第五章 物理气相淀积.ppt

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 2013年9月,本章主要内容,真空蒸发的原理 电阻加热源蒸发 电子束加热蒸发 多组分蒸发 溅射的原理 直流溅射 RF溅射 磁控溅射,第五章 物理气相淀积,定义：利用蒸发或溅射等物理过程实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底(硅)表面上，并淀积成薄膜。 分类：真空蒸发法和溅射法 1）真空蒸发法 优点：较高淀积速率，较高薄膜质量(系统真空度高) 缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元薄膜时组份难控制 2）溅射法 优点：多元薄膜组份易控制，台阶覆盖能力强，衬底附着性好 溅射法在很大程度上已经取代了真空蒸发法，但真空蒸发法在科研和III-V族化合物半导体工艺中仍被采用。,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； 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。,热蒸发台,1）基板,2）蒸发源,3）真空系统,电 子 束 蒸 发 台,5.1.1 真空蒸发设备-蒸发台,5.1.2 蒸发淀积过程,加热蒸发：加热蒸发源（固态），产生蒸气； 输运：气化的原子、分子扩散到基片表面； 淀积：气化的原子、分子在表面 凝聚、成核、成长、成膜；,5.1.3 多组分蒸发,如，合金蒸发 方法：（按蒸发源分类） 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； 多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； 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；,5.1.3 多组分蒸发,5.2 蒸发源,（按加热方式分类） 电阻加热源 电子束加热源 高频感应加热源 激光加热源,5.2.1 电阻加热,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 熔点高：高于蒸发源的蒸发温度； 饱和蒸汽压低：低于蒸发源； 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,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；,优点：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；高纯度淀积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发；热效率高：热传导和热辐射损失少。 缺点：一次电子和二次电子使蒸发原子电离，影响薄膜质量；设备及工艺复杂。,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,优点： 蒸发速率快： 蒸发面积大； 温度控制精确、均匀； 工艺简便； 缺点： 成本高； 电磁干扰。,5.3 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,5.3.1 溅射的物理过程,5.3.2 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,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；,5.3.2 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；,5.3.2 溅射方法,磁控溅射系统,