第5章物理气相淀积.ppt

第五章物理气相淀积 物理气相淀积 PVD physicalvapordeposition 利用某种物理过程 蒸发或溅射 实现物质的转移 即原子或分子由源转移到衬底 硅 表面上 淀积成薄膜 淀积特点 物理过程技术 真空蒸发 优点 淀积速率较高 相对高的真空度 薄膜质量较好缺点 台阶覆盖能力差 淀积多元化合金薄膜时 组分难以控制 溅射 优点 化学成分易控制 淀积薄层与衬底附着性好 5 1真空蒸发的基本原理 材料的三态 solid liquid gas 蒸气 任何温度下 材料表面都存在蒸气 蒸气压 平衡时的饱和蒸气压 升华 低于熔化温度时 产生蒸气的过程 蒸发 熔化时 产生蒸气的过程 真空蒸发 利用蒸发材料熔化时产生的蒸气进行薄膜淀积 优点 工艺及设备简单 淀积速率快 缺点 台阶覆盖差 薄膜与衬底附着力较小 工艺重复性不够理想 5 1 1真空蒸发设备 真空系统 为蒸发过程提供真空环境 蒸发系统 放置蒸发源的装置 以及加热和测温装置 基板及加热系统 放置衬底 对衬底加热及测温装置等 蒸发淀积过程 加热蒸发 加热蒸发源 固态 产生蒸气 输运 气化的原子 分子扩散到基片表面 淀积 气化的原子 分子在表面凝聚 成核 生长 成膜 5 1 2汽化热和蒸汽压汽化热 H 使蒸发源材料的原子或分子克服固相 或液相 的原子束缚而蒸发到真空中 并形成具有一定动能的气相原子或分子所获得的能量 H 用来克服凝聚相中原子间的吸引力 饱和蒸汽压P 一定温度下 真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力 净蒸发 分压 P蒸发温度 规定在P 133 3 10 2Pa时的温度 5 1 3真空度与分子平均自由程 高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的理由 被蒸发原子或分子在真空中输运是直线运动 有效的淀积 真空度太低 残余气体中的氧和水汽 会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化 并使加热的衬底表面发生氧化 残余气体及所含杂质原子或分子淀积在衬底上 严重影响淀积薄膜质量 蒸发源到放置硅片的基座距离原子或分子平均自由程 粒子两次碰撞之间飞行的平均距离 5 1 4蒸发速率 蒸发源的温度影响最大 5 1 5多组分蒸发方法 按蒸发源分类 单源蒸发 具有薄膜组分比例的单一合金靶 靶源的要求 各组分蒸汽压接近 多源同时蒸发 多种靶源 不同温度 同时蒸发 多源顺序蒸发 多种靶源 不同温度 顺序蒸发 最后高温退火 工艺关键 根据薄膜组分控制各层厚度 5 2蒸发源 按加热方式分类 电阻加热源 电子束加热源 高频感应加热源 激光加热源 5 2 1电阻加热源 利用电流通过加热源时产生的焦耳热来加热蒸发材料 直接加热源 加热体与蒸发源的载体是同一物体 加热体 W Mo 石墨 间接加热源 坩埚盛放蒸发源 坩埚 高温陶瓷 石墨 1 对加热材料的要求 不产生污染 熔点高 高于蒸发源的蒸发温度 饱和蒸汽压低 低于蒸发源 化学性能稳定 不发生化学反应 不形成合金 优点 工艺简单 蒸发速率快 缺点 难以制备高熔点 高纯度薄膜 2 蒸发材料对加热材料的 湿润性 湿润性 指在高温下 熔化的蒸发材料在加热源的材料上有扩展倾向 易湿润 蒸发材料与加热源材料十分亲合 蒸发状态稳定 尤其丝状加热源 面蒸发 湿润情况下 材料蒸发面积大且较稳定 点蒸发 湿润较差情况下 5 2 2电子束蒸发源 原理 电场作用下 电子获得动能轰击阳极蒸发材料 使其加热气化 特点 淀积高熔点 高纯薄膜 优点 蒸发温度高 能量密度高于电阻源 蒸发速率较高 可蒸发W Mo Ge SiO2 Al2O3 高纯度淀积 水冷坩埚可避免容器材料的蒸发 热效率高 热传导和热辐射损失少 缺点 电子枪发出的一次电子与蒸发材料发出的二次电子使蒸发原子和残余气体分子电离 设备及工艺复杂 价格昂贵 5 2 3激光加热源激光束加热蒸发法 利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热 加热特点 加热温度高 可避免坩埚的污染 材料蒸发速率高 蒸发过程易控制 激光源 连续输出的CO2激光器 适应于蒸发成份较复杂的合金或化合物材料 蒸发源的特点 1 功率密度高达106W cm2 可蒸发任何高熔点的材料 2 光斑小 可提高淀积薄膜的纯度 3 能量密度高 可保证薄膜成份的比例 4 真空室内装置简单 易获得高真空度 5 激光器价格昂贵 影响了广泛使用 5 2 4高频感应加热源 通过高频感应对坩埚加热 使蒸发材料在高频磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失 使蒸发材料升温 直至汽化蒸发 优点 蒸发速率快 温度均匀 稳定 不易产生飞溅现象 温度控制精确 工艺简便 缺点 成本高 电磁干扰 5 3气体辉光放电 热蒸发 能量转化引起的溅射 含有动量的转换 溅射出的原子有方向性 