第五章 物理气相淀积

5 0 物理气相淀积 5 1 真空蒸发 5 2 蒸发源 5 3 气体辉光放电 5 4 溅射 第五章物理气相淀积 5 0 1薄膜的生长技术5 0 2PVD简介5 0 3PVD技术中的两种方法 5 0物理气相淀积 PhysicalVaporDeposition 芯片的制造过程 单个CMOS结构 IC中需要的薄膜层 ULSI对薄膜性能的要求 材料薄膜的生长技术 氧化 PVD CVD 外延 1 氧化 二氧化硅薄膜的一种特定生长技术 2 PVD 主要用来生长金属薄膜 3 CVD 可以生长IC所需的任何材料薄膜 4 外延 主要用来生长单晶硅 5 0 1薄膜的生长技术 薄膜的厚度 超薄膜 10nm薄膜 50nm 1 m中等厚度 1 m 10 m厚膜 10 m 100 m PVD是指利用某种物理过程 例如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表面上 并淀积成薄膜 基本过程如下 1 要生长的材料以物理方式由固态转化为气态 2 气态的生长材料经过一个低压区域到达衬底 3 材料气体在衬底表面凝结 形成薄膜 5 0 2PVD简介 PVD的物理原理 块状材料 靶材 扩散 吸附 凝结成薄膜 物质输运能量输运 能量 衬底 PVD技术的特点 物理吸附淀积速率快衬底与薄膜材料 可异质生长厚度范围 典型薄膜 nm m也可以生长更厚的膜 PVD生长条件 高真空高纯靶材料清洁和光滑的衬底表面加热源 真空的获得 压强的单位 真空是指低于一个大气压的气体空间 和正常的大气相比是比较稀薄的气体状态 真空系统的组成 待抽空的容器 真空室 获得真空的设备 真空泵 测量真空的器具 真空计 管道 阀门和其它附属设备 对于任何一个真空系统而言 都不可能得到绝对真空 P 0 而是具有一定压强 称为极限压强 或极限真空 不同的真空泵对应的压强 旋片式机械泵原理 旋片式机械泵通常由转子 定子 旋片等结构构成 偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上 空腔上连接进气管和出气阀门 转子中镶有两块旋片 旋片间用弹簧连接 使旋片紧压在定子空腔的内壁上 转子的转动是由马达带动的 定子置于油箱中 油起到密切 润滑与冷却的作用 当转子顺时针转动时 空气由被抽容器通过进气管被吸入 旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大 而气体就不断地被吸入 当转子达到一定位置时 另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开 并将气体压缩 直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外 转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出 旋片式机械泵原理 真空的测量 为了判断和检定真空系统所达到的真空度 必须对真空容器内的压强进行测量 真空环境压强低 直接测压力极不容易 都是利用测量在低气压下和压强有关的某些物理量 再经过变换后确定容器的压强 任何方法都有一定的测量范围 这个范围就是该真空计的量程 目前还没有一种真空计能够测量从大气压到10 10Pa的整个领域的真空度 真空计有 电容压力计 热传导规表 低中真空 离子规表 高真空 热偶真空计 电离真空计 5 0 3PVD技术中的两种方法 1 真空蒸发优点 设备简单 操作方便 薄膜纯度高 厚度容易控制 成膜速率快 生长机理简单等缺点 附着力较小 淀积多元化合金时成分不易控制 台阶覆盖能力差等2 溅射特点 台阶覆盖能力好 附着力强 淀积多元化合金时成分容易控制等 5 1 1蒸发的基本概念5 1 2真空蒸发设备构成5 1 3真空蒸发的基本过程5 1 4蒸发速率5 1 5多组分薄膜的蒸发方法 5 1真空蒸发 5 1 1蒸发的基本概念 蒸发 在任何温度下 固体材料表面都存在蒸气 当材料的温度低于熔化温度时 产生蒸气的过程称为升华 而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发 热蒸发法 在真空条件下 加热蒸发源 使原子或分子从蒸发源表面逸出 形成蒸气流并入射到衬底表面 凝结形成固态薄膜 融化 溶化 熔化 5 1 2真空蒸发设备构成 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 放置衬底硅片 对衬底加热装置及测温装置 加热蒸发过程 对蒸发源进行加热 使其温度接近或达到蒸发材料的熔点 则固态源表面的原子容易逸出 转变为蒸气 蒸气输运过程 气体原子或分子由源飞向衬底 蒸气淀积过程 飞到衬底表面的原子在表面上凝结 成核 生长和成膜 5 1 3真空蒸发的基本过程 加热蒸发过程 蒸发的条件之一 能量的转移将蒸发源材料加热到足够高的温度 使其原子或分子获得足够的能量 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 该能量为汽化热 H 常用金属材料的汽化热每个原子近似为4eV的数量级 汽化热的主要部分用来克服凝聚相中的原子间吸引力 动能所占的比例很小 即 H 4eV 束缚能动 3 8eV 能 0 2eV 蒸发的条件之二 净蒸发且保持蒸汽压不变在一定温度下 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为饱和蒸汽压 