微電子工藝原理-第6講薄膜工藝物理氣相淀積ppt課件

1、 在集成電路制造工藝中，常常需要在硅片的表面淀積各種在集成電路制造工藝中，常常需要在硅片的表面淀積各種固體薄膜。薄膜厚度一般在納米到微米的數(shù)量級(jí)，薄膜材料可固體薄膜。薄膜厚度一般在納米到微米的數(shù)量級(jí)，薄膜材料可以是金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。以是金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。 淀淀積積薄膜的主要方法薄膜的主要方法 熱氧熱氧化干法化干法氧氧化、化、濕濕法法氧氧化、加化、加氯氧氯氧化等）化等） 物理淀物理淀積積真真空蒸空蒸發(fā)鍍發(fā)鍍膜、膜、濺濺射射鍍鍍膜、分子束外延等）膜、分子束外延等） 化化學(xué)學(xué)汽相淀汽相淀積積CVDCVD）（常）（常壓壓 CVD CVD、低、低壓壓 CVD CVD、等離子、等離子增強(qiáng)增強(qiáng) CV

2、D CVD、汽相外延等）、汽相外延等） 外延生外延生長(zhǎng)長(zhǎng)同同質(zhì)質(zhì)外延、外延、異質(zhì)異質(zhì)外延、正外延、反外延）外延、正外延、反外延） 晶核的形成晶核的形成聚集成束聚集成束形成連續(xù)膜形成連續(xù)膜n PVD PVD常用來(lái)制備金屬薄膜常用來(lái)制備金屬薄膜: :如如Al, Au, Pt,Al, Au, Pt,n Cu Cu，合金及多層金屬。，合金及多層金屬。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：所形成的薄膜所形成的薄膜與襯與襯底附著力底附著力較較小小工工藝藝重重復(fù)復(fù)性不性不夠夠理想理想臺(tái)臺(tái)階階覆蓋能力差覆蓋能力差較薄厚度的工藝，已被濺射法和化學(xué)氣相淀積法所代替4HeV30.22EkTeV飽飽和蒸汽和蒸汽壓壓P 在一定在一定溫溫度下度下

3、真真空室空室內(nèi)內(nèi)蒸蒸發(fā)發(fā)物物質(zhì)質(zhì)的的蒸汽蒸汽與與固固態(tài)態(tài)或液或液態(tài)態(tài)平衡平衡時(shí)時(shí)所表所表現(xiàn)現(xiàn)出出來(lái)來(lái)的的壓壓力力蒸蒸發(fā)溫發(fā)溫度度 在在飽飽和蒸汽和蒸汽壓為壓為133.3*10-2Pa時(shí)時(shí)所所對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的物的物質(zhì)溫質(zhì)溫度度蒸汽蒸汽壓壓1atm=760Torr 1atm=760Torr ， 1Torr=133.3Pa1Torr=133.3Pa半半導(dǎo)導(dǎo)體工體工藝設(shè)備藝設(shè)備一般工作在初、中一般工作在初、中真真空度。而在通入工作空度。而在通入工作氣氣體之前，體之前，設(shè)備設(shè)備先抽至高、超高先抽至高、超高真真空度?？斩?。閥門()md Gd Vqd td tn質(zhì)質(zhì)量流速量流速qm (g/s)：mpQqg氣氣體流

4、量體流量Q (Latm/min)：G-在體積V內(nèi)氣體的質(zhì)量-質(zhì)量密度泵泵入口入口壓壓力力12QCPP氣氣體體傳導(dǎo)傳導(dǎo)率率CpppdQSPdt泵泵的抽速的抽速Sp-Sp-體體積積置置換換率率旋片旋片泵泵工作原理工作原理圖圖1-1-泵泵體體;2-;2-旋片旋片;3-;3-轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子; ;4 -4 -彈彈簧簧;5-;5-排排氣閥氣閥 兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個(gè)部分，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。n羅茨泵在0位置時(shí)下轉(zhuǎn)子從泵入口封入v0體積的氣體。 當(dāng)轉(zhuǎn)到45位置時(shí)該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強(qiáng)較高，引起一部分氣體返沖過來(lái)。 當(dāng)轉(zhuǎn)到

5、90位置時(shí),下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時(shí)，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。 當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135時(shí)，上轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復(fù)上述過程。 180位置和0位置是一樣的。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個(gè)v0體積的氣體。 在微在微電電子加工子加工領(lǐng)領(lǐng)域，高域，高真真空空泵泵分分為兩類為兩類： （1 1轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移動(dòng)動(dòng)量量給氣態(tài)給氣態(tài)分子而抽吸分子而抽吸氣氣體體 （2 2俘俘獲氣獲氣體分子體分子抽吸腐抽吸腐蝕蝕性、有毒、性、有毒、大流量大流量氣氣體體- -擴(kuò)擴(kuò)散散泵泵、分子、分子泵泵抽吸通入的小流抽吸通入的小流量量氣氣體或工體或工藝藝前前抽吸腔室抽吸腔室-低低溫泵溫泵n油擴(kuò)散泵

