工學(xué)物理方法薄膜沉積技術(shù)PPT課件

1、第六章：薄膜制備技術(shù) 物理沉積方法 Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition (PVD) 圖形的轉(zhuǎn)換方法 填充法 (Additive) 刻蝕法 (Etching or Subtractive) 填充法 刻蝕法 IC制造中的薄膜 集成電路芯片制造工藝中，在硅片上制作的器件結(jié)構(gòu)層絕大多數(shù) 都是采用薄膜沉積的方法完成的。 二種薄膜沉積工藝 化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition） 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 材料的沉積，如SiO2, poly-S

2、i, Si3N4 物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition） 利用物理機(jī)制制備所需的薄膜材料，常用于金屬薄膜的制備，如Al, Cu, W, Ti 薄膜制備技術(shù) 薄膜：在襯底上生長(zhǎng)的薄固體物質(zhì)，其一維尺寸（厚度）遠(yuǎn)小于另外二維的尺寸。 常用的薄膜包括: SiO2, Si3N4, poli-Si, Metal 常采用沉積方法制備： 物理氣相沉積 （Physical Vapor Deposition） 化學(xué)氣相沉積 （Chemical Vapor Deposition） 薄膜的生長(zhǎng) 沉積薄膜的三個(gè)階段： 晶核形成 聚集成束 形成連續(xù)膜 薄膜特性要求薄膜特性要求 為滿足微納加工

3、工藝和器件要求，通常情況下關(guān)注薄膜 的如下幾個(gè)特性： 1、臺(tái)階覆蓋能力 2、低的膜應(yīng)力 3、高的深寬比間隙填充能力 4、大面積薄膜厚度均勻性 5、大面積薄膜介電電學(xué)折射率特性 6、高純度和高密度 7、與襯底或下層膜有好的粘附能力 臺(tái)階覆蓋能力（Step Coverage） 我們希望薄膜在不平整襯底表面的厚度具有一致性 厚度不一致容易導(dǎo)致膜應(yīng)力、電短路等問(wèn)題。 非共型臺(tái)階覆蓋 共型臺(tái)階覆蓋 非共型臺(tái)階覆蓋出現(xiàn)的原因：非共型臺(tái)階覆蓋出現(xiàn)的原因： 高的深寬比間隙填充能力 （Gap Fill） 深寬比：孔的深度H與寬度W的比值 在亞0.25mm工藝中，填充硅片表面很小的間隙和孔的能力是重 要的薄膜特性

4、。 防止出現(xiàn)空洞，減少出現(xiàn)缺陷和可靠性問(wèn)題。 W H 薄膜應(yīng)力（Stress） 應(yīng)力的來(lái)源： 薄膜的成核和生長(zhǎng)過(guò)程中的產(chǎn)生本征應(yīng)力 薄膜與襯底的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致外應(yīng)力 應(yīng)力分類： 壓應(yīng)力張應(yīng)力 熱應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)a TLLa 2 2 31R T v E t 楊氏模量硅片厚度，硅片半徑， 泊松比膜厚度，硅片中心彎曲量， ETR tv 應(yīng)力的表征 通常用圓片在沉積前后的彎曲變化量來(lái)測(cè)量。 測(cè)量方法：采用激光束掃描圓片，通過(guò) 反射光線的變化來(lái)表征曲率的變化 因應(yīng)力造成的薄膜表面龜裂 物理沉積物理沉積PVD （Physical Vapor Deposition） 采用蒸發(fā)或?yàn)R射等手段使固體材料變成

5、蒸汽，并在硅片表面凝聚并沉積下來(lái)。 沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)，純粹是物理過(guò)程 制備金屬薄膜的最主要方式。 物理沉積方法物理沉積方法 Thermal Evaporation (熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)) E-beam Evaporation (電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)) Sputtering (濺射濺射) Filter Vacuum Arc (真空弧等離子體真空弧等離子體) Thermal Oxidation (熱氧化) Screen Printing (絲網(wǎng)印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (電鍍) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延) 高真空 環(huán)境 10

