PVD-物理汽相淀積

1、v 5.1 PVD5.1 PVD概述概述v 5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍 v 5.3 5.3 濺射濺射15.1 PVD5.1 PVD概述概述u PVD（Physical Vapor Deposition) 定義：定義：l利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或者濺射現(xiàn)象實(shí)利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或者濺射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底表面上，并淀積成薄膜。表面上，并淀積成薄膜。u PVD基本方法基本方法l蒸發(fā)（蒸發(fā)（-族化合物半導(dǎo)體）族化合物半導(dǎo)體）l濺射濺射5.1 PVD5.1 PVD概述概述u 蒸發(fā)（蒸發(fā)（evaporation）l在在真空真

2、空系統(tǒng)中系統(tǒng)中加熱蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)源，使原子獲得足夠的，使原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。子，淀積在晶片上。u 濺射（濺射（sputtering）l真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場加速，轟擊靶形成的離子被強(qiáng)電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上。材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上。5.1 PVD5.1 PVD概述概述u 蒸發(fā)：蒸發(fā)：l 蒸發(fā)優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)優(yōu)點(diǎn)：較高的淀積速率；較高的淀積速率；薄膜純度高，厚度控制精確；薄膜純度高

3、，厚度控制精確；生長機(jī)理簡單；生長機(jī)理簡單；l 蒸發(fā)缺點(diǎn)：蒸發(fā)缺點(diǎn)：臺階覆蓋能力差；臺階覆蓋能力差；工藝重復(fù)性不好；工藝重復(fù)性不好；淀積多元化合金薄膜時組分難以控制淀積多元化合金薄膜時組分難以控制5.1 PVD5.1 PVD概述概述u 濺射：濺射：l濺射優(yōu)點(diǎn)：濺射優(yōu)點(diǎn)：淀積薄膜與襯底附著性好淀積薄膜與襯底附著性好淀積多元化合金薄膜時組分容易控制淀積多元化合金薄膜時組分容易控制較高的薄膜濺射質(zhì)量較高的薄膜濺射質(zhì)量5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍真空狀態(tài)真空狀態(tài)真空真空蒸發(fā)：在真蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料空中，把蒸發(fā)料(金屬金屬)加熱，使其加熱，使其原子或分子獲得原子或分子獲得足夠的能量，克足夠的能

4、量，克服表面的束縛而服表面的束縛而蒸發(fā)到真空中成蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣分為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途子或原子飛行途中遇到基片，就中遇到基片，就淀積在基片上，淀積在基片上，形成薄膜。形成薄膜。 5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍u 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境；為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境；u 蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫裝置等；放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫裝置等；u 基板及加熱系統(tǒng)基板及加熱系統(tǒng)放置硅片，對襯底加熱裝置和測溫裝置等；放置硅片，對襯底加熱裝置和測溫裝置等；5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍u 蒸發(fā)過程：蒸發(fā)過程：對蒸氣源進(jìn)行加熱，使其溫度接近或達(dá)到對蒸

5、氣源進(jìn)行加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，則固態(tài)源表面的原子容易逸出，轉(zhuǎn)變蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，則固態(tài)源表面的原子容易逸出，轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵猓粸檎魵?；u 氣相輸運(yùn)過程：氣相輸運(yùn)過程：源蒸氣從源到襯底表面之間的質(zhì)量輸源蒸氣從源到襯底表面之間的質(zhì)量輸運(yùn)過程。蒸氣原子在飛行過程中可能與真空室內(nèi)的殘余運(yùn)過程。蒸氣原子在飛行過程中可能與真空室內(nèi)的殘余氣體分子發(fā)生碰撞，兩次碰撞之間飛行的平均距離為平氣體分子發(fā)生碰撞，兩次碰撞之間飛行的平均距離為平均自由程；均自由程；u 成膜過程：成膜過程：到達(dá)襯底的蒸發(fā)原子在襯底表面先成核再到達(dá)襯底的蒸發(fā)原子在襯底表面先成核再成膜的過程。成膜的過程。5.2 5.2 真空蒸鍍真空

6、蒸鍍u汽化熱：汽化熱：將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服固相的原子其原子或分子獲得足夠的能量，克服固相的原子束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動能的氣束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動能的氣相原子或分子，該能量為汽化熱相原子或分子，該能量為汽化熱H，常用金屬，常用金屬的的H為為4eV；u蒸汽壓：蒸汽壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時所表現(xiàn)出來的壓力為飽和汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時所表現(xiàn)出來的壓力為飽和蒸汽壓蒸汽壓；TBAPvlog03 . 2 RHBvP 為蒸汽壓，為蒸汽壓，