实现物质净蒸发条件为 被蒸发物质的分压降到平衡时饱和蒸汽压以下 要进行有效的蒸发淀积 蒸发源物质的蒸汽压应保持一固定值 大部分金属需要加热到熔化之后才能有效蒸发 少数金属如镁 锌等可直接升华 蒸气输运过程 需要高真空度的原因被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动 如果真空度低 蒸气会与残余气体发生碰撞 改变运动方向 不能保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上 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 同时也将使加热的衬底表面发生氧化 系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬底上 从而严重的影响了淀积薄膜的质量 残留气体对薄膜生长的影响 生长材料的分子 残留气体的分子 残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间 Substrate 5 1 4蒸发速率 蒸发速率直接关系到薄膜的淀积速率 是工艺上一个重要参数 蒸发速率与很多因素有关 如温度 蒸发面积 表面的清洁程度 加热方式等 由于物质的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快 因此对物质蒸发速率影响最大的因素是蒸发源的温度 利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种 单源蒸发法 多源同时蒸发法和多源顺序蒸发法 5 1 5多组分薄膜的蒸发方法 单源蒸发法先按薄膜组分比例的要求制成合金靶 对合金靶进行蒸发 凝结成固态薄膜 要求 合金靶中各组分材料的蒸汽压应该接近 保证薄膜成分与合金靶中各组分的比例接近 多源同时蒸发法用多个坩埚 每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料 在不同温度下同时蒸发 多源顺序蒸发法把薄膜所需材料放在不同坩埚中按顺序蒸发 并根据薄膜组分控制层厚 之后高温退火形成所需多组分薄膜 5 2蒸发源 5 2 0蒸发源5 2 1电阻加热源5 2 2电子束加热源5 2 3激光加热源5 2 4高频感应加热源 为了适应淀积薄膜质量要求的提高和淀积薄膜种类的增加 已有了各种不同类型的真空蒸发设备 它们之间最大的区别主要表现在蒸发源的加热方法 5 2 0蒸发源 根据加热方式的不同 目前主要的加热源有 电阻加热源 电子束加热源 激光束加热源 高频感应加热源 加热原理 用高熔点金属 W Mo Ta等 制成的加热丝或加热舟通上直流电 利用焦耳热加热材料 5 2 1电阻加热源 加热丝 加热舟 坩埚 对加热材料的要求熔点要高 饱和蒸汽压要低 化学性能要稳定 蒸发材料对加热材料要 湿润 优点操作方便 蒸发速率快 缺点不能满足蒸发某些难熔的金属和氧化物 特别是高纯度的薄膜 5 2 2电子束加热源 加热原理 电子在电场作用下 加速运动 获得动能轰击蒸发材料 使蒸发材料加热气化 优点比电阻加热源更高的能量密度 适合制作高熔点的薄膜材料 3000oC 热利用效率高 损耗少 冷坩埚 避免了容器材料的蒸发以及容器材料与蒸发材料的反应 适合制作高纯度的薄膜材料 缺点价格高 结构复杂 X射线对人体有一定伤害 5 2 3脉冲激光源蒸发 加热原理 利用高功率的连续和脉冲激光对靶材料进行加热 优点功率密度高 可以蒸发任何高熔点的材料 激光束光斑很小 被蒸发材料局部气化 防止了坩埚材料对蒸发材料的污染 提高薄膜质量 能量密度高 可淀积不同熔点的化合物薄膜保证成分比例 真空室内装备简单 可获得高真空度 缺点价格昂贵 5 2 4高频感应源蒸发 加热原理 通过高频电磁感应 使蒸发材料在高频感应的作用产生强大的涡流损失 致使蒸发材料升温 直至气化蒸发 蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成 优点蒸发速率大 因为可采用较大坩埚 增加蒸发表面 蒸发源的温度均匀 稳定 不易产生飞溅现象 温度控制精度高 操作比较简单 缺点大功率高频电源 价格昂贵 且需要进行屏蔽 防止外界的电磁干扰 5 3气体辉光放电 5 3 0几个基本概念5 3 1直流辉光放电5 3 2辉光放电中的碰撞过程 5 3 0几个基本概念 溅射 一定能量的入射离子对固体表面进行轰击 在与表面原子碰撞过程中发生能量和动量的转移 将固体表面的原子溅射出来 称这种现象为溅射 实际溅射时 一般是被加速的正离子轰击作为阴极的靶 并从阴极靶溅射出原子 所以也称为阴极溅射 溅射过程都是建立在辉光放电的基础上 即射向固体表面的离子都是来源于气体放电 只是不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同 放电 就是使带电物体不带电 不是消灭电荷而是让正负电荷抵消 从而使物体不带电 辉光放电 是一种低气压放电现象 在封闭的容器内放置两个平行的电极板 当两极板之间电压很高时 电子会在电场的作用下加速运动 将中性原子和分子激发 当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量 一种产生低温等离子体的方法 弹性碰撞 电离碰撞 能级跃迁碰撞 自发辐射 正负电荷抵消辐射 等离子体 