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1、第五章 物理气相淀积,内容,概述真空技术蒸发溅射薄膜淀积机理,概述,形成薄膜技术：薄膜生长技术、薄膜淀积技术薄膜生长技术：专指衬底材料也是形成薄膜的元素之一，（如硅的热氧化生长二氧化硅）薄膜淀积技术：薄膜形成过程中不消耗晶片或衬底材料，薄膜淀积技术一般可分为两类：化学气相淀积（CVD）：利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介质材料和半导体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等，但是随着CVD技术的发展，其应用范围逐渐扩大。物理气相淀积（PVD）：利用物理机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，包括蒸发和溅射等。,其它淀积技术还包括离子镀膜、溶液镀膜（化学反应沉积、阳极氧化法、电
2、镀法等）、旋转涂布法等 薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。在SSI和MSI IC时代，蒸发是主要的金属化方法。由于蒸发台阶覆盖的特性差，所以后来被溅射取代。本章主要介绍物理气相淀积工艺中的蒸发和溅射,真空知识,微电子工艺中所用的真空技术：气体分子的质量输运机制：低压CVD等离子体产生机制：溅射、等离子体增强CVD、反应离子刻蚀无污染的加工环境：蒸发、分子束外延气体分子的长程输运
3、：离子注入,真空基础知识,真空：低于一个大气压的气体空间，和正常的大气相比是比较稀薄的气体状态。标准大气压：在温度为20，相对湿度为60时的大气压强，1 atm 101325Pa1013.25mbar760torr，压强单位：帕斯卡(Pa)：国际单位制压强单位，1Pa=1N/m2 标准大气压（atm）：1 atm 101325Pa 乇(Torr)：1torr 1/760atm 1mmHg 毫巴(mbar)：1mbar=102Pa,真空度：低于大气压的气体稀薄程度。真空区域划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空粗真空（1105Pa 1102Pa），气态空间的特性和大气差不多，气体分子的平均自由程
4、短；低真空（1102Pa 1101Pa），每立方厘米的气体分子数为1016 1013个，此真空区域由于分子数减少，分子的平均自由程和容器的尺寸相当；高真空（1101Pa 1106Pa），气体分子的平均自由程大于一般容器的线度。超高真空（1106Pa），此时每立方厘米的气体分子数在1010个以下，超高真空的用途之一是得到纯净的气体，其二是可获得纯净的固体表面。,气体动力学理论推导的几个公式：气体分子的平均速率：气体分子的平均自由程：气体分子处于无规则的热运动状态，它除了与容器壁发生碰撞外，气体分子之间还经常发生碰撞。每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”其统计平均值称为平均自由程。根据理
5、想气体定律,代入上式，得到,式中d为分子直径，P为腔体压强；n为单位体积内的气体分子数；式中m为气体分子质量，注意：这些公式只是在 时适用,L为腔体的特征长度,真空的获得：真空系统的组成：待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空计）以及必要的管道、阀门和其它附属设备原理：当真空管道两端存在压力差的时候，气体会从高压处向低压处扩散，形成气体流动对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（P=0），而是具有一定压强称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能满足需要的重要指标；第二个主要指标是抽气速率指在规定压强下单位时间所抽气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。,