6、主要由n泵體、擴(kuò)散噴嘴、n蒸氣導(dǎo)管、油鍋、n加熱器、擴(kuò)散器、n冷卻系統(tǒng)和噴射n噴嘴等部分組成。渦輪渦輪分子分子泵泵主要主要由由泵泵體、體、帶帶葉片的葉片的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子（即（即動(dòng)動(dòng)葉葉輪輪）、）、靜靜葉葉輪輪和和驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系系統(tǒng)統(tǒng)等等組組成。成。低低溫泵溫泵是是獲獲得得清潔真清潔真空的空的極極限限壓壓力最低、力最低、抽抽氣氣速率最大的速率最大的真真空空泵泵, ,廣泛廣泛應(yīng)應(yīng)用于半用于半導(dǎo)導(dǎo)體體和集成和集成電電路的路的研研究和生究和生產(chǎn)產(chǎn), ,以及分子束以及分子束研研究、究、真真空空鍍鍍膜膜設(shè)備設(shè)備、真真空表面分析空表面分析儀儀器、離子器、離子注入機(jī)等方面。注入機(jī)等方面。(a)(a)單單源蒸源蒸發(fā)發(fā)法法

7、(b)(b)多源同多源同時(shí)時(shí)蒸蒸發(fā)發(fā)法法在在圓圓柱形玻璃管柱形玻璃管內(nèi)內(nèi)的的兩兩端裝上端裝上兩個(gè)兩個(gè)平平板板電極電極，里面充以，里面充以氣壓約為氣壓約為幾幾PaPa到幾到幾十十PaPa的的氣氣體，在體，在電極電極上加上直流上加上直流電壓電壓。u暗流區(qū)暗流區(qū)abab）：有外場(chǎng)情）：有外場(chǎng)情況下，中性氣體中極少量被況下，中性氣體中極少量被宇宙射線激發(fā)而電離的帶電宇宙射線激發(fā)而電離的帶電粒子作定向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度粒子作定向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度隨電壓的增加加快；當(dāng)電極隨電壓的增加加快；當(dāng)電極間的電壓足夠大時(shí)，因?yàn)殡婇g的電壓足夠大時(shí)，因?yàn)殡婋x量少而且恒定，帶電粒子離量少而且恒定，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到飽和值，再提

8、運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到飽和值，再提高電壓，到達(dá)電極的電子和高電壓，到達(dá)電極的電子和離子數(shù)目不變，對(duì)應(yīng)的曲線離子數(shù)目不變，對(duì)應(yīng)的曲線表征為對(duì)應(yīng)電流從增加，表征為對(duì)應(yīng)電流從增加，直到一極大值。此區(qū)域?qū)щ娭钡揭粯O大值。此區(qū)域?qū)щ姸话l(fā)光。而不發(fā)光。4.1 4.1 原理原理n湯湯生放生放電區(qū)電區(qū)bcbc）：）：電極間電電極間電壓繼續(xù)壓繼續(xù)升高升高時(shí)時(shí)，外，外電電路路轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移給電給電子和離子的能量也逐子和離子的能量也逐漸漸增加，增加，電電子的子的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度加快，速度加快，電電子子與與中性中性氣氣體分子體分子間間的的碰碰撞使撞使氣氣體分子體分子電電離，離，產(chǎn)產(chǎn)生正離子和生正離子和電電子及二次子及二次電電子。新子。

9、新產(chǎn)產(chǎn)生的生的電電子和原有的子和原有的電電子子繼續(xù)繼續(xù)被加速和被加速和導(dǎo)導(dǎo)致更多致更多氣氣體分子體分子電電離，離子和離，離子和電電子子數(shù)數(shù)目雪崩式增目雪崩式增加，放加，放電電電電流迅速增大。在流迅速增大。在湯湯生生放放電區(qū)電區(qū)，電壓電壓受受電電源高源高輸輸出阻抗出阻抗和限流和限流電電阻的限制呈一常阻的限制呈一常數(shù)數(shù)。u輝輝光放光放電電cece）：）：湯湯生放生放電電后，后，氣氣體突然體突然發(fā)發(fā)生放生放電擊電擊穿穿現(xiàn)現(xiàn)象，象，電電路中的路中的電電流大幅度增加，放流大幅度增加，放電電壓顯電電壓顯著下降。著下降。產(chǎn)產(chǎn)生生這樣這樣的的負(fù)負(fù)阻阻現(xiàn)現(xiàn)象是因象是因?yàn)闅鉃闅怏w已被體已被擊擊穿，穿，氣氣體體內(nèi)內(nèi)

