物理氣相淀積

1、v8.1 PVD概述v8.2 真空系統(tǒng)及真空的獲得v8.3真空蒸鍍v8.4濺射v8.5 PVD金屬及化合物薄膜v物理氣相淀積（物理氣相淀積（Physical vapor deposition，PVD）是利用某種物理過是利用某種物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由（靶）源氣相轉(zhuǎn)移到襯底表面形成?。ò校┰礆庀噢D(zhuǎn)移到襯底表面形成薄膜的過程。膜的過程。v真空真空蒸發(fā)蒸發(fā)和和濺射濺射方法方法蒸發(fā)必須在蒸發(fā)必須在高真空度下高真空度下進行。進行。濺射是在氣體輝濺射是在氣體輝光放電的等離子光放電的等離子狀態(tài)實現(xiàn)。狀態(tài)實現(xiàn)。nPVD常用來制備金屬薄膜常用來制備金屬薄膜:如如Al,

2、Au, Pt, Cu，合金及多層金屬。，合金及多層金屬。8.1 PVD8.1 PVD概述概述v設備簡單，操作容易v所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快v生長機理簡單真空蒸鍍法主要缺點真空蒸鍍法主要缺點所形成的薄膜與襯底附著力較小工藝重復性不夠理想臺階覆蓋能力差已為濺射法和化學氣相淀積法所代替真空蒸鍍法優(yōu)點真空蒸鍍法優(yōu)點濺射v濺射優(yōu)點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較高的薄膜濺射質(zhì)量v濺射缺點：設備昂貴 真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理v真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)即利用蒸發(fā)材料在高溫時所具即利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸汽壓進行薄膜制備。有的飽

3、和蒸汽壓進行薄膜制備。v在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或或分子從蒸發(fā)源表面逸出分子從蒸發(fā)源表面逸出，形成蒸汽流并，形成蒸汽流并入射到硅片襯底表面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。入射到硅片襯底表面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。v制備的一般是制備的一般是多晶金屬薄膜多晶金屬薄膜。8.2真空系統(tǒng)及真空的獲得真空系統(tǒng)及真空的獲得 v低真空：低真空：1760Torr，102105Pav中真空：中真空：10-31Torr，10-1102Pav高真空：高真空：10-710-3Torr，10-510-1Pav超高真空：超高真空：10-7Torr， 10-5Pa 1atm=760Torr 1atm=76

4、0Torr ， 1Torr=133.3Pa1Torr=133.3Pa 半導體工藝設備一般工作在低、中真空度。而在通入工作氣半導體工藝設備一般工作在低、中真空度。而在通入工作氣體之前，設備先抽至高、超高真空度。體之前，設備先抽至高、超高真空度。蒸鍍過程蒸鍍過程v源受熱源受熱蒸發(fā)蒸發(fā)；v氣化原子或分子氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片在蒸發(fā)源與基片之間的之間的輸運輸運；v被蒸發(fā)的原子或被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面分子在襯底表面的的淀積淀積：凝結(jié)：凝結(jié)成核成核 生長生長成成膜膜8.3 真空蒸鍍真空蒸鍍蒸鍍過程基本參數(shù)蒸鍍過程基本參數(shù)v汽化熱汽化熱H 被蒸發(fā)的原子或分子需克服固相或液被蒸發(fā)的原子或分子需克服

5、固相或液相的原子間束縛，而蒸發(fā)到真空中并形成具有一相的原子間束縛，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所需的能量。定動能的氣相原子或分子所需的能量。 常用金屬材料汽化熱常用金屬材料汽化熱 /原子（分子）原子（分子） 在蒸發(fā)溫度下的動能在蒸發(fā)溫度下的動能 /原子（分子）原子（分子）4HeV30.22EkTeV什么是飽和蒸汽壓什么是飽和蒸汽壓v蒸汽壓蒸汽壓指在液（固）表面指在液（固）表面存在該物質(zhì)的蒸汽，這蒸存在該物質(zhì)的蒸汽，這蒸汽對液（固）表面產(chǎn)生的汽對液（固）表面產(chǎn)生的壓強就是該液體的蒸汽壓。壓強就是該液體的蒸汽壓。 v平衡平衡(飽和飽和)蒸汽壓蒸汽壓指一定指一定的溫度下，與同種物