6、真空的获得：至今还没有一种真空泵可以从大气压一直工作到超高真空的。前级泵：能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的通常称为前级泵。次级泵：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵称为次级泵。通常是讲几种真空泵组合使用，如机械泵扩散泵、吸附泵溅射离子泵钛升华泵系统，前者为有油系统后者为无油系统。,机械泵：旋片式、定片式和滑翔式等。旋片式噪声小，运行速度高应用最广。旋片式机械泵：定子、旋片和转子组成。这些部件全部浸在机械泵油中，转子偏心地置于定子泵内。原理：在温度一定的情况下容器的体积与气体的压强成反比。,过程：右图式出了机械泵转子在连续旋转过程中的四个典型位置，图1表示正在吸气，同时把上一周期吸入的
7、气体逐步压缩；图2表示吸气截至，此时泵的吸气量达最大并将开始压缩；图3表示吸气空间另一次吸气，而排气空间继续压缩；图4表示排气空间内的气体已被压缩到当压强超过一个大气压的时候，气体推开排气阀由排气管道排出。如此不断进行吸气、压缩和排气，于是和机械泵连接的真空容器便获得了真空。,为减小有害空间的影响，通常采用双级泵。该泵由两个转子串联构成，以一个转子空间的出气口作为另一个转子空间的进气口，这样便可使极限真空从单级泵的1Pa提高到102Pa数量级，目前机械泵一般都是双级泵。由于泵的转子和定子全部浸泡在油箱内，则机械泵油的基本要求是饱和蒸气压低，具有一定的润滑性和粘度，以及较高的稳定性。扩散泵：利用
8、被抽气体向蒸气流扩散的现象实现排气作用的。,过程：当扩散泵油被加热后会产生大量的油蒸气，油蒸气沿着蒸气导管传输到上部，经过，伞形喷嘴向外喷射出来。由于喷嘴外的压强较低，于是蒸气会向下喷射出较长距离，形成一高速定向的蒸气流，其分压强低于扩散泵进气口上方被抽气体分压强，这样真空室内的气体分子必然向着压强低的扩散泵喷口处扩散，同具有较高能量的超音速蒸气分子相碰撞而发生能量交换，驱使被抽气体分子沿蒸气流方向高速运动并被带往出口处，被机械泵抽走。而射出的油蒸气喷到水冷的泵壁被冷凝成液体，流回泵底再重新加热成蒸气。如此循环。,油扩散泵,外形,内部结构,扩散泵必须与机械泵配合使用才能组成高真空系统，单独使用
9、扩散泵是没有抽气作用的。扩散泵油是扩散泵的重要工作物质，泵油应具有较好的化学稳定性（无毒无腐蚀），热稳定性（高温不分解），抗氧化性和较低的饱和蒸气压以及在工作时尽可能高的蒸气压。油蒸气向着真空室的返扩散会造成膜层污染，因此常在进气口安装水冷挡板或液氮冷阱来降低返油率。分子泵动量传输作用：当气体分子碰撞到高速移动的固体表面时，总会在表面停留很短的时间，并且在离开表面时将获得与固体表面速率相近的相对切向速率，这就是动量传输作用。,涡轮分子泵：靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走，而使得被抽容器获得超高真空的一种机械式真空泵。分子泵主要特点：启动迅速、噪声小、运行平稳、抽速大、
10、不需要任何工作液体。,1外壳2定子3转子,涡轮分子泵,涡轮分子泵叶片,真空的测量：为了判断和检定真空系统所达到的真空度，必须对真空容器内的压强进行测量，真空环境压强低，直接测压力极不容易，都是利用测量在低气压下和压强有关的某些物理量，再经过变换后确定容器的压强。任何方法都有一定的测量范围，这个范围就是该真空计的量程。目前还没有一种真空计能够测量从大气到1010Pa的整个领域的真空度。真空计有:电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子规表（高真空）热偶真空计：直接用热电偶测量热丝温度的真空计，应用广泛。电离真空计：目前测高真空的主要仪器，利用气体分子电离的原理测量真空度。,蒸发工艺,在半导体制造
11、的早期，所有金属层都是通过蒸发方法淀积的。为了获得更好的台阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在70年代后期，在大多数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发。原理：在真空室中加热蒸发容器（坩锅）中待蒸发的原材料，使其原子和分子从表面气化溢出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法，也称热蒸发法。分类：该法的改进主要在蒸发源上，主要有电阻式蒸发、高频感应式蒸发和电子束蒸发。特点：设备简单、操作容易，制成的薄膜纯度高、质量好，成模速率快、效率高，薄膜生长机理单纯。缺点：不容易获得结晶结构薄膜、薄膜和基板的附着力小、工艺重复性不好，不能产生台阶覆盖；性能上不能形成具有深宽比大于1.0:
