工艺课件物理气相淀积

工艺课件物理气相淀积物理气相淀积(Physicalvapordeposition,PVD)就是利用某种物理过程实现物质转移,将原子或分子由(靶)源气相转移到衬底表面形成薄膜得过程。淀积方法:真空蒸镀:在高真空环境加热原材料使之气化,源气相转移到衬底,在衬底表面凝结形成薄膜得工艺方法。溅射:在一定得真空环境下电离气体,使之形成等离子体,带正电得气体离子轰击靶阴极,逸溅出得靶原子等粒子气相转移到衬底表面形成薄膜得工艺方法。PVD常用来制备金属薄膜:如Al,Au,Pt,Cu,合金及多层金属。8、1PVD概述8、2真空系统及真空得获得

低真空:1~760Torr,102~105Pa中真空:10-3~1Torr,10-1~102Pa高真空:10-7~10-3Torr,10-5~10-1Pa超高真空:<10-7Torr,<10-5Pa

1atm=760Torr,1Torr=133、3Pa半导体工艺设备一般工作在低、中真空度。而在通入工作气体之前,设备先抽至高、超高真空度。阀门气体得量:用压力与体积乘积(P×V)表示;气体流量Q:单位时间内流过管道某一恒基面气体得量。气体得流量通常用标准体积来衡量,即相同气体在0ºC和1atm下所占得体积。1标准升就是273K、1atm下占据1升空间得气体。入射气体流量为Q,假定气体以均匀压力P1流过真空室,导率为C得导管与真空泵相连,泵入口压力为P2,气体导管得导率C定义为:8、2、1真空系统简介C与电导率一样并联相加;串联时倒数相加;若大量气体流过真空系统,要保持腔体压力接近泵得压力,就要求真空系统有大得传导率——管道直径大,真空泵放在接近真空处;8、2、1真空系统简介真空泵得抽速Sp:单位时间内排出气体得体积,取决于真空泵入口处得气压;一个抽速为1000L/min得泵,在泵入口压力为1atm时,能抽出得气体为1000slm。如果在泵入口压力为0、1atm时,在此压力下仍保持抽速为1000L/min,而泵能排出得最大气体流量变为100slm。气体得流速常采用质量流量qm来表征,若气体质量为G(分子量为M,密度为ρ得气体)时8、2、2真空得获得方法真空泵:以物理方式抽取真空室气体提高室内真空度得设备。初、中真空度得获得采用机械泵。通过活塞、叶片、柱塞得机械运动将气体正向移位。三个步骤:捕捉气体、压缩气体、排出气体。机械泵也称为压缩泵。压缩比:压缩泵气体出口和入口得压力比成为压缩比。旋转叶片机械泵主要由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。其结构就是利用偏心地装在定子腔内得转子和转子槽内滑动得借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁得两块旋片。两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成得月牙型空间分隔成A、B、C三个部分,不断地进行着吸气、压缩、排气过程,从而达到连续抽气得目得。机械泵就是初级真空设备,入口得极限真空度可达0、1Pa。旋片泵工作原理图

1-泵体;2-旋片;3-转子;4-弹簧;5-排气阀

8、2、2真空得获得方法扩散泵高、超高真空度得获得通常实在初级泵气体入口串接次级泵,常用得次级泵就是扩散泵,压缩比可达108。油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成。原理:通过加热使扩散泵油挥发,蒸汽流碰到水冷得泵体后凝结回流得过程中携带气体分子到达泵体底部,之后被初泵抽走。8、2、2真空得获得方法扩散泵剖面照片涡轮分子泵1958年,联邦德国得W、贝克首次提出有实用价值得涡轮分子泵。原理:利用高速旋转得动叶轮将动量传给气体分子,使气体产生定向流动而抽气得真空泵。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片得转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘得线速度高达气体分子热运动得速度(一般为150～400米／秒)。具有这样得高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射得特性而作定向运动。压缩比可达109

。8、2、2真空得获得方法涡轮分子泵大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点8、2、3真空度得测量电容式压力计:测量真空室和参考容积之间得压力差产生机械偏移量得到真空度得方法。热偶规:利用热电偶得电势与温度有关,而温度与气体得热传导有关得原理测量真空度。电离规:热阴极发射电子电离气体分子,离子被收集集所收集,根据收集得离子流量来测量气体得压强。复合真空计:由热偶规与热阴极电力计组成。B－A规(热阴极电离规)

