PVD-物理汽相淀积

1、v 5.1 PVD5.1 PVD概述概述v 5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀 v 5.3 5.3 溅射溅射15.1 PVD5.1 PVD概述概述u PVD（Physical Vapor Deposition) 定义：定义：l利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底表面上，并淀积成薄膜。表面上，并淀积成薄膜。u PVD基本方法基本方法l蒸发（蒸发（-族化合物半导体）族化合物半导体）l溅射溅射5.1 PVD5.1 PVD概述概述u 蒸发（蒸发（evaporation）l在在真空真

2、空系统中系统中加热蒸发源加热蒸发源，使原子获得足够的，使原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。子，淀积在晶片上。u 溅射（溅射（sputtering）l真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上。材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上。5.1 PVD5.1 PVD概述概述u 蒸发：蒸发：l 蒸发优点：蒸发优点：较高的淀积速率；较高的淀积速率；薄膜纯度高，厚度控制精确；薄膜纯度高

3、，厚度控制精确；生长机理简单；生长机理简单；l 蒸发缺点：蒸发缺点：台阶覆盖能力差；台阶覆盖能力差；工艺重复性不好；工艺重复性不好；淀积多元化合金薄膜时组分难以控制淀积多元化合金薄膜时组分难以控制5.1 PVD5.1 PVD概述概述u 溅射：溅射：l溅射优点：溅射优点：淀积薄膜与衬底附着性好淀积薄膜与衬底附着性好淀积多元化合金薄膜时组分容易控制淀积多元化合金薄膜时组分容易控制较高的薄膜溅射质量较高的薄膜溅射质量5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀真空状态真空状态真空真空蒸发：在真蒸发：在真空中，把蒸发料空中，把蒸发料(金属金属)加热，使其加热，使其原子或分子获得原子或分子获得足够的能量，克足够的能

4、量，克服表面的束缚而服表面的束缚而蒸发到真空中成蒸发到真空中成为蒸气，蒸气分为蒸气，蒸气分子或原子飞行途子或原子飞行途中遇到基片，就中遇到基片，就淀积在基片上，淀积在基片上，形成薄膜。形成薄膜。 5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀u 真空系统真空系统为蒸发过程提供真空环境；为蒸发过程提供真空环境；u 蒸发系统蒸发系统放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置等；放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置等；u 基板及加热系统基板及加热系统放置硅片，对衬底加热装置和测温装置等；放置硅片，对衬底加热装置和测温装置等；5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀u 蒸发过程：蒸发过程：对蒸气源进行加热，使其温度接近或达到对蒸

5、气源进行加热，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；为蒸气；u 气相输运过程：气相输运过程：源蒸气从源到衬底表面之间的质量输源蒸气从源到衬底表面之间的质量输运过程。蒸气原子在飞行过程中可能与真空室内的残余运过程。蒸气原子在飞行过程中可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，两次碰撞之间飞行的平均距离为平气体分子发生碰撞，两次碰撞之间飞行的平均距离为平均自由程；均自由程；u 成膜过程：成膜过程：到达衬底的蒸发原子在衬底表面先成核再到达衬底的蒸发原子在衬底表面先成核再成膜的过程。成膜的过程。5.2 5.2 真空蒸镀真空

6、蒸镀u汽化热：汽化热：将蒸发源材料加热到足够高的温度，使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，克服固相的原子其原子或分子获得足够的能量，克服固相的原子束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气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，该能量为汽化热相原子或分子，该能量为汽化热H，常用金属，常用金属的的H为为4eV；u蒸汽压：蒸汽压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸在一定温度下，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汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力为饱和蒸汽压蒸汽压；TBAPvlog03 . 2 RHBvP 为蒸汽压，为蒸汽压，

7、A为积分常数，为积分常数，R0为阿夫加德罗常数为阿夫加德罗常数5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀合金靶中各组分材合金靶中各组分材料的蒸汽压接近料的蒸汽压接近不同温度多源不同温度多源顺序蒸发顺序蒸发最后高温退火最后高温退火不同温度多源不同温度多源同时蒸发同时蒸发5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀u 需要真空环境的原因：需要真空环境的原因：l 被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上；保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上；l 真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分真空度太低，残余气体中的

8、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；生氧化；l 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。上，从而严重的影响了淀积薄膜的质量。5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀prkT22 反比于气体压强反比于气体压强r为气体分子的半径为气体分子的半径平均自由程平均自由程在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值，微粒的平均自由间可能通过的各段自由

