化是傳輸反應(yīng)的推動力，所以物料從閉管的一端傳輸所以物料從閉管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來。在理到另一端并沉積下來。在理想情況下，閉管反應(yīng)器中所想情況下，閉管反應(yīng)器中所進行的反應(yīng)其平衡常數(shù)值應(yīng)進行的反應(yīng)其平衡常數(shù)值應(yīng)接近于接近于1。

16、5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積溫度梯度溫度梯度2.5/cm/cm低溫區(qū)低溫區(qū)T1=T2-13.5高溫區(qū)高溫區(qū)T2=8508605.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 閉管法的優(yōu)點：閉管法的優(yōu)點：污染的機會少，不必連續(xù)抽氣保持污染的機會少，不必連續(xù)抽氣保持反應(yīng)器內(nèi)的真空，可以沉積蒸氣壓高的物質(zhì)。反應(yīng)器內(nèi)的真空，可以沉積蒸氣壓高的物質(zhì)。 閉管法的缺點：閉管法的缺點：材料生長速率慢，不適合大批量生材料生長速率慢，不適合大批量生長，一次性反應(yīng)器，生長成本高；管內(nèi)壓力檢測困難等。長，一次性反應(yīng)器，生長成本高；管內(nèi)壓力檢測困難等。 閉管法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：閉管法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計

17、反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計算、溫度選擇和控制等。算、溫度選擇和控制等。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q LPCVD原理原理 早期早期CVD技術(shù)以開管系統(tǒng)為主，即技術(shù)以開管系統(tǒng)為主，即Atmosphere Pressure CVD (APCVD)。 近年來，近年來，CVD技術(shù)令人注目的新發(fā)展是低壓技術(shù)令人注目的新發(fā)展是低壓CVD技術(shù)，技術(shù)，即即Low Pressure CVD（LPCVD）。）。 LPCVD原理于原理于APCVD基本相同，主要差別是：基本相同，主要差別是： 低壓下氣體擴散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的低壓下氣體擴散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速率加快，形成

18、薄膜的反應(yīng)速率增加。質(zhì)量傳輸速率加快，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q LPCVD優(yōu)點優(yōu)點 （1）低氣壓下氣態(tài)分子的）低氣壓下氣態(tài)分子的平均自由程增大平均自由程增大，反應(yīng)裝置內(nèi)可，反應(yīng)裝置內(nèi)可以快速達到濃度均一，消除了由氣相濃度梯度帶來的薄膜不均以快速達到濃度均一，消除了由氣相濃度梯度帶來的薄膜不均勻性。勻性。 （2）薄膜質(zhì)量高：薄膜臺階覆蓋良好；結(jié)構(gòu)完整性好；針）薄膜質(zhì)量高：薄膜臺階覆蓋良好；結(jié)構(gòu)完整性好；針孔較少。孔較少。 （3）沉積速率高。沉積過程主要由表面反應(yīng)速率控制，對）沉積速率高。沉積過程主要由表面反應(yīng)速率控

19、制，對溫度變化極為敏感，所以，溫度變化極為敏感，所以，LPCVD技術(shù)主要控制溫度變量。技術(shù)主要控制溫度變量。LPCVD工藝重復(fù)性優(yōu)于工藝重復(fù)性優(yōu)于APCVD。 （4）臥式）臥式LPCVD裝片密度高，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。裝片密度高，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積q LPCVD在微電子技術(shù)中的應(yīng)用在微電子技術(shù)中的應(yīng)用 廣泛用于沉積摻雜或不摻雜的氧化硅、氮化硅、多廣泛用于沉積摻雜或不摻雜的氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物薄膜，晶硅、硅化物薄膜，-族化合物薄膜族化合物薄膜以及鎢、鉬、鉭、以及鎢、鉬、鉭、鈦等難熔金屬薄膜。鈦等難熔金屬薄膜。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積

20、化學(xué)氣相沉積 在普通在普通CVD技術(shù)中，產(chǎn)生沉積反應(yīng)所需要的能量是技術(shù)中，產(chǎn)生沉積反應(yīng)所需要的能量是各種方式加熱襯底和反應(yīng)氣體，因此，薄膜沉積溫度一般各種方式加熱襯底和反應(yīng)氣體，因此，薄膜沉積溫度一般較高（多數(shù)在較高（多數(shù)在9001000）。u 容易引起基板變形和組織上的變化，容易引起基板變形和組織上的變化， 容易降低基板材容易降低基板材料的機械性能；料的機械性能；u 基板材料與膜層材料在高溫下會相互擴散，形成某些基板材料與膜層材料在高溫下會相互擴散，形成某些脆性相，降低了兩者的結(jié)合力。脆性相，降低了兩者的結(jié)合力。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 如果能在反應(yīng)室內(nèi)形成低溫等離子體（如輝