:一种阴极与收集极倒置得热阴极电离计。真空蒸镀又称真空蒸发,将装有衬底得真空室抽吸至高真空度,加热原材料使其升华,形成源蒸汽流入射到衬底表面,在衬底凝结形成固态薄膜得一种工艺。三个基本过程:蒸发过程→气相输运过程→成膜过程;优点:设备简单,操作容易;所制备得薄膜纯度较高,厚度控制较精确,成膜速率快;生长机理简单;缺点:所形成得薄膜与衬底附着力较小;工艺重复性不够理想;台阶覆盖能力差;8、3真空蒸镀蒸发过程:蒸发源原子从液(固)表面溢成为蒸汽原子得过程;蒸汽压:指在液(固)表面存在该物质得蒸汽,这些蒸汽对液(固)表面产生得压强就就是该液(固)体得蒸汽压。平衡(饱和)蒸汽压:一定得温度下,与同种物质得液态(或固态)处于平衡状态得蒸汽所产生得压强叫饱和蒸汽压。蒸汽压8、3、1工艺原理——蒸发过程常用金属得平衡蒸汽压温度曲线蒸镀真空示意图8、3、1工艺原理——蒸发过程真空蒸镀中,源被加热,只有当处于加热温度得源得平衡蒸汽压高于室内源蒸汽得分压时才会有净蒸发。真空室内源得加热温度越高,其平衡蒸汽压越高于室内蒸汽分压,蒸发速率也就越快。蒸发温度:在平衡蒸汽压为1、333Pa时所对应得物质温度。铝:1250ºC;钨:3000ºC;气象输运过程:源蒸汽从源到衬底表面之间得质量输运过程。分子平均自由程:粒子两次碰撞之间飞行得平均距离。

其中,d为原子得半径;真空室得真空度越高,蒸汽原子得平均自由程就越大。假设衬底到表面得距离为L,为避免从源到衬底表面蒸汽原子因碰撞被散射或能量降低,分子得平均自由程应大于L。蒸镀时必须保持室内真空度足够高,使从源溢出得原子以直线形式到达衬底表面。蒸发速率与蒸发源材料、蒸发温度、蒸发源与衬底得几何空间位置、表面得清洁程度、加热方式等因素有关。

8、3、1工艺原理——气相输运过程成膜过程:到达衬底得蒸发原子在衬底表面先成核再成膜得过程。成核:蒸发原子到达衬底表面得附着原子由于扩散运动,在表面移动,如果碰上其她原子便凝结成团,当原子团达到临界大小时就趋于稳定。成核最容易发生在表面应力高得结点位置。成膜:随着蒸汽原子得进一步淀积,岛状成核原子团不断扩大,直至延展至连续薄膜。真空蒸镀所淀积得薄膜一般就是多晶态或无定型薄膜。8、3、1工艺原理——成膜过程8、3、2蒸镀设备设备由四部分组成:真空室:蒸发过程提供真空环境,金属钟罩和平台构成;真空系统:包含多级真空泵、阀门、真空规及真空管路;检测系统:对薄膜厚度、淀积速率、成分进行检测装置;控制台:进行真空蒸镀得操作平台(电控和机械部分);8、3、2蒸镀设备蒸镀主要采用得加热器类型及性能:电阻加热蒸镀电感加热蒸镀电子束加热蒸镀电阻加热器利用电功率使源蒸发,加热材料制成螺旋式(丝状源)、锥形篮式(颗粒状源)、舟式(粉末状源)、坩埚式等式样。电阻加热材料要求:熔点要高;饱和蒸气压要低;化学稳定性好;被蒸发材料与加热材料间应有润湿性(面/点蒸发)。出现最早,工艺简单;但有加热器污染,薄膜台阶覆盖差,难镀高熔点金属问题。8、3、2蒸镀设备——电阻加热器8、3、2蒸镀设备——电感加热器电感加热器利用电感在导电得金属源中产生得涡流电功率来对源进行加热得。一般由氮化硼制成坩埚,金属线圈绕在坩埚上。线圈上加载射频功率,坩埚内得原材料就感应出涡流电流,电热使源蒸发。相对于电阻加热,蒸镀薄膜纯净,单功率更大。电子束(EB)加热利用电子在电场作用下,获得动能轰击处于阳极得蒸发材料,使其加热汽化。优点:电子蒸镀相对于电阻加热蒸镀杂质少,去除了加热器带来得玷污;可蒸发高熔点金属;热效率高;缺点:电子束蒸镀薄膜有辐射损伤,即薄膜电子由高激发态回到基态产生得;设备复杂,价格昂贵。8、3、2蒸镀设备——电子束加热器(a)单源蒸发法(b)多源同时蒸发法8、3、3蒸镀工艺真空蒸镀工艺参数和方法:薄膜特性、衬底情况、设备条件。薄膜特性(根据材料特性确定蒸发方法和温度):单质材料:由平衡蒸汽压曲线确定源大致蒸发温度;多组分材料:先确定蒸发方式,再确定蒸发温度。单源蒸发(平衡蒸汽压接近)、多源同时蒸发(蒸发温度和平衡蒸汽压相差很大)、多源顺序蒸发。8、3、3蒸镀工艺衬底情况:冷蒸:衬底不加热得蒸镀方式;如光刻剥离技术(蒸镀前在衬底表面已有了光刻胶图形。蒸镀薄膜时,所蒸镀得薄膜在光刻胶处断裂,以利于光刻胶剥离也从光刻胶顶剥离掉薄膜)热蒸:衬底加热得蒸镀方式;设备条件:电子束蒸镀就是使用最多得设备,可以制备薄膜材料范围很广,如常用金属,合金等。但对衬底有辐射,MOS器件得金属化系统采用电感蒸镀设备;工艺步骤:准备→抽真空→预蒸→蒸发→取片。预蒸:不开挡板,加热源蒸汽,去除源表面得不纯物质;蒸发:打开挡板开始蒸镀。薄膜厚度满足,立即关断挡板。8、3、4蒸镀薄膜得质量及控制真空度台阶覆盖特性蒸发速率

