薄膜淀積與外延技術(shù)

關(guān)于薄膜淀積與外延技術(shù)第1頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六超薄膜: ~10nm薄膜:50nm─10mm典型薄膜:50nm─1mm厚膜:~10mm─~100mm單晶薄膜多晶薄膜無序薄膜5.1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)的基團(tuán)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。薄膜分類第2頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（1）物態(tài)（2）結(jié)晶態(tài)：

（3）化學(xué)角度

5.1概述第3頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（4）組成

（5）物性

厚度，決定薄膜性能、質(zhì)量通常，膜厚<數(shù)十um，一般在1um以下。薄膜的一個(gè)重要參數(shù)5.1概述第4頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六兩種常見的薄膜結(jié)構(gòu)單層膜周期結(jié)構(gòu)多層膜SubstrateASubstrateABAB5.1概述第5頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六半導(dǎo)體薄膜：Si介質(zhì)薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成單晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-SiDeposition5.1概述薄膜的應(yīng)用：半導(dǎo)體器件；電路連接；電極；光電子器件；半導(dǎo)體激光器；光學(xué)鍍膜第6頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六淀積是指在wafer上淀積一層膜的工藝，淀積薄膜的工藝有很多種，化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、蒸發(fā)等很多?；瘜W(xué)氣相淀積（CVD）是通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在wafer表面淀積一層固態(tài)薄膜的工藝。CVD法淀積薄膜可用以下幾個(gè)步驟解釋薄膜的生長(zhǎng)過程：參加反應(yīng)的氣體傳輸?shù)絯afer表面；反應(yīng)物擴(kuò)散至wafer表面并吸附在其上；wafer表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膜分子和副產(chǎn)物；膜分子沿wafer表面向膜生長(zhǎng)區(qū)擴(kuò)散并與晶格結(jié)合成膜；反應(yīng)副產(chǎn)物隨氣流流動(dòng)至排氣口，被排出淀積區(qū)。5.1概述第7頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六1）化學(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式5.1概述第8頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplating5.1概述第9頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六外延：在單晶襯底上生長(zhǎng)一層新的單晶層，晶向取決于襯底外延硅應(yīng)用舉例5.1概述第10頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料多晶硅薄膜的應(yīng)用5.1概述第11頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)氣相沉積[ChemicalVaporDeposition(CVD)]：是通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積薄膜的工藝方法。PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,20015.2化學(xué)氣相沉積第12頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)氣相沉積（CVD）是一種化學(xué)氣相生長(zhǎng)法。

把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光以及激光等能源，借助氣相作用或在基板表面的化學(xué)反應(yīng)（熱分解或化學(xué)合成）生長(zhǎng)要求的薄膜。CVD裝置的主要部分：反應(yīng)氣體輸入部分、反應(yīng)激活能源供應(yīng)部分和氣體排出部分。CVD可以制備單晶、多相或非晶態(tài)無機(jī)薄膜，近年來，已研制出金剛石薄膜、高Tc超導(dǎo)薄膜、透明導(dǎo)電薄膜以及某些敏感功能薄膜。

5.2化學(xué)氣相沉積第13頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六對(duì)薄膜的要求組分正確，玷污少，電學(xué)和機(jī)械性能好片內(nèi)及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好3.臺(tái)階覆蓋性好（conformalcoverage—保角覆蓋）填充性好平整性好

5.2化學(xué)氣相沉積第14頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六CVD法制備薄膜具有很多優(yōu)點(diǎn)，如薄膜組分任意控制、生長(zhǎng)溫度低于組成物質(zhì)的熔點(diǎn)、膜層均勻性好、薄膜純度高、針孔少、結(jié)構(gòu)致密。

CVD分類：按淀積溫度：低溫（200～500℃）、中溫（500～1000℃）和高溫（1000～1300℃）按反應(yīng)器內(nèi)的壓力：常壓和低壓按反應(yīng)器壁的溫度：熱壁和冷壁按反應(yīng)激活方式：熱激活和冷激活5.2化學(xué)氣相沉積第15頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)氣相淀積（CVD）的應(yīng)用及分類單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強(qiáng)淀積（PECVD）等CVD反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓5.2化學(xué)氣相沉積第16頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)氣相沉積的基本原理化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)在基片表面形成固態(tài)薄膜的一種成膜技術(shù)。CVD反應(yīng)是指反應(yīng)物為氣體而生成物之一為固體的化學(xué)反應(yīng)。CVD完全不同于物理氣相沉積（PVD）5.2化學(xué)氣相沉積CVD基本原理包括：反應(yīng)化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、輸運(yùn)過程、薄膜成核與生長(zhǎng)、反應(yīng)器工程等學(xué)科領(lǐng)域。第17頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

CVD法實(shí)際上很早就有應(yīng)用，用于材料精制、裝飾涂層、耐氧化涂層、耐腐蝕涂層等。在電子學(xué)方面PVD法用于制作半導(dǎo)體電極等。CVD法一開始用于硅、鍺精制上，隨后用于適合外延生長(zhǎng)法制作的材料上。表面保護(hù)膜一開始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了由Ⅲ、Ⅴ族元素構(gòu)成的新的氧化膜，最近還開發(fā)了金屬膜、硅化物膜等。以上這些薄膜的CVD制備法為人們所注意。CVD法制各的多晶硅膜在器件上得到廣泛應(yīng)用，這是CVD法最有效的應(yīng)用場(chǎng)所。5.2化學(xué)氣相沉積第18頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