21、光放電），則可以如果能在反應(yīng)室內(nèi)形成低溫等離子體（如輝光放電），則可以利用在等離子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降低。利用在等離子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降低。 這種等離子體參與的化學(xué)氣相沉積稱為這種等離子體參與的化學(xué)氣相沉積稱為等離子化學(xué)氣相沉等離子化學(xué)氣相沉積積。用來制備化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超導(dǎo)薄膜等，特。用來制備化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超導(dǎo)薄膜等，特別是別是IC技術(shù)中的表面鈍化和多層布線。技術(shù)中的表面鈍化和多層布線。等離子化學(xué)氣相沉積：等離子化學(xué)氣相沉積：Plasma CVDPlasma Associated CVDPlasma Enhanced C

22、VD這里稱這里稱PECVD5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 PECVD是指利用輝光放電的物理作用來激活化學(xué)氣相沉積是指利用輝光放電的物理作用來激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的反應(yīng)的CVD技術(shù)。它既包括了化學(xué)氣相沉積技術(shù)，又有輝光放技術(shù)。它既包括了化學(xué)氣相沉積技術(shù)，又有輝光放電的增強作用。既有熱化學(xué)反應(yīng)，又有等離子體化學(xué)反應(yīng)。廣泛電的增強作用。既有熱化學(xué)反應(yīng)，又有等離子體化學(xué)反應(yīng)。廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、太陽能利用等領(lǐng)域，應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、太陽能利用等領(lǐng)域，按照產(chǎn)生輝光放電等離子方式，可以分為許多類型。按照產(chǎn)生輝光放電等離子方式，可以分為許多類型。直流輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（直

23、流輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（DC-PCVD）射頻輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（射頻輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（RF-PCVD）微波等離子體化學(xué)氣相沉積（微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MW-PCVD）電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相沉積（電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相沉積（ECR-PCVD）5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積等離子體在等離子體在CVD中的作用：中的作用： 將反應(yīng)物氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)溫度；將反應(yīng)物氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)溫度； 加速反應(yīng)物在

24、表面的擴散作用，提高成膜速率；加速反應(yīng)物在表面的擴散作用，提高成膜速率； 對基片和薄膜具有濺射清洗作用，濺射掉結(jié)合不牢的對基片和薄膜具有濺射清洗作用，濺射掉結(jié)合不牢的粒子，提高了薄膜和基片的附著力；粒子，提高了薄膜和基片的附著力； 由于原子、分子、離子和電子相互碰撞，使形成薄膜由于原子、分子、離子和電子相互碰撞，使形成薄膜的厚度均勻。的厚度均勻。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積PECVD的優(yōu)點：的優(yōu)點： 低溫成膜（低溫成膜（300-350），對基片影響小，避免了高），對基片影響小，避免了高溫帶來的膜層晶粒粗大及膜層和基片間形成脆性相；溫帶來的膜層晶粒粗大及膜層和基片間形成脆性相； 低壓

25、下形成薄膜，膜厚及成分較均勻、針孔少、膜層低壓下形成薄膜，膜厚及成分較均勻、針孔少、膜層致密、內(nèi)應(yīng)力小，不易產(chǎn)生裂紋；致密、內(nèi)應(yīng)力小，不易產(chǎn)生裂紋； 擴大了擴大了CVD應(yīng)用范圍，特別是在不同基片上制備金屬應(yīng)用范圍，特別是在不同基片上制備金屬薄膜、非晶態(tài)無機薄膜、有機聚合物薄膜等；薄膜、非晶態(tài)無機薄膜、有機聚合物薄膜等； 薄膜的附著力大于普通薄膜的附著力大于普通CVD。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積PECVD的缺點：的缺點： 化學(xué)反應(yīng)過程十分復(fù)雜，影響薄膜質(zhì)量的因素較多；化學(xué)反應(yīng)過程十分復(fù)雜，影響薄膜質(zhì)量的因素較多； 工作頻率、功率、壓力、基板溫度、反應(yīng)氣體分壓、工作頻率、功率、壓力、

