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物理气相淀积

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第六章 物理气相淀积

第六章 物理气相淀积

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在真空蒸发工艺中，系统真空度是直接 影响成膜质量的关键。为了使蒸发原子 或分子能淀积在离开蒸发源一定距离的 衬底上，真空室的真空度通常应优于 6×10-2帕，制作铝膜需要在1×10-3帕以 上，制作高纯薄膜须优于10-8帕。 真空度测试用真空计
21
高真空的理由
高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行。这是基于下达 几个理由： (1)被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以 保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上。如果真空度很 低，被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体的分子 碰撞，使被蒸发的原子或分子的运动方向不断改变，很难保证 被蒸发的原子或分子淀积在衬底上。 (2)如果真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子 或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发 生氧化。 (3)系统中残余气体及所含质原子或分子也会淀积在衬底上， 从而严重地影响了淀积薄膜的质量。
19
真空度常用毫米汞柱（mmHg）或托（Torr）来表示， 也可以用帕（Pa） 1托＝1mmHg＝1/760标准大气压（atm） 1标准大气压＝760mmHg＝760Torr 1mmHg＝1Torr＝133Pa



真空度划分区域： 粗真空：760～10 Torr 低真空：10～10－3 Torr 中真空：10－3～10－5 Torr 高真空：10－5～10－8 Torr 超高真空：10－8 Torr以上 即使在10－8 Torr以上的超高真空系统中， 也不能说完全没有气体分子，只是极少而已
（e）取片：待硅片温度降至150℃以下，关闭高真空阀，关 26 闭扩散泵电源，对真空室放气，打开钟罩，取出硅片。
蒸发过程中的几个概念
汽化热

物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）

物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）

物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）PVD概述真空系统及真空的获得真空蒸镀溅射PVD金属及化合物薄膜物理气相淀积（Physicalvapordeposition，PVD）是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由（靶）源气相转移到衬底表面形成薄膜的过程。

真空蒸发和溅射方法真空蒸发法制备薄膜的基本原理真空蒸发即利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。

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，形成蒸汽流并入射到硅片衬底表面凝结形成固态薄膜。

制备的一般是多晶金属薄膜。

真空系统及真空的获得低真空：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：<10-7T orr，<10-5Pa气体流动及导率----气体动力学气流用标准体积来测量，指相同气体,在0℃和1atm下所占的体积。

气体流动及导率----气体动力学C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加；若大量气体流过真空系统，要保持腔体压力接近泵的压力，就要求真空系统有大的传导率----管道直径；泵放置位置；真空的获得方法初、中真空度的获得用活塞/叶片/柱塞/隔膜的机械运动将气体正向移位.有三步骤：捕捉气体-压缩气体-排出气体.压缩比真空的获得方法旋片泵旋片泵主要由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。

其结构是利用偏心地装在定子腔内的转子和转子槽内滑动的借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁的两块旋片。

真空的获得方法在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。

压缩比30：1真空的获得方法真空的获得方法高、超高真空度的获得扩散泵靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的.适用于高真空,但入口真空也要求较高,一般前要接机械泵.压缩比可达108涡轮分子泵1958年，联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵。

物理气相淀积

物理气相淀积

形成气态等离子体。
2、溅射过程-动量转移，500-5000eV
基本溅射步骤 1、高真空腔形成正（氩）离子，向负电势靶加速； 2、离子经加速获得动量，轰击靶材料；
3、经物理过程撞击出靶材表面原子；
4、被撞击出的靶材原子迁移到硅片表面；
5、被溅射原子在衬底聚集成膜；
6、额外材料被真空泵抽除。
基本溅射过程示意图
1、适合淀积合金（复原能力）和高温难熔金属；
2、良好的台阶覆盖：面源-形成均匀淀积薄膜；
3、溅射之前可进行预溅射，去除表面玷污或氧化层等；
4、薄膜粘附性较好—原子到达硅片表面具有一定能量
5、可通过调整工艺条件改变淀积薄膜性质。 6、能量控制精度要求高：否则出现离子注入
溅射方式
直流（DC）溅射：不能溅射绝缘体，原因？辉光放电 射频（RF）（交流）溅射：周期性补充阴极电子
蒸发设备加热方式
蒸发操作过程（以铝为例） 1）蒸发源加热器处理：清洗和空蒸去杂；
2）铝丝处理：去油、去氧化层和脱水处理； 3）石墨基座处理：与外延类似；
4）蒸铝过程：装料——抽真空——烘烤衬底—
—加热蒸发铝丝——冷却取片——抽真空待用。
真空蒸发镀膜设备
蒸发设备示意图
载片盘
蒸发金属 坩锅
工艺腔 (钟罩)
高真空阀
机械泵 高真空泵
蒸发设备示意图
蒸镀法的特点
1) 台阶覆盖均匀性不佳:尤其对高深宽比通孔形成的台 阶来说更是如此—点源，且总体淀积速率不高。 2)对淀积材料具有一定限制：若淀积过程需要多种材料 组成的合金，需要多个坩埚制备材料蒸汽，但不同材料 蒸发温度不同、产生蒸汽压也各异，因此淀积配比和精 度难以保证；
溅射产额和溅射淀积速率

