(8)物理氣相淀積

1、第8章 物理氣相淀積（Physical Vapor Deposition）,,微電子工藝(8)----薄膜技術(shù),8.1 PVD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8.5 PVD金屬及化合物薄膜,物理氣相淀積（Physical vapor deposition，PVD）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（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

2、射是在氣體輝光放電的等離子狀態(tài)實現(xiàn)。,PVD常用來制備金屬薄膜:如Al, Au, Pt, Cu，合金及多層金屬。,8.1 PVD概述,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，102~105

3、Pa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。,氣體流動及導(dǎo)率----氣體動力學(xué),氣流用標(biāo)準(zhǔn)體積來測量，指相同氣體,在0℃和1atm下所占的體積。,質(zhì)量流速qm

4、 (g/s)：,氣體流量Q (L·atm/min)：,G----在體積V內(nèi)氣體的質(zhì)量ρ----質(zhì)量密度,C與電導(dǎo)率一樣并聯(lián)相加；串聯(lián)時倒數(shù)相加若大量氣體流過真空系統(tǒng)，要保持腔體壓力接近泵的壓力，就要求真空系統(tǒng)有大的傳導(dǎo)率----管道直徑；泵放置位置,泵入口壓力,氣體傳導(dǎo)率C,泵的抽速Sp----體積置換率,8.2.2真空的獲得方法,初、中真空度的獲得用活塞/葉片/柱塞/隔膜的機(jī)械運動將氣體正向移位有三步驟：捕捉氣體-壓

5、縮氣體-排出氣體壓縮比,真空泵,旋片泵 旋片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、定蓋、彈簧等零件組成。其結(jié)構(gòu)是利用偏心地裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動的借助彈簧張力和離心力緊貼在定子內(nèi)壁的兩塊旋片。,旋片泵工作原理圖    1-泵體;2-旋片;3-轉(zhuǎn)子;4 -彈簧;5-排氣閥,兩個旋片把轉(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)

6、抽氣的目的。,在泵腔內(nèi)，有二個“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動。壓縮比30：1,羅茨泵,在0°位置時下轉(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。,當(dāng)轉(zhuǎn)到90°位置時,下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。,當(dāng)轉(zhuǎn)

7、子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135°時，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v0體積的氣體。,高、超高真空度的獲得,在微電子加工領(lǐng)域，高真空泵分為兩類： （1）轉(zhuǎn)移動量給氣態(tài)分子而抽吸氣體 （2）俘獲氣體分子,抽吸腐蝕性、有毒、大流量氣體--------擴(kuò)散泵、分子泵,抽吸通入的小流量氣體或工藝前抽吸腔室-------低溫泵,擴(kuò)散泵,

8、靠高速蒸汽射流來攜帶氣體以達(dá)到抽氣的目的 適用于高真空,但入口真空也要求較高,一般前要接機(jī)械泵 壓縮比可達(dá)108,油擴(kuò)散泵主要由泵體、擴(kuò)散噴嘴、蒸氣導(dǎo)管、油鍋、加熱器、擴(kuò)散器、冷卻系統(tǒng)和噴射噴嘴等部分組成。,渦輪分子泵,1958年，聯(lián)邦德國的W.貝克首次提出有實用價值的渦輪分子泵利用高速旋轉(zhuǎn)的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動而抽氣的真空泵。 動葉輪外緣的線速度高達(dá)氣體分子熱運動的速度（一般為150～400米

9、／秒）。具有這樣的高速度才能使氣體分子與動葉片相碰撞后改變隨機(jī)散射的特性而作定向運動。壓縮比可達(dá)109,渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子（即動葉輪）、靜葉輪和驅(qū)動系統(tǒng)等組成。,低溫泵Cryopump（cold pump | cryogenic pump | cryovacuum pump | low temperature pump）,利用低溫表面冷凝氣體真空泵，又稱冷凝泵。抽氣原理 　在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機(jī)冷卻到極

10、低溫度的冷板。它使氣體凝結(jié)，并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達(dá)到抽氣作用。,8.2.3 真空度的測量,電容式壓力計熱偶規(guī)電離規(guī)復(fù)合真空計B－A規(guī)(熱陰極電離規(guī)),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；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→成膜,8.3 真空蒸鍍,設(shè)備簡單，操作容易所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快生長機(jī)理簡單,真空蒸鍍法主要缺點所形成的

11、薄膜與襯底附著力較小工藝重復(fù)性不夠理想臺階覆蓋能力差,真空蒸鍍法優(yōu)點,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)溫度下的動能 /原子（分子）,什么是飽和蒸汽壓

12、,蒸汽壓指在液（固）表面存在該物質(zhì)的蒸汽，這蒸汽對液（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時所對應(yīng)的物質(zhì)溫度,蒸汽壓,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)，工程上將源物質(zhì)、蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)速率之間關(guān)系繪成為諾漠圖。,分子平均自由程 粒子兩次碰撞