6、-3 Pa 熱蒸發(fā)技術(shù) (Thermal Evaporation Technique) 蒸發(fā)工藝是最早出現(xiàn)的金屬沉積工藝 鎢W(Tm=3380) 鉭Ta(Tm=2980) 鉬Mo(Tm=2630) 擋板 蒸發(fā)源 晶振 電子束蒸發(fā) (E-beam Evaporation Technique) when V= 10 kV Electron Velocity = 6104 km/s Temperature 5000-6000 E-beam Evaporation Machine 熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā) 技術(shù)的比較 Deposition rate: 1025000 nm/min 熱蒸發(fā)電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)

7、 AdvantagesSimple equipment Highly directional Low contamination Less limited materials DisadvantagesContamination Limited materials Charge buildup for dielectrics Radiation (X-ray) Deposited Materials Al, Ag, Au, CrMetal and Dielectrics 蒸發(fā)工藝參數(shù) 蒸發(fā)要求的真空度：750eV時(shí)，濺射產(chǎn)額略微增加， 直至發(fā)生離子注入。 濺射產(chǎn)額與離子原子序數(shù)的變化關(guān)系 直流

8、/射頻型濺射（DC/RF diode） 直流/射頻型濺射（DC/RF diode） 磁控濺射 (Magnet Sputtering) 通過(guò)增加一個(gè)與電場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)，可使等離子體的電子螺旋式運(yùn)動(dòng)， 增加與氣體分子碰撞幾率而提高等離子體濃度 等離子體密度可由0.0001%增加至0.03%。 靶材表面的離子和電子運(yùn)動(dòng)軌跡 磁控濺射過(guò)程 蒸發(fā)法和濺射法的比較蒸發(fā)法和濺射法的比較 蒸鍍法蒸鍍法濺射法濺射法 靶材的選擇靶材的選擇受限制（金屬靶材）受限制（金屬靶材）幾乎不受限（難溶金屬，合金，幾乎不受限（難溶金屬，合金， 復(fù)合材料）復(fù)合材料） 基材加熱基材加熱低低除磁控法外，需高溫除磁控法外，需高溫 表

9、面損害表面損害低，電子束會(huì)產(chǎn)生低，電子束會(huì)產(chǎn)生X-ray損害損害離子轟擊的損害離子轟擊的損害 合金沉積合金沉積可可可可 均勻度均勻度難難易易 厚度控制厚度控制不易控制不易控制易控制易控制 臺(tái)階覆蓋性能臺(tái)階覆蓋性能差差較好較好 附著性附著性不佳不佳佳佳 缺陷缺陷多多少少 濺射法具有強(qiáng)的間隙填充能力 濺射法形成的臺(tái)階形貌優(yōu)于蒸發(fā)法，但不如CVD法 改善措施： 襯底加熱； 硅片襯底加RF偏壓， 圓片被高能電子轟擊， 使濺射材料再沉積； 強(qiáng)迫填充濺射； 準(zhǔn)直濺射； 在高深寬比的接觸孔處，典型的臺(tái)階 覆蓋隨時(shí)間增加而變化的截面圖 強(qiáng)迫填充濺射 施加幾個(gè)大氣壓的高壓使金屬自動(dòng)坍塌 準(zhǔn)直濺射 控制粒子沉積的

10、方向，更好的填充高深寬比的孔，但是減低了沉積 速率。 常用的濺射工藝流程 金屬薄膜：采用磁控直流濺射 介質(zhì)薄膜：采用RF濺射 濺射前預(yù)清洗工藝：采用RF等離子體，Ar+離子轟擊硅片表面，去除自然 氧化層 合金材料的濺射： 合金靶材：薄膜組分受控于氣相傳輸 多靶濺射：調(diào)節(jié)各靶功率來(lái)改變沉積層組分 TiN反應(yīng)離子濺射：在N氣氛下進(jìn)行Ti靶濺射，生成TiN。 真空弧等離子體鍍膜技術(shù) 真空弧等離子體鍍膜技術(shù) -單離子源 真空弧等離子體鍍膜技術(shù) -多離子源 多腔體沉積系統(tǒng) （Multi Chamber Deposition System） 薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度的測(cè)量 1、原位監(jiān)控：石英晶振儀 2、臺(tái)階