物理气相沉积

物理气相沉积
★ 缺点：设备复杂,一次投资较大，
1 真空蒸镀
真空蒸镀基本原理是在真空条件下,使金属、金属合金或化合物蒸发,然后沉 积在基体表面上,蒸发的方法常用电阻加热,高频感应加热,电子束、激光束、 离子束高能轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体表面，
真空蒸镀的设备相对简单, 工艺操作容易, 可镀材料广, 镀膜纯洁, 广泛用于光 学、电子器件和塑料制品的表面处理，缺点是膜一基结合力弱,镀膜不耐磨, 并有方向性，
阴极溅射
蒸发式、溅射式、 化学式，
工件不带电,真空条 件下金属加热蒸发沉 积到工件表面
工件为阳极, 靶材为阴极, 利用氩离子溅 射,靶材原子 击出而沉积，
工件带负偏压,工 件表面受离子轰 击同时,被沉积蒸 发物或其反应物，
感谢欣赏
气 相 沉 积 具 体 分 类
4 .气相沉积的应用：
•气相沉积技术生产制备的高硬度,高耐热,高热导,高耐 腐蚀,抗氧化,绝缘等涂层,特殊性能的电学,光学功能的 涂层,装饰装修涂层,已广泛用于机械、航天、建筑、五 金装饰、电子产品、汽车配件等行业
二．物理气相沉积 PVD
物理气相沉积 Physical Vapor Deposition,PVD 是指把固态 液态 镀 料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、离子束、激光束、电弧等能 量形式产生气相原子、分子、离子 气态,等离子态 进行输运,在固态表面上 沉积凝聚 包括与其他反应气相物质进行化学反应生成反应产物 ,生成固相 薄膜的过程， ★ 特点 ① 涂层形成是不受物理变化定律控制 的凝固过程,是一种非平衡过程， ② 工艺过程对基体材料的影响很小,因 此可以在各种基体材料上涂覆涂层， ③ 沉积层厚度范围较宽,从nm~mm级 都可实现 ④ 无环境污染；
物理气相沉积 技术概述

物理气相沉积

物理气相沉积

物理气相沉积(PVD)技术第一节概述物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速开展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。

，并向着环保型、清洁型趋势开展。

20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的外表处理方面到达越来越为广泛的应用。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体外表气化成气态原子、分子或局部电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体外表沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。

开展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

真空蒸镀根本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体外表上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体外表，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。

溅射镀膜根本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进展辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件外表。

如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。

磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。

电弧等离子体镀膜根本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进展弧光放电，阴极外表快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华〞镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。

因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。

离子镀根本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子局部电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。

第五章 物理气相淀积(上)

第五章 物理气相淀积(上)

真空度：低于大气压的气体稀薄程度。 真空区域划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空
1) 粗真空（1×105Pa～ 1×102Pa），气态空间的特性和 大气差不多，气体分子的平均自由程短； 2) 低真空（1×102Pa～ 1×10－1Pa），每立方厘米的气体 分子数为1016～ 1013个，此真空区域由于分子数减少， 分子的平均自由程和容器的尺寸相当； 3) 高真空（1×10－1Pa～ 1×10－6Pa），气体分子的平均 自由程大于一般容器的线度。 4) 超高真空（＜1×10－6Pa），此时每立方厘米的气体分 子数在1010个以下，超高真空的用途之一是得到纯净的 气体，其二是可获得纯净的固体表面。
化学气相淀积（CVD）：利用化学反应生成所需的薄膜 材料，常用于各种介质材料和半导体材料的淀积，如二 氧化硅、多晶硅、氮化硅等，但是随着CVD技术的发展， 其应用范围逐渐扩大。 物理气相淀积（PVD）：利用物理机制制备所需薄膜材 料，常用于金属薄膜的制备淀积，包括蒸发和溅射等。
其它淀积技术还包括离子镀膜、溶液镀膜（化学反应沉 积、阳极氧化法、电镀法等）、旋转涂布法等 薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤 ，通过淀积工艺可以在硅片上生长各种导电薄膜层和绝缘 薄膜层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某些情况下， 这些薄膜成为器件结构中的一个完整部分，另外一些薄膜 则充当了工艺过程中的牺牲品，并且在后续的工艺中被去 掉。 在 SSI和 MSI IC时代，蒸发是主要的金属化方法。由 于蒸发台阶覆盖的特性差，所以后来被溅射取代。