12、1的连续薄膜；还有对淀积合金的限制。,原理示意图：组成：真空室：提供真空环境蒸发源或蒸发源加热器：放置蒸发材料并对其进行加热基板（衬底材料）：用于接收蒸发物质并在其表面形成固体薄膜基板加热器及其测温装置基板旋转装置,蒸发系统,蒸发过程加热蒸发过程：包括由凝聚相变为气相（固相或液相-气相的相变过程），每种蒸发物质在不同的温度下有不同的蒸气压。气化分子或原子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行中真空室内残余气体分子碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程，以及源基距（蒸发源到基片的距离）蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程，即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。基板温度远
13、低于蒸发源温度，则淀积分子在基板表面直接发生气相到固相的转变过程。上述过程都必须在真空环境下进行，否则蒸发原子或分子将和大量空气分子相互碰撞。,饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为饱和蒸气压。物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的数字，相反一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质温度。,常用材料的饱和蒸气压,蒸发速率,蒸发速率取决于离开蒸发源的材料有多少；到达基板材料有多少热平衡状态，单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数为：其中P是压强，M是气体分子的质量单位时间内坩锅中蒸发材料质量的消耗
14、速率可写为：其中,Pe是蒸发材料的饱和蒸气压，T是材料温度假设材料温度近似为恒定，同时面积A恒定，则有：为固定值,当真空室内的真空度足够高时，忽略气体分子的相互碰撞，可假设离开蒸发源的气体分子以直线形式运动到基板（衬底）表面。离开蒸发源的气体分子流F：点源：当蒸发源近似为点源时，气体分子各向同性平面源。当蒸发源近似为平面源时，气体分子流与夹角有关:此时，蒸发源正上方的基板 会得到更多的淀积薄膜,到达基板表面的材料比例常数可以写为：为获得好的均匀性，一般采用球形放置方式，此时有：K为一个常数，保证了到达硅片衬底表面各点的气体分子数相等，即淀积速率的均匀性。,至此淀积速率的公式为：其中，是淀积材料
15、的质量密度，Rd的单位是：m/s影响淀积速率的主要参数：被蒸发材料本身的性质淀积温度：温度越高，饱和蒸气压越高真空室和坩锅的几何形状,常用蒸发系统,分类：主要有电阻式蒸发、高频感应式蒸发和电子束蒸发,电阻式蒸发原理：采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对材料进行直接加热蒸发，或者把蒸发材料放入陶瓷或氧化铍坩锅中进行直接加热。由于电阻式加热蒸发源结构简单，价廉易作，是一种普遍的蒸发源。对蒸发源材料要求熔点高：由于蒸发材料的蒸发温度（饱和蒸气压为102乇时的温度）饱和蒸气压低：防止或减少在高温下蒸发源材料会随着蒸发材料的蒸发而称为杂质进入镀膜层化学性能
16、稳定：在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。,电阻式蒸发源,电阻式蒸发系统,电阻式蒸发源的形状：根据蒸发材料的性质，结合考虑蒸发源材料的润湿性，选择蒸发源形状。,各种形状的电阻式蒸发源,电子束式蒸发,随着薄膜技术的广泛应用，电阻式蒸发不能满足蒸镀某些难熔金属和氧化物材料的要求，特别是制膜纯度很高的需求，于是发展了电子束蒸发。过程：将蒸发材料放入水冷的铜坩锅中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术的发展方向。原理：基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而实现蒸发镀膜。,电子束蒸发系统,电子束蒸发,电子束蒸发优点：电子
