物理氣相淀積

8.1PVD概述8.2真空系統(tǒng)及真空的獲得8.3真空蒸鍍8.4濺射8.5PVD金屬及化合物薄膜物理氣相淀積（Physicalvapordeposition，PVD）是利用某種物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由（靶）源氣相轉(zhuǎn)移到襯底表面形成薄膜的過程。真空蒸發(fā)和濺射方法蒸發(fā)必須在高真空度下進(jìn)行。濺射是在氣體輝光放電的等離子狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。PVD常用來制備金屬薄膜:如Al,Au,Pt,Cu，合金及多層金屬。8.1PVD概述設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快生長(zhǎng)機(jī)理簡(jiǎn)單真空蒸鍍法主要缺點(diǎn)所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)階覆蓋能力差已為濺射法和化學(xué)氣相淀積法所代替真空蒸鍍法優(yōu)點(diǎn)濺射濺射優(yōu)點(diǎn)淀積薄膜與襯底附著性好淀積多元化合金薄膜時(shí)組分容易控制較高的薄膜濺射質(zhì)量濺射缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴

真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)即利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出，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。制備的一般是多晶金屬薄膜。8.2真空系統(tǒng)及真空的獲得

低真空：1~760Torr，102~105Pa中真空：10-3~1Torr，10-1~102Pa高真空：10-7~10-3Torr，10-5~10-1Pa超高真空：<10-7Torr，<10-5Pa

1atm=760Torr，1Torr=133.3Pa

半導(dǎo)體工藝設(shè)備一般工作在低、中真空度。而在通入工作氣體之前，設(shè)備先抽至高、超高真空度。蒸鍍過程源受熱蒸發(fā)；氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)；被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積：凝結(jié)→成核→生長(zhǎng)→成膜8.3真空蒸鍍

蒸鍍過程基本參數(shù)汽化熱ΔH被蒸發(fā)的原子或分子需克服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定動(dòng)能的氣相原子或分子所需的能量。常用金屬材料汽化熱

/原子（分子）在蒸發(fā)溫度下的動(dòng)能

/原子（分子）什么是飽和蒸汽壓蒸汽壓指在液（固）表面存在該物質(zhì)的蒸汽，這蒸汽對(duì)液（固）表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是該液體的蒸汽壓。平衡(飽和)蒸汽壓指一定的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)(或固態(tài))處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫飽和蒸汽壓。蒸發(fā)溫度在平衡蒸汽壓為1.333Pa時(shí)所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)溫度蒸汽壓分子平均自由程

粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離真空蒸鍍－－氣相輸運(yùn)過程基本參數(shù)真空蒸鍍－－成膜過程基本參數(shù)8.3.2設(shè)備與方法設(shè)備由三部分組成：真空室抽氣系統(tǒng)測(cè)試部分蒸發(fā)方法：?jiǎn)谓M份、多組份蒸發(fā)；襯底是否加熱，冷蒸或熱蒸；按加熱器分類。8.3.2蒸鍍?cè)O(shè)備主要采用的加熱器類型及性能

電阻加熱蒸鍍電子束(EB)蒸鍍激光蒸鍍高頻感應(yīng)蒸鍍

電阻加熱器出現(xiàn)最早，工藝簡(jiǎn)單；但有加熱器污染，薄膜臺(tái)階覆蓋差，難鍍高熔點(diǎn)金屬問題。對(duì)電阻加熱材料要求：熔點(diǎn)要高；飽和蒸氣壓要低；化學(xué)穩(wěn)定性好。電子束(EB)加熱EB蒸鍍基于電子在電場(chǎng)作用下，獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使其加熱汽化。EB蒸鍍相對(duì)于電阻加熱蒸鍍雜質(zhì)少，去除了加熱器帶來的玷污；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)金屬；熱效率高；EB蒸鍍薄膜有輻射損傷，即薄膜電子由高激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產(chǎn)生的；也有設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。電子束加熱器激光蒸鍍利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱，稱為激光束加熱蒸發(fā)法。激光束加熱的特點(diǎn)是加熱溫度高，可避免坩堝的污染，材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程容易控制。激光加熱法特別適應(yīng)于蒸發(fā)成份比較復(fù)雜的合金或化合物材料。高頻感應(yīng)蒸發(fā)高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是通過高頻感應(yīng)對(duì)裝有蒸發(fā)源的坩堝進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失(對(duì)鐵磁體)，致使蒸發(fā)材料升溫,直至汽化蒸發(fā)。多組分薄膜的蒸鍍方法(a)單源蒸發(fā)法(b)多源同時(shí)蒸發(fā)法8.3.3蒸鍍工藝8.3.4蒸鍍薄膜的質(zhì)量及控制

