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1、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,PVD：physical vapor deposition 淀积特点：物理过程； 技术： 蒸发：早期工艺制备金属薄膜； 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； 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.
2、1 真空蒸发设备,真空系统 蒸发系统 基板及加热系统,基板,蒸发源,真空系统,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；,5.1.5 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；,5.1.5 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
3、频感应加热源 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-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,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，A
4、l2O3； 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 高频感应加热源,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。,5.4 溅射,原理：气体辉光放电产生等
5、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,5.4.3 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,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,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,