物理氣相淀積

8.1PVD概述8.2真空系統(tǒng)及真空的獲得8.3真空蒸鍍8.4濺射8.5PVD金屬及化合物薄膜物理氣相淀積（Physicalvapordeposition，PVD）是利用某種物理過程實現(xiàn)物質轉移，將原子或分子由（靶）源氣相轉移到襯底表面形成薄膜的過程。真空蒸發(fā)和濺射方法蒸發(fā)必須在高真空度下進行。濺射是在氣體輝光放電的等離子狀態(tài)實現(xiàn)。PVD常用來制備金屬薄膜:如Al,Au,Pt,Cu，合金及多層金屬。8.1PVD概述設備簡單，操作容易所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快生長機理簡單真空蒸鍍法主要缺點所形成的薄膜與襯底附著力較小工藝重復性不夠理想臺階覆蓋能力差已為濺射法和化學氣相淀積法所代替真空蒸鍍法優(yōu)點濺射濺射優(yōu)點淀積薄膜與襯底附著性好淀積多元化合金薄膜時組分容易控制較高的薄膜濺射質量濺射缺點：設備昂貴

真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)即利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸汽壓進行薄膜制備。在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出，形成蒸汽流并入射到硅片襯底表面凝結形成固態(tài)薄膜。制備的一般是多晶金屬薄膜。8.2真空系統(tǒng)及真空的獲得

低真空：1~760Torr，102~105Pa中真空：10-3~1Torr，10-1~102Pa高真空：10-7~10-3Torr，10-5~10-1Pa超高真空：<10-7Torr，<10-5Pa

1atm=760Torr，1Torr=133.3Pa

半導體工藝設備一般工作在低、中真空度。而在通入工作氣體之前，設備先抽至高、超高真空度。蒸鍍過程源受熱蒸發(fā)；氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運；被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積：凝結→成核→生長→成膜8.3真空蒸鍍

蒸鍍過程基本參數(shù)汽化熱ΔH被蒸發(fā)的原子或分子需克服固相或液相的原子間束縛，而蒸發(fā)到真空中并形成具有一定動能的氣相原子或分子所需的能量。常用金屬材料汽化熱

/原子（分子）在蒸發(fā)溫度下的動能

/原子（分子）什么是飽和蒸汽壓蒸汽壓指在液（固）表面存在該物質的蒸汽，這蒸汽對液（固）表面產生的壓強就是該液體的蒸汽壓。平衡(飽和)蒸汽壓指一定的溫度下，與同種物質的液態(tài)(或固態(tài))處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產生的壓強叫飽和蒸汽壓。蒸發(fā)溫度在平衡蒸汽壓為1.333Pa時所對應的物質溫度蒸汽壓分子平均自由程

粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離真空蒸鍍－－氣相輸運過程基本參數(shù)真空蒸鍍－－成膜過程基本參數(shù)8.3.2設備與方法設備由三部分組成：真空室抽氣系統(tǒng)測試部分蒸發(fā)方法：單組份、多組份蒸發(fā)；襯底是否加熱，冷蒸或熱蒸；按加熱器分類。8.3.2蒸鍍設備主要采用的加熱器類型及性能

電阻加熱蒸鍍電子束(EB)蒸鍍激光蒸鍍高頻感應蒸鍍

電阻加熱器出現(xiàn)最早，工藝簡單；但有加熱器污染，薄膜臺階覆蓋差，難鍍高熔點金屬問題。對電阻加熱材料要求：熔點要高；飽和蒸氣壓要低；化學穩(wěn)定性好。電子束(EB)加熱EB蒸鍍基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使其加熱汽化。EB蒸鍍相對于電阻加熱蒸鍍雜質少，去除了加熱器帶來的玷污；可蒸發(fā)高熔點金屬；熱效率高；EB蒸鍍薄膜有輻射損傷，即薄膜電子由高激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產生的；也有設備復雜，價格昂貴的缺點。電子束加熱器激光蒸鍍利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)材料進行加熱，稱為激光束加熱蒸發(fā)法。激光束加熱的特點是加熱溫度高，可避免坩堝的污染，材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程容易控制。激光加熱法特別適應于蒸發(fā)成份比較復雜的合金或化合物材料。高頻感應蒸發(fā)高頻感應蒸發(fā)源是通過高頻感應對裝有蒸發(fā)源的坩堝進行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流損失和磁滯損失(對鐵磁體)，致使蒸發(fā)材料升溫,直至汽化蒸發(fā)。多組分薄膜的蒸鍍方法(a)單源蒸發(fā)法(b)多源同時蒸發(fā)法8.3.3蒸鍍工藝8.3.4蒸鍍薄膜的質量及控制