26、基板溫度、反應(yīng)氣體分壓、反應(yīng)器的幾何形狀、電極空間、電極材料和抽速等相互反應(yīng)器的幾何形狀、電極空間、電極材料和抽速等相互影響。影響。 參數(shù)難以控制；參數(shù)難以控制； 反應(yīng)機理、反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)過程等還不十分清楚。反應(yīng)機理、反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)過程等還不十分清楚。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 （1）MOCVD 是一種利用有機金屬化合物的熱分解反應(yīng)進行氣相外延是一種利用有機金屬化合物的熱分解反應(yīng)進行氣相外延生長薄膜的生長薄膜的CVD技術(shù)。技術(shù)。 作為含有化合物半導(dǎo)體元素的原料化合物必須滿足：作為含有化合物半導(dǎo)體元素的原料化合物必須滿足： 常溫下穩(wěn)定且容易處理常溫下穩(wěn)定且容易處理 反應(yīng)的副產(chǎn)物

27、不應(yīng)妨礙晶體生長，不應(yīng)污染生長層；反應(yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)妨礙晶體生長，不應(yīng)污染生長層； 室溫附近應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼魵鈮菏覝馗浇鼞?yīng)具有適當(dāng)?shù)恼魵鈮?.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 滿足此條件的原材料有：金屬的烷基或芳基衍生物、烴基滿足此條件的原材料有：金屬的烷基或芳基衍生物、烴基衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物MOCVD的優(yōu)點：的優(yōu)點： 沉積溫度低。減少了自污染，提高了薄膜純度，有利于降低沉積溫度低。減少了自污染，提高了薄膜純度，有利于降低空位密度和解決自補償問題；對襯底取向要求低；空位密度和解決自補償問題；對襯底取向要求低； 沉積過程不存在刻蝕反應(yīng)，沉積速

28、率易于控制；沉積過程不存在刻蝕反應(yīng)，沉積速率易于控制； 幾乎可以生長所有化合物和合金半導(dǎo)體；幾乎可以生長所有化合物和合金半導(dǎo)體； 反應(yīng)裝置容易設(shè)計，生長溫度范圍較寬，易于控制，可大批反應(yīng)裝置容易設(shè)計，生長溫度范圍較寬，易于控制，可大批量生產(chǎn)；量生產(chǎn)； 可在藍寶石、尖晶石基片上實現(xiàn)外延生長可在藍寶石、尖晶石基片上實現(xiàn)外延生長140-2404Ni(CO) Ni + 4CO 5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積MOCVD的主要缺點：的主要缺點： 許多金屬有機化合物有毒、易燃，給有機金屬化合物許多金屬有機化合物有毒、易燃，給有機金屬化合物的制備、貯存、運輸和使用帶來困難，必須采取嚴(yán)格的防的制備、貯

29、存、運輸和使用帶來困難，必須采取嚴(yán)格的防護措施；護措施； 由于反應(yīng)溫度低，有些金屬有機化合物在氣相中就發(fā)由于反應(yīng)溫度低，有些金屬有機化合物在氣相中就發(fā)生反應(yīng)，生成固態(tài)微粒再沉積在襯底表面，形成薄膜中的生反應(yīng)，生成固態(tài)微粒再沉積在襯底表面，形成薄膜中的雜質(zhì)顆粒，破壞了膜的完整性。雜質(zhì)顆粒，破壞了膜的完整性。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(2) 光光CVD 是利用光能使氣體分解，增加反應(yīng)氣體的化學(xué)活性，促是利用光能使氣體分解，增加反應(yīng)氣體的化學(xué)活性，促進氣體之間化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。進氣體之間化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。(3) 電子回旋共振（電子回旋共振（ECR）等離子體沉積）等離

30、子體沉積 在反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)入微波能和磁場，使得電子的回旋運動和在反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)入微波能和磁場，使得電子的回旋運動和微波發(fā)生共振現(xiàn)象。電子和氣體碰撞，促進放電，從而可以微波發(fā)生共振現(xiàn)象。電子和氣體碰撞，促進放電，從而可以在較高的真空度和較低的溫度下發(fā)生反應(yīng)，獲得高質(zhì)量的薄在較高的真空度和較低的溫度下發(fā)生反應(yīng)，獲得高質(zhì)量的薄膜。膜。 可在半導(dǎo)體基板上淀積導(dǎo)電薄膜，絕緣介質(zhì)薄膜，鈷鎳可在半導(dǎo)體基板上淀積導(dǎo)電薄膜，絕緣介質(zhì)薄膜，鈷鎳合金薄膜以及氧化物高合金薄膜以及氧化物高Tc超導(dǎo)薄膜。超導(dǎo)薄膜。5.2 5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積“物理氣相沉積物理氣相沉積” 通常指滿足下面三個步驟的一類通常指滿足下面三個

