集成电路制造技术 西交大 工程硕士 物理气相淀积

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1、第8章物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）西安交通大学微电子学8.1PVD概述8.2真空系统及真空的获得8.3真空蒸镀8.4溅射8.5PVD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蒸发必须在高真空度下进行。溅射是在气体辉光放电的等离子状态实现。PVD常用来制备金属薄膜:如Al,Au,Pt,Cu，合金及多层金属。8.1PVD概述真空蒸发法制备薄膜的基本原理真

2、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。制备的薄膜一般是多晶金属薄膜。8.2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：<10-7Torr，<10-5Pa1atm=760Torr，1Torr=133.3Pa半导体工艺设备一般工作在低、中真空度。而在通入工作气体之前，设备维

3、持符合要求真空度。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。阀门质量流速qm(g/s)：气体流量Q(L·atm/min)：G----在体积V内气体的质量ρ----质量密度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；泵放置位置泵入口压力气体传导率C泵的抽速Sp----体积置换率蒸镀过程源受热蒸发；气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运；被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积：凝结→成核→生长→成

4、膜8.3真空蒸镀设备简单，操作容易所制备的薄膜纯度较高，厚度控制较精确，成膜速率快生长机理简单真空蒸镀法主要缺点所形成的薄膜与衬底附着力较小工艺重复性不够理想台阶覆盖能力差已为溅射法和化学气相淀积法所代替真空蒸镀法优点蒸镀过程基本参数汽化热ΔH被蒸发的原子或分子需克服固相或液相的原子间束缚，而蒸发到真空中并形成具有一定动能的气相原子或分子所需的能量。常用金属材料汽化热/原子（分子）在蒸发温度下的动能/原子（分子）什么是饱和蒸汽压蒸汽压指在液(固)表面存在该物质的蒸汽，该蒸汽对液(固)表面产生的压强就是该液体的蒸汽压。平衡(饱和)蒸

5、汽压指一定的温度下，与同种物质的液态(或固态)处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压。蒸发温度在平衡蒸汽压为1.333Pa时所对应的物质温度。蒸汽压蒸发速率蒸发速率和温度、蒸发面积、表面的清洁程度、加热方式有关，工程上将源物质、蒸发温度和蒸发速率之间关系绘成为诺漠图。分子平均自由程粒子两次碰撞之间飞行的平均距离真空蒸镀－－气相输运过程基本参数真空蒸镀－－成膜过程基本参数8.3.2设备与方法设备由三部分组成：真空室抽气系统测试部分蒸发方法：单组份、多组份蒸发；衬底是否加热，冷蒸或热蒸；按加热器分类。8.3.2蒸镀设备主要采用的加

6、热器类型及性能电阻加热蒸镀电子束(EB)蒸镀激光蒸镀高频感应蒸镀电阻加热器出现最早，工艺简单；但有加热器污染，薄膜台阶覆盖差，难镀高熔点金属问题。对电阻加热材料要求：熔点要高；饱和蒸气压要低；化学稳定性好；被蒸发材料与加热材料间应有润湿性。电子束(EB)加热EB蒸镀基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳极的蒸发材料，使其加热汽化。EB蒸镀相对于电阻加热蒸镀杂质少，去除了加热器带来的玷污；可蒸发高熔点金属；热效率高；EB蒸镀薄膜有辐射损伤，即薄膜电子由高激发态回到基态产生的；也有设备复杂，价格昂贵的缺点。电子束加热器激光蒸镀利用高

7、功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热，称为激光束加热蒸发法。激光束加热的特点是加热温度高，可避免坩埚的污染，材料蒸发速率高，蒸发过程容易控制。激光加热法特别适应于蒸发成份比较复杂的合金或化合物材料。高频感应蒸发高频感应蒸发源是通过高频感应对装有蒸发源的坩埚进行加热，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(对铁磁体)，致使蒸发材料升温,直至汽化蒸发。多组分薄膜的蒸镀方法(a)单源蒸发法(b)多源同时蒸发法8.3.3蒸镀工艺8.3.2蒸镀薄膜的质量及控制真空度台阶覆盖特性蒸发速率蒸镀为什么要求高真空度蒸

8、发的原子（或分子）的输运应为直线，真空度过低，输运过程被气体分子多次碰撞散射，方向改变，动量降低，难以淀积到衬底上。真空度过低，气体中的氧和水汽，使金属原子或分子在输运过程中氧化，同时也使加热衬底表面发生氧化。系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