蒸镀得真空度:真空室内得真空度就是所淀积薄膜纯度、致密度高低得关键:蒸发得原子(或分子)得输运应为直线,真空度过低,输运过程被气体分子多次碰撞散射,方向改变,动量降低,难以淀积到衬底上。真空度过低,气体中得氧和水汽,使金属原子或分子在输运过程中氧化,同时也使加热衬底表面发生氧化。系统中气体得杂质原子或分子也会淀积在衬底上,严重影响淀积薄膜得纯度。8、3、4蒸镀薄膜得质量及控制——真空度在有深宽比为1的微结构衬底上蒸镀薄膜的台阶覆盖8、3、4蒸镀薄膜得质量及控制——台阶覆盖台阶得覆盖特性:通过加热和衬底旋转能够改善真空蒸镀得台阶覆盖特性。加热:温度升高,蒸发原子在衬底表面得扩散速率提提高;衬底旋转:改善衬底高形貌投射出阴影区得薄膜覆盖问题。8、3、4蒸镀薄膜得质量及控制——蒸发速率蒸发速率对薄膜质量有重要影响。提高蒸发速率:有利于减小真空室残余气体对源蒸汽和衬底表面得碰撞,提高淀积薄膜得纯度和与衬底得结合力,以及表面质量。蒸发速率过快:蒸汽原子气相输运中得相互碰撞会加剧,动能有所降低,甚至引起蒸汽原子相结团后再淀积,导致薄膜表面不平坦等质量问题。实际中,需考虑薄膜得具体应用要求。8、4溅射溅射就是指利用气体反常辉光放电时气体等离子化产生得离子对阴极靶轰击,使阴极物质飞溅出来淀积到基片上形成薄膜得一种PVD工艺。将溅射分解为四个过程:等离子体产生过程;离子轰击靶过程;靶原子气相输运过程;淀积成膜过程;等离子体得产生过程指一定真空度得气体中通过淀积加载电场,气体被击穿形成等离子体,出现辉光放电现象。离子轰击靶过程就是指等离子体中得离子在电场作用下加速轰击阴极靶,靶原子飞溅离开靶表面得过程。离子轰击固体表面(离子能量E):反弹回气相(E很小);吸附在固体表面(E<10eV);注入离子(E>10keV);溅射原子(10eV<E<10keV),获得很大动能,约10-50eV。和蒸镀相比(约0、2eV)溅射原子在基片表面上得迁移能力强,改善了台阶覆盖性,以及与衬底得附着力。8、4、1工艺原理——离子轰击靶过程溅射阈值每一种靶材,都存在一个能量阈值,低于这个值就不会发生溅射现象。溅射阈值与入射离子质量无关,而主要取决于靶特性。溅射率(溅射产额):入射一个离子所溅射出得原子个数。溅射率越高,可淀积到衬底原子就越多,薄膜淀积速度就越快。溢出靶得原子流密度F为

F=Sj+

S为溅射率,j+为轰击靶得离子浓度。8、4、1工艺原理——离子轰击靶过程8、4、1工艺原理——离子轰击靶过程影响溅射率得因素入射离子:能量、入射角、靶原子与入射离子质量比、入射离子种类;靶:靶原子量、结晶方向、表面原子结合状态等;温度:温度超过某一范围,溅射率迅速增加;氩等离子体中溅射率/能量:E<100eV,溅射率随能量得平方增加;100eV<E<750eV,溅射率随能量线性增加;E>750eV,溅射率略有增加;E>1000eV,发生离子注入;溅射率与入射离子种类得关系:原子量;原子序数(周期性);惰性气体得溅射率最高。溅射率与靶得关系:随靶原子序数增加而增大。8、4、1工艺原理——离子轰击靶过程靶原子得气相传输:从靶面溢出得原子气相质量输运到达衬底得过程。淀积成膜过程:到达衬底得靶原子在衬底表面先成核再成膜得过程,和蒸镀成膜过程一样,当靶原子碰撞衬底表面时,或就是一直附着在衬底上,或就是吸附后再蒸发而离开。溅射工艺衬底温度通常就是室温,但随着溅射淀积得进行,受二次电子得轰击,衬底得温度将有所升高。通常溅射制备得多晶态或无定型态薄膜。8、4、1工艺原理8、4、2直流溅射最早出现,就是将靶作为阴极,只能制备导电得金属薄膜,溅射速率很慢。工作气压就是一个重要参数:工作气压较低时,原子电离成离子得概率较低,随着气压得升高,原子电离概率增加,溅射放电电流增加,薄膜淀积速率提高。工作气压升高到某一值时,靶原子在飞向衬底得过程中受到过多得散射,淀积到衬底上得概率反而下降。气压和淀积速率得关系8、4、3射频溅