31、步驟的一類薄膜生長技術(shù)薄膜生長技術(shù):1.所生長的材料以物理的方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體所生長的材料以物理的方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體2.生長材料的蒸汽經(jīng)過一個低壓區(qū)域到達襯底生長材料的蒸汽經(jīng)過一個低壓區(qū)域到達襯底3.蒸汽在襯底表面上凝結(jié)，形成薄膜蒸汽在襯底表面上凝結(jié)，形成薄膜5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積成膜機理成膜機理? ?真空蒸發(fā)所得到的薄膜，一般都是多晶膜或無定真空蒸發(fā)所得到的薄膜，一般都是多晶膜或無定形膜，經(jīng)歷成核和成膜兩個過程。蒸發(fā)的原子（或分子）碰撞形膜，經(jīng)歷成核和成膜兩個過程。蒸發(fā)的原子（或分子）碰撞到基片時，或是永久附著在基片上，或是吸附后再蒸發(fā)而離開到基片時，或是永久附著在基片

32、上，或是吸附后再蒸發(fā)而離開基片，其中有一部分直接從基片表面反射回去。粘附在基片表基片，其中有一部分直接從基片表面反射回去。粘附在基片表面的原子（或分子）由于熱運動可沿表面移動，如碰上其它原面的原子（或分子）由于熱運動可沿表面移動，如碰上其它原子便積聚成團。這種團最易于發(fā)生在基片表面應(yīng)力高的地方，子便積聚成團。這種團最易于發(fā)生在基片表面應(yīng)力高的地方，或在晶體襯底的解理階梯上，因為這使吸附原子的自由能最小。或在晶體襯底的解理階梯上，因為這使吸附原子的自由能最小。這就是成核過程。進一步的原子（分子）淀積使上述島狀的團這就是成核過程。進一步的原子（分子）淀積使上述島狀的團（晶核）不斷擴大，直至展延成連

33、續(xù)的薄膜。（晶核）不斷擴大，直至展延成連續(xù)的薄膜。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積Natural World “Atomic-World”Target/evaporated sourceSubstrate surfaceAtomic rainClustersParticlesDischargeImpurity, ContaminationVacuumCloudEarth surface - groundNatural rainSnowHailThunder stormDust, PollutionEnvironmental protectionCloudtargetsubstrate原

34、子層的晶體生長原子層的晶體生長“世界世界”與自然世界的比擬與自然世界的比擬SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子團簇原子團簇島島薄膜薄膜熱運動熱運動5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積其它生長模式其它生長模式Frank-van der Merve ModeLayer by Layer ( 2D )襯底襯底襯底襯底襯底襯底Stranski-Krastanov ModeLayer Plus Island Growth( 2D-3D )Volmer-Weber ModeIsland Growth ( 3D )5.3 5.3 物理氣相沉積物理

35、氣相沉積PVDPVD所需實驗條件所需實驗條件 高真空 (HV) 高純材料 清潔和光滑的襯底表面 提供能量的電源5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積PVDPVD的通用實驗配置的通用實驗配置靶材靶材襯底襯底真空室真空室真空泵真空泵厚度監(jiān)控儀厚度監(jiān)控儀充氣管道充氣管道反應(yīng)氣體管道反應(yīng)氣體管道Plume5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積一、蒸發(fā)鍍膜一、蒸發(fā)鍍膜基本思想：將材料置于某種容器內(nèi),升高溫度，熔解并蒸發(fā)材料5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積1 1、電阻式熱蒸發(fā)、電阻式熱蒸發(fā)將用高熔點金屬將用高熔點金屬(W, Mo, Ta, Nb)制成的加熱絲或舟通上直制成的加熱絲或舟通上直流電

36、，利用歐姆熱加熱材料流電，利用歐姆熱加熱材料加熱電阻絲、舟或坩堝加熱電阻絲、舟或坩堝5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積常用蒸發(fā)源常用蒸發(fā)源加熱絲加熱絲加熱舟加熱舟坩堝坩堝盒狀源（盒狀源（Knudsen Cell）5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積將用絕緣材料將用絕緣材料(quartz, graphite, alumina, beryllia, zirconia)制成的坩堝通上射頻交流電，利用電磁感應(yīng)加熱材料制成的坩堝通上射頻交流電，利用電磁感應(yīng)加熱材料2 2、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)特點：加熱均勻特點：加熱均勻5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積3 3、電子束蒸發(fā)、電