9、程的平均值，微粒的平均自由程是指微粒与其他微粒碰撞所通过的平均距离。用符程是指微粒与其他微粒碰撞所通过的平均距离。用符号号表示，单位为米。表示，单位为米。5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀-蒸发源蒸发源u 电阻加热源电阻加热源l 原理：电阻加热源是利用电流通过加热源时所产生的焦耳原理：电阻加热源是利用电流通过加热源时所产生的焦耳热来加热蒸发材料。热来加热蒸发材料。l 加热体：钨、钼、钽和石墨等。加热体：钨、钼、钽和石墨等。l 对加热体的要求：对加热体的要求：不产生污染；不产生污染；熔点高：高于蒸发源的蒸发温度；熔点高：高于蒸发源的蒸发温度；饱和蒸汽压低：低于蒸发源；饱和蒸汽压低：低于蒸发源；化学

10、性能稳定：不发生化学反应，不形成合金化学性能稳定：不发生化学反应，不形成合金l 优点：工艺简单，蒸发速率快；优点：工艺简单，蒸发速率快；l 缺点：难以制备高熔点，高纯度薄膜；缺点：难以制备高熔点，高纯度薄膜；5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀-蒸发源蒸发源u 电子束蒸发源电子束蒸发源l 原理原理：基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳极：基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化；的蒸发材料，使蒸发材料加热气化；l 特点：特点：淀积高熔点高纯度薄膜；淀积高熔点高纯度薄膜；l 优点优点： 蒸发温度高（能量密度高于电阻源）；蒸发温度高（能量密度高于电阻源）； 高纯度淀

11、积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发；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；热效率高：热传导和热辐射损失少；5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀-蒸发源蒸发源u 激光加热源激光加热源l 原理原理：利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发：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，称为激光束加热蒸发法。材料进行加热，称为激光束加热蒸发法。l 特点：特点：加热温度高，可避免坩埚过的污染，材料蒸发速加热温度高，可避免坩埚过的污染，材料蒸发速率高，蒸发过程易控制。率高，蒸发过程易控制。l 优点优点：功率密度高（高熔点材料）；：功率密度高（高熔点材料）； 高

12、纯度薄膜的淀积（激光束光斑小）；高纯度薄膜的淀积（激光束光斑小）； 可淀积不同熔点的化合物薄膜（高熔点材料）；可淀积不同熔点的化合物薄膜（高熔点材料）； 真空室内装备简单，可获得高真空度；真空室内装备简单，可获得高真空度；l 缺点缺点：价格昂贵，影响了广泛使用；：价格昂贵，影响了广泛使用；5.2 5.2 真空蒸镀真空蒸镀-蒸发源蒸发源u 高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源l 定义定义：通过高频感应对装有蒸发材料的坩锅进行加热。：通过高频感应对装有蒸发材料的坩锅进行加热。l 优点：优点： 蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象；蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象； 蒸发速率大；蒸发速率

13、大； 温度控制精度高，操作比较简单；温度控制精度高，操作比较简单；l 缺点：缺点：价格昂贵；价格昂贵； 电磁干扰；电磁干扰；5.3 5.3 溅射溅射u 溅射（溅射（sputtering）l 溅射淀积：气体辉光放电产生等离子体，具有能量的离子轰击溅射淀积：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靶材，靶材原子获得能量从靶表面逸出-被溅射出，溅射原子被溅射出，溅射原子淀积在表面。淀积在表面。l 特点：被溅射出的原子动能很大（特点：被溅射出的原子动能很大（1050eV）（蒸发只有）（蒸发只有0.10.2eV）l 优点：台阶覆盖好（迁移能力强），附着力得到改善。优

14、点：台阶覆盖好（迁移能力强），附着力得到改善。5.3 5.3 溅射溅射模型：模型：一个圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板一个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电极，里面充以气压约为几Pa到几十到几十Pa的气体，的气体，在电极上加上直流电压。在电极上加上直流电压。5.3 5.3 溅射溅射 5.3 5.3 溅射溅射（1 1）无光放电区）无光放电区-ab-ab段，导电而不发光。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，即电流从增加而加快。直至达到饱和值，即电流

15、从0 0逐渐增加至达到某一极大逐渐增加至达到某一极大值，电压再增加，电流并不增加。因为电离量很少且恒定，电压再增值，电压再增加，电流并不增加。因为电离量很少且恒定，电压再增加，到达电极的电子和离子数目不变。加，到达电极的电子和离子数目不变。（2 2）汤生放电区）汤生放电区-bc-bc段，离子和电子数目雪崩式的增加，放电电流迅段，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）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）（3 3）辉光放电）辉光放电- -气体突然发生放电击穿现象，电流显著增加，放电电气体突然发生放电击穿现象，电流显著增加，