7、A為積分常數(shù)，為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)為阿夫加德羅常數(shù)5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍合金靶中各組分材合金靶中各組分材料的蒸汽壓接近料的蒸汽壓接近不同溫度多源不同溫度多源順序蒸發(fā)順序蒸發(fā)最后高溫退火最后高溫退火不同溫度多源不同溫度多源同時蒸發(fā)同時蒸發(fā)5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍u 需要真空環(huán)境的原因：需要真空環(huán)境的原因：l 被蒸發(fā)的原子或分子在真空中的輸運(yùn)應(yīng)該是直線運(yùn)動，以被蒸發(fā)的原子或分子在真空中的輸運(yùn)應(yīng)該是直線運(yùn)動，以保證被蒸發(fā)的原子或分子有效的淀積在襯底上；保證被蒸發(fā)的原子或分子有效的淀積在襯底上；l 真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會使金屬原子或分真空度太低，殘余氣體中的

8、氧和水汽，會使金屬原子或分子在輸運(yùn)過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發(fā)子在輸運(yùn)過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發(fā)生氧化；生氧化；l 系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底上，從而嚴(yán)重的影響了淀積薄膜的質(zhì)量。上，從而嚴(yán)重的影響了淀積薄膜的質(zhì)量。5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍prkT22 反比于氣體壓強(qiáng)反比于氣體壓強(qiáng)r為氣體分子的半徑為氣體分子的半徑平均自由程平均自由程在一定的條件下，一個氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之在一定的條件下，一個氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之間可能通過的各段自由程的平均值，微粒的平均自由間可能通過的各段自由

9、程的平均值，微粒的平均自由程是指微粒與其他微粒碰撞所通過的平均距離。用符程是指微粒與其他微粒碰撞所通過的平均距離。用符號號表示，單位為米。表示，單位為米。5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍-蒸發(fā)源蒸發(fā)源u 電阻加熱源電阻加熱源l 原理：電阻加熱源是利用電流通過加熱源時所產(chǎn)生的焦耳原理：電阻加熱源是利用電流通過加熱源時所產(chǎn)生的焦耳熱來加熱蒸發(fā)材料。熱來加熱蒸發(fā)材料。l 加熱體：鎢、鉬、鉭和石墨等。加熱體：鎢、鉬、鉭和石墨等。l 對加熱體的要求：對加熱體的要求：不產(chǎn)生污染；不產(chǎn)生污染；熔點(diǎn)高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度；熔點(diǎn)高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度；飽和蒸汽壓低：低于蒸發(fā)源；飽和蒸汽壓低：低于蒸發(fā)源；化學(xué)

10、性能穩(wěn)定：不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不形成合金化學(xué)性能穩(wěn)定：不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不形成合金l 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，蒸發(fā)速率快；優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，蒸發(fā)速率快；l 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；5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍-蒸發(fā)源蒸發(fā)源u 電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源l 原理原理：基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極：基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化；的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化；l 特點(diǎn)：特點(diǎn)：淀積高熔點(diǎn)高純度薄膜；淀積高熔點(diǎn)高純度薄膜；l 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 蒸發(fā)溫度高（能量密度高于電阻源）；蒸發(fā)溫度高（能量密度高于電阻源）； 高純度淀

11、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；5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍-蒸發(fā)源蒸發(fā)源u 激光加熱源激光加熱源l 原理原理：利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)：利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱，稱為激光束加熱蒸發(fā)法。材料進(jìn)行加熱，稱為激光束加熱蒸發(fā)法。l 特點(diǎn)：特點(diǎn)：加熱溫度高，可避免坩堝過的污染，材料蒸發(fā)速加熱溫度高，可避免坩堝過的污染，材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程易控制。率高，蒸發(fā)過程易控制。l 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：功率密度高（高熔點(diǎn)材料）；：功率密度高（高熔點(diǎn)材料）； 高

12、純度薄膜的淀積（激光束光斑小）；高純度薄膜的淀積（激光束光斑小）； 可淀積不同熔點(diǎn)的化合物薄膜（高熔點(diǎn)材料）；可淀積不同熔點(diǎn)的化合物薄膜（高熔點(diǎn)材料）； 真空室內(nèi)裝備簡單，可獲得高真空度；真空室內(nèi)裝備簡單，可獲得高真空度；l 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：價格昂貴，影響了廣泛使用；：價格昂貴，影響了廣泛使用；5.2 5.2 真空蒸鍍真空蒸鍍-蒸發(fā)源蒸發(fā)源u 高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源l 定義定義：通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩鍋進(jìn)行加熱。：通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩鍋進(jìn)行加熱。l 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象； 蒸發(fā)速率大；蒸發(fā)速率