真空度臺(tái)階覆蓋特性蒸發(fā)速率

蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩日舭l(fā)的原子（或分子）的輸運(yùn)應(yīng)為直線，真空度過低，輸運(yùn)過程被氣體分子多次碰撞散射，方向改變，動(dòng)量降低，難以淀積到襯底上。真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子或分子在輸運(yùn)過程中氧化，同時(shí)也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會(huì)淀積在襯底上，影響淀積薄膜質(zhì)量。臺(tái)階覆蓋特性

在有深寬比為1的微結(jié)構(gòu)襯底上蒸鍍薄膜的臺(tái)階覆蓋蒸發(fā)速率

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)。

8.4濺射濺射具有一定能量的入射離子在對(duì)固體表面進(jìn)行轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來。熱蒸發(fā)本質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化

濺射本質(zhì)能量和動(dòng)量，原子具有方向性濺射過程建立在輝光放電的基礎(chǔ)上；微電子工藝中的濺射，是指利用氣體輝光放電時(shí)，離子對(duì)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。8.4.1工藝機(jī)理真空室通入少量氬或其它惰性氣體，在初、中空度真下，加高壓或高頻電場(chǎng)，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場(chǎng)作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達(dá)襯底淀積成膜。入射離子濺射分析濺射出的原子，獲得很大動(dòng)能，約10-50eV。和蒸鍍相比（約0.2eV）濺射原子在基片表面上的遷移能力強(qiáng)，改善了臺(tái)階覆蓋性，以及與襯底的附著力。8.4.2濺射特性濺射閾值每一種靶材，都存在一個(gè)能量閾值，低于這個(gè)值就不會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺射閾值與入射離子質(zhì)量無關(guān)，而主要取決于靶特性。濺射率S

又稱濺射產(chǎn)額

S=濺射出的靶原子數(shù)／入射離子數(shù)。濺射粒子的速度和能量濺射率的影響因素S與入射離子能量的關(guān)系濺射率的影響因素S與入射離子種類的關(guān)系：原子量;原子序數(shù)(周期性);惰性氣體的濺射率最高。S與靶的關(guān)系：隨靶原子序數(shù)增加而增大。濺射率的影響因素S與離子入射角的關(guān)系：S還與靶溫、靶晶格結(jié)構(gòu)，靶的表面情況、濺射壓強(qiáng)、升華熱的大小等因素有關(guān)。被濺射出的粒子的速度和能量重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。不同靶逸出能不同，濺射率高的靶，逸出能較低。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10eV；重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約30-40eV。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）直流濺射射頻濺射磁控濺射反應(yīng)濺射離子束濺射偏壓濺射1直流濺射最早出現(xiàn)，是將靶作為陰極，只能制備導(dǎo)電的金屬薄膜，濺射速率很慢。工作氣壓是一個(gè)重要參數(shù)氣壓和淀積速率的關(guān)系2射頻濺射在射頻電場(chǎng)作用下，氣體電離為等離子體。靶相對(duì)于等離子體而言是負(fù)極，被轟擊濺射；襯底放置電極與機(jī)殼相連，鞘層壓降很小，與等離子體基本等電位?？蔀R射介質(zhì)薄膜，如SiO2等；功率大，對(duì)人身防護(hù)成問題。13.56MHz3磁控濺射在陰極靶面上建立一個(gè)磁場(chǎng)，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)電子飛向陽極的行程，使其盡可能多產(chǎn)生幾次碰撞電離從而增加了離子密度，提高濺射效率。也只能制備金屬導(dǎo)電薄膜。濺射質(zhì)量和速率有了很大提高。4反應(yīng)濺射用化合物作靶可實(shí)現(xiàn)多組分薄膜淀積，但得到的薄膜往往與靶的化學(xué)組成有很大的差別。可采取反應(yīng)濺射，在濺射室通入反應(yīng)氣體，如：O2，N2，H2S，CH4，生成：氧化物：Al2O3，SiO2，In2O3等碳化物：SiC，WC，TiC等氮化物：TiN，AlN，Si3N4等硫化物：CdS，ZnS等各種復(fù)合化合物8.4.4設(shè)備北京世華尖峰精儀（AJA）的ATC系列磁控濺射系統(tǒng)均勻性:好于+/-2%；濺射室直徑13到34英寸.最多可安13只靶槍，可直流或射頻濺射。基片可加熱、冷卻、RF偏壓、B磁場(chǎng)。真空室可達(dá)2×10-8Torr。典型應(yīng)用領(lǐng)域:CD/DVD磁盤鍍膜(例如:反射,換相)

減反/硬度/色彩)

半導(dǎo)