6、質(zhì)的的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)液態(tài)(或固態(tài)或固態(tài))處于平衡狀處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強叫態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強叫飽和蒸汽壓。飽和蒸汽壓。v蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度 在平衡蒸汽壓在平衡蒸汽壓為為1.333Pa時所對應的物時所對應的物質(zhì)溫度質(zhì)溫度蒸汽壓蒸汽壓22kTd P分子平均自由程分子平均自由程 粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離真空蒸鍍氣相輸運過程基本參數(shù)真空蒸鍍氣相輸運過程基本參數(shù)真空蒸鍍成膜過程基本參數(shù)真空蒸鍍成膜過程基本參數(shù)8.3.2設備與方法設備與方法v設備由三部分組成：設備由三部分組成：真空室真空室抽氣系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)測試部分測試部分v蒸發(fā)方法：蒸發(fā)方法：單組份、多

7、組份蒸發(fā)；單組份、多組份蒸發(fā)；襯底是否加熱，冷蒸或襯底是否加熱，冷蒸或熱蒸；熱蒸；按加熱器分類。按加熱器分類。8.3.2蒸鍍設備主要采用的加熱器類型及性能蒸鍍設備主要采用的加熱器類型及性能 v電阻加熱蒸鍍電阻加熱蒸鍍v電子束電子束(EB)蒸鍍蒸鍍v激光蒸鍍激光蒸鍍v高頻感應蒸鍍高頻感應蒸鍍 電阻加熱器電阻加熱器v出現(xiàn)最早，工藝簡出現(xiàn)最早，工藝簡單；但有加熱器污單；但有加熱器污染，薄膜臺階覆蓋染，薄膜臺階覆蓋差，難鍍高熔點金差，難鍍高熔點金屬問題。屬問題。v對電阻加熱材料要對電阻加熱材料要求：熔點要高；飽求：熔點要高；飽和蒸氣壓要低；化和蒸氣壓要低；化學穩(wěn)定性好。學穩(wěn)定性好。電子束電子束(EB)

8、加熱加熱vEB蒸鍍基于電子在電蒸鍍基于電子在電場作用下，獲得動能場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使其加熱汽化。材料，使其加熱汽化。vEB蒸鍍相對于電阻加蒸鍍相對于電阻加熱蒸鍍熱蒸鍍雜質(zhì)少雜質(zhì)少，去除，去除了加熱器帶來的玷污；了加熱器帶來的玷污；可蒸發(fā)高熔點金屬；可蒸發(fā)高熔點金屬；熱效率高熱效率高；vEB蒸鍍薄膜有輻射損蒸鍍薄膜有輻射損傷，即薄膜電子由高傷，即薄膜電子由高激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產(chǎn)生的；也有設備復雜，的；也有設備復雜，價格昂貴的缺點。價格昂貴的缺點。電子束加熱器電子束加熱器激光蒸鍍激光蒸鍍v利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源利用高功率的連續(xù)或

9、脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)材料進行加熱，稱為對蒸發(fā)材料進行加熱，稱為激光束加熱蒸激光束加熱蒸發(fā)法。發(fā)法。v激光束加熱的特點是激光束加熱的特點是加熱溫度高加熱溫度高，可避免，可避免坩堝的污染，坩堝的污染，材料蒸發(fā)速率高材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程，蒸發(fā)過程容易控制。容易控制。v激光加熱法特別激光加熱法特別適應于適應于蒸發(fā)蒸發(fā)成份比較復雜成份比較復雜的合金的合金或或化合物材料化合物材料。高頻感應蒸發(fā)高頻感應蒸發(fā)v高頻感應蒸發(fā)源是通高頻感應蒸發(fā)源是通過高頻感應對裝有蒸過高頻感應對裝有蒸發(fā)源的坩堝進行加熱，發(fā)源的坩堝進行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應下產(chǎn)生強磁場的感應下產(chǎn)生強大的渦流損

