硅集成电路工艺基础5

5.0物理气相沉积5.1、真空蒸发法5.2、蒸发源5.3、气体辉光放电5.4、溅射第五章物理气相沉积5.0.1物理气相沉积5.0.2薄膜生长5.0.3真空的获得5.0物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition)PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:1、所生长的材料以物理方式由固体转化为气体；2、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底；3、蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。5.0.1物理气相沉积(PVD)PVD的物理原理块状材料(靶材)扩散、吸附、凝结成薄膜物质输运能量输运能量衬底残留气体对薄膜生长的影响生长材料的分子残留气体的分子残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间Pressure(Torr)Time10-40.02s10-50.2s10-62s10-720s10-83min10-935min10-106hr10-113daysSubstratePVD的一般特性物理吸附比外延生长速率快很多衬底与薄膜材料，可异质生长厚度范围:典型薄膜：~nm─~μm也可以生长更厚的膜PVD生长条件高真空高纯材料清洁和光滑的衬底表面提供能量的能源5.0.2薄膜生长超薄膜：~10nm薄膜：50nm─1m中间范围：1m─~10m厚膜：~10m─~100m单晶薄膜：外延生长GaAs薄膜多晶薄膜：ZnO,ITO无序薄膜：a-Si,SiO2按厚度:按结构:薄膜分类在薄膜生长过程中，由于衬底与薄膜的晶格失配度和表面能与界面能不同，其生长模式也不同。薄膜生长三种生长模式晶格匹配体系的二维层状(平面)生长Frank-vanderMerwe(FVDM)ModeLayerbyLayer(2D)衬底衬底衬底大晶格失配和较小界面能材料体系由层状过渡到岛状生长Stranski-Krastanov(SK)ModeLayerPlusIslandGrowth(2D-3D)大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长Volmer-Weber(VW)ModeIslandGrowth(3D)5.0.3真空的获得n–气体分子的密度v–平均速度常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）活塞式真空泵旋片式真空泵水环式真空泵罗茨真空泵涡轮分子泵水蒸气喷射泵油扩散泵油蒸气喷射泵分子筛吸附泵溅射离子泵钛升华泵锆铝吸气剂泵低温泵1×105—1.3×1021×105—6.7×10-11×105—2.7×1031.3×103—1.31.3—1.3×10-51×105—1.3×10-11.3×10-2—1.3×10-71.3×10—1.3×10-21×105—1.3×10-11.3×10-3—1.3×10-91.3×10-2—1.3×10-91.3×10—1.3×10-111.3—1.3×10-111×1051×1051×1051.3×1031.31×1051.3×101.3×1051×1056.7×10-11.3×10-21.3×101.3—1.3×10-1常用真空泵的汉语拼音代号及名称代号名称代号名称W往复真空泵Z油扩散喷射泵（油增压泵）D定片真空泵S升华泵X旋片真空泵LF复合式离子泵H滑阀真空泵GL锆铝吸气剂泵ZJ罗茨真空泵DZ制冷机低温泵YZ余摆线真空泵DG灌注式低温泵L溅射离子泵IF分子筛吸附泵XD单级多旋片式真空泵SZ水环泵F分子泵PS水喷射泵K油扩散真空泵P水蒸气喷射泵旋片式机械泵原理旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上，转子的转动是由马达带动的。定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。旋片式机械泵原理热退火：T，t消除晶格损伤使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活热退火中的扩散效应：杂质分布展宽，偏离注入时杂质分布快速退火：脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光以及非相干宽带光源等。特点：瞬时，某个区域加热到所需要温度，退火时间短(10-3-102秒)上节课内容小结♣气体系统特殊的传送系统来操作危险气体；用氩气来净化系统及校准离子束。♣电控系统高压系统（离子能量，从而控制结深）；射频系统（一些离子源需要用射频电源来产生离子）。♣真空系统需要高真空来加速离子以及减少碰撞；真空度为10-5-10-7torr；使用分子泵和低温泵；排空系统。♣离子束线控制离子源；提取电极；磁分析器；后加速器；等离子体溢注系统；底部分析器。离子注入系统上节课内容小结上节课内容小结PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:1、所生长的材料以物理方式由固体转化为气体；2、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底；3、蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。物理气相沉积薄膜生长的三种生长模式：二维层状、三维岛状、先层状后岛状生长上节课内容小结真空真空的划分：低真空、高真空、超高真空气体分子密度、气体压力、平均自由程真空系统：真空室、真空泵、真空测量规真空泵：低真空泵：机械泵、低温吸附泵高真空泵：扩散泵、涡轮分子泵、超高真空泵：离子泵、Ti升华泵真空规管：低真空规管：热偶规、pirani规高真空规管：离子规泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出，形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流。油分子与气体分子碰撞，由于油分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去。在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓度差，使被抽气体分子得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走。