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集成电路制造技术第五章物理气相淀积 西安电子科技大学微电子学院戴显英2012年9月19日 本章主要内容 真空蒸发的原理电阻加热源蒸发电子束加热蒸发多组分蒸发溅射的原理直流溅射RF溅射磁控溅射 第五章物理气相淀积 定义 利用蒸发或溅射等物理过程实现物质的转移 即原子或分子由源转移到衬底 硅 表面上 并淀积成薄膜 分类 真空蒸发法和溅射法1 真空蒸发法优点 较高淀积速率 较高薄膜质量 系统真空度高 缺点 台阶覆盖能力差 淀积多元薄膜时组份难控制2 溅射法优点 多元薄膜组份易控制 台阶覆盖能力强 衬底附着性好溅射法在很大程度上已经取代了真空蒸发法 但真空蒸发法在科研和III V族化合物半导体工艺中仍被采用 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 材料表面都存在自身的气体 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 热蒸发台 1 基板 2 蒸发源 3 真空系统 电子束蒸发台 5 1 1真空蒸发设备 蒸发台 5 1 2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 成长 成膜 5 1 3多组分蒸发 如 合金蒸发方法 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 1 3多组分蒸发 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 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 对加热体材料的要求 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 5 2 2电子束蒸发 原理 电子轰击蒸发材料 使其熔化蒸发 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 可蒸发3000度以上的材料 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 一次电子和二次电子使蒸发原子电离 影响薄膜质量 设备及工艺复杂 5 2 3激光加热 可蒸发任何高熔点的材料 聚焦激光束功率密度高达106W cm2 被蒸发材料局部受热而汽化 高纯度薄膜 光斑很小 防止了坩锅材料受热的污染 淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证成分比例 功率密度高 真空室内装置简单 容易获得高真空度 5 2 4高频感应加热 优点 蒸发速率快 蒸发面积大 温度控制精确 均匀 工艺简便 缺点 成本高 电磁干扰 5 3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 Ar 离子能量和动量转移将使表面原子脱离化学键束缚 5 3 1溅射的物理过程 5 3 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 又称阴极溅射或直流二级溅射 常用Ar气作为工作气体 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溅射原理 高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室 特点 适于各种金属与非金属靶材 5 3 2溅射