微细加工与MEMS技术张庆中12物理淀积

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1、在集成电路制造工艺中，常常需要在硅片的表面淀积各种固体薄膜。薄膜厚度一般在纳米到微米的数量级，薄膜材料可以是金属、半导体或绝缘体。淀积薄膜的主要方法热氧化（常压热氧化、分压热氧化、高压热氧化等）物理淀积（真空蒸发镀膜、溅射镀膜、分子束外延等）化学汽相淀积（CVD）（常压CVD、低压CVD、等离子增强CVD、汽相外延等）第12章物理淀积：蒸发和溅射12.1升华和蒸发随着温度的升高，材料经历从固相、液相到气相的变化。在任何温度下，材料周围都存在蒸汽，平衡蒸汽压为pe。温度越高，平衡蒸汽压就越高。材料温度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为升华；材料熔化后，

2、产生蒸汽的过程称为蒸发。被蒸发材料在真空室内加热，使其原子或分子通过蒸发大量离开表面，淀积到硅片上形成薄膜。这种技术可以淀积熔点不太高的金属或热稳定性良好的化合物，成膜纯度高。有极少数材料通过升华的方式淀积薄膜，如SiO。为了得到合适的淀积速率，材料的平衡蒸汽压至少应为10mTorr。一定温度下，不同材料的平衡蒸汽压相差很大，难熔金属如Ta、W、Mo、Ti等的平衡蒸汽压太低，不适合用蒸发的方式淀积薄膜。例如W要超过3000oC才有10mTorr的平衡蒸汽压，而Al在1250oC就有同样的平衡蒸汽压。12.2淀积速率蒸发速率：“液气”过程中单位时间内从

3、单位蒸发源面积上蒸发出来的粒子数。蒸发速率只与温度T有关。净蒸发速率：扣除“气液”过程后净蒸发出来的粒子数。净蒸发速率与温度T和蒸汽压p两个因素有关。平衡蒸汽压：若在一个密封的、且内表面不吸附蒸发物质的容器中，在某一固定的温度下进行蒸发，此时蒸发速率是固定的。但是随着蒸发的进行，容器中的压力增大，“气液”的数量增大，使净蒸发速率下降。最后当“液气”和“气液”的数量相等时，净蒸发速率降为零，压力则保持一个恒定值。称此时的蒸汽压为平衡蒸汽压，记为pe。pe是温度T的函数，随T的升高而急剧增大(见图12.2)。蒸发时同时存在着“液气”和“气液”两个过程。根

4、据气体分子运动论，单位时间内碰撞到单位蒸发源面积上的气体粒子数为注意，Jn与T、p有关，而Rn只与T有关，因为pe是T的函数。若容器壁与硅片不淀积蒸发料，则p=pe，Jn=Rn，净蒸发速率为零；反之，则p

5、硅片面积元dArDxr由蒸发源蒸发出来的材料总质量为M=RMEAst，通过立体角元淀积到硅片上面积元dAr上的材料质量为dM，则将立体角元代入上式，得：设薄膜密度为，硅片架为平板型，则薄膜厚度W为显然，中心处的膜最厚，为改进膜厚的均匀性，可将硅片架改为球面型，并将蒸发源置于球心处，此时，DDx0其特点是蒸汽分子在空间的分布与角度有关，蒸汽分子在与源平面法线方向的夹角为的立体角元内的几率为2、小平面蒸发源故淀积在面积元dAr上的质量为当采用球面型硅片架，并将蒸发源置于球面上时，当采用平板型硅片架时，为了进一步改进膜厚的均匀性，还可将硅片架设计成按“行星

6、方式”进行旋转。12.3台阶覆盖蒸发工艺的主要缺点之一是台阶覆盖性差，容易导致金属引线在台阶处断开，严重影响集成电路的可靠性和成品率。由于金属化是集成电路制造过程的最后几个步骤，硅片表面的形貌高差会比较严重，使台阶覆盖问题变得更加重要。台阶覆盖性差台阶覆盖性好解决办法1、采用旋转硅片架；2、蒸发时对硅片适当加热；3、蒸发前使硅片平坦化。电阻加热（金属丝、金属舟等）蒸发源加热方式电子束加热高频感应加热设备组成：蒸发源、真空室、真空系统、电气控制系统12.4蒸发系统对电阻加热器材料的要求：1、熔点远高于蒸发源的熔点，且蒸汽压极低；2、蒸发过程中不软化，不

7、与蒸发源生成合金。3、容易加工成所需要的各种形状。常用的电阻加热器材料有钨、钼、钽等。电阻加热器电阻加热方式（金属丝）硅片加热器硅片架硅片真空室钟罩蒸发料蒸发源加热电极金属舟抽气电阻加热的优点是设备简单；缺点是可能受到来自加热器的K+、Na+离子的沾污。电阻加热方式（金属舟）电子束加热方式B电子束加速聚焦系统电子枪硅片架硅片坩锅冷却水蒸发料电子束加热的优点：(1)沾污少，膜的纯度高；(2)能蒸发各种高熔点的难熔金属和非金属。缺点：(1)设备复杂；(2)有一定的辐射损伤，蒸发后需进行退火处理。高频感应加热方式蒸发工艺中影响薄膜质量的因素1、淀积前硅片的

8、清洗除化学清洗外，可在蒸发前对硅片进行轻微的溅射处理。2、蒸发速率蒸发速率过低，金属膜不光亮，电阻大，键合困