11、儀(Profiler) 3、光學(xué)干涉儀 4、光脈沖反射計(jì) 石英晶振 石英晶體是離子型晶體，具有壓電效應(yīng) 壓電諧振，在晶振上加交變電壓（或者電流不斷開(kāi)關(guān)），則晶片 就產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。 石英壓電諧振效應(yīng)的固有頻率的影響因素：芯片厚度，幾何尺寸， 切割類型。 石英晶振 n諧波數(shù)n=1，3，5， dQ石英晶體的厚度 c 切變彈性系數(shù) 石英晶體的密度(2.65103kg/m3) 2/1 )( 2 c d n f Q 質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)：在芯片上鍍上膜層，芯片厚度 增大，則芯片固有頻率減小。 石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過(guò)測(cè)量頻率或與頻 率有關(guān)的參量的變化而測(cè)量淀積薄膜的厚度 臺(tái)階儀(Stylus Profilome

12、ter) 探針直接在樣品表面掃描，記錄表面微觀輪廓信息 物理破壞式測(cè)量：接觸式，輕拍式 光學(xué)干涉儀 膜厚干涉 不同的膜厚對(duì)應(yīng)于不同的顏色 改變襯底的傾斜度，顏色也跟著改變（why） 光脈沖反射計(jì)（Spectroreflectometer ） 在不同波長(zhǎng)測(cè)量反射光強(qiáng)度 通過(guò)反射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定厚度 光學(xué)探測(cè)器精度高于人眼，測(cè)出的厚度精確程度高。 nt mm 2 111 1 改善大面積薄膜改善大面積薄膜 均勻性的基本方法均勻性的基本方法 1 1、高真空環(huán)境、高真空環(huán)境 2 2、潔凈的襯底表面、潔凈的襯底表面( (加熱加熱/ /離子表面清潔離子表面清潔) ) 3 3、旋轉(zhuǎn)樣品架、旋轉(zhuǎn)樣品架

13、 4 4、離子、離子/ /原子束均勻性提高原子束均勻性提高 Dry Oxidation Si (S) + O2 (V) SiO2 (S) Wet Oxidation Si (S) + H2 O (V) SiO2 (S) + H2 (V) 熱氧化技術(shù) -濕氧氧化和干氧氧化 熱氧化技術(shù) 熱氧化爐 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密、均勻性和重復(fù)性好、與光刻膠黏附好且應(yīng)力小。 缺點(diǎn)：生長(zhǎng)溫度高（7501200）、生長(zhǎng)速度慢。 熱氧化SiO2的優(yōu)缺點(diǎn) 熱氧化技術(shù)在微納技術(shù)中的應(yīng)用 -氧化銳化 熱氧化技術(shù)在微納技術(shù)中的應(yīng)用 -硅納米 材料的制作 熱氧化技術(shù)在微納技術(shù)中的應(yīng)用 -硅納米 材料的制作 絲網(wǎng)印刷技術(shù) 絲網(wǎng)印刷技術(shù) 絲網(wǎng)印刷技術(shù)在光電薄膜制作中的應(yīng)用 -顯示器件 電鍍技術(shù) 圖形的轉(zhuǎn)換方法 填充法 (Additive) 刻蝕法 (Etching or Subtractive) 填充法 刻蝕法 薄膜的生長(zhǎng) 沉積薄膜的三個(gè)階段： 晶核形成 聚集成束 形成連續(xù)膜 蒸發(fā)工藝參數(shù) 蒸發(fā)要求的真空度：10-5 Torr 蒸發(fā)沉積速率取決于 離開(kāi)蒸汽源的材料量 達(dá)到硅片