13、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－－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)測試部分蒸發(fā)方法：單組份、多組份蒸發(fā)；襯底是否加熱，冷蒸或熱蒸；按加熱器分類。,Simple Evaporator,Figure 12.15,8.3.2蒸鍍設(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，工藝簡單；但有加熱器

14、污染，薄膜臺階覆蓋差，難鍍高熔點金屬問題。對電阻加熱材料要求：熔點要高；飽和蒸氣壓要低；化學(xué)穩(wěn)定性好；被蒸發(fā)材料與加熱材料間應(yīng)有潤濕性。,電子束(EB)加熱,EB蒸鍍基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使其加熱汽化。EB蒸鍍相對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，價格昂貴的缺點。,電子束加熱器,激光蒸鍍

15、,利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(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)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失(對鐵磁體)，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,

16、(b)多源同時蒸發(fā)法,8.3.3 蒸鍍工藝,8.3.2蒸鍍薄膜的質(zhì)量及控制,真空度臺階覆蓋特性蒸發(fā)速率,蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩?蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運應(yīng)為直線，真空度過低，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。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，同時也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。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。,臺階覆蓋特性,在有深寬比為1

17、的微結(jié)構(gòu)襯底上蒸鍍薄膜的臺階覆蓋,8.4 濺射,濺射 具有一定能量的入射離子在對固體表面進(jìn)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)生能量和動量的轉(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，離子對陰極轟擊，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。,8.4.1 工藝

18、機(jī)理,在初、中真空度下，真空室通入少量氬或其它惰性氣體，加高壓或高頻電場，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達(dá)襯底淀積成膜。,Dislodging Metal Atoms from Surface of Sputtering Target,Figure 12.17,入射離子濺射分析,濺射出的原子，獲得很大動能，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)，改善了臺階覆蓋性，

19、以及與襯底的附著力。,8.4.2 濺射特性,濺射閾值：使陰極靶材原子飛逸表面所需的入射離子的最小能量（20 ~ 40ev）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。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,各種靶材的濺射閾值,濺射產(chǎn)額：每一個轟擊離子所濺射出來的原子數(shù)。逸出組元粒子狀態(tài)：大部分為原子、

20、分子或原子團(tuán)，少量為離子。荷能離子與固體的交互作用 表面清洗：　幾KeV 表面輔助沉積：≤1500eV 濺射鍍：1Kev ~ 10K eV 離子注入：≥20KeV 離子能量：　　分子每個自由度的平均能量為1/2·kT；　　1eV = 1.6×1019J；　　當(dāng)kT = 1ev，T = 11600K；　　一個慢電子的溫度為：2 ~ 8eV。,濺射率的影響因素,S與入射離子能量的關(guān)系,濺射率的

21、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。相同轟擊能，逸出能隨入射離子質(zhì)量線性增加；輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約10eV

22、；重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約30-40eV。靶的平均逸出能量，隨入射離子能量而增加，當(dāng)入射離子能達(dá)1keV時，平均逸出能趨于恒定值。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。工作氣壓是一個重要參數(shù),氣壓和淀積速率的關(guān)系,Different Species L

23、anding on Substrate,Figure 12.18,2射頻濺射,在射頻電場作用下，氣體電離為等離子體。靶相對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。可濺射介質(zhì)薄膜，如SiO2等；功率大，對人身防護(hù)成問題。,13.56MHz,,RF Sputtering System,Figure 12.19,3磁控濺射,在陰極靶面上建立一個磁場，以控制二次電子的運動，延長電子飛向陽

24、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。,,Magnetron Sputtering,Figure 12.20,4反應(yīng)濺射,用化合物作靶可實現(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?？刹扇》磻?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

25、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。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

26、導(dǎo)體薄膜 透明導(dǎo)電薄膜(如 ITO) 化學(xué)合成 薄膜傳感器 光電薄膜(太陽能電池),接觸孔中薄膜的濺射淀積,接觸孔的填充難：濺射原子離開靶面時嚴(yán)格遵守余弦分布。濺射原子在靶與襯底之間以氣態(tài)傳輸時發(fā)生碰撞。采用加熱襯底、加載射頻偏壓、強(qiáng)迫填充技術(shù)、準(zhǔn)直濺射技術(shù)等改善填充。,臺階覆蓋與接觸孔口,8.5 PVD金屬及化合物薄膜,鋁及鋁合金薄膜淀積銅及阻擋層薄膜淀積其它金屬薄膜和化合物薄

27、膜 歐姆接觸層 : 鈦（Ti），鉑（Pt），鋁（Al），鎘（Cd），鋅（Zn） 粘附層:鈦（Ti），鉻（Cr），鋁（Al），鋯（Zr）等 過渡層:鈀（Pd），鎢（W），鉬（Mo），鎳（Ni）及鎳鉻合金（NiCr） 導(dǎo)電層:金（Au）、鋁（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）等,銅中毒（污染）問題 銅膜的圖形刻蝕,Some Advantages of Sputtering,1.Abil

28、ity to deposit and maintain complex alloys.2.Ability to deposit high-temperature and refractory metals.3.Ability to deposit controlled, uniform films on large wafers (200 mm and larger).4.Ability of multichamber cl