Chap5物理气相沉积.ppt
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1、Chap5 物理气相沉积,PVD是以物理方式进行薄膜淀积的一种技术。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,都有很广泛的应用。 PVD有两种方法:蒸镀法(Evaporation Deposition)和溅镀法(Sputtering Deposition)。前者是通过加热被蒸镀物体,利用被蒸镀物体在高温(接近其熔点)时的饱和蒸汽压,进行薄膜淀积,又称热丝蒸发。后者是利用等离子体中的离子,对被溅镀物体(又称离子靶)进行轰击,使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子(原子),这些粒子淀积到硅晶体上形成溅镀薄膜,又称溅射。,蒸发:在真空系统中,金属原子获得足够的能量后便可以
2、脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子,淀积在晶片上。按照能量来源的不同,有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅射:真空系统中充入惰性气体,在高压电场作用下,气体放电形成的离子被强电场加速,轰击靶材料,使靶原子逸出并被溅射到晶片上,蒸发原理图,在薄膜淀积技术发展的最初阶段,蒸发法用的多。其优点:较高的淀积速率、相对高的真空度、较高的薄膜质量。 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,化学成分容易控制、淀积的薄层与衬底附着性好等。 溅射技术制备薄膜的技术已基本取代真空蒸发法。,5.1 真空蒸发法制备薄膜的基本原理,蒸发:材料的温度低于熔化温度时,产生蒸气的
3、过程,称为升华,而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。 热蒸发: 蒸发材料,使其原子或分子蒸发,又称。,真空知识:PVD一般是以单质的固体材料为源,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的空气时,由理想气体状态方程可以计算出,在室温下,每立方厘米空间约有2.4*1014个气体分子。这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金属蒸发分子由源向衬底的降落淀积,而且使每立方厘米衬底表面每秒钟要遭受到1018个空气分子的撞击,这个数值已远远超出了金属淀积膜的原子密度,这些物质夹在薄膜中,必然会破坏薄膜的成分与质量。所以,PVD法要求正式淀积之前,必须彻底地抽除淀积室内的残留气体,
4、即在低气压(又称本底真空度)下,才能开始淀积。,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的本底真空度。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,使得蒸发材料的原子或分子所走的路程就越长。 通常我们把大量原子或分子,两次间碰撞自由飞行的平均长度称为原子或分子的平均自由程(L)。,原子的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。例如当P=1mmHg时,L=5*10-5cm;P=10-6mmHg时,L=5000cm。这就是要想源材料的原子或分子所走的路程越长,就必须将淀积室抽成高真空。生产上常用的是10-510-6mmHg,而蒸发源到衬底的距离
5、大约在1030cm之间,即平均自由程远远大于源到衬底的距离,当源分子或原子从源材料脱离以后,就可以直线形式射到衬底上。当然这不是绝对的,碰撞肯定也有的,只不过这种碰撞几率小到可以忽略不计。,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的输运过程 (3)被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程,蒸发原理图,二、汽化热和蒸汽压 三、真空度与分子平均自由程 四、多组成薄膜的蒸发方法 单源蒸发法:
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