16、放电电压显著减少。压显著减少。c c点点- -放电的着火点。处于阴极的边缘和不规则处。放电的着火点。处于阴极的边缘和不规则处。cdcd段段- -前期的辉光放电。电流增加，电压减小（负阻现象）。因为气前期的辉光放电。电流增加，电压减小（负阻现象）。因为气体已经被击穿，气体内阻随电离度的增加显著减小。体已经被击穿，气体内阻随电离度的增加显著减小。5.3 5.3 溅射溅射dede段段- -正常的辉光放电。电压已定，电流的增加与电压无关，只与阴正常的辉光放电。电压已定，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。有效放电面积随电流的增加而增加。极上产生辉光的表面积有关。有效放电面积随电流的增

17、加而增加。阴极有效放电区内的电流密度保持恒定。阴极有效放电区内的电流密度保持恒定。（4 4）反常辉光放电）反常辉光放电-ef-ef段。放电电压和电流密度同时增大。（溅射段。放电电压和电流密度同时增大。（溅射区域）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。大小与电流密度和气体压强有关。（5 5）电弧放电）电弧放电-fg-fg段。电流继续增加，放电电压再次突然大幅度减段。电流继续增加，放电电压再次突然大幅度减少，电流急剧增加。少，电流急剧增加。5.3 5.3 溅射溅射u 溅射溅射l 溅射的

18、过程是建立在辉光放电的基础上的，即射向固体表溅射的过程是建立在辉光放电的基础上的，即射向固体表面的离子来源于气体放电，因正常辉光放电时的电流密度面的离子来源于气体放电，因正常辉光放电时的电流密度比较小，溅射选在反常辉光放电区。比较小，溅射选在反常辉光放电区。u 等离子体等离子体l 放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种气体为等离放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种气体为等离子体。等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原子、子体。等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。5.3 5.3 溅射溅射u 溅

19、射阈值：溅射阈值：l 对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就不会发生溅射现象。不会发生溅射现象。u 溅射率溅射率l 正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶上打出的原子数目；用上打出的原子数目；用S表示。表示。5.3 5.3 溅射溅射u 溅射率溅射率l 与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系 只有当入射离子能量超过一定能量时，才能发生溅射；只有当入射离子能量超过一定能量时，才能发生溅射； 随入射离子能量增加，溅射率先增加后平缓最后降低，随入射离子能量增加，溅射率先增加后平缓最后降

20、低，发生离子注入；发生离子注入；l 与入射离子种类的关系与入射离子种类的关系 入射离子原子量越大，溅射率越高入射离子原子量越大，溅射率越高 凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。（惰凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。（惰性气体被选为入射离子。）性气体被选为入射离子。）5.3 5.3 溅射溅射u 溅射率溅射率l 与被溅射物质的种类有关与被溅射物质的种类有关 一般来说随靶元素原子序数增加而增大；一般来说随靶元素原子序数增加而增大；l 与入射离子入射角的关系与入射离子入射角的关系 随入射角的增加，溅射率以随入射角的增加，溅射率以1/cos规律增加。规律增加。 当入射角接近当入

21、射角接近80o时，溅射率迅速下降。时，溅射率迅速下降。5.3 5.3 溅射溅射l 直流溅射：淀积金属薄膜；直流溅射：淀积金属薄膜；l 射频溅射：适用于淀积各种金属和非金属薄膜；射频溅射：适用于淀积各种金属和非金属薄膜；5.3 5.3 溅射溅射- -溅射方法溅射方法u 一般溅射淀积一般溅射淀积l 低压下原子电离成为离子的几率很低，影响淀积速率。低压下原子电离成为离子的几率很低，影响淀积速率。l 高压下，溅射出的靶材原子在飞向衬底的过程中将受到过高压下，溅射出的靶材原子在飞向衬底的过程中将受到过多的散射，影响淀积速率；同时，气体对薄膜产生污染。多的散射，影响淀积速率；同时，气体对薄膜产生污染。u

22、磁控淀积磁控淀积l 磁控溅射为淀积速率比一般方法高一个数量级；工作气压磁控溅射为淀积速率比一般方法高一个数量级；工作气压低，薄膜质量好。低，薄膜质量好。l V与与B垂直，电子沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前垂直，电子沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进，有效提高了电子与气体分子的碰撞几率，因而使工作进，有效提高了电子与气体分子的碰撞几率，因而使工作电压降低。电压降低。5.3 5.3 溅射溅射5.3 5.3 溅射溅射u 反应溅射反应溅射l 利用化合物直接作为靶材；利用化合物直接作为靶材；l 特点：可实现多组分的薄膜淀积；特点：可实现多组分的薄膜淀积；l 避免化合物在溅射过程中发生分解：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）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。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（氧）纯金属作为靶材，在工作气体中混入适量的活性气体（氧气等），在溅射淀积同时生成特定化合物，一步完成从溅射气等），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。、反应到多组分薄膜淀积的多个步骤。u 偏压溅射偏压溅射l 在衬底与靶材之间加偏压，以改变入射到衬底表面的在衬底与靶材之间