溅射过程 建立在辉光放电的基础上溅射定义 具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时 入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转移 并可能将固体表面的原子溅射出来 5 3 1直流辉光放电图5 6所示讨论 平板电极间的电压V与电流I的关系 1 无光放电区 ab段 导电而不发光 电离产生的离子和电子在外电场作用下定向运动 运动速度随电压增加而加快 直至达到饱和值 即电流从0逐渐增加至达到某一极大值 电压再 电流并不 原因 电离量很少且恒定 电压再 到达电极的电子和离子数目不变 2 汤生放电区 bc段 离子和电子数目雪崩式的增加 放电电流迅速增大 电压是常数 受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制 原因 作用 电离倍增作用 中性气体分子间的碰撞使气体分子电离 产生正离子和电子 作用 正离子对阴极的碰撞将产生二次电子 1 和 2 非自持放电 即以存在自然电离源为前提 3 辉光放电 气体突然发生放电击穿现象 电流 放电电压显著 c点 放电的着火点 处于阴极的边缘和不规则处cd段 前期辉光放电 电流 电压 负阻现象 原因 气体已被击穿 气体内阻随电离度的 显著 de段 正常辉光放电 电压已定 电流的 与电压无关 只与阴极上产生辉光的表面积有关 有效放电面积随电流 而 阴极有效放电区内的电流密度保持恒定 3 属于自持放电 即不存在自然电离源 电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击 气体击穿 从非自持放电过渡到自持放电 影响辉光放电电流密度的因素 阴极材料 气体种类 气体压强及阴极的形状 4 反常辉光放电 ef段 放电电压和电流密度同时增大 溅射区域 特点 电流增大时 两个放电极板之间电压升高 且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关 5 电弧放电 fg段 电流继续 放电电压再次突然大幅度 电流急剧 放电区域的划分如图5 8 a 所示 阿斯顿暗区 阴极辉光区 阴极暗区 负辉光区 法拉第暗区 正柱 等离子 区 阳极辉光区和阳极暗区 共八个 1 阴极区 极间电压大部分加在这里 电子被加速与气体原子碰撞 使原子激发或电离 由Aston暗区 阴极辉光区和阴极暗区三部分组成 Aston暗区 位于阴极右边 通过阴极电子被加速 这里电子密度和能量都太低 不能激发气体 因此呈现暗区 阴极辉光 由向阴极运动的正离子与阴极发射出的二次电子复合产生的处于阴极附近的明亮发光层 阴极暗区 克罗克斯暗区 二次电子和离子的主要加速区 电压降占整个放电电压的绝大部分 2 负辉光区和法拉第暗区负辉光区 发光最强的区域 是已获加速的电子与气体原子发生碰撞而电离的区域 法拉第暗区 这里电子能量太低 不足以激发气体原子 3 正柱区 在阴极端能保持足够的电离度 电子密度1015 1016电子数 m3 电场强度为常数 弧柱中热量的散失主要依靠热传导 对流和辐射 4 阳极区 阳极附近发光区和阳极鞘层 由阳极辉光区和阳极暗区两部分组成阳极辉光区 由阳极加速电子引起激发和电离而产生 阳极暗区 实质上是阳极与正柱区等离子体间的鞘层 注意 随着极间距离的缩小 正柱区和法拉第暗区将缩短直至消失 而阴极暗区和负辉光区不受影响 辉光放电 glowdischarge 小结 1 定义 气体在低气压状态下的一种自持放电 对玻璃圆柱状放电管两端施加电压 当压力处于1 0 1托的范围时 由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离和光电离 此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉 其颜色因气体而异 故称辉光放电 2 放电通道 八个区域3 产生原因 这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果 与气体类别 气体压力 电极材料等因素有关 4 主要应用 利用它的发光效应 如霓虹灯 和正常辉光放电的稳压特性 如氖稳压管 利用辉光放电的正柱区产生激光的特性 制做氦氖激光器 等离子体 具有一定导电能力的气体 由正离子 电子 光子及原子 原子团 分子和它们的激发态所组成的混合气体 电子是其导电过程中的主要载流子 特点 正 负带电粒的数目相等 宏观呈现电中性 辉光放电属于等离子体中粒子能量和密度较低 放电电压较高类型 其特点 质量较大的重粒子 包括离子 中性原子和原子团的能量远远低于电子的能量 是一种非热平衡状态的等离子体 等离子体鞘层 是电子与离子具有不同速度的一个直接后果 即任何处于等离子体中的物体相对于等离子体来讲都呈现出负电位 并且在物体的表面附近出现正电荷积累 5 3 