37、子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)方法電子束蒸發(fā)方法: :電子束加熱原理電子束加熱原理: :5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積電子束蒸發(fā)裝置組成電子束蒸發(fā)裝置組成: : 被蒸發(fā)的材料是放在水冷的坩堝中被蒸發(fā)的材料是放在水冷的坩堝中, ,因而可以避免容因而可以避免容器材料的蒸發(fā)器材料的蒸發(fā), ,不與坩堝材料交叉污染，清潔。不與坩堝材料交叉污染，清潔。 只有小塊區(qū)域被電子束轟擊只有小塊區(qū)域被電子束轟擊 - - 坩堝內(nèi)部形成一個虛坩堝內(nèi)部形成一個虛的的“坩堝坩堝” ” - “skulling”- “skulling” 可以制備難熔金屬薄膜可以制備難熔金屬薄膜, ,如如W,Mo,GeW,Mo,Ge等和氧化物薄膜

38、等和氧化物薄膜, ,如如SiOSiO2 2,Al,Al2 2OO3 3等等. .特別是制備高純度薄膜特別是制備高純度薄膜. . 可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā)可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā) 可以比較精確地控制蒸發(fā)速率；可以比較精確地控制蒸發(fā)速率； 電離率比較低電離率比較低電子束蒸發(fā)的特點電子束蒸發(fā)的特點5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積E-GunCrucibleSubstrate fixture5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積常用蒸發(fā)材料形態(tài)常用蒸發(fā)材料形態(tài)5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積4 4、脈沖激光沉積、脈沖激光沉積 用高能聚焦激光束轟擊靶材5.3 5.3 物理氣相沉積物理

39、氣相沉積蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周圍的局部區(qū)域蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周圍的局部區(qū)域, , 蒸氣的成分與靶材料基本相同，蒸氣的成分與靶材料基本相同，沒有偏析現(xiàn)象沒有偏析現(xiàn)象蒸發(fā)量可以由脈沖的數(shù)量定量控制；有利于薄膜厚度控制；蒸發(fā)量可以由脈沖的數(shù)量定量控制；有利于薄膜厚度控制；光束滲透深度小光束滲透深度小 100 A, 100 A, 蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面由于激光能量密度的限制，薄膜均勻性比較差；由于激光能量密度的限制，薄膜均勻性比較差；不要求高真空，但激光器價格昂貴不要求高真空，但激光器價格昂貴脈沖激光蒸發(fā)的特點脈沖激光蒸發(fā)的特點5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積5.3 5.3 物理氣

40、相沉積物理氣相沉積5 5、多組分薄膜的蒸發(fā)方法、多組分薄膜的蒸發(fā)方法多源順序蒸發(fā)多源順序蒸發(fā),形成多層膜形成多層膜,再進行要退火再進行要退火5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積臺階和犁溝的陰影效應(yīng)臺階和犁溝的陰影效應(yīng):蒸發(fā)分子流受到工件形狀的影蒸發(fā)分子流受到工件形狀的影響導(dǎo)致陰影效應(yīng)；響導(dǎo)致陰影效應(yīng)；臺階的陰影效應(yīng)；臺階的陰影效應(yīng)；與臺階的高度和臺階與蒸發(fā)與臺階的高度和臺階與蒸發(fā)源的相對位置有關(guān)；源的相對位置有關(guān)；旋轉(zhuǎn)基片不能改善臺階的陰旋轉(zhuǎn)基片不能改善臺階的陰影效應(yīng)影效應(yīng)犁溝的自封閉；犁溝的自封閉；犁溝的自封閉與犁溝的深度犁溝的自封閉與犁溝的深度和寬度有關(guān)；和寬度有關(guān)；6 6、薄膜的均勻

41、性、薄膜的均勻性5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積蒸發(fā)源純度的影響：加熱器、坩堝、支撐材料等的污染；蒸發(fā)源純度的影響：加熱器、坩堝、支撐材料等的污染；殘余氣體的影響：殘留氣體在襯底上形成一單原子層所需時間殘余氣體的影響：殘留氣體在襯底上形成一單原子層所需時間7 7、薄膜的純度、薄膜的純度生長材料的分子生長材料的分子殘留氣體分子殘留氣體分子Substrate5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積提高薄膜純度的提高薄膜純度的方法：方法：降低殘余氣體分降低殘余氣體分壓壓,提高真空度；提高真空度；提高基片溫度提高基片溫度,提高沉積速率；提高沉積速率；二、濺射鍍膜二、濺射鍍膜濺射鍍膜是利用電場對