CVD的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)按熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)的自由能變化可以用反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)自由能來計(jì)算，即CVD熱力學(xué)分析的主要目的是預(yù)測(cè)某些特定條件下某些CVD反應(yīng)的可行性（化學(xué)反應(yīng)的方向和限度）。在溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)物濃度給定的條件下，熱力學(xué)計(jì)算能從理論上給出沉積薄膜的量和所有氣體的分壓，但是不能給出沉積速率。熱力學(xué)分析可作為確定CVD工藝參數(shù)的參考。5.2化學(xué)氣相沉積第19頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

與反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)平衡常數(shù)有關(guān)

例：熱分解反應(yīng)5.2化學(xué)氣相沉積第20頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六反應(yīng)方向判據(jù)：可以確定反應(yīng)溫度。5.2化學(xué)氣相沉積第21頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六平衡常數(shù)的意義：

計(jì)算理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算總壓強(qiáng)、配料比對(duì)反應(yīng)的影響通過平衡常數(shù)可以確定系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡問題。5.2化學(xué)氣相沉積第22頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六CVD的（化學(xué)反應(yīng)）動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是一個(gè)把反應(yīng)熱力學(xué)預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使反應(yīng)實(shí)際進(jìn)行的問題；它是研究化學(xué)反應(yīng)的速度和各種因素對(duì)其影響的科學(xué)。

CVD反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析的基本任務(wù)是：通過實(shí)驗(yàn)研究薄膜的生長(zhǎng)速率，確定過程速率的控制機(jī)制，以便進(jìn)一步調(diào)整工藝參數(shù)，獲得高質(zhì)量、厚度均勻的薄膜。

反應(yīng)速率τ是指在反應(yīng)系統(tǒng)的單位體積中，物質(zhì)（反應(yīng)物或產(chǎn)物）隨時(shí)間的變化率。5.2化學(xué)氣相沉積第23頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六Van’tHoff規(guī)則：反應(yīng)溫度每升高10℃，反應(yīng)速率大約增加2-4倍。這是一個(gè)近似的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響：式中，為有效碰撞的頻率因子，為活化能。Arrhenius方程：較低襯底溫度下，τ隨溫度按指數(shù)規(guī)律變化。較高襯底溫度下，反應(yīng)物及副產(chǎn)物的擴(kuò)散速率為決定反應(yīng)速率的主要因素。5.2化學(xué)氣相沉積第24頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六(1)反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)器后，在襯底表面附近形成“滯留層”，然后，在主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到硅片表面(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長(zhǎng)成薄膜(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室化學(xué)氣相淀積的基本過程5.2化學(xué)氣相沉積CVD法制備薄膜過程描述（四個(gè)階段）第25頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六最常見的幾種CVD反應(yīng)類型有：熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)、化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)等。分別介紹如下。熱分解反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）通式：主要問題是源物質(zhì)的選擇（固相產(chǎn)物與薄膜材料相同）和確定分解溫度。該方法在簡(jiǎn)單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣體保護(hù)下加熱基體至所需溫度后，導(dǎo)入反應(yīng)物氣體使之發(fā)生熱分解，最后在基體上沉積出固體圖層。5.2化學(xué)氣相沉積第26頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（1）氫化物

H-H鍵能小，熱分解溫度低，產(chǎn)物無腐蝕性。（2）金屬有機(jī)化合物

M-C鍵能小于C-C鍵，廣泛用于沉積金屬和氧化物薄膜。金屬有機(jī)化合物的分解溫度非常低，擴(kuò)大了基片選擇范圍以及避免了基片變形問題。5.2化學(xué)氣相沉積第27頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（3）氫化物和金屬有機(jī)化合物系統(tǒng)廣泛用于制備化合物半導(dǎo)體薄膜。（4）其它氣態(tài)絡(luò)合物、復(fù)合物羰基化合物：?jiǎn)伟苯j(luò)合物：5.2化學(xué)氣相沉積第28頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)合成反應(yīng)化學(xué)合成反應(yīng)是指兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在熱基片上發(fā)生的相互反應(yīng)。(1)最常用的是氫氣還原鹵化物來制備各種金屬或半導(dǎo)體薄膜；(2)選用合適的氫化物、鹵化物或金屬有機(jī)化合物來制備各種介質(zhì)薄膜。

化學(xué)合成反應(yīng)法比熱分解法的應(yīng)用范圍更加廣泛。可以制備單晶、多晶和非晶薄膜。容易進(jìn)行摻雜。5.2化學(xué)氣相沉積第29頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.2化學(xué)氣相沉積第30頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)將薄膜物質(zhì)作為源物質(zhì)（無揮發(fā)性物質(zhì)），借助適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)與之反應(yīng)而形成氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)過化學(xué)遷移或物理輸運(yùn)到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，在基片上再通過逆反應(yīng)使源物質(zhì)重新分解出來，這種反應(yīng)過程稱為化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)。設(shè)源為A，輸運(yùn)劑為B，輸運(yùn)反應(yīng)通式為：源區(qū)沉積區(qū)5.2化學(xué)氣相沉積第31頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)條件：不能太大；平衡常數(shù)KP接近于1?；瘜W(xué)輸運(yùn)反應(yīng)判據(jù)：根據(jù)熱力學(xué)分析可以指導(dǎo)選擇化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，估計(jì)輸運(yùn)溫度。首先確定與溫度的關(guān)系，選擇的反應(yīng)體系。大于0的溫度T1；小于0的溫度T2。