慢下来的蒸汽流向下运动过程中碰到水冷的泵壁，油分子冷凝，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用。结构特点和工作原理涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子（即动叶轮）、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮和静叶轮交替排列，动、静叶轮几何尺寸基本相同，但叶片倾斜角相反。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙，动叶轮可在静叶轮间自由旋转。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度（一般为150～400米/秒）。1958年，德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种。利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。20个动叶轮组成的整体式转子阳极和阴极间加高压，电子在阳极被加速，在磁场作用下旋转。气体分子与旋转的电子碰撞而电离（潘宁放电），气体离子被加速向阴极运动，被阴极材料（如Ti）吸附，并且把表面的Ti溅射出来。溅射出来的Ti原子还可以与气体离子反应，使抽速增大。加热Ti丝，使Ti原子蒸发出来。Ti与反应室内的气体分子反应，凝结在腔壁上。真空的测量测量栅极和收集极之间的电流。真空蒸发和溅射是物理气相淀积技术中最基本的两种方法。蒸发的优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。蒸发法缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。溅射法特点：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制；沉积的薄膜与衬底附着性好。5.1、真空蒸发制备薄膜的基本原理蒸发：在任何温度下，材料表面都存在蒸气，当材料的温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华，而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。热蒸发法：在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜。蒸发概念加热蒸发过程：对蒸发源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。气化原子或分子在蒸发源与基片间输运过程：原子或分子由源飞向衬底，飞行过程中可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到衬底之间的距离。被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过程。由于衬底温度低于蒸发源温度，同时被蒸发的原子或分子只有极低的能量，在衬底表面不具有移动的能力，因此，到达后将直接发生从气相到固相的相变过程，立即凝结在衬底表面上。真空蒸发的基本过程被蒸发物质的饱和蒸气压PS)/(RTHSKeP分子蒸发热积分常数环境温度固体物质的蒸发率)g/cm()(10833.522sPPTMaS单位：蒸发系数分子量环境压强任何物质总在不断地发生着固、气、液三态变化，设在一定环境温度T下，真空室内从固体物质表面蒸发出来的气体分子与该气体分子从空间回到该物质表面的过程达到平衡时的压力，称为饱和蒸气压Ps。饱和蒸气压与蒸发速率气体分子的平均自由程PdπkTndπλ222)2/(1分子的有效直径单位体积内的气体分子数蒸发沉积过程需在高真空下进行蒸发时一般要选择λ比d大2～3倍，因为在蒸发过程中，真空室内温度升高后要放出大量气体，会使真空度降低。当气体分子平均自由程λ等于蒸发源到衬底的距离时，约有63％的分子会在途中发生碰撞；当平均自由程λ10倍于蒸发源到衬底的距离时，就只有9％左右的分子在途中发生碰撞。可见只有当λd时，蒸发物质分子才能无阻挡地、直线达到衬底的表面。一般蒸发源到衬底距离d在30cm左右，要求真空室气体压强为10-2～10-4Pa，这时的平均自由程与蒸发源到基片的距离相比要大得多。衬底到蒸发源的距离d薄膜厚度的均匀性同蒸发源的形状有很大的关系。对于点蒸发源，基片平行放置在蒸发源的正上方，则膜厚分布为：2/320])(1[1hldd其中d0表示点源到基片垂直点的膜厚，h为垂直距离，l为基片点距离垂直点的距离，M为总蒸发质量，为物质的密度。204hMd薄膜厚度的均匀性对于微小平面蒸发源，有20hMd220])(1[1hldd利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：单源蒸发法、多源同时蒸发法和多源顺序蒸发法。多组分薄膜的蒸发方法①电阻加热蒸发用高熔点金属(W,Mo,Ta,Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料升高温度，熔解并蒸发材料5.2蒸发源加热方式加热丝、舟或坩埚衬底架钟罩真空泵厚度监控仪充气管道反应气体管道衬底Plume常用电阻加热源加热丝加热舟坩埚盒状源（KnudsenCell）②电子束蒸发源用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料材料置于冷却的坩埚内只有小块区域被电子束轰击，坩埚内部形成一个虚的“坩埚”不与坩埚材料交叉污染，清洁。电子束蒸发源蒸发坩埚与材料衬底真空室真空泵厚度监控仪充气管道反应气体管道Plume电子枪E-GunCrucibleSubstratefixture③脉冲激光源蒸发用高能聚焦激光束轰击靶材，可蒸发高熔点材料蒸发只发生在光斑周围的局部区域蒸发材料受热气化，直接从固体转化为等离子体能轰击出来大尺寸的颗粒光束渗透深度小~100A,蒸发只发生在靶材表面脉冲激光源蒸发真空泵Plume靶材衬底真空室厚度监控仪充气管道反应气体管道激光束④高频感应源蒸发通过高频电磁场感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，直至蒸发材料气化蒸发。蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成。特点是：(1)蒸发速率大，可采用较大坩埚，增加蒸发表面；(2)蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象；(3)温