42、輝光放電過程中產(chǎn)生出來的帶電離子進行加濺射鍍膜是利用電場對輝光放電過程中產(chǎn)生出來的帶電離子進行加速，使其獲得一定的動能后，轟擊靶電極，將靶電極的原子濺射出速，使其獲得一定的動能后，轟擊靶電極，將靶電極的原子濺射出來，沉積到襯底形成薄膜的方法。來，沉積到襯底形成薄膜的方法。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積+Al靶靶Al膜膜濺射沉積薄膜原理濺射沉積薄膜原理陽陽陰陰避免金屬避免金屬原子氧化原子氧化真空真空Ar氣氣Ar+Al膜與硅片之間的結(jié)合膜與硅片之間的結(jié)合力比蒸發(fā)法要好力比蒸發(fā)法要好Al靶靶5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積濺射過程的物理模型濺射過程的物理模型5.3 5.3 物理氣相

43、沉積物理氣相沉積濺射靶材濺射靶材濺射特性參數(shù)濺射特性參數(shù)（1 1）濺射閾值：）濺射閾值：使靶材料原子發(fā)生濺射所需的最小入射離子使靶材料原子發(fā)生濺射所需的最小入射離子能量，低于該值不能發(fā)生濺射。大多數(shù)金屬該值為能量，低于該值不能發(fā)生濺射。大多數(shù)金屬該值為101020eV20eV。 （2 2）濺射率：）濺射率：正離子轟擊靶陰極時平均每個正離子能從靶材中打正離子轟擊靶陰極時平均每個正離子能從靶材中打擊出的粒子數(shù)，又稱擊出的粒子數(shù)，又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)，濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)，S S。 S = Ns / NiN Ni i- -入射到靶表面的粒子數(shù)入射到靶表面的粒子數(shù)N Ns s- -從靶表面濺射出來的粒

44、子數(shù)從靶表面濺射出來的粒子數(shù)5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積影響因素影響因素 入射離子能量入射離子能量5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積 靶材種類靶材種類 入射離子種類入射離子種類濺射率與靶材元素在周期表中的位置有關(guān)。濺射率與靶材元素在周期表中的位置有關(guān)。一般規(guī)律：一般規(guī)律：濺射率隨靶材元素的原子序數(shù)增大而增大濺射率隨靶材元素的原子序數(shù)增大而增大CuCu、AgAg、Au Au 較大較大C C、SiSi、TiTi、V V、TaTa、W W等等 較小較小 濺射率依賴于入射離子的能量，相對原子質(zhì)量越大，濺射率越濺射率依賴于入射離子的能量，相對原子質(zhì)量越大，濺射率越高。高。 濺射率隨原子

45、序數(shù)發(fā)生周期性變化，每一周期電子殼層填滿的濺射率隨原子序數(shù)發(fā)生周期性變化，每一周期電子殼層填滿的元素具有最大的濺射率。元素具有最大的濺射率。 惰性氣體的濺射率最高。惰性氣體的濺射率最高。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積 入射角入射角入射角入射角是入射離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角是入射離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角 濺射溫度濺射溫度 靶材靶材5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積（3 3）濺射出的粒子）濺射出的粒子 從靶材上被濺射下來的物質(zhì)微粒，主要參數(shù)有：粒子狀態(tài)、粒子從靶材上被濺射下來的物質(zhì)微粒，主要參數(shù)有：粒子狀態(tài)、粒子能量和速度。能量和速度。 濺射粒子

46、的狀態(tài)與入射離子的能量有關(guān)濺射粒子的狀態(tài)與入射離子的能量有關(guān) 濺射粒子的能量與靶材、入射離子的種類和能量以及濺射粒子濺射粒子的能量與靶材、入射離子的種類和能量以及濺射粒子的方向性有關(guān)，的方向性有關(guān)，其能量可比蒸發(fā)原子的能量大其能量可比蒸發(fā)原子的能量大1 12 2個數(shù)量級。個數(shù)量級。（4 4）濺射粒子的角分布）濺射粒子的角分布 濺射原子的角度分布符合濺射原子的角度分布符合KnudsenKnudsen的余弦定律。也與入射原子的余弦定律。也與入射原子的方向性、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。的方向性、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積設(shè)備簡單，操作方便，適合于濺射金屬薄膜設(shè)備簡單，操作方便，適

47、合于濺射金屬薄膜但直流濺射中靶材只接收正離子但直流濺射中靶材只接收正離子,如果靶材是絕緣材料如果靶材是絕緣材料,陰陰極表面聚集的大量正離子無法被電子中和使其電位不斷上極表面聚集的大量正離子無法被電子中和使其電位不斷上升升,陰陽兩極電勢減小陰陽兩極電勢減小,使濺射不能持續(xù)進行使濺射不能持續(xù)進行.1 1、直流濺射、直流濺射惰性氣體惰性氣體5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積與直流濺射相比與直流濺射相比, ,濺射電壓低濺射電壓低, ,可可以濺射絕緣靶材，制備介質(zhì)薄膜以濺射絕緣靶材，制備介質(zhì)薄膜射頻濺射原理射頻濺射原理:交變電場使得靶材交變電場使得靶材正半周接收電子正半周接收電子,負半周接收正離子