kT 2d P
2
式中d为分子直径，P为腔体压强； n为单位体积内的气体分子数；式 中m为气体用,L为腔体的特征长度
真空的获得：
真空系统的组成：待抽空的容器（真空室）、获得真 空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空计）以 及必要的管道、阀门和其它附属设备 原理：当真空管道两端存在压力差的时候，气体会从 高压处向低压处扩散，形成气体流动 对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空 （P=0），而是具有一定压强－－称为极限压强（或 极限真空），这是该系统所能满足需要的重要指标； 第二个主要指标是抽气速率－－指在规定压强下单位 时间所抽气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。

PVD-物理汽相淀积

PVD-物理汽相淀积

气相输运过程：源蒸气从源到衬底表面之间的质量输
运过程。蒸气原子在飞行过程中可能与真空室内的残余 气体分子发生碰撞，两次碰撞之间飞行的平均距离为平 均自由程；
成膜过程：到达衬底的蒸发原子在衬底表面先成核再
成膜的过程。
5.2 真空蒸镀
汽化热与蒸汽热
汽化热：将蒸发源材料加热到足够高的温度，使 其原子或分子获得足够的能量，克服固相的原子 束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气 相原子或分子，该能量为汽化热ΔH，常用金属 的ΔH为4eV； 蒸汽压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸 汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力为饱和 蒸汽压；
5.3 溅射
气体辉光放电
模型：一个圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板
电极，里面充以气压约为几Pa到几十Pa的气体， 在电极上加上直流电压。
5.3 溅射
气体辉光放电
5.3 溅射
（1）无光放电区-ab段，导电而不发光。 电离产生的离子和电子在外电场作用下定向运动，运动速度随电压 增加而加快。直至达到饱和值，即电流从0逐渐增加至达到某一极大 值，电压再增加，电流并不增加。因为电离量很少且恒定，电压再增 加，到达电极的电子和离子数目不变。 （2）汤生放电区-bc段，离子和电子数目雪崩式的增加，放电电流迅 速增大。电压是常数（受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制） （3）辉光放电-气体突然发生放电击穿现象，电流显著增加，放电电 压显著减少。 c点-放电的着火点。处于阴极的边缘和不规则处。 cd段-前期的辉光放电。电流增加，电压减小（负阻现象）。因为气 体已经被击穿，气体内阻随电离度的增加显著减小。
淀积多元化合金薄膜时组分容易控制
较高的薄膜溅射质量
5.2 空蒸镀
真空蒸发：在真 空中，把蒸发料 ( 金属)加热，使其 原子或分子获得 足够的能量，克 服表面的束缚而 蒸发到真空中成 为蒸气，蒸气分 子或原子飞行途 中遇到基片，就 淀积在基片上， 形成薄膜。

第五章 物理气相淀积(上)

第五章 物理气相淀积(上)