2辉光放电中的碰撞过程等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞 维持气体放电的主要微观机制 弹性碰撞 总动能不变 粒子内能不变 不会造成气体分子的电离 非弹性碰撞 部分电子动能转化为粒子的内能 维持自持放电过程的主要机制 电离过程 使电子数目增加 放电过程继续 e Ar Ar 2e 反过程为复合过程 激发过程 e O2 O2 e 分解反应 分子被分解成为两个反应基团 e CF4 CF3 F e 5 3 3射频辉光放电特点 1 电场周期性的改变方向 使带电粒子不易到达电极和器壁而离开放电空间 减少了带电粒子的损失 低电场可维持放电 二次电子发射不再是气体击穿的必要条件 2 电极可以是导体 绝缘体 激发源 1 E型放电 用高频电场直接激发 2 H型放电 用高频磁场感应激发 5 4溅射 原理 气体辉光放电产生等离子体 具有能量的离子轰击靶材 靶材原子获得能量从靶表面逸出 被溅射出 溅射原子淀积在表面 特点 被溅射出的原子动能很大 10 50eV 蒸发 0 1 0 2eV 还可实现离子注入 优点 台阶覆盖好 迁移能力强 附着力得到改善 5 4 1溅射特性1 溅射阈值 判断发生溅射现象的值 10 30eV 主要取决于靶材料本身的特性 2 溅射率S 溅射产额 表示正离子轰击作为阴极的靶材时 平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目 S 被溅射出的原子数 入射离子数 1 S与入射离子能量的关系图5 12随着入射离子能量的 S先 接着是一个平缓区 当离子能量继续 S 发生离子注入 2 S与入射离子种类的关系图5 13依赖于 a 入射离子原子量 S b 入射离子原子序数 随其周期性变化 电子壳云填满的元素 S最大 一般选氩为工作气体 原因 惰性气体S最高 可避免与靶材起化学反应 3 S与被溅射物质的种类的关系 即随靶材元素的原子序数呈周期性变化 4 S与离子入射角的关系图5 14入射角 离子入射方向与被溅射靶材表面法线间夹角 S以1 cos 规律 当 接近80 时 S迅速 其他因素 靶温 靶的晶格结构 靶的表面情况 溅射压强 升华热的大小 3 溅射原子的能量和速度具有的特点 1 靶材上 重元素 被溅射出原子有较高逸出能量轻元素 被溅射出原子有较高逸出速度 2 不同靶材料 不同的原子逸出能量 S高的靶材 原子平均逸出能较低 3 相同轰击能量 原子逸出能量随入射离子质量线性增加 轻的入射离子较低 10eV 重的较大 30 40eV 4 溅射原子的平均逸出能量随入射离子能量的增加而增加 1keV 5 倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量 5 4 2溅射方法 直流 射频 磁控 反应 离子束 偏压等溅射 1 直流溅射溅射靶 阴极衬底 阳极 接地 工作气体 Ar气要求 靶材导电性好特点 只适于金属靶材 2 RF溅射原因 高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室 可在靶材上产生自偏压效应 即在射频电场起作用时 靶材会自动处于一个负电位 导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射 特点 适于各种金属与非金属靶材 避免每个电极产生自偏压效应办法 加大非溅射电极的极面面积 具体做法 将样品台 真空室器壁与地电极并联在一起 形成一个面积很大的电极 注意 射频溅射中 交流频率不能太低 3 磁控溅射原理 磁场在靶材表面与电场垂直 电子沿电场方向加速 绕磁场方向螺旋前进 提高了电子碰撞效率 从而也提高了原子的电离几率 特点 淀积速率最高 工作气体压力较低 磁控溅射 4 反应溅射 利用化合物直接作为靶材 特点 可实现多组分的薄膜淀积 利用的化合物主要包括 1 氧化物 Al2O3 SiO2 In2O3 SnO2等 2 碳化物 SiC WC TiC等 3 氮化物 TiN AlN Si3N4等 4 硫化物 CdS ZnS CuS等 5 各种复合化合物 避免化合物在溅射过程中发生分解 1 调整溅射室内的气体组成和压力 限制化合物分解过程的发生 2 纯金属作为靶材 在工作气体中混入适量的活性气体 O2 NH3 CH4 H2S 在溅射淀积同时生成特定化合物 一步完成从溅射 反应到多组分薄膜淀积的多个步骤 5 偏压溅射 在衬底与靶材间施加一定大小的偏置电压 以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量的方法 偏压作用下 使带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力 提高薄膜的密度和成膜能力 抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等 可改变薄膜中气体含量 6 接触孔中薄膜的溅射淀积存在问题 衬底表面和接触孔上表面的拐角处 淀积速