第五章物理气相淀积

null集成电路制造技术 第五章 物理气相淀积集成电路制造技术 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 2010年3月第五章 物理气相淀积第五章 物理气相淀积PVD：physical vapor deposition 淀积特点：物理过程； 技术： ①蒸发：早期工艺制备金属薄膜； ②溅射：已取代蒸发。 5.1 真空蒸发的基本原理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。5.1.1 真空蒸发设备5.1.1 真空蒸发设备①真空系统 ②蒸发系统 ③基板及加热系统基板蒸发源真空系统蒸发淀积过程蒸发淀积过程①加热蒸发：加热蒸发源（固态），产生蒸气； ②输运：气化的原子、分子扩散到基片表面； ③淀积：气化的原子、分子在表面 凝聚、成核、成长、成膜； 5.1.5 多组分蒸发5.1.5 多组分蒸发如，合金蒸发 方法：（按蒸发源分类） ①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； ②多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； ③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； 5.1.5 多组分蒸发5.1.5 多组分蒸发5.2 蒸发源5.2 蒸发源（按加热方式分类） ①电阻加热源 ②电子束加热源 ③高频感应加热源 ④激光加热源5.2.1 电阻加热源5.2.1 电阻加热源直接加热源：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 ①熔点高：高于蒸发源的蒸发温度； ②饱和蒸汽压低：低于蒸发源； ③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 电子束蒸发源5.2.2 电子束蒸发源原理：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； 5.2.2 电子束蒸发源5.2.2 电子束蒸发源优点： ①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； ②高纯度淀积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发； ③热效率高：热传导和热辐射损失少。 缺点： ①一次电子和二次电子使蒸发原子电离，影响薄膜质量； ②设备及工艺复杂。5.2.3 激光加热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 高频感应加热源5.2.4 高频感应加热源优点： ①蒸发速率快： 蒸发面积大； ②温度控制精确、均匀； ③工艺简便； 缺点： ①成本高； ②电磁干扰。5.4 溅射5.4 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null5.4.3 溅射方法5.4.3 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5.4.3 溅射方法5.4.3 溅射方法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； 5.4.3 溅射方法5.4.3 溅射方法3.磁控溅射 原理： 磁场在靶材表面与电场垂直，电子沿电场方向加速、绕磁场方向螺旋前进，提 高了电子碰撞电离效率。 特点：淀积速率最高； 磁控溅射系统磁控溅射系统