第8章 物理氣相淀積

Chap8物理氣相淀積真空蒸發(fā)法濺射物理氣相淀積(PVD)定義：利用某種物理過(guò)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)移到襯底表面上，并淀積成薄膜基本方法及發(fā)展：蒸發(fā)：薄膜淀積技術(shù)發(fā)展的初階段因有較高的淀積速率，相對(duì)高的真空度，以及由此導(dǎo)致較高的薄膜質(zhì)量，故受重視。缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力差，淀積多元化合金薄膜時(shí)組分難以控制。濺射：淀積多元化合金薄膜時(shí)組分易控制，高純靶材、高純氣體和制備技術(shù)的發(fā)展，也使濺射法淀積薄膜的質(zhì)量得到提高。故濺射法已基本取代真空蒸發(fā)法。真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，加熱蒸發(fā)源，使原子獲得足夠的能量后便可以脫離蒸發(fā)源表面的束縛成為蒸汽原子，入射到晶片上，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。特點(diǎn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單，操作容易，所制備的薄膜純度高，厚度控制比較精確，成膜速率快，生長(zhǎng)機(jī)理簡(jiǎn)單等。缺點(diǎn)：形成的薄膜與襯底附著力較小，工藝重復(fù)性不夠理想，臺(tái)階覆蓋的能力差真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸法設(shè)備（1）真空系統(tǒng)（2）蒸發(fā)系統(tǒng)（3）基板及加熱系統(tǒng)真空蒸法過(guò)程:加熱蒸發(fā)過(guò)程：對(duì)蒸氣源進(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?yōu)檎魵鈿饣踊蚍肿釉谡舭l(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過(guò)程：原子或分子在真空環(huán)境中，由源飛向硅片，飛行過(guò)程中可能與真空室內(nèi)的殘余氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數(shù)取決于真空度以及源到硅片之間的距離。被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過(guò)程：飛到襯底表面的原子在表面上凝結(jié)、成核、生長(zhǎng)和成膜過(guò)程。蒸發(fā)概念介紹汽化熱：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，克服固相的原子束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動(dòng)能的氣相原子或分子，該能量為汽化熱ΔH，常用金屬的ΔH為4eV蒸汽壓：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(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的壓力為飽和蒸汽壓需要真空環(huán)境的原因：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(dòng)，以保證被蒸發(fā)的原子或分子有效的淀積在襯底上真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會(huì)使金屬原子或分子在輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生氧化，同時(shí)也將使加熱的襯底表面發(fā)生氧化。系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質(zhì)原子或分子也會(huì)淀積在襯底上，從而嚴(yán)重的影響了淀積薄膜的質(zhì)量。多組分薄膜制備單源蒸發(fā)多源同時(shí)蒸發(fā)多源順序蒸發(fā)蒸發(fā)源-電阻加熱源電阻加熱源加熱體：1.熔點(diǎn)要高、飽和蒸汽壓要低、化學(xué)性能穩(wěn)定；2.鎢、鉬、鉭和石墨等。蒸發(fā)源-電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源：比電阻加熱源更高的能量密度高純度薄膜的淀積熱效率高蒸發(fā)源-激光加熱源激光加熱源：功率密度高被蒸發(fā)材料局部氣化，防止坩堝材料的污染，提高薄膜質(zhì)量可淀積不同熔點(diǎn)的化合物薄膜真空室內(nèi)裝備簡(jiǎn)單，可獲得高真空度價(jià)格昂貴。TargetholderSubstrateholderLaserdirectionPLDequipment蒸發(fā)源-高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源蒸發(fā)速率大蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象溫度控制精度高，操作比較簡(jiǎn)單價(jià)格昂貴物理氣相淀積真空蒸發(fā)法濺射濺射基礎(chǔ)-氣體輝光放電濺射的過(guò)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都是來(lái)源于氣體放電。湯生放電反輝光自然電離源湯生放電-自然電離源濺射基礎(chǔ)-氣體輝光放電濺射的過(guò)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都是來(lái)源于氣體放電；因正常輝光放電時(shí)的電流密度仍然比較小，濺射選在反常輝光放電區(qū)(e-f)。湯生放電反輝光擊穿自然電離源氣體輝光放電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、原子團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。等離子體中高速運(yùn)動(dòng)的電子與其他粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機(jī)制。直流輝光放電和射頻（5-30MHz）輝光放電。成膜腐蝕氧化直流和射頻產(chǎn)生的等離子體電場(chǎng)分布圖由于電子速度快。光強(qiáng)，電荷分布及等離子體（plasma）濺射（Sputtering）利用離子對(duì)濺鍍物體電極的轟擊（Bombardment）使氣相中具有被鍍物的粒子（如原子），再來(lái)沉積薄膜。（清洗基板表面、蝕刻造型）濺射和蒸鍍：濺射粒子和基板之間有較大的能量傳遞：10-50eV；而蒸鍍只有0.1-0.2eV。濺射原子具有更大的動(dòng)能，在電極表面有更高的遷移能力，改善了臺(tái)階覆蓋和薄膜與襯底之間的附著力。濺射特性：濺射閾值

每個(gè)靶材都有一個(gè)濺射能量閾值，高于該值才發(fā)生濺射；10-30eV；1.與靶材材料本身有關(guān)。2.與入射離子質(zhì)量關(guān)系不大？（關(guān)旭東）WhereU0istheheatofvaporizationandτistheenergy；transferparametergivenby:WhereM1andM2arethemassofthesputteringion，andthesputteredmaterial,andτreachesamaximumM1~M2thenmaxτ,thenminEth。濺射特性：濺射閾值濺射特性：濺射率:轟擊時(shí)，每個(gè)正離子能從靶上打出的原子數(shù)目(S：atom/ion)。1.與入射離子能量：