真空度：低于大气压的气体稀薄程度。 真空区域划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空
1) 粗真空（1×105Pa～ 1×102Pa），气态空间的特性和 大气差不多，气体分子的平均自由程短； 2) 低真空（1×102Pa～ 1×10－1Pa），每立方厘米的气体 分子数为1016～ 1013个，此真空区域由于分子数减少， 分子的平均自由程和容器的尺寸相当； 3) 高真空（1×10－1Pa～ 1×10－6Pa），气体分子的平均 自由程大于一般容器的线度。 4) 超高真空（＜1×10－6Pa），此时每立方厘米的气体分 子数在1010个以下，超高真空的用途之一是得到纯净的 气体，其二是可获得纯净的固体表面。
3) 过程：右图式出了机械泵转 子在连续旋转过程中的四个 典型位置，图1表示正在吸 气，同时把上一周期吸入的 气体逐步压缩；图2表示吸 气截至，此时泵的吸气量达 最大并将开始压缩；图3表 示吸气空间另一次吸气，而 排气空间继续压缩；图4表 示排气空间内的气体已被压 缩到当压强超过一个大气压 的时候，气体推开排气阀由 排气管道排出。如此不断进 行吸气、压缩和排气，于是 和机械泵连接的真空容器便 获得了真空。
第五章
物理气相淀积
内容
概述
真空技术
蒸发 溅射 薄膜淀积机理
概述
形成薄膜技术：薄膜生长技术、薄膜淀积技术 薄膜生长技术：专指衬底材料也是形成薄膜的元素之一， （如硅的热氧化生长二氧化硅） 薄膜淀积技术：薄膜形成过程中不消耗晶片或衬底材料，
薄膜淀积技术一般可分为两类：

kT 2d P
2
式中d为分子直径，P为腔体压强； n为单位体积内的气体分子数；式 中m为气体分子质量，
L 注意：这些公式只是在 时适用,L为腔体的特征长度

Chap5 物理气相沉积

Chap5 物理气相沉积

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5.2 蒸发源
• 1.电阻加热源 • 利用电流通过加热源时所产生能够的焦耳热来蒸 发材料。 • 蒸发中出现的质量问题： • （1）铝层厚度控制不合适 • 铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要的参数。太薄， 在键合工序容易开焊造成半导体器件或集成电路 断路，严重影响成品率。如果太厚，电极图形看 不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造 成脱胶，钻蚀现象。
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3、反应溅射
•在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，可改 变或控制溅射膜的特性。 •如在低温下可制作SiOx、SiNx等钝化膜或多属布线 中的绝缘层；TiN、TaN等导电膜或扩散阻挡层
30
4、磁控溅射
直流溅射和RF溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效 率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被 阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率, 磁控溅 射可以提高溅射效率。 可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样， 造成合金组分的偏离 阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使 得高密度等离子体集中在靶附近, 而不再轰击硅片， 避免了硅片的升温 均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖 溅射效率提高
18
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5.4
•
溅射
溅射是利用等离子体中的离子，对 被溅射物体电极进行轰击，使气相等离 子体内具有被溅射镀物的粒子，使其淀 积到硅片表面并形成薄膜的一种ＰＶＤ 方法，因此将高纯粒子从某种物质的表 面撞击出原子的物理过程叫溅射。 • 溅射是目前大规模集成电路制造中 应用得最广泛的一种镀膜方法，它可以 用来淀积不同的金属，包括铝、铝合金、 钛、钨钛合金。
大部分的电压降 在阴极暗区 氩离子轰击阴极 靶（如Al）, Al原 子被溅射出，通 过等离子区淀积 到阳极硅片上 25

物理气相沉积(PVD)

物理气相沉积(PVD)
物理气相沉积(PVD)
4. 二级溅射
最早采用的一种溅射方法
原理如图所示
影响溅射工艺的主要因素：
放电气体压强P；放电电压VDC； 放电电流IDC； 可调参量： IDC ； P； 特点：方法及设备简单；
放电不稳， 常因局部放电引 起IDC变化；
沉积速率低；
已渐趋淘汰 ！
物理气相沉积(PVD)
图8.2.11 二极溅射装置示意图
表面粗糙度大， Te↗。
Te低一些好！
特点：可精确控制膜厚，
获得高洁净度物的理气膜相层沉积！(PVD)
图8.2.9 蒸发速率和基片温度对Ge （111） 基片上所镀Ge膜结构的影响
二、溅射镀膜
1.概述
（1）溅射现象（1842，Grove提出） 当高能粒子（通常是由电场加速的正离子）冲击
固体表面时，固体表面的原子、分子与这些高能粒子 交换能量，从而由固体表面飞溅出来的现象。 溅射镀膜: 1870年，工业应用：1930年以后。 （2）区别： 蒸镀：让材料加热气化（发射出粒子），再沉积到基
∴溅射不如蒸镀应用广泛！
物理气相沉积(PVD)
2.辉光放电
溅射离子一般来源于气体放电，主要是辉光放电。
设备——真空二极管； 阴极——被溅射的材料； 阳极——基片； 10Pa一1Pa；数百伏的电压。 机制： 放电产生的等离子体中的正离子经阴 极暗区的电场加速而飞向阴极靶，不仅 能打出靶面原子（溅射材料），而且还 会轰击出二次电子，二次电子在飞向阳 极的过程中，又与其它气体分子碰撞使 之电离，使辉光放电持续不断的进行下 去。
令：c oc s o s h /rh / h 2x 2，
在x=0处：cos=cos=1
m
∴ t0 4 h2 (点源) (9)