10、阻阻隨電隨電離度的增加而離度的增加而顯顯著下降。著下降。這這一一階階段也段也稱稱前期前期輝輝光放光放電電cdcd）。）。u 如果再增大如果再增大電電流，流，電電流的增加流的增加只只與陰極與陰極上上產(chǎn)產(chǎn)生生輝輝光的表面光的表面積積有有關(guān)關(guān)，放放電進(jìn)電進(jìn)入入電壓電壓一定的正常一定的正常輝輝光放光放電區(qū)電區(qū)dede），），陰極陰極的有效放的有效放電電面面積隨電積隨電流流的增加而增大，而的增加而增大，而陰極陰極有效放有效放電區(qū)電區(qū)的的電電流密度保持恒定。流密度保持恒定。這這一一階階段，由于段，由于導(dǎo)電導(dǎo)電粒子粒子數(shù)數(shù)目大大增加，目大大增加，碰碰撞撞過過程中程中轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的能量足移的能量足夠夠高，因此高，因

11、此會(huì)產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生明生明顯顯的的輝輝光。光。u氣氣體體擊擊穿后，穿后，電電子和正離子子和正離子來(lái)來(lái)源于源于電電子的子的碰碰撞和正離子的撞和正離子的轟擊轟擊，即，即使不存在自然使不存在自然電電離源，離源，導(dǎo)電導(dǎo)電也也將繼續(xù)將繼續(xù)進(jìn)進(jìn)行下去造成自持放行下去造成自持放電電。n反常反常輝輝光放光放電電efef）：整）：整個(gè)陰極個(gè)陰極均均成成為為有效放有效放電區(qū)電區(qū)域后，只有增加功率域后，只有增加功率才能增加才能增加陰極陰極的的的的電電流密度而增大流密度而增大電電流，此流，此時(shí)時(shí)放放電電壓電電壓和和電電流密度同流密度同時(shí)時(shí)增增大大進(jìn)進(jìn)入反常入反常輝輝光放光放電狀態(tài)電狀態(tài)。濺濺射射選選在在反常反常輝輝光放光放電

12、區(qū)電區(qū)。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：電電流增大流增大時(shí)時(shí)，兩個(gè)兩個(gè)放放電極電極板板間間電壓間間電壓升高，升高，陰極電壓陰極電壓降的大小降的大小與與電電流密度和流密度和氣氣體體壓壓強(qiáng)有強(qiáng)有關(guān)關(guān)。n原因：原因：輝輝光已布光已布滿滿整整個(gè)陰極個(gè)陰極，再增，再增加加電電流流時(shí)時(shí)，離子，離子層層無(wú)法向四周無(wú)法向四周擴(kuò)擴(kuò)散，散，正離子正離子層層向向陰極陰極靠靠攏攏，使正離子，使正離子層與層與陰極間陰極間距離距離縮縮短，正離子短，正離子轟擊陰極轟擊陰極。n電電弧放弧放電電fgfg）：）：隨隨著著電電流的流的繼續(xù)繼續(xù)增加，放增加，放電電壓將電電壓將再次突然大幅度下再次突然大幅度下降，降，電電流急流急劇劇增加。增加。 等離子

13、體中高速等離子體中高速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的的電電子子與與其其它它粒子的粒子的碰碰撞撞是是維維持持氣氣體放體放電電的主要微的主要微觀觀機(jī)制。機(jī)制。射射頻輝頻輝光放光放電與電與直流放直流放電電很不相同：很不相同：電場(chǎng)電場(chǎng)周期性改周期性改變變方向，方向，帶電帶電粒子不容易到粒子不容易到達(dá)電極達(dá)電極和器壁，和器壁，減減少少了了帶電帶電粒子的粒子的損損失。在失。在兩極兩極之之間間不不斷斷振振蕩運(yùn)動(dòng)蕩運(yùn)動(dòng)的的電電子可子可從從高高頻頻電場(chǎng)電場(chǎng)中中獲獲得足得足夠夠能量，使能量，使氣氣體分子體分子電電離，離，電場(chǎng)較電場(chǎng)較低就可低就可維維持放持放電電。陰極產(chǎn)陰極產(chǎn)生的二次生的二次電電子子發(fā)發(fā)射不再是射不再是氣氣體體擊擊穿必要穿必要條條件。件。射射頻電場(chǎng)頻電場(chǎng)可由容抗或感抗耦合可由容抗或感抗耦合進(jìn)進(jìn)