真空度臺階覆蓋特性蒸發(fā)速率

蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩日舭l(fā)的原子（或分子）的輸運應為直線，真空度過低，輸運過程被氣體分子多次碰撞散射，方向改變，動量降低，難以淀積到襯底上。真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子或分子在輸運過程中氧化，同時也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。系統(tǒng)中氣體的雜質原子或分子也會淀積在襯底上，影響淀積薄膜質量。臺階覆蓋特性

在有深寬比為1的微結構襯底上蒸鍍薄膜的臺階覆蓋蒸發(fā)速率

蒸發(fā)速率和溫度、蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式有關。

8.4濺射濺射具有一定能量的入射離子在對固體表面進行轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉移，并可能將固體表面的原子濺射出來。熱蒸發(fā)本質能量的轉化

濺射本質能量和動量，原子具有方向性濺射過程建立在輝光放電的基礎上；微電子工藝中的濺射，是指利用氣體輝光放電時，離子對陰極轟擊，使陰極物質飛濺出來淀積到基片上形成薄膜的工藝方法。8.4.1工藝機理真空室通入少量氬或其它惰性氣體，在初、中空度真下，加高壓或高頻電場，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達襯底淀積成膜。入射離子濺射分析濺射出的原子，獲得很大動能，約10-50eV。和蒸鍍相比（約0.2eV）濺射原子在基片表面上的遷移能力強，改善了臺階覆蓋性，以及與襯底的附著力。8.4.2濺射特性濺射閾值每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺射閾值與入射離子質量無關，而主要取決于靶特性。濺射率S

又稱濺射產額

S=濺射出的靶原子數(shù)／入射離子數(shù)。濺射粒子的速度和能量濺射率的影響因素S與入射離子能量的關系濺射率的影響因素S與入射離子種類的關系：原子量;原子序數(shù)(周期性);惰性氣體的濺射率最高。S與靶的關系：隨靶原子序數(shù)增加而增大。濺射率的影響因素S與離子入射角的關系：S還與靶溫、靶晶格結構，靶的表面情況、濺射壓強、升華熱的大小等因素有關。被濺射出的粒子的速度和能量重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。不同靶逸出能不同，濺射率高的靶，逸出能較低。轟擊能，逸出能量隨相同入射離子質量線性增加；輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約10eV；重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約30-40eV。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。8.4.3濺射方法（式）直流濺射射頻濺射磁控濺射反應濺射離子束濺射偏壓濺射1直流濺射最早出現(xiàn)，是將靶作為陰極，只能制備導電的金屬薄膜，濺射速率很慢。工作氣壓是一個重要參數(shù)氣壓和淀積速率的關系2射頻濺射在射頻電場作用下，氣體電離為等離子體。靶相對于等離子體而言是負極，被轟擊濺射；襯底放置電極與機殼相連，鞘層壓降很小，與等離子體基本等電位?？蔀R射介質薄膜，如SiO2等；功率大，對人身防護成問題。13.56MHz3磁控濺射在陰極靶面上建立一個磁場，以控制二次電子的運動，延長電子飛向陽極的行程，使其盡可能多產生幾次碰撞電離從而增加了離子密度，提高濺射效率。也只能制備金屬導電薄膜。濺射質量和速率有了很大提高。4反應濺射用化合物作靶可實現(xiàn)多組分薄膜淀積，但得到的薄膜往往與靶的化學組成有很大的差別。可采取反應濺射，在濺射室通入反應氣體，如：O2，N2，H2S，CH4，生成：氧化物：Al2O3，SiO2，In2O3等碳化物：SiC，WC，TiC等氮化物：TiN，AlN，Si3N4等硫化物：CdS，ZnS等各種復合化合物8.4.4設備北京世華尖峰精儀（AJA）的ATC系列磁控濺射系統(tǒng)均勻性:好于+/-2%；濺射室直徑13到34英寸.最多可安13只靶槍，可直流或射頻濺射。基片可加熱、冷卻、RF偏壓、B磁場。真空室可達2×10-8Torr。典型應用領域:CD/DVD磁盤鍍膜(例如:反射,換相)

減反/硬度/色彩)

半導