10、失和磁滯大的渦流損失和磁滯損失損失(對鐵磁體對鐵磁體)，致，致使蒸發(fā)材料升溫使蒸發(fā)材料升溫,直至直至汽化蒸發(fā)。汽化蒸發(fā)。多組分薄膜的蒸鍍方法多組分薄膜的蒸鍍方法(a)單源蒸發(fā)法單源蒸發(fā)法(b)多源同時蒸發(fā)法多源同時蒸發(fā)法8.3.3 蒸鍍工藝蒸鍍工藝8.3.4 蒸鍍薄膜的質(zhì)量及控制v真空度真空度v臺階覆蓋特性臺階覆蓋特性v蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率 蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩日翦優(yōu)槭裁匆蟾哒婵斩葀蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運應為直線，真空蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運應為直線，真空度過低，輸運過程被氣體分子多次碰撞散射，度過低，輸運過程被氣體分子多次碰撞散射，方向改變，動量降低，難以淀積到襯底上。方向改變，動量降

11、低，難以淀積到襯底上。v真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子或分子在輸運過程中氧化，同時也使加熱襯底或分子在輸運過程中氧化，同時也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。表面發(fā)生氧化。v系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底上，影響淀積薄膜質(zhì)量。上，影響淀積薄膜質(zhì)量。臺階覆蓋特性臺階覆蓋特性在有深寬比為在有深寬比為1的微結(jié)構(gòu)襯底上蒸鍍薄膜的臺階覆蓋的微結(jié)構(gòu)襯底上蒸鍍薄膜的臺階覆蓋v蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率 蒸發(fā)速率和溫度、蒸發(fā)面積、表蒸發(fā)速率和溫度、蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式有關(guān)面的清潔程度、加熱方式有關(guān)。 8.4 濺射濺射

12、v濺射濺射 具有一定能量的入射離子在對固體表面具有一定能量的入射離子在對固體表面進行轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰進行轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生撞過程中將發(fā)生能量和動量能量和動量的轉(zhuǎn)移，并可能將的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來。固體表面的原子濺射出來。v熱蒸發(fā)本質(zhì)熱蒸發(fā)本質(zhì) 能量的轉(zhuǎn)化能量的轉(zhuǎn)化 濺射本質(zhì)濺射本質(zhì) 能量和動量，原子具有方向性能量和動量，原子具有方向性v濺射過程建立在輝光放電的基礎上；濺射過程建立在輝光放電的基礎上；v微電子工藝中的濺射，是指利用微電子工藝中的濺射，是指利用氣體輝光放電氣體輝光放電時，離子對陰極轟擊，使陰極物質(zhì)飛濺出來淀時，離子

13、對陰極轟擊，使陰極物質(zhì)飛濺出來淀積到基片上形成薄膜的工藝方法。積到基片上形成薄膜的工藝方法。8.4.1 工藝機理工藝機理v真空室通入少量氬或其它惰性氣體，真空室通入少量氬或其它惰性氣體，在初、中空度真下，加高壓或高頻在初、中空度真下，加高壓或高頻電場，使氬等惰性氣體電離，正離電場，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場作用下撞擊靶，靶原子受子在電場作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達襯底淀積成膜。碰撞濺射，到達襯底淀積成膜。入射離子濺射分析入射離子濺射分析濺射出的原子，濺射出的原子，獲得很大動能，獲得很大動能，約約10-50eV。和。和蒸鍍相比（約蒸鍍相比（約0.2eV）濺射原）濺射原子在基片表面上

14、子在基片表面上的遷移能力強，的遷移能力強，改善了臺階覆蓋改善了臺階覆蓋性，以及與襯底性，以及與襯底的附著力。的附著力。8.4.2 濺射特性濺射特性v濺射閾值濺射閾值 每一種靶材，都存在一個能量閾每一種靶材，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。值，低于這個值就不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺濺射閾值與入射離子質(zhì)量無關(guān)，而主要射閾值與入射離子質(zhì)量無關(guān)，而主要取決取決于靶于靶特性。特性。v濺射率濺射率S 又稱濺射產(chǎn)額又稱濺射產(chǎn)額 S=濺射出的靶濺射出的靶原子數(shù)入射離子數(shù)。原子數(shù)入射離子數(shù)。v濺射粒子的濺射粒子的速度和能量速度和能量濺射率的影響因素濺射率的影響因素vS與入射離子與入射離子能量的關(guān)系能