等离子体是物质存在的第四种形态 它由电离的导电气体组成 其中包括六种典型的粒子 即电子 正离子 负离子 激发态的原子或分子 基态的原子或分子 光子 事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的 并表现出集体行为的一种准中性气体 也就是高度电离的气体 无论是部分电离还是完全电离 其中的负电荷总数等于正电荷总数 所以叫等离子体 等离子体可分为两种 高温和低温等离子体 5 3 1直流辉光放电 设备 在一圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极 里面充以气压约为几Pa到几十Pa的气体 低压气体 无光放电区 在一般情况下 气体基本处于中性状态 只有极少量的原子受到高能宇宙射线的激发而电离 当有外场时 电离产生的离子和电子作定向运动 运动速度随电压的增加而加快 因此电流也从零逐渐增加 当电极之间的电压足够大时 带电粒子的运动速度达到饱和 再增加电压 到达电极的电子和离子数目不变 电流也不随之增加 当电极间的电压继续升高时 电子的运动速度加快 电子与中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞 而会使气体分子电离 产生正离子和电子 作用 同时正离子对阴极的碰撞也将产生二次电子 作用 新产生的电子和原有的电子继续被电场加速 在碰撞过程中有更多的气体分子被电离 使离子和电子数目雪崩式的增加 放电电流也就迅速增大 汤生放电 辉光放电 在汤生放电之后 气体突然发生放电击穿现象 电流大幅度增加 同时放电电压显著下降 c点为着火点 前期辉光放电 cd段 电流增加而电压下降 产生负阻现象 这是因为气体被击穿 气体内阻将随着电离度的增加而显著下降 正常辉光放电区 de段 电流的增加与电压无关 只与阴极上产生辉光的表面积有关 在这个区域内 阴极的有效放电面积随电流增加而增大 而阴极有效放电区内的电流密度保持恒定 相当于并联 在这一阶段 导电的粒子数目大大增加 相互碰撞使电荷抵消以光的形式释放出能量 产生明显的辉光现象 反常辉光放电 ef段 电流和电压都增大 e点时 辉光已布满整个阴极 也就是说空气中的气体基本都已经电离 要想提高电流密度 必须增大两极之间的电压使正离子有更大的能量去轰击阴极 使阴极产生更多的二次电子 反常辉光放电 由于正常辉光放电时的电流密度仍然比较小 溅射区域一般选在反常辉光放电区 直流辉光放电的各种阴极形式 5 3 2辉光放电中的碰撞过程 对于辉光放电过程中 大多数碰撞是高速运动的电子与低速运动的原子和离子的碰撞 这时M1 M2 E2 E1 4M1cos2 M2 因此每次弹性碰撞中所转移的能量很小 不会造成气体分子的电离 对于非弹性碰撞 U M1V12cos2 2 碰撞过程中电子大部分动能转化为粒子的内能 就可以引起离子和原子的激发和电离 5 4溅射 5 4 0溅射5 4 1溅射特性5 4 2溅射方法 5 4 0溅射 溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一 其中每种物理过程的相对重要性取决于入射离子的能量 利用不同能量离子与固体的作用过程 不仅可以实现对于物质原子的溅射 还可以实现离子注入等现象 溅射现象不仅能制备薄膜 而且可以对固态表面进行清洁处理 在等离子刻蚀中广泛应用 与蒸发法相比 在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递 因此 溅射出的原子从溅射过程中获得很大的动能 即具有明显的方向性 由于能量的增加 可以提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力 改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力 5 4 1溅射特性 溅射阈值 进行溅射的过程 对于不同的阴极靶材都存在一个能量阈值 当入射离子低于这个阈值时 不会发生溅射现象 阈值能量一般处于10 30eV范围之间 溅射阈值与入射离子无明显关系 主要取决于靶材料本身的特性 溅射率 溅射率是表示正离子轰击阴极靶材料时 平均每个正离子能从靶材料上打出的原子个数 即被溅射出来的原子数和入射离子数的比值 溅射率的大小与入射离子的能量 种类 靶材料的种类 入射离子的入射角度等有关 随着入射离子能量的增加 溅射率先是增加 其后是一个平缓区 当离子能量继续增加时 溅射率反而下降 此时发生了离子注入现象 溅射率与入射离子能量之间的关系 溅射率与入射离子种类的关系 氖 氩 氪 氙 溅射率S随离子的原子量越大而增大 溅射率随离子的原子序数周期性变化关系 凡电子壳层填满的元素作为入射离子 则溅射率最大 因此 惰性气体的溅射率最高 氩通常被选为工作气体 氩被选为工作气体的另一个原因是可以避免与靶材料起化学反应 5 4 2溅射方法 具体溅射方式较多 直流溅射 导电材料 射频溅射 可绝缘介质材料 磁控溅射 反应溅射 氧化物 氮化物 离子束溅射 偏压溅射等 直流溅射 直流溅射也被称为阴极溅射 常用Ar 氩 气作为工作气体 直流溅射方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性 只能溅射良导体 原因是正离子轰击阴极 和溢出的电子中和 阴极损失的电子可以通过电传导来补充 如果是绝缘体 则不能补充电子 阴极表面堆积大量的正电荷 将降低两极板之间的电场