根據(jù)以上分析，確定合適的溫度梯度。5.2化學(xué)氣相沉積第32頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六源區(qū)沉積區(qū)源區(qū)沉積區(qū)源區(qū)沉積區(qū)5.2化學(xué)氣相沉積第33頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度F2代表在襯底表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑分子流密度生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)從簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模型出發(fā)，用動(dòng)力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長(zhǎng)速率的表達(dá)式及其兩種極限情況與熱氧化生長(zhǎng)稍有不同的是，沒有了在SiO2中的擴(kuò)散流5.2化學(xué)氣相沉積第34頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六hG

是質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sec）

ks

是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)（cm/sec）在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到可得：5.2化學(xué)氣相沉積第35頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六設(shè)則生長(zhǎng)速率這里Y為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值，CG為每cm3中反應(yīng)劑分子數(shù)，這里CT為在氣體中每cm3的所有分子總數(shù)PG

是反應(yīng)劑分子的分壓，PG1，PG1PG2

PG3…..等是系統(tǒng)中其它氣體的分壓N是形成薄膜的單位體積中的原子數(shù)。對(duì)硅外延N為5×1022cm-3

5.2化學(xué)氣相沉積第36頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六Y一定時(shí)，v

由hG和ks中較小者決定如果hG>>ks，則Cs≈CG,這種情況為表面反應(yīng)控制過程有2、如果hG<<ks，則CS≈0，這是質(zhì)量傳輸控制過程有

質(zhì)量輸運(yùn)控制，對(duì)溫度不敏感5.2化學(xué)氣相沉積表面（反應(yīng)）控制，對(duì)溫度特別敏感第37頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六T對(duì)ks的影響較hG大許多，因此：

hG<<ks質(zhì)量傳輸控制過程出現(xiàn)在高溫hG>>ks表面控制過程在較低溫度出現(xiàn)生長(zhǎng)速率和溫度的關(guān)系硅外延：Ea=1.6eV斜率與激活能Ea成正比hG≈constant5.2化學(xué)氣相沉積第38頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六以硅外延為例（1atm，APCVD）hG

常數(shù)Ea

值相同硅淀積往往是在高溫下進(jìn)行，以確保所有硅原子淀積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，但是對(duì)氣流要求高。多晶硅生長(zhǎng)是在低溫進(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對(duì)溫度要求控制精度高。5.2化學(xué)氣相沉積第39頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時(shí)反應(yīng)氣體通過邊界層的擴(kuò)散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：ks

控制的淀積主要和溫度有關(guān)hG

控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)5.2化學(xué)氣相沉積第40頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六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?5.2化學(xué)氣相沉積第41頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會(huì)下降沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少,同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度5.2化學(xué)氣相沉積第42頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法淀積硅。5.2化學(xué)氣相沉積第43頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)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LPE和MBE；（幾微米至幾百微米/min？）

CVD反應(yīng)可在常壓或低真空進(jìn)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；薄膜生長(zhǎng)溫度低于材料的熔點(diǎn)；薄膜表面平滑；輻射損傷小。5.2化學(xué)氣相沉積第44頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六缺點(diǎn)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(shí)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(diǎn)；溫度高于PVD技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制；對(duì)基片進(jìn)行局部表面鍍膜時(shí)很困難，不如PVD方便。5.2化學(xué)氣相沉積第45頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

CVD的分類及其在微電子技術(shù)中的應(yīng)用5.2化學(xué)氣相沉積第46頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六CVD方法簡(jiǎn)介

CVD反應(yīng)體系必須具備三個(gè)條件在沉積溫度下，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；反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的；沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，5.2化學(xué)氣相沉積第47頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六開口體系CVD包括：氣體凈化系統(tǒng)、氣體測(cè)量和控制系統(tǒng)、反應(yīng)器、尾氣處理系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)等。臥式：5.2化學(xué)氣相沉積第48頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六感應(yīng)加熱5.2化學(xué)氣相沉積第49頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

冷壁CVD：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(diǎn)是有較大溫差，溫度均勻性問題需特別設(shè)計(jì)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體。