13、大； 溫度控制精度高，操作比較簡單；溫度控制精度高，操作比較簡單；l 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：價格昂貴；價格昂貴； 電磁干擾；電磁干擾；5.3 5.3 濺射濺射u 濺射（濺射（sputtering）l 濺射淀積：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，具有能量的離子轟擊濺射淀積：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，具有能量的離子轟擊靶材，靶材原子獲得能量從靶表面逸出靶材，靶材原子獲得能量從靶表面逸出-被濺射出，濺射原子被濺射出，濺射原子淀積在表面。淀積在表面。l 特點(diǎn)：被濺射出的原子動能很大（特點(diǎn)：被濺射出的原子動能很大（1050eV）（蒸發(fā)只有）（蒸發(fā)只有0.10.2eV）l 優(yōu)點(diǎn)：臺階覆蓋好（遷移能力強(qiáng)），附著力得到改善。優(yōu)

14、點(diǎn)：臺階覆蓋好（遷移能力強(qiáng)），附著力得到改善。5.3 5.3 濺射濺射模型：模型：一個圓柱形玻璃管內(nèi)的兩端裝上兩個平板一個圓柱形玻璃管內(nèi)的兩端裝上兩個平板電極，里面充以氣壓約為幾電極，里面充以氣壓約為幾Pa到幾十到幾十Pa的氣體，的氣體，在電極上加上直流電壓。在電極上加上直流電壓。5.3 5.3 濺射濺射 5.3 5.3 濺射濺射（1 1）無光放電區(qū)）無光放電區(qū)-ab-ab段，導(dǎo)電而不發(fā)光。段，導(dǎo)電而不發(fā)光。電離產(chǎn)生的離子和電子在外電場作用下定向運(yùn)動，運(yùn)動速度隨電壓電離產(chǎn)生的離子和電子在外電場作用下定向運(yùn)動，運(yùn)動速度隨電壓 增加而加快。直至達(dá)到飽和值，即電流從增加而加快。直至達(dá)到飽和值，即電流

15、從0 0逐漸增加至達(dá)到某一極大逐漸增加至達(dá)到某一極大值，電壓再增加，電流并不增加。因為電離量很少且恒定，電壓再增值，電壓再增加，電流并不增加。因為電離量很少且恒定，電壓再增加，到達(dá)電極的電子和離子數(shù)目不變。加，到達(dá)電極的電子和離子數(shù)目不變。（2 2）湯生放電區(qū)）湯生放電區(qū)-bc-bc段，離子和電子數(shù)目雪崩式的增加，放電電流迅段，離子和電子數(shù)目雪崩式的增加，放電電流迅速增大。電壓是常數(shù)（受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限制）速增大。電壓是常數(shù)（受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限制）（3 3）輝光放電）輝光放電- -氣體突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，電流顯著增加，放電電氣體突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，電流顯著增加，

16、放電電壓顯著減少。壓顯著減少。c c點(diǎn)點(diǎn)- -放電的著火點(diǎn)。處于陰極的邊緣和不規(guī)則處。放電的著火點(diǎn)。處于陰極的邊緣和不規(guī)則處。cdcd段段- -前期的輝光放電。電流增加，電壓減小（負(fù)阻現(xiàn)象）。因為氣前期的輝光放電。電流增加，電壓減小（負(fù)阻現(xiàn)象）。因為氣體已經(jīng)被擊穿，氣體內(nèi)阻隨電離度的增加顯著減小。體已經(jīng)被擊穿，氣體內(nèi)阻隨電離度的增加顯著減小。5.3 5.3 濺射濺射dede段段- -正常的輝光放電。電壓已定，電流的增加與電壓無關(guān)，只與陰正常的輝光放電。電壓已定，電流的增加與電壓無關(guān)，只與陰極上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。有效放電面積隨電流的增加而增加。極上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。有效放電面積隨電流的增

17、加而增加。陰極有效放電區(qū)內(nèi)的電流密度保持恒定。陰極有效放電區(qū)內(nèi)的電流密度保持恒定。（4 4）反常輝光放電）反常輝光放電-ef-ef段。放電電壓和電流密度同時增大。（濺射段。放電電壓和電流密度同時增大。（濺射區(qū)域）區(qū)域）特點(diǎn)：電流增大時，兩個放電極板之間電壓升高，且陰極電壓降的特點(diǎn)：電流增大時，兩個放電極板之間電壓升高，且陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。（5 5）電弧放電）電弧放電-fg-fg段。電流繼續(xù)增加，放電電壓再次突然大幅度減段。電流繼續(xù)增加，放電電壓再次突然大幅度減少，電流急劇增加。少，電流急劇增加。5.3 5.3 濺射濺射u 濺射濺射l 濺射的