17、束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度，因此可以使高熔点蒸发材料蒸发，并且能有较高的蒸发速率。如蒸发W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等。由于被蒸发材料置于水冷坩锅内，因而可避免容器材料蒸发，以及容器材料和蒸发材料之间的反应，提高纯度。热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少电子束蒸发的缺点：电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残余气体分子电离，有时会影响膜层质量。电子枪的结构复杂，设备价格较贵当加速电压过高时所产生的软X射线对人体有一定的伤害，应予以注意。,电子束蒸发源的结构形式：环形枪、直枪（皮尔斯枪）、e型枪和空心阴极
18、电子枪等几种。环形枪：靠环形阴极来发射电子束，经过聚焦和偏转后打在坩锅中使坩锅内的材料蒸发，结构简单但功率和效率不高，多用于实验性研究，在生产中用的较少。直枪：一种轴对称的直线加速电子枪，电子从阴极灯丝发射，聚焦成细束，经阳极加速后轰击坩锅中的蒸发材料使其加热蒸发。直枪的功率从几百瓦到几千瓦都有。不仅可以得到高的能量密度而且易于控制，应用较为方便，缺点是体积大、成本高、蒸发材料会污染枪体，可以采用在电子束出口设置偏转磁场，如下图，并在灯丝部位设置独立的抽气系统，不但避免了灯丝对膜层的污染而且可以延长枪的寿命。,直枪式蒸发源简图,e型枪：即270度偏转的电子枪，它克服了直枪的缺点，是目前用的较多
19、的电子束蒸发源。其结构简图如下：,1发射体 2阳极 3电磁线圈 4水冷坩锅 5收集极 6吸收极 7电子轨迹 8正离子轨迹 9散射离子轨迹 10等离子体,e型枪结构示意图,所谓e型枪是由电子运动轨迹而得名的，由于入射电子与蒸发原子相碰撞而游离出来的正离子，在偏转磁场作用下，产生与入射电子相反方向的运动，因而避免了直枪中正离子对蒸镀膜层的污染，同时e型枪也大大减少了二次电子（高能电子轰击材料表面所产生的电子）对基板轰击的几率。由于e 型枪有效抑制二次电子，可方便地通过改变磁场来调节电子束的轰击位置，再加上在结构上采用的内藏式阴极，防止了极间放电、避免了灯丝污染。目前e型枪已经取代了直枪和环形枪。,
20、高频感应蒸发源,原理：将装有蒸发材料的坩锅放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化。蒸发源一般由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩锅组成。,高频感应蒸发源示意图,优点：蒸发速率大，可为电阻式的10倍；蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因此坩锅选用和蒸发材料反应最小的材料；蒸发源一次装料，无需送料机构，温度控制容易，操作简单。缺点：蒸发装置必须屏蔽，并需要复杂昂贵的高频感应器、高频场会使参与气体电离，使功耗增大。,合金材料和多组分材料的淀积,当合金材料的饱和蒸气压相近时，一般采用单
21、源蒸发；当合金材料的饱和蒸气压不同时，采用多源同时或多源依次蒸发。蒸发多组分薄膜的方法,化合物蒸发法,方法：电阻式蒸发、反应蒸发法、双源或多源蒸发三温度法和分子束外延法,反应蒸发法：将活性气体导入真空室，使活性气体的原子和分子和从蒸发源逸出的蒸发原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程中发生反应，从而形成高价化合物薄膜的方法。用途：经常用于制作高熔点的化合物，在空气或氧气氛中蒸发SiO制作SiO2，在N2气氛中蒸发Zr得到ZrN薄膜，在Ar-N2中得到AlN薄膜，在CH4气氛中得到SiC薄膜等,反应蒸发法示意图,蒸发工艺的局限性,淀积薄膜的速率限制：高速率与均匀性的矛盾淀积薄膜材料纯度的限制淀积薄膜台阶覆盖性的限制,当表面吸附原子移动率低时，阴影效应会造成严重的台阶覆盖问题。解决：加热硅片并进行旋转硅片,