15、量的關(guān)系濺射率的影響因素濺射率的影響因素S與入射離與入射離子種類的關(guān)子種類的關(guān)系系：原子量：原子量;原子序數(shù)原子序數(shù)(周周期性期性);惰性氣惰性氣體的濺射率體的濺射率最高。最高。 S與靶的關(guān)與靶的關(guān)系系：隨靶原：隨靶原子序數(shù)增加子序數(shù)增加而增大。而增大。濺射率的影響因素濺射率的影響因素vS與離子入射與離子入射角的關(guān)系角的關(guān)系：vS還與靶溫、還與靶溫、靶晶格結(jié)構(gòu)，靶晶格結(jié)構(gòu)，靶的表面情況、靶的表面情況、濺射壓強、升濺射壓強、升華熱的大小等華熱的大小等因素有關(guān)。因素有關(guān)。被濺射出的粒子的速度和能量被濺射出的粒子的速度和能量v重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。v不同靶逸

16、出能不同，濺射率高的靶，逸出能較低。不同靶逸出能不同，濺射率高的靶，逸出能較低。v轟擊能，逸出能量隨相同入射離子質(zhì)量線性增加；轟擊能，逸出能量隨相同入射離子質(zhì)量線性增加；輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約10eV；重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約30-40eV。v在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。8.4.3 濺射方法（式）濺射方法（式）v直流濺射直流濺射v射頻濺射射頻濺射v磁控濺射磁控濺射v反應濺射反應濺射v離子束濺射離子束濺射v偏壓濺射偏壓濺射1直流濺射直流濺射v最早出

17、現(xiàn)，是將靶作為陰極，最早出現(xiàn)，是將靶作為陰極，只能制備導電的金屬薄膜，只能制備導電的金屬薄膜，濺射速率很慢。濺射速率很慢。v工作氣壓是一個重要參數(shù)工作氣壓是一個重要參數(shù)氣壓和淀積速率的關(guān)系氣壓和淀積速率的關(guān)系2射頻濺射射頻濺射v在射頻電場作用下，氣在射頻電場作用下，氣體電離為等離子體。靶體電離為等離子體。靶相對于等離子體而言是相對于等離子體而言是負極，被轟擊濺射；襯負極，被轟擊濺射；襯底放置電極與機殼相連，底放置電極與機殼相連，鞘層壓降很小，與等離鞘層壓降很小，與等離子體基本等電位。子體基本等電位。v可濺射介質(zhì)薄膜，如可濺射介質(zhì)薄膜，如SiO2等；等；v功率大，對人身防護成功率大，對人身防護成

18、問題。問題。13.56MHz4cddcAAVV3磁控濺射磁控濺射v在陰極靶面上建立一在陰極靶面上建立一個磁場，以控制二次個磁場，以控制二次電子的運動，延長電電子的運動，延長電子飛向陽極的行程，子飛向陽極的行程，使其盡可能多產(chǎn)生幾使其盡可能多產(chǎn)生幾次碰撞電離從而增加次碰撞電離從而增加了離子密度，提高濺了離子密度，提高濺射效率。射效率。v也只能制備金屬導電也只能制備金屬導電薄膜。薄膜。v濺射質(zhì)量和速率有了濺射質(zhì)量和速率有了很大提高。很大提高。4反應濺射反應濺射v用用化合物作靶化合物作靶可實現(xiàn)可實現(xiàn)多組分薄膜淀積多組分薄膜淀積，但得到，但得到的薄膜往往與靶的化學組成有很大的差別。可的薄膜往往與靶的化學組成有很大的差別?？刹扇〔扇》磻獮R射，反應濺射，在濺射室通入反應氣體，如：在濺射室通入反應氣體，如：O2，N2，H2S，CH4，生成：，生成：氧化物：氧化物：Al2O3，SiO2，In2O3等等碳化物：碳化物：SiC