熱壁CVD：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，易剝落造成污染。臥式反應(yīng)器特點(diǎn)：常壓操作；裝、卸料方便。但是薄膜的均勻性差。5.2化學(xué)氣相沉積第50頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六開口體系CVD工藝的特點(diǎn)能連續(xù)地供氣和排氣，物料的運(yùn)輸一般是靠惰性氣體來實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)，而有利于形成薄膜沉積層（至少有一種反應(yīng)產(chǎn)物可連續(xù)地從反應(yīng)區(qū)排出）。在大多數(shù)情況下，開口體系是在一個(gè)大氣壓或稍高于一個(gè)大氣壓下進(jìn)行的。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。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。有立式和臥式兩種形式。5.2化學(xué)氣相沉積第51頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六立式：氣流垂直于基體，可使氣流以基板為中心均勻分布5.2化學(xué)氣相沉積第52頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六沉積區(qū)域?yàn)榍蛐?，基片受熱均勻，反?yīng)氣體均勻供給；產(chǎn)品的均勻性好，膜層厚度一致，質(zhì)地均勻。特點(diǎn)？5.2化學(xué)氣相沉積第53頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六封閉式（閉管沉積系統(tǒng)）CVD把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩端，抽空后充入一定的輸運(yùn)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)管內(nèi)形成溫度梯度。溫度梯度造成的負(fù)自由能變化是傳輸反應(yīng)的推動(dòng)力，所以物料從閉管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來。在理想情況下，閉管反應(yīng)器中所進(jìn)行的反應(yīng)其平衡常數(shù)值應(yīng)接近于1。5.2化學(xué)氣相沉積第54頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六溫度梯度2.5℃/cm低溫區(qū)T1=T2-13.5℃高溫區(qū)T2=850~860℃5.2化學(xué)氣相沉積第55頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

閉管法的優(yōu)點(diǎn)：污染的機(jī)會(huì)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)。

閉管法的缺點(diǎn)：材料生長(zhǎng)速率慢，不適合大批量生長(zhǎng)，一次性反應(yīng)器，生長(zhǎng)成本高；管內(nèi)壓力檢測(cè)困難等。

閉管法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計(jì)算、溫度選擇和控制等。5.2化學(xué)氣相沉積第56頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六★低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）

LPCVD原理早期CVD技術(shù)以開管系統(tǒng)為主，即AtmospherePressureCVD(APCVD)。近年來，CVD技術(shù)令人注目的新發(fā)展是低壓CVD技術(shù)，即LowPressureCVD（LPCVD）。

LPCVD原理于APCVD基本相同，主要差別是：

低壓下氣體擴(kuò)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，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。5.2化學(xué)氣相沉積第57頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.2化學(xué)氣相沉積第58頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

LPCVD優(yōu)點(diǎn)（1）低氣壓下氣態(tài)分子的平均自由程增大，反應(yīng)裝置內(nèi)可以快速達(dá)到濃度均一，消除了由氣相濃度梯度帶來的薄膜不均勻性。（2）薄膜質(zhì)量高：薄膜臺(tái)階覆蓋良好；結(jié)構(gòu)完整性好；針孔較少。（3）沉積速率高。沉積過程主要由表面反應(yīng)速率控制，對(duì)溫度變化極為敏感，所以，LPCVD技術(shù)主要控制溫度變量。LPCVD工藝重復(fù)性優(yōu)于APCVD。（4）臥式LPCVD裝片密度高，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。5.2化學(xué)氣相沉積第59頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

LPCVD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、多晶硅、硅化物薄膜，Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜以及鎢、鉬、鉭、鈦等難熔金屬薄膜。5.2化學(xué)氣相沉積第60頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六等離子化學(xué)氣相沉積在普通CVD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，薄膜沉積溫度一般較高（多數(shù)在900~1000℃）。容易引起基板變形和組織上的變化，容易降低基板材料的機(jī)械性能；基板材料與膜層材料在高溫下會(huì)相互擴(kuò)散，形成某些脆性相，降低了兩者的結(jié)合力。5.2化學(xué)氣相沉積第61頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

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。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，特別是IC技術(shù)中的表面鈍化和多層布線。等離子化學(xué)氣相沉積：PlasmaCVDPlasmaAssociatedCVDPlasmaEnhancedCVD這里稱PECVD5.2化學(xué)氣相沉積第62頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六PECVD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CVD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(qiáng)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，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（DC-PCVD）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（MW-PCVD）電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相沉積（ECR-PCVD）5.2化學(xué)氣相沉積第63頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.2化學(xué)氣相沉積第64頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.2化學(xué)氣相沉積第65頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.2化學(xué)氣相沉積第66頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六等離子體在CVD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；加速反應(yīng)物在表面的擴(kuò)散作用，提高成膜速率；對(duì)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；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。5.2化學(xué)氣相沉積第67頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六PECVD的優(yōu)點(diǎn)：

低溫成膜（300-350℃），對(duì)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；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；

擴(kuò)大了CVD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(jī)薄膜、有機(jī)聚合物薄膜等；薄膜的附著力大于普通CVD。5.2化學(xué)氣相沉積第68頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六PECVD的缺點(diǎn)：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、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。參數(shù)難以控制；反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)過程等還不十分清楚。5.2化學(xué)氣相沉積第69頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六其它化學(xué)氣相沉積方法（1）MOCVD是一種利用有機(jī)金屬化合物的熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)薄膜的CVD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：常溫下穩(wěn)定且容易處理反應(yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)妨礙晶體生長(zhǎng)，不應(yīng)污染生長(zhǎng)層；室溫附近應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼魵鈮?.2化學(xué)氣相沉積第70頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六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MOCVD的優(yōu)點(diǎn)：①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(bǔ)償問題；對(duì)襯底取向要求低；②沉積過程不存在刻蝕反應(yīng)，沉積速率易于控制；③幾乎可以生長(zhǎng)所有化合物和合金半導(dǎo)體；④反應(yīng)裝置容易設(shè)計(jì)，生長(zhǎng)溫度范圍較寬，易于控制，可大批量生產(chǎn)；⑤可在藍(lán)寶石、尖晶石基片上實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)5.2化學(xué)氣相沉積第71頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六MOCVD的主要缺點(diǎn)：①許多金屬有機(jī)化合物有毒、易燃，給有機(jī)金屬化合物的制備、貯存、運(yùn)輸和使用帶來困難，必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施；②由于反應(yīng)溫度低，有些金屬有機(jī)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，形成薄膜中的雜質(zhì)顆粒，破壞了膜的完整性。5.2化學(xué)氣相沉積第72頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六(2)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，促進(jìn)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（ECR）等離子體沉積在反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)入微波能和磁場(chǎng)，使得電子的回旋運(yùn)動(dòng)和微波發(fā)生共振現(xiàn)象。電子和氣體碰撞，促進(jìn)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)量的薄膜?？稍诎雽?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Tc超導(dǎo)薄膜。5.2化學(xué)氣相沉積第73頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六“物理氣相沉積”通常指滿足下面三個(gè)步驟的一類薄膜生長(zhǎng)技術(shù):所生長(zhǎng)的材料以物理的方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體生長(zhǎng)材料的蒸汽經(jīng)過一個(gè)低壓區(qū)域到達(dá)襯底蒸汽在襯底表面上凝結(jié)，形成薄膜5.3物理氣相沉積第74頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六成膜機(jī)理?