18、過程是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上的，即射向固體表濺射的過程是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上的，即射向固體表面的離子來源于氣體放電，因正常輝光放電時的電流密度面的離子來源于氣體放電，因正常輝光放電時的電流密度比較小，濺射選在反常輝光放電區(qū)。比較小，濺射選在反常輝光放電區(qū)。u 等離子體等離子體l 放電擊穿之后的氣體具有一定的導(dǎo)電性，這種氣體為等離放電擊穿之后的氣體具有一定的導(dǎo)電性，這種氣體為等離子體。等離子體是一種由正離子、電子、光子以及原子、子體。等離子體是一種由正離子、電子、光子以及原子、原子團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。原子團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。5.3 5.3 濺射濺射u 濺

19、射閾值：濺射閾值：l 對于每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就對于每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。u 濺射率濺射率l 正離子轟擊作為陰極的靶材時，平均每個正離子能從靶正離子轟擊作為陰極的靶材時，平均每個正離子能從靶上打出的原子數(shù)目；用上打出的原子數(shù)目；用S表示。表示。5.3 5.3 濺射濺射u 濺射率濺射率l 與入射離子能量的關(guān)系與入射離子能量的關(guān)系 只有當(dāng)入射離子能量超過一定能量時，才能發(fā)生濺射；只有當(dāng)入射離子能量超過一定能量時，才能發(fā)生濺射； 隨入射離子能量增加，濺射率先增加后平緩最后降低，隨入射離子能量增加，濺射率先增加后平緩最后降

20、低，發(fā)生離子注入；發(fā)生離子注入；l 與入射離子種類的關(guān)系與入射離子種類的關(guān)系 入射離子原子量越大，濺射率越高入射離子原子量越大，濺射率越高 凡電子殼層填滿的元素作為入射離子，則濺射率最大。（惰凡電子殼層填滿的元素作為入射離子，則濺射率最大。（惰性氣體被選為入射離子。）性氣體被選為入射離子。）5.3 5.3 濺射濺射u 濺射率濺射率l 與被濺射物質(zhì)的種類有關(guān)與被濺射物質(zhì)的種類有關(guān) 一般來說隨靶元素原子序數(shù)增加而增大；一般來說隨靶元素原子序數(shù)增加而增大；l 與入射離子入射角的關(guān)系與入射離子入射角的關(guān)系 隨入射角的增加，濺射率以隨入射角的增加，濺射率以1/cos規(guī)律增加。規(guī)律增加。 當(dāng)入射角接近當(dāng)入

21、射角接近80o時，濺射率迅速下降。時，濺射率迅速下降。5.3 5.3 濺射濺射l 直流濺射：淀積金屬薄膜；直流濺射：淀積金屬薄膜；l 射頻濺射：適用于淀積各種金屬和非金屬薄膜；射頻濺射：適用于淀積各種金屬和非金屬薄膜；5.3 5.3 濺射濺射- -濺射方法濺射方法u 一般濺射淀積一般濺射淀積l 低壓下原子電離成為離子的幾率很低，影響淀積速率。低壓下原子電離成為離子的幾率很低，影響淀積速率。l 高壓下，濺射出的靶材原子在飛向襯底的過程中將受到過高壓下，濺射出的靶材原子在飛向襯底的過程中將受到過多的散射，影響淀積速率；同時，氣體對薄膜產(chǎn)生污染。多的散射，影響淀積速率；同時，氣體對薄膜產(chǎn)生污染。u

22、磁控淀積磁控淀積l 磁控濺射為淀積速率比一般方法高一個數(shù)量級；工作氣壓磁控濺射為淀積速率比一般方法高一個數(shù)量級；工作氣壓低，薄膜質(zhì)量好。低，薄膜質(zhì)量好。l V與與B垂直，電子沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前垂直，電子沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進(jìn)，有效提高了電子與氣體分子的碰撞幾率，因而使工作進(jìn)，有效提高了電子與氣體分子的碰撞幾率，因而使工作電壓降低。電壓降低。5.3 5.3 濺射濺射5.3 5.3 濺射濺射u 反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射l 利用化合物直接作為靶材；利用化合物直接作為靶材；l 特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)多組分的薄膜淀積；特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)多組分的薄膜淀積；l 避免化合物在濺射過程中發(fā)生分解：避免化合物在濺射過程中發(fā)生分解：（1）調(diào)整濺射室內(nèi)的氣體組成和壓力，限制化合物分解過程的）調(diào)整濺射室內(nèi)的氣體組成和壓力，限制化合物分解過程的發(fā)生。發(fā)生。（2）純金屬作為靶材，在工作氣體中混入適量的活性氣體（氧）純金屬作為靶材，在工作氣體中混入適量的活性氣體（氧氣等），在濺射淀積同時生成特定化合物，一步完成從濺射氣等），在濺射淀積同時生成特定化合物，一步完成從濺射、反應(yīng)到多組分薄膜淀積的多個步驟。、反應(yīng)到多組分薄膜淀積的多個步驟。u 偏壓濺射偏壓濺射l 在襯底與靶材之間加偏壓，以改變?nèi)肷涞揭r底表面的在襯底與靶材之間