48、負半周接收正離子,相互中和相互中和,從而使陰陽兩極電位的大從而使陰陽兩極電位的大小保持穩(wěn)定小保持穩(wěn)定,使濺射能夠持續(xù)進行使濺射能夠持續(xù)進行.2 2、射頻濺射、射頻濺射惰性氣體惰性氣體5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積3 3、反應(yīng)濺射、反應(yīng)濺射活性氣體活性氣體+惰性氣體惰性氣體可以制備化合物薄膜可以制備化合物薄膜5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積4 4、磁控濺射、磁控濺射5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積 DC ( 導(dǎo)電材料 ) RF ( 絕緣介質(zhì)材料 ) 反應(yīng) (氧化物、氮化物) 或不反應(yīng) ( 金屬 )5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積附加磁場的優(yōu)點附加磁場的優(yōu)點 限制

49、濺射離子的軌道限制濺射離子的軌道 增加離子在氣體中停留的時間增加離子在氣體中停留的時間 增強等離子體和電離過程增強等離子體和電離過程 減少濺射原子從靶材到襯底路程中的碰減少濺射原子從靶材到襯底路程中的碰撞撞 高磁場附近的產(chǎn)值比較高高磁場附近的產(chǎn)值比較高5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積磁控濺射中的重要參數(shù)磁控濺射中的重要參數(shù) 濺射電流濺射電流 ( 生長速率生長速率 ) 壓強壓強 ( 濺射粒子的最高能量濺射粒子的最高能量 ) 靶材靶材-襯底之間的距離襯底之間的距離 (多孔性、質(zhì)地、晶體性）多孔性、質(zhì)地、晶體性） 反應(yīng)氣體混合比反應(yīng)氣體混合比 ( 化學(xué)配比化學(xué)配比 ) 襯底溫度襯底溫度 (

50、晶體性、密度和均勻性晶體性、密度和均勻性 ) 襯底偏壓襯底偏壓 ( 薄膜結(jié)構(gòu)和化學(xué)配比薄膜結(jié)構(gòu)和化學(xué)配比 )5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積5. 5. 離子束濺射離子束濺射 采用單獨的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子，原理見下圖。采用單獨的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子，原理見下圖。目前已有直徑目前已有直徑10cm10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。的寬束離子源用于濺射鍍膜。優(yōu)點優(yōu)點：轟擊離子的能轟擊離子的能量和束流密度獨立可量和束流密度獨立可控，基片不直接接觸控，基片不直接接觸等離子體，有利于控等離子體，有利于控制膜層質(zhì)量。制膜層質(zhì)量。缺點缺點：速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難：速度

51、太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積三、離子成膜三、離子成膜1. 1. 離子鍍及其原理離子鍍及其原理： 真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜技術(shù)。即利擊改性同時進行的鍍膜技術(shù)。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯底表面化，在電場作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（清洗襯底）

52、，一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積 真空度真空度 放電氣體種類與壓強放電氣體種類與壓強 蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大小蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大小 襯底負偏壓與離子電流襯底負偏壓與離子電流 襯底溫度襯底溫度 襯底與蒸發(fā)源的相對距離。襯底與蒸發(fā)源的相對距離。 主要影響因素：主要影響因素：5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積 真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的沉積粒子所帶的能量不同。上的沉積粒子所帶的能量不同。真空蒸鍍：熱蒸鍍原子約

53、真空蒸鍍：熱蒸鍍原子約0.2 eV濺射：濺射原子約濺射：濺射原子約1-50 eV離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV離子鍍的目的離子鍍的目的：提高膜層與基片之間的結(jié)合強度。離子轟擊可消：提高膜層與基片之間的結(jié)合強度。離子轟擊可消除污染、還能形成共混過渡層、實現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。除污染、還能形成共混過渡層、實現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。 例如，蒸鍍時在基片上加上負偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，例如，蒸鍍時在基片上加上負偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，數(shù)百數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離

54、子鍍。見下圖。能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見下圖。2 2 離子鍍的類型和特點離子鍍的類型和特點 離子鍍設(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過程，離子鍍設(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過程，離子鍍設(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的離子鍍設(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。陰極等部分組成。（1） 空心陰極離子鍍（空心陰極離子鍍（HCD）國內(nèi)外常見的設(shè)備類型如下國內(nèi)外常見的設(shè)備類型如下HCD法利用空心熱陰極的弧光放電產(chǎn)法利用空心熱陰極的弧光放電產(chǎn)生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽極）極

