(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),氣流用標準體積來測量，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，不斷地進行著吸氣、壓縮、排氣過程，從而達到連續(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。,當轉(zhuǎn)到45°位置時該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強較高，引起一部分氣體返沖過來。,當轉(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,擴散泵,

8、靠高速蒸汽射流來攜帶氣體以達到抽氣的目的 適用于高真空,但入口真空也要求較高,一般前要接機械泵 壓縮比可達108,油擴散泵主要由泵體、擴散噴嘴、蒸氣導(dǎo)管、油鍋、加熱器、擴散器、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散射的特性而作定向運動。壓縮比可達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)源的坩堝進行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強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，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，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、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，當入射離子能達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極，被轟擊濺射；襯底放置電極與機殼相連，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?；杉訜?、冷卻、RF偏壓、B磁場。真空室可達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、強迫填充技術(shù)、準直濺射技術(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