Chap物理气相沉积省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

Chap5物理气相沉积

PVD是以物理方式进行薄膜淀积一个技术。在集成电路生产中，金属薄膜在欧姆接触、互连、栅电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛应用。PVD有两种方法：蒸镀法（EvaporationDeposition）和溅镀法（SputteringDeposition）。前者是经过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温（靠近其熔点）时饱和蒸汽压，进行薄膜淀积，又称热丝蒸发。后者是利用等离子体中离子，对被溅镀物体（又称离子靶）进行轰击，使气相等离子体内含有被溅镀物体粒子（原子），这些粒子淀积到硅晶体上形成溅镀薄膜，又称溅射。第1页ð蒸发：在真空系统中，金属原子取得足够能量后便能够脱离金属表面束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量起源不一样，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种ð溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上第2页蒸发原理图第3页

在薄膜淀积技术发展最初阶段，蒸发法用多。其优点：较高淀积速率、相对高真空度、较高薄膜质量。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。溅射法优点：淀积多源化合金薄膜时，化学成份轻易控制、淀积薄层与衬底附着性好等。溅射技术制备薄膜技术已基本取代真空蒸发法。第4页5.1真空蒸发法制备薄膜基本原理

蒸发：材料温度低于熔化温度时，产生蒸气过程，称为升华，而熔化时产生蒸气过程称为蒸发。热蒸发：蒸发材料，使其原子或分子蒸发，又称。

第5页真空知识：PVD普通是以单质固体材料为源，然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。当一个系统中残留1Pa空气时，由理想气体状态方程能够计算出，在室温下，每立方厘米空间约有2.4*1014个气体分子。这些气体分子不但严重妨碍了铝、金、铬等金属蒸发分子由源向衬底降落淀积，而且使每立方厘米衬底表面每秒钟要遭受到1018个空气分子撞击，这个数值已远远超出了金属淀积膜原子密度，这些物质夹在薄膜中，必定会破坏薄膜成份与质量。所以，PVD法要求正式淀积之前，必须彻底地抽除淀积室内残留气体，即在低气压（又称本底真空度）下，才能开始淀积。第6页本底真空度，依据淀积方法，淀积物性质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低本底真空度。这是因为铝易被氧化之故。真空度越高，淀积室内气体分子越少，使得蒸发材料原子或分子所走旅程就越长。通常我们把大量原子或分子，两次间碰撞自由飞行平均长度称为原子或分子平均自由程（L)。第7页

原子平均自由程与气体压强成反比。也就是说，P越低，则L就越大。比如当P=1mmHg时，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg时，L=5000cm。这就是要想源材料原子或分子所走旅程越长，就必须将淀积室抽成高真空。生产上惯用是10-5~10-6mmHg，而蒸发源到衬底距离大约在10~30cm之间，即平均自由程远远大于源到衬底距离，当源分子或原子从源材料脱离以后，就能够直线形式射到衬底上。当然这不是绝正确，碰撞必定也有，只不过这种碰撞几率小到能够忽略不计。第8页一、真空蒸发设备三大部分（1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境（2）蒸发系统：放置蒸发源，以及加热和测温装置。（3）基板及加热：放置衬底，对衬底加热装置及测量装置。真空蒸发法过程：（1）

加热蒸发过程（2）

气化原子或分子在蒸发源与基片之间输运过程（3）被蒸发原子或分子在衬底表面淀积过程

第9页蒸发原理图第10页二、汽化热和蒸汽压三、真空度与分子平均自由程四、多组成薄膜蒸发方法单源蒸发法：单源，合金溶液多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发多源次序蒸发法：多坩埚，按次序蒸发第11页5.2蒸发源

1.电阻加热源利用电流经过加热源时所产生能够焦耳热来蒸发材料。蒸发中出现质量问题：（1）铝层厚度控制不适当铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要参数。太薄，在键合工序轻易开焊造成半导体器件或集成电路断路，严重影响成品率。假如太厚，电极图形看不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，轻易造成脱胶，钻蚀现象。第12页（2）铝层表面氧化蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这说明表面被氧化及其它合金物出现，杨画册铝层不但难以光刻核键合，而且影响器件性能。造成铝层氧化有以下原因：1）钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处理得不够；2）真空度低或真空零件不洁净；3）蒸发时挡板打开过早，即在，铝溶液表面氧化层还未去掉时就开始蒸发。因而把赃物也蒸发上去了；4）衬底加热温度较高，而且取片过快；5）扩散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热后放出气体未及时抽走；6）真空系统中出现慢性漏气。

第13页2.电子束蒸发源(1)基于电子在电场作用下，取得动能轰击处于阴极蒸发材料，使蒸发材料加热气化。(2)电子束蒸发优点：l

膜纯度高，钠离子玷污少l

光刻腐蚀方便l

镀膜层均匀l

节约大量钨丝和铝源l

应用范围广l

铝膜晶粒致密均匀第14页3.激光加热源利用高功率连续或脉冲激光作为能源对蒸发材料进行加热。4.高频感应加热蒸发源经过高频感应对装有蒸发材料坩埚进行加热。

第15页

5.3气体辉光放电

溅射：含有一定能量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碰撞过程中将发生能量和动量转移，并能将固体表面原子溅射出来。基础是辉光放电。1.

直流辉光放电2.

辉光放电中碰撞过程弹性碰撞：非弹性碰撞：（1）电离过程；（2）激发过程；（3）分解反应3.射频辉光放电第16页5.4溅射

溅射是利用等离子体中离子，对被溅射物体电极进行轰击，使气相等离子体内含有被溅射镀物粒子，使其淀积到硅片表面并形成薄膜一个ＰＶＤ方法，所以将高纯粒子从某种物质表面撞击出原子物理过程叫溅射。溅射是当前大规模集成电路制造中应用得最广泛一个镀膜方法，它能够用来淀积不一样金属，包含铝、铝合金、钛、钨钛合金。

第17页溅射含有以下优点：１）可在一个面积很大靶子上进行，这么处理了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性问题２）在选定工作条件下，膜厚轻易控制，只要调整时间就可得到所需厚度3）溅射淀积薄膜合金，成份要比蒸发轻易控制4）改变加在硅片上偏压和温度，能够控制薄膜许多主要性能，如台阶覆盖和晶粒结构等。5）在溅射之前进行预溅射，做一番清洁处理，这么能够取得质量更加好薄膜。

第18页一、溅射特征1.

溅射阈值：10~30ev取决于靶材料2.

溅射率：被溅射出来原子数与入射离子数之比，其大小于入射离子能量、种类、靶材料种类等相关。3.

溅射原子能量和速度有5个特点第19页二、溅射方法1.

直流溅射：溅射率低，靶材料有很好导电性时能够很方便溅射淀积各类金属薄膜。2.

射频溅射：导电性很差非金属材料溅射。3.

磁控溅射：店家速率较高，工作气体压力较低，薄膜质量好，是当前应用最广泛一个溅射淀积方法。4.

反应溅射：在淀积同时形成化合物。5.

偏压溅射：在普通溅射基础上，加一定偏置电压在衬底与靶材料之间，改变入射到衬底表面带电粒子数量和能量。第20页6.

接触孔中薄膜溅射淀积：带有准直器。7.长投准直溅射技术：不用准直器便能改进接触孔底部覆盖效果溅射技术。需要处理问题：1）溅射会造成反应室室壁表面凝