55、）鍍料是陽極鍍料是陽極弧光放電時，電子轟擊陽極鍍料，使其弧光放電時，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍?nèi)刍鴮崿F(xiàn)蒸鍍蒸鍍時基片上加負偏壓即可從等離子體蒸鍍時基片上加負偏壓即可從等離子體中吸引中吸引Ar離子向基片轟擊，實現(xiàn)離子離子向基片轟擊，實現(xiàn)離子鍍鍍5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積（2）多弧離子鍍）多弧離子鍍原原 理理：多弧離子鍍是采用多弧離子鍍是采用電弧放電弧放電電的方法，在固體的陰極靶材上的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，裝置無需熔池，直接蒸發(fā)金屬，裝置無需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃依靠原理如圖所示。電弧的引燃依靠引弧陽極與陰極

56、的觸發(fā)，引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放弧光放電電僅僅在靶材表面的一個或幾個僅僅在靶材表面的一個或幾個密集的密集的弧斑弧斑處進行。處進行。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積弧斑直徑小于弧斑直徑小于100um；弧斑電流密度；弧斑電流密度105-107A/cm2；溫度；溫度8000-40000K弧斑噴出的物質(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子?；“邍姵龅奈镔|(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子。特特 點點：直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡化。形狀在任意方向布置，使夾具大為簡化。（3）離子

57、束輔助沉積）離子束輔助沉積低能的離子束低能的離子束1 1用于轟擊靶材，使用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉積在基底上；靶材原子濺射并沉積在基底上；離子束離子束2 2起轟擊（注入）作用，同起轟擊（注入）作用，同時，可在室溫或近似室溫下合成時，可在室溫或近似室溫下合成具有良好性能的具有良好性能的 合金、化合物、合金、化合物、特種膜層，以滿足對材料表面改特種膜層，以滿足對材料表面改性的需要。性的需要。5.3 5.3 物理氣相沉積物理氣相沉積5.4 5.4 外延膜沉積技術(shù)外延膜沉積技術(shù) 外延是指外延是指沉積膜沉積膜與與基片基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時，在基片上時，在基片上取向取向或單晶生長

58、同一物質(zhì)的方法?；騿尉L同一物質(zhì)的方法。 當(dāng)外延膜在同一種材料上生長時，稱為當(dāng)外延膜在同一種材料上生長時，稱為同質(zhì)同質(zhì)外延外延，如果外延是在不同材料上生長則稱為，如果外延是在不同材料上生長則稱為異質(zhì)異質(zhì)外延外延。外延用于生長元素、半導(dǎo)體化合物和合金。外延用于生長元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶層。這一方法可以較好地控制膜的純度、薄結(jié)晶層。這一方法可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級別。膜的完整性以及摻雜級別。外延特點：外延特點：生成的晶體結(jié)構(gòu)良好；摻入的雜質(zhì)濃度易控制；可生成的晶體結(jié)構(gòu)良好；摻入的雜質(zhì)濃度易控制；可形成接近突變形成接近突變pnpn結(jié)的特點結(jié)的特點 5.4 5.4 外延膜

59、沉積技術(shù)外延膜沉積技術(shù)外延分類：外延分類： 按工藝分類按工藝分類A A 氣相外延（氣相外延（VPEVPE）：）：利用硅的氣態(tài)化合物或者液態(tài)化合物的蒸利用硅的氣態(tài)化合物或者液態(tài)化合物的蒸汽，在加熱的硅襯底表面和氫發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生分解還原出硅。汽，在加熱的硅襯底表面和氫發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生分解還原出硅。B B 液相外延（液相外延（LPELPE）：襯底在液相中，液相中析出的物質(zhì)并以單：襯底在液相中，液相中析出的物質(zhì)并以單晶形式淀積在襯底表面的過程。晶形式淀積在襯底表面的過程。此法廣泛應(yīng)用于此法廣泛應(yīng)用于III-VIII-V族化合半導(dǎo)體的生長。族化合半導(dǎo)體的生長。原因是化合物在高溫原因是化合物在高溫下

60、易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。下易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。C 固相外延（固相外延（SPE）D 分子束外延（分子束外延（MBE）：）：在超高真空條件下，利用薄膜組分在超高真空條件下，利用薄膜組分元素受熱蒸發(fā)所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射元素受熱蒸發(fā)所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。特點：生長時襯特點：生長時襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實現(xiàn)原子底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實現(xiàn)原子級的精確控制。級的精確控制。 5.4 5.4 外延膜沉積技術(shù)外延膜沉積技