先增加后平緩最后降低，發(fā)生離子注入濺射特性：濺射率:2.與被濺射物質(zhì)的種類：隨靶元素原子序數(shù)增加而增大；被濺射的原子濺射特性：濺射率:3.與入射離子種類：電子殼層填滿的元素的濺射率最大。濺射特性：濺射率:4.與入射角：隨入射角的增加，濺射率以1/cosθ規(guī)律增加。~70-80oC濺射特性：濺射原子的能量和速度重元素靶材被濺射出來(lái)的原子有較高的逸出能量，輕元素靶材被濺射出來(lái)的原子有較高的逸出速度；濺射率高的靶材料，原子平均逸出能通常較低；相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕的入射離子濺射出的離子其逸出能量較低；

濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子的能量增加而增加，當(dāng)入射離子能量達(dá)到1keV以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。濺射方法直流濺射：淀積金屬薄膜。射頻濺射：適用于淀積各種金屬和非金屬薄膜。直流和射頻濺射比較（絕緣靶材）InsulatorswithoutRF:-Ionsstrikesurfacescausingsecondaryelectronemission-surfacesbecomecharged-plasmaquenchesWithRF:-electronsmovefasterthanions,below10KHzdarkspacesoscillatewithfield-above10kHzionscan’tkeepupwithfieldbutelectronscan(plasmastayspositive)-electronsacceleratedfrombothsurfaces,sobothsurfacesbecomenegativelycharged(sonoelectronrepulsion)-ionsattractedtobothelectrodesbutplasmaachievessteadystateWithRF濺射方法(Cont.)-磁控濺射工作原理：磁控濺射工作原理：利用輝光放電可以進(jìn)行直流二極濺射，在冷陰極輝光放電中，由于離子轟擊會(huì)從陰極表面放出二次電子，這些二次電子在電場(chǎng)的作用下被加速，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氣體分子發(fā)生電離碰撞，由此維持放電的正常進(jìn)行。當(dāng)在該電場(chǎng)上加上磁場(chǎng)時(shí)：滿足一定條件，高速電子的軌跡將會(huì)被改變。平行純磁場(chǎng)，theta不為0Theta不為0濺射方法(Cont.)-磁控濺射工作原理如果在陰極表面附近施加和電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)，那么電子將作回旋運(yùn)動(dòng)，其軌跡為一圓形滾線。這樣電離碰撞的次數(shù)要明顯增加，即使在比較低的濺射氣壓下也能維持放電。濺射方法(Cont.)-磁控濺射磁控濺射工作原理(cont.)：就是以磁場(chǎng)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，并束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電子對(duì)工作氣體的電離幾率，有效利用了電子的能量。從而使正離子對(duì)靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，同時(shí)受正交電磁場(chǎng)束縛的電子又只能在其能量耗盡時(shí)才能沉積在基片上，這就使磁控濺射具有“低溫、高速”兩大特點(diǎn)。磁控濺射的兩種工作方式濺射方法(Cont.)-磁控濺射優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)一般濺射淀積的缺點(diǎn)：淀積速率較低；工作氣壓較高，對(duì)薄膜產(chǎn)生污染。磁控濺射為淀積速率比一般方法高一個(gè)數(shù)量級(jí)；工作氣壓低，薄膜質(zhì)量好。缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁性材料的低溫高速濺射，因?yàn)閹缀跛玫拇磐慷际峭ㄟ^(guò)磁性靶的，所以在靶附近不能外加強(qiáng)磁場(chǎng)；靶的利用率較低（約30%），這是由于靶的侵蝕不均勻造成的。濺射方法(Cont.)反應(yīng)濺射：淀積化合物(如TiN)氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等。濺射方法

（Cont.)偏壓濺射在襯底與靶材之間加偏壓，以改變?nèi)肷涞揭r底表面的帶電粒子的數(shù)量和能量；帶電粒子對(duì)表面的轟擊可以提高淀積原子在薄膜表面的擴(kuò)散和參加化學(xué)反應(yīng)的能力，提高薄膜的密度和成膜能力，抑制柱狀晶生長(zhǎng)和細(xì)化薄膜晶粒等；還可改善薄膜中的氣體含量；為改善濺射沉積形成的薄膜組織及性能的最常用的而且也是最有效的手段之一。濺射方法

（Cont.)長(zhǎng)投準(zhǔn)直濺射技術(shù)靶與硅片之間的距離很長(zhǎng)，等離子體在低壓下產(chǎn)生，小角度射出的原子幾乎無(wú)碰撞以直線軌跡到達(dá)硅片表面。問(wèn)題：反應(yīng)室室壁污染，遠(yuǎn)離硅片中心的通孔臺(tái)階覆蓋不對(duì)稱，低壓下獲得等離子體難。濺射方法接觸孔中薄膜的濺射淀積（深寬比大于一）濺射原子離開(kāi)靶面時(shí)遵守余弦分布，故濺射原子在襯底表面和接觸孔上表面的拐角處，沉積速率最高，側(cè)壁適中，底角最低?？刹捎脦?zhǔn)直器的濺射淀積方法（降低淀積速率，換準(zhǔn)直器增加了成本）混合濺射方法濺射成膜方法總結(jié)：AdvantagesofSputterDeposition:-moreconformalthanevaporativedeposition(EvapD)-betterthicknessuniformityandcompatiblewith-batchprocessing(vs.EvapD)-easierstoichiometrycontrolthanEvapDorCVD-canbedonewithalmostanymaterial(unlikeCVD)-arrivingatomshavehigherenergies+highereffectivesurfacediffusivity-createssubsurfacedefects-amenabletobatchprocessing