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(gè)過程。蒸發(fā)的原子（或分子）碰撞到基片時(shí)，或是永久附著在基片上，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。粘附在基片表面的原子（或分子）由于熱運(yùn)動(dòng)可沿表面移動(dòng)，如碰上其它原子便積聚成團(tuán)。這種團(tuán)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?yàn)檫@使吸附原子的自由能最小。這就是成核過程。進(jìn)一步的原子（分子）淀積使上述島狀的團(tuán)（晶核）不斷擴(kuò)大，直至展延成連續(xù)的薄膜。5.3物理氣相沉積第75頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六NaturalWorld“Atomic-World”Target/evaporatedsourceSubstratesurfaceAtomicrainClustersParticlesDischargeImpurity,ContaminationVacuumCloudEarthsurface--groundNaturalrainSnowHailThunderstormDust,PollutionEnvironmentalprotectionCloudtargetsubstrate原子層的晶體生長(zhǎng)“世界”與自然世界的比擬第76頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子團(tuán)簇島薄膜熱運(yùn)動(dòng)5.3物理氣相沉積第77頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六其它生長(zhǎng)模式Frank-vanderMerveModeLayerbyLayer(2D)襯底襯底襯底Stranski-KrastanovModeLayerPlusIslandGrowth(2D-3D)Volmer-WeberModeIslandGrowth(3D)5.3物理氣相沉積第78頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六PVD所需實(shí)驗(yàn)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物理氣相沉積第79頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六PVD的通用實(shí)驗(yàn)配置靶材襯底真空室真空泵厚度監(jiān)控儀充氣管道反應(yīng)氣體管道Plume5.3物理氣相沉積第80頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六一、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物理氣相沉積1、電阻式熱蒸發(fā)將用高熔點(diǎn)金屬(W,Mo,Ta,Nb)制成的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料加熱電阻絲、舟或坩堝第81頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.3物理氣相沉積第82頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六常用蒸發(fā)源加熱絲加熱舟坩堝盒狀源（KnudsenCell）5.3物理氣相沉積第83頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六將用絕緣材料(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2、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)特點(diǎn)：加熱均勻5.3物理氣相沉積第84頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六3、電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)方法:用高能聚焦的電子束熔解并蒸發(fā)材料電子束加熱原理:是基于電子在電場(chǎng)作用下,獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料,使蒸發(fā)材料加熱氣化5.3物理氣相沉積電子束蒸發(fā)裝置組成:電子束加熱槍：燈絲+加速電極+偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成蒸發(fā)坩堝：陶瓷坩堝或水冷銅坩堝第85頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六被蒸發(fā)的材料是放在水冷的坩堝中,因而可以避免容器材料的蒸發(fā),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-坩堝內(nèi)部形成一個(gè)虛的“坩堝”-“skulling”可以制備難熔金屬薄膜,如W,Mo,Ge等和氧化物薄膜,如SiO2,Al2O3等.特別是制備高純度薄膜.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；–電離率比較低電子束蒸發(fā)的特點(diǎn)5.3物理氣相沉積第86頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六E-GunCrucibleSubstratefixture5.3物理氣相沉積第87頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六常用蒸發(fā)材料形態(tài)5.3物理氣相沉積第88頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六4、脈沖激光沉積用高能聚焦激光束轟擊靶材5.3物理氣相沉積第89頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六激光束的斑點(diǎn)很小,蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周圍的局部區(qū)域,可以避免坩堝材料對(duì)蒸發(fā)材料的污染,提高薄膜純度,