物理气相淀积

物理气相淀积

汽化热和蒸汽压
汽化热 将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得 足够的能量，克服固相（或液相）的原子束缚而蒸发到真空中， 并形成具有一定动能的气相原子或分子，该能量为汽化热Δ H。 常用金属材料的汽化热每个原子近似为4eV的数量级。 汽化热的主要部分用来克服凝聚相中的原子间吸引力，动 能所占的比例很小。 蒸汽压 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平 衡时所表现出来的压力为饱和蒸汽压。 实现物质净蒸发条件为：被蒸发物质的分压降到平衡时饱 和蒸汽压以下。
Metallized Plastic Films (Food, Capacitors
装饰
Roll to Roll Sputter coater (Web Coater)
电镀
真空蒸发法设备
Rate monitor
真空系统：为蒸发过程提供 真空环境。 蒸发系统：放置蒸发源的装 置以及加热和测温装置。
Shutter
蒸发源
四、高频感应加热蒸发源
加热原理 通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，使蒸 发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞 损失，使蒸发材料升温至汽化蒸发。 特点 蒸发速率大，可用较大坩埚增加蒸发表面； 蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象； 温度控制精度高，操作比较简单； 价格昂贵，同时要屏蔽高频磁场。
Partially Shadowed region Film thickness va有较高的淀积速率，相对高的真空度，以及由此 导致较高的薄膜质量；但台阶覆盖能力差，淀积多元化 合金薄膜时组分难以控制。
2.溅射 淀积多元化合金薄膜时组分易控制，高纯靶材、高 纯气体和制备技术的发展，也使溅射法淀积薄膜的质量 得到提高。故溅射法已基本取代真空蒸发法。

物理气相沉积

物理气相沉积

常用频率13.56 MHz；
靶材上形成自偏压效应； 沉积绝缘材料非常有效； 溅射电源电压有效降低； 适用金属、绝缘体、半导体薄膜 制备。 典型参数： 气压１Pa； 靶电压1000V； 靶电流密度1mA/cm2； 薄膜沉积0.5mm/min
磁控溅射 磁控溅射原理 在溅射装置中的靶材附近加入磁场，垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材 表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，增加电子运动的路径，提高电子 与气体分子的碰撞几率和电离过程。
蒸镀
激光加热蒸镀（PLD） 高功率激光束作为热源蒸发待蒸镀材料，激光光束通过真空室窗口打到待蒸发材料使 之蒸发，最后沉积在基片上。 激光加热蒸发特点：
激光清洁、加热温度高，避免坩埚和热源材料的污染；
可获高功率密度激光束，蒸发速率高，易控制； 容易实现同时或顺序多源蒸发； 比较适用成分复杂的合金或化合物材料； 易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜性能。
合金化的影响：溅射导致合金表面成分的偏析
溅镀
溅射原子的能量和速度 能量呈麦克斯韦分布，最可几能量为几个eV左右。溅射原子能量与靶材、入射 离子种类和能量有关。
Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高。 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加。
溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高
射频溅射
交变电场中振荡的电子具有足够 高的能量产生离化碰撞，达到放电 自持； 溅射系统需要在电源与放电室之 间配备阻抗匹配网。
常用频率13.56 MHz；
靶材上形成自偏压效应； 沉积绝缘材料非常有效； 溅射电源电压有效降低； 适用金属、绝缘体、半导体薄膜 制备。 典型参数： 气压１Pa； 靶电压1000V； 靶电流密度1mA/cm2； 薄膜沉积0.5mm/min

