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第五章 物理气相淀积. 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院. 绪论. PVD ： physical vapor deposition 特点：物理过程； 方法： ①蒸发：早期工艺制备金属薄膜，目前广泛应用于科 研和 Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体工艺中； ②溅射：已取代蒸发。. 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，材料表面都存在自身的气体； 饱和蒸气压：在一定的温度下，真空室内蒸发物质的
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第五章 物理气相淀积 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院
绪论 • PVD：physical vapor deposition • 特点：物理过程； • 方法： ①蒸发：早期工艺制备金属薄膜，目前广泛应用于科 研和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺中； ②溅射：已取代蒸发。
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，材料表面都存在自身的气体； • 饱和蒸气压：在一定的温度下，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； • 蒸发温度：饱和蒸汽压为133.3×10-2Pa时的物质温度； • 升华：低于材料熔化温度时，产生蒸气的过程； • 蒸发：材料熔化时，产生蒸气的过程； • 真空蒸发：利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进 行薄膜淀积； 优点：工艺及设备简单，薄膜纯度高、淀积速率快； 缺点：薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖差。
5.1.1 真空蒸发设备 电子束蒸发台
载片盘 蒸发金属 工艺腔 (钟罩) 坩锅 高真空阀 机械泵 高真空泵 5.1.1 真空蒸发设备 主要由三大部分组成： ①真空系统 ②蒸发系统 ③基板及加热系统
蒸发淀积过程 主要有三个基本过程： ①加热蒸发过程：加热蒸发源（固态），产生蒸气； ②气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：气化 的原子、分子扩散到基片表面； ③被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：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 • 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,控制相应厚度；
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 • 直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体； 加热体采用：W、Mo、石墨。 • 间接加热源：坩埚盛放蒸发源； (坩埚采用：高温陶瓷、石墨) • 对加热材料的要求： ①熔点要高：高于蒸发源的蒸发温度； ②饱和蒸汽压要低：低于蒸发源； ③化学性能要稳定：在高温下与蒸发材料不发生化学反应，不形成合金。 • 目的：不产生污染 • 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 • 原理：电子轰击蒸发材料，使其 熔化蒸发。 • 特点：可淀积高熔点（﹥3000℃）、 高纯薄膜； • 应用：W、Mo、SiO2、Al2O3
5.2.2 电子束蒸发源 • 优点： ①蒸发温度高：能量密度高于电阻加热源； 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： ①一次电子与二次电子使蒸发原子等电离； ②结构复杂、价格昂贵，会产生软X射线。
5.2.3 激光加热源 • 原理：利用高功率激光束进行加热。 • 主要优点： (1)加热温度高，可蒸发任何高熔点材料。 (2)坩埚材料对蒸发材料的污染小，薄膜纯度高。 (3)能量密度高，可保证化合物薄膜成分比例。 (4)易获得高真空度。 (5)适合蒸发成分比较复杂的合金或化合物。 • 主要缺点： 大功率激光器价格较昂贵。
5.2.4 高频感应加热蒸发源 • 优点： ①蒸发速率快； ②温度控制精确； ③工艺简便； • 缺点： ①成本高； ②电磁干扰。
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）；故， 还可实现离子注入。 • 优点：台阶覆盖好（迁移能力强）。
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 • 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
阳极(+) 阴极 (-) 金属靶 1) 电场产生 Ar+ 离子 + 2) 高能Ar+离子和 金属靶撞击 + + + + e- 进气 e- e- 氩原子 3) 将金属原子 从 靶中撞击 尾气 等离子体 6) 用真空泵将多余 物质从腔中抽走 电场 4) 金属原子向衬底迁移. DC 直流二极管 溅射装置 5) 金属淀积在衬底上 衬底 简单平行金属板直流二极管溅射系统
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；
磁铁 氩气入口 阴极 靶 被加热的硅片吸盘 真空泵 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； DC 电源