激光加熱源,功率密度高,可以蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料,沉積含有不同熔點(diǎn)材料的化合物薄膜可保證成分的比例,特別適合于蒸發(fā)那些成分比較復(fù)雜的合金或化合物材料.蒸氣的成分與靶材料基本相同，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；光束滲透深度小~100A,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；不要求高真空，但激光器價(jià)格昂貴脈沖激光蒸發(fā)的特點(diǎn)5.3物理氣相沉積第90頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.3物理氣相沉積第91頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5、多組分薄膜的蒸發(fā)方法多源順序蒸發(fā),形成多層膜,再進(jìn)行要退火5.3物理氣相沉積第92頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六臺(tái)階和犁溝的陰影效應(yīng):蒸發(fā)分子流受到工件形狀的影響導(dǎo)致陰影效應(yīng)；臺(tái)階的陰影效應(yīng)；–與臺(tái)階的高度和臺(tái)階與蒸發(fā)源的相對(duì)位置有關(guān)；–旋轉(zhuǎn)基片不能改善臺(tái)階的陰影效應(yīng)犁溝的自封閉；–犁溝的自封閉與犁溝的深度和寬度有關(guān)；6、薄膜的均勻性5.3物理氣相沉積第93頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六蒸發(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(shí)間7、薄膜的純度生長(zhǎng)材料的分子殘留氣體分子Pressure(Torr)Time10-40.02s10-50.2s10-62s10-720s10-83min10-935min10-106hr10-113daysSubstrate5.3物理氣相沉積提高薄膜純度的方法：–降低殘余氣體分壓,提高真空度；–提高基片溫度,提高沉積速率；第94頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六二、濺射鍍膜濺射鍍膜是利用電場(chǎng)對(duì)輝光放電過程中產(chǎn)生出來的帶電離子進(jìn)行加速，使其獲得一定的動(dòng)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。5.3物理氣相沉積輝光放電第95頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六++++++Al靶Al膜濺射沉積薄膜原理陽陰避免金屬原子氧化真空Ar氣Ar+Al膜與硅片之間的結(jié)合力比蒸發(fā)法要好Al靶5.3物理氣相沉積第96頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六濺射過程的物理模型5.3物理氣相沉積濺射靶材第97頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六濺射特性參數(shù)（1）濺射閾值：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10～20eV。

（2）濺射率：正離子轟擊靶陰極時(shí)平均每個(gè)正離子能從靶材中打擊出的粒子數(shù)，又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，S。

S=Ns/NiNi-入射到靶表面的粒子數(shù)Ns-從靶表面濺射出來的粒子數(shù)5.3物理氣相沉積第98頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六影響因素①入射離子能量5.3物理氣相沉積第99頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六②靶材種類③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)。一般規(guī)律：濺射率隨靶材元素的原子序數(shù)增大而增大Cu、Ag、Au較大C、Si、Ti、V、Ta、W等較小濺射率依賴于入射離子的能量，相對(duì)原子質(zhì)量越大，濺射率越高。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。惰性氣體的濺射率最高。5.3物理氣相沉積第100頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六④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⑤濺射溫度靶材5.3物理氣相沉積第101頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（3）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)、粒子能量和速度。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的方向性有關(guān)，其能量可比蒸發(fā)原子的能量大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。（4）濺射粒子的角分布

濺射原子的角度分布符合Knudsen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)。5.3物理氣相沉積第102頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適合于濺射金屬薄膜但直流濺射中靶材只接收正離子,如果靶材是絕緣材料,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升,陰陽兩極電勢(shì)減小,使濺射不能持續(xù)進(jìn)行.1、直流濺射惰性氣體5.3物理氣相沉積第103頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六與直流濺射相比,濺射電壓低,可以濺射絕緣靶材，制備介質(zhì)薄膜射頻濺射原理:交變電場(chǎng)使得靶材正半周接收電子,負(fù)半周接收正離子,相互中和,從而使陰陽兩極電位的大小保持穩(wěn)定,使濺射能夠持續(xù)進(jìn)行.2、射頻濺射惰性氣體5.3物理氣相沉積第104頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六3、反應(yīng)濺射活性氣體+惰性氣體可以制備化合物薄膜5.3物理氣相沉積第105頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六4、磁控濺射磁控濺射：使電子的路徑不再是直線，而是螺旋線，增加了與氣體原子發(fā)生碰撞的幾率，在同樣的電壓和氣壓下可以提高氣體電離的效率，提高了沉積速率．5.3物理氣相沉積第106頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六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物理氣相沉積第107頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六附加磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)限制濺射離子的軌道增加離子在氣體中停留的時(shí)間增強(qiáng)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撞高磁場(chǎng)附近的產(chǎn)值比較高5.3物理氣相沉積第108頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六磁控濺射中的重要參數(shù)濺射電流(生長(zhǎng)速率)壓強(qiáng)(濺射粒子的最高能量)靶材-襯底之間的距離(多孔性、質(zhì)地、晶體性）反應(yīng)氣體混合比(化學(xué)配比)襯底溫度(晶體性、密度和均勻性)襯底偏壓(薄膜結(jié)構(gòu)和化學(xué)配比)5.3物理氣相沉積第109頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.離子束濺射

采用單獨(dú)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>10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。優(yōu)點(diǎn)：轟擊離子的能量和束流密度獨(dú)立可控，基片不直接接觸等離子體，有利于控制膜層質(zhì)量。缺點(diǎn)：速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難5.3物理氣相沉積第110頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六三、離子成膜1.離子鍍及其原理：

真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時(shí)，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行的鍍膜技術(shù)。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場(chǎng)作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），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。5.3物理氣相沉積第111頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六①真空度②放電氣體種類與壓強(qiáng)③蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大?、芤r底負(fù)偏壓與離子電流⑤襯底溫度⑥襯底與蒸發(fā)源的相對(duì)距離。主要影響因素：5.3物理氣相沉積第112頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