物理气相淀积PVD+溅射

物理气相淀积PVD+溅射

Ta rg et
F . C . C. 储 量 : 溅 射 的 为 1 3 . 5 6 M H z f or 6.152J/3.155J Nov. 5, 2003 18
3.155J/6.152J
3.155J/6.152J
3.155J/6.152J
靶上源材料的 溅射速率 很关键. 典型的为0.1 - 3 原子/Ar,随着材料的不同, 溅
射速率稍有不同
蒸 汽 压 或源不重要
(对于不同的材料,这个相差很大).
2) 中性靶(Al),被 踢掉.
-
~V≈ 1 k V
6) Al 的一些物理再溅射, 由Ar cos q
6.152J/3.155J Nov.5,2003 11
溅射效率
#靶上的原子,分子数 S=溅射效率= #入射的离子
πd 2
#/面积
每层受 激发的 数量
随意移动到 表面 Eb=束缚能
Oring, Fig. 3.18, Table 3-4
溅射速率取决于入射角,相对质量,动能.
6.152J/3.155J
Nov. 5, 2003 12
3.155J/6.152J
6.152J/3.155J Nov. 5, 2003 17
RF 等离子溅射
低f时 , 等离子传导
因 此 ,等 离 子 内 V = 0
w p~ 1 0 7 s- 1
Ta rg et
由于高的e-速度,等离子体电势> 0 . 电势此时是对称的. 靶的迁移率仍然足够大=>每1/2个周期电极一次
小的靶 =>更高的场
3.155J/6.152J
物理汽相淀积(PVD): 溅射淀积
我们先回顾CVD 气相反应物: Pg≈ 1 mTorr 至1 atm. 台阶覆 盖好, T > > RT PECVD 干法刻蚀 不需增温,等离子增强表面扩散 动量从等离子体转移,以便除去表面的物质
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蒸发系统
基板及加热系统
天津工业大学 集成电路工艺原理
真空蒸发设备
衬底材料（含 基座和加热装 置） 蒸发材料释 放出的气体 蒸发材料 坩埚（或电阻 丝，钼舟等其 他形式） 阀门
真空罩
分子泵
机械泵
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蒸发中的几个基本概念
汽化热：
克服固相中原子间的吸 引力，并形成具有一定 动能的气相原子和分子。
§5.4 等离子体（Plasma）的产生与应用
弹性碰撞 非弹性碰撞 电离过程：e-+Ar 激发过程： e-+O2 分解反应： e-+CF4
Ar+ + 2eO 2 * + eCF3* + F*+ e-
等离子体（Plasma）：一种由正离子、电子、光子、以 及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气 体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电中 性的物质存在形态。
表面 衬底 损伤
溅射原子

注入
溅射

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溅射过程
入射过程中入射离子与靶材之间有很 大的能量传递，因而溅射出的原子具 有较大的动能（10-50eV），而真空 蒸发过程中原子所获得的动能一般只 有0.1-0.2eV左右；
因此溅射法的台阶覆盖能力和附着力 都比真空蒸发要好，同时辐射缺陷远 小于电子束蒸发，制作复合材料和合 金膜时性能更好，是大多数硅基工艺 PVD的最佳选择。
多组分薄膜蒸发方法
单源蒸发法:
合金靶中各组分材料蒸气压应该接近
多源同时蒸发法：
不同的温度控制，蒸发速率不一致
多源顺序蒸发法：
需高温退火
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§5.2 蒸发源
电阻加热源：结构简单，价廉易做 直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化 学 性质稳定；润湿性好 间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚 电子束加热源： 更高的能量密度，能蒸发难熔材料 水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应 热效率高，热传导和热辐射损失小 激光加热源 高频感应加热源
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Illustration of Ionization
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Excitation Collision
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Relaxation
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Dissociation
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等离子体的物理特性
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离子入射
具有能量的离子打到材料表面 会发生的四种情况：