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。真空蒸鍍：熱蒸鍍?cè)蛹s0.2eV濺射：濺射原子約1-50eV離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV離子鍍的目的：提高膜層與基片之間的結(jié)合強(qiáng)度。離子轟擊可消除污染、還能形成共混過渡層、實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。5.3物理氣相沉積蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。

例如，蒸鍍時(shí)在基片上加上負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見下圖。第113頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六2離子鍍的類型和特點(diǎn)

離子鍍?cè)O(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?cè)O(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。（1）空心陰極離子鍍（HCD）國(guó)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)生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽極）鍍料是陽極弧光放電時(shí)，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍蒸鍍時(shí)基片上加負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引Ar離子向基片轟擊，實(shí)現(xiàn)離子鍍5.3物理氣相沉積第114頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.3物理氣相沉積第115頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（2）多弧離子鍍?cè)恚憾嗷‰x子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，裝置無需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃依靠引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材表面的一個(gè)或幾個(gè)密集的弧斑處進(jìn)行。5.3物理氣相沉積弧斑直徑小于100um；弧斑電流密度105-107A/cm2；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。特點(diǎn)：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(jiǎn)化。第116頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（3）離子束輔助沉積低能的離子束1用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉積在基底上；離子束2起轟擊（注入）作用，同時(shí)，可在室溫或近似室溫下合成具有良好性能的合金、化合物、特種膜層，以滿足對(duì)材料表面改性的需要。5.3物理氣相沉積第117頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六第118頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六5.4外延膜沉積技術(shù)外延是指沉積膜與基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時(shí)，在基片上取向或單晶生長(zhǎng)同一物質(zhì)的方法。當(dāng)外延膜在同一種材料上生長(zhǎng)時(shí)，稱為同質(zhì)外延，如果外延是在不同材料上生長(zhǎng)則稱為異質(zhì)外延。外延用于生長(zhǎng)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、膜的完整性以及摻雜級(jí)別。第119頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六外延特點(diǎn)：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pn結(jié)的特點(diǎn)5.4外延膜沉積技術(shù)外延分類：①按工藝分類A氣相外延（VPE）：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。B液相外延（LPE）：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。此法廣泛應(yīng)用于III-V族化合半導(dǎo)體的生長(zhǎng)。原因是化合物在高溫下易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。第120頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六C固相外延（SPE）D分子束外延（MBE）：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到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。特點(diǎn)：生長(zhǎng)時(shí)襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的精確控制。

5.4外延膜沉積技術(shù)②按導(dǎo)電類型分類n型外延：n/n,n/p外延；p型外延：p/n,p/p外延③按反應(yīng)室形式臥式：產(chǎn)量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但是生成的外延層的厚度和電阻率的均勻性較差，外延生長(zhǎng)時(shí)易出現(xiàn)滑移位錯(cuò)及片子彎曲。立式：維護(hù)容易，外延層的厚度和電阻率的均勻性及自摻雜效應(yīng)能得到較好的控制；但設(shè)備大型話，制造難度大。桶式：較好的防止外延滑移位錯(cuò)，外延層的厚度和電阻率的均勻性好；但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護(hù)。第121頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六④按材料異同分類同質(zhì)外延（autoepitaxy）：外延層和襯底為同種材料例如硅上外延硅。異質(zhì)外延（heteroepitaxy）：外延層和襯底為不同種材料。例如SOI((絕緣體上硅)是一種特殊的硅片，其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入絕緣層———埋氧層來隔斷有源層和襯底之間的電氣連接)5.4外延膜沉積技術(shù)⑤按電阻率高低分類正外延：低阻襯底上外延高阻層n/n+

反外延：高阻襯底上外延低阻層第122頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六硅的氣相外延（1）原理：在氣相外延生長(zhǎng)過程中，有兩步：質(zhì)量輸運(yùn)過程－－反應(yīng)劑輸運(yùn)到襯底表面表面反應(yīng)過程－－在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出硅原子①外延的過程5.4外延膜沉積技術(shù)②外延反應(yīng)劑通常用的外延反應(yīng)劑：SiCl4(*)、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3第123頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六③SiCl4外延反應(yīng)SiCl4＋2H2<---->Si+4HCl（1200度左右）（生長(zhǎng)，腐蝕）SiCl4＋Si<---->2SiCl2（腐蝕硅）H2的作用：運(yùn)載和稀釋氣體；還原劑上述兩個(gè)反應(yīng)的綜合結(jié)果外延生長(zhǎng)的同時(shí)伴隨有襯底的腐蝕。5.4外延膜沉積技術(shù)第124頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六原理圖：5.4外延膜沉積技術(shù)第125頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（2）外延生長(zhǎng)速率①控制外延速率很關(guān)鍵過快可能造成：多晶生長(zhǎng)；外延層中有過多的堆跺層錯(cuò)；夾渣5.4外延膜沉積技術(shù)第126頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六②影響外延生長(zhǎng)速率的因素A反應(yīng)劑的濃度工業(yè)典型條件5.4外延膜沉積技術(shù)第127頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六②影響外延生長(zhǎng)速率的因素B外延的溫度在實(shí)際生產(chǎn)中：外延溫度選擇在B區(qū)原因有二。a）B區(qū)的溫度依賴型強(qiáng)；b）淀積的硅原子也需要足夠的能量和遷移能力，高溫5.4外延膜沉積技術(shù)第128頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六②影響外延生長(zhǎng)速率的因素C氣體流速由于1200高溫下到達(dá)襯底表面的不會(huì)堆積：因此流速越大，外延層的生長(zhǎng)速率越快。5.4外延膜沉積技術(shù)第129頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六①系統(tǒng)要求