反射离子与 中性粒子 入射离子 二次电子
很低能量的离子简单反弹；

能量小于10eV的离子会吸附于 表面，并以声子（热）释放能 量；
能量介于10eV到10keV时，能 量传递，发生溅射过程，逸出 的原子一般具有10－50eV的能 量，远大于蒸发原子； 能量大于10keV时，离子注入 过程；
真空度与平均自由程：
真空系统中粒子两次碰撞之 间飞行的平均距离称为蒸发 原子或分子的平均自由程。
饱和蒸气压：
真空室内蒸发物质的蒸 气与固态或液态平衡时 所表现出来的压力。
高真空度的目的：
保证粒子近似直线运动 避免残余气体使金属或衬底 发生氧化 避免残余气体或杂质淀积
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到达角（Arriving Angle）
到达角越大，淀积原子 到达该点的几率越大， 则该点淀积速率越大。
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表面迁移（surface mobility）及再发射
表面迁移主要取决与温度和压力：
温度越高，成膜覆盖性更好；
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台阶覆盖（step coverage, gap fill）
台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各 种台阶形状的关系。 共形（保形）覆盖（conformal）
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非共形覆盖
F1
F2
F3
入射（到达角） 表面迁移（温度，压力） 再发射
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溅射方法
直流溅射 5~30MHz的交流电（一般为13.56MHz） 绝缘 在射频电场中，因为电场周期性地改 变方向，则电子不容易到达电极和容 溅射靶 器壁而损失； 射频电场可以通过很多类型的阻抗耦 衬底 合进入淀积室，所以电极可以是导体， 也可以是绝缘体。 阳极
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溅射靶
N S S N N S
接触孔中的薄膜溅射淀积
溅射原子遵循余弦分布 某方向上原子的分布概率与该方向与溅射平面法线的 夹角的余弦值成正比 带准直器的溅射淀积方法
改善台阶覆盖性能
降低淀积速率，增加污染和成本 长投准直溅射技术 靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离子 体
P-Si Al 介质（SiO2） 多晶硅
+
介质（SiN）
多晶硅栅
n n
+
场氧化SiO2
栅氧化层
台阶覆盖好
低缺陷密度
MOSFET的剖面图
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薄膜制备方法
热氧化(Oxidation): SiO2 薄膜制备 物理气相淀积(PVD):金属膜、介质膜 化学气相淀积(CVD):介质膜、多晶硅、金属 外延生长法(Epitaxy):硅器件工作区
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等离子体的应用
看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的 物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整 个宇宙的99％。 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产 生来控制等离子体。低温等离子体物理的发展为材料、能 源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。 如日光灯、PDP等离子电视、IC工艺中的等离子体应用 。
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PDP的工作原理
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§5.5 溅射（Sputtering）
溅射：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射 离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转 移，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为溅射。
高度电离（不同的等离子体电离度不同，0.001%100%），是电和热的良导体，具有比普通气体大几百 倍的比热容； 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等，宏观上呈电 中性的。
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物质四态
固体
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
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PVD系统
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小结
IC中薄膜的分类和典型制备方法 淀积的概念以及PVD和CVD的区别
真空蒸发和溅射各自的特点
影响台阶覆盖的因素（到达角、表面迁移、再发射）
真空蒸发的基本过程及蒸发源
等离子体的概念，产生及应用 溅射的基本原理（磁控溅射）及影响溅射率的因素
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溅射特性
溅射阈值 E>Et，10～30ev，取决于靶材 溅射率S 入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大） 入射离子的种类（原子量越大，S越大，周期性变化） 被溅射物质的种类（与入射离子种类的影响类似） 离子入射角（平行和垂直时最小，70°左右最大） 溅射原子的能量和速度
－V(DC)
射频溅射
磁控溅射 反应溅射 偏压溅射 离子束溅射
溅射气体
至真空泵
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磁控溅射
基片
靶原子 E e2 Ar e Ar+ e B
溅射的缺点：较低的薄膜淀积速率； 较高的工作气压。 磁控溅射的优点：磁场的存在延长 了电子在等离子体中的运动轨迹， 提高了与原子碰撞的效率，提高了 原子电离的几率，从而在较低的气 压下实现了较高的溅射效率和淀积 速率。
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Q&A
1. 在溅射中，主要利用的是那种非弹性碰撞过程？有没 有分解过程？
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2. Why does one need a vacuum chamber to generate a stable plasma?
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Mean Free Path
Chap.5 物理气相淀积 (PVD)
1 2 3 4 5
IC中的薄膜及其制备方法
淀积的概念及PVD和CVD
薄膜淀积中的台阶覆盖问题
真空蒸发的基本原理及过程 溅射的基本原理及方法
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单个完整的CMOS结构
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IC中的薄膜
介电薄膜（SiO2，SiN）：用来隔 离导电层，作为扩散及离子注入 的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流 失，或用来覆盖器件免受杂质， 水汽或刮伤的损害。 多晶硅（Polysilicon）：MOS器件 的栅淀积材料，多层金属导通材 料或浅结的接触材料。 金属薄膜（铝，铜或金属硅化 物）：形成低阻值金属连线，欧 姆接触及整流金－半接触。
介质（SiN） Al 介质（SiO2） 多晶硅
+
多晶硅栅
n n
+
场氧化SiO2
栅氧化层 P-Si
MOSFET的剖面图
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