氣密性好；溫度均勻；氣流均勻；反應(yīng)劑和摻雜劑的濃度和流量精確可控；外延前能對(duì)襯底做氣相拋光；5.4外延膜沉積技術(shù)第130頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六（3）系統(tǒng)及工序5.4外延膜沉積技術(shù)第131頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六分子束外延（MBE)

分子束外延是在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強(qiáng)度，并使其在加熱的基片上進(jìn)行外延生長(zhǎng)的一種技術(shù)。從本質(zhì)上講，分子束外延也屬于真空蒸發(fā)方法。5.4外延膜沉積技術(shù)第132頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六1、分子束外延（2）設(shè)備第4章外延工藝

三、其它外延第133頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六1342、異質(zhì)外延

（1）概述異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOS材料。第4章外延工藝

三、其它外延第134頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六134分子束外延（MBE)特點(diǎn)(1)由于系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體(如殘余氣體)不易進(jìn)人薄膜，薄膜的純度高。(2)外延生長(zhǎng)一般可在低溫下進(jìn)行。(3)可嚴(yán)格控制薄膜成分以及摻雜濃度。(4)對(duì)薄膜進(jìn)行原位檢測(cè)分析，從而可以嚴(yán)格控制薄膜的生長(zhǎng)及性質(zhì)。當(dāng)然，分子束外延生長(zhǎng)方法也存在著一些問題，如設(shè)備昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、生長(zhǎng)時(shí)間過長(zhǎng)、不易大規(guī)模生產(chǎn)等。5.4外延膜沉積技術(shù)第135頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六

分子束外延的基本裝置由超高真空室(背景氣壓1.3X10-9Pa),基片加熱塊、分子束盒、反應(yīng)氣體進(jìn)入管、交換樣品的過渡室組成。外，生長(zhǎng)室包含許多其他分析設(shè)備用于原位監(jiān)視和檢測(cè)基片表面和膜，以便使連續(xù)制備高質(zhì)量外延生長(zhǎng)膜的條件最優(yōu)化。除了具有使用高純?cè)亍?.4外延膜沉積技術(shù)第136頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六液相外延生長(zhǎng)(LPE)

液相外延生長(zhǎng)原則上講是從液相中生長(zhǎng)膜，溶有待鍍材料的溶液是液相外延生長(zhǎng)中必需的。當(dāng)冷卻時(shí)，待鍍材料從溶液中析出并在相關(guān)的基片上生長(zhǎng)。對(duì)于液相外延生長(zhǎng)制備薄膜，溶液和基片在系統(tǒng)中保持分離。在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)溫度下，溶液因含有待鍍材料而達(dá)到飽和狀態(tài)。然后將溶液與基片的表面接觸，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，一段時(shí)間后即可獲得所要的薄膜，而且，在膜中也很容易引人摻雜物。5.4外延膜沉積技術(shù)第137頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六熱壁外延生長(zhǎng)(HWE)

熱壁外延是一種真空沉積技術(shù)，在這一技術(shù)中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長(zhǎng)，這一生長(zhǎng)過程是通過加熱源材料與基片材料間的容器壁來實(shí)現(xiàn)的。蒸發(fā)材料的損失保持在最小;生長(zhǎng)管中可以得到潔凈的環(huán)境;管內(nèi)可以保待相對(duì)較高的氣壓;源和基片間的溫差可以大幅度降低。5.4外延膜沉積技術(shù)第138頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六異質(zhì)外延：異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOS材料。襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免生長(zhǎng)的外延層由生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫時(shí)，熱膨脹產(chǎn)生殘余應(yīng)力，截面位錯(cuò)，甚至外延層破裂現(xiàn)象發(fā)生襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象5.4外延膜沉積技術(shù)異質(zhì)外延的相容性第139頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六異質(zhì)外延的失配率其中：a外延層參數(shù)；a’襯底參數(shù)。有熱膨脹系數(shù)失配率和晶格常數(shù)失配率5.4外延膜沉積技術(shù)第140頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六異質(zhì)外延的反相疇又叫反相混亂，例如非極性的Si上生長(zhǎng)極性GaAs在生長(zhǎng)的初期Si襯底上有的區(qū)域附著Ga，有的區(qū)域附著As，不能形成單相的GaAs層，這就叫反相疇。因此常用MBE法外延GaAs。5.4外延膜沉積技術(shù)第141頁，共153頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)41分，星期六傳統(tǒng)同質(zhì)外延生長(zhǎng)，單晶半導(dǎo)體層是生長(zhǎng)在單晶的半導(dǎo)體襯底上．此半導(dǎo)體層和襯底為相同的材料，有相同的晶格常數(shù)．因此同質(zhì)外延是名符其實(shí)的晶格匹配外延工藝．同質(zhì)外延工藝提供了一種控制摻雜濃度分布的重要方法，使器件和電路表現(xiàn)可以最佳化．例