PVD-物理汽相淀積

第五章物理氣相沉積5.1PVD概述5.2真空蒸鍍5.3濺射15.1PVD概述物理氣相淀積PVD（PhysicalVaporDeposition)定義：利用某種物理過程，例如蒸發或者濺射現象實現物質的轉移，即原子或分子由源轉移到襯底表面上，并淀積成薄膜。

PVD基本方法蒸發（Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體）濺射5.1PVD概述物理氣相淀積蒸發（evaporation）在真空系統中加熱蒸發源，使原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。濺射（sputtering）真空系統中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上。5.1PVD概述PVD的發展蒸發：蒸發優點：較高的淀積速率；薄膜純度高，厚度控制精確；生長機理簡單；蒸發缺點：臺階覆蓋能力差；工藝重復性不好；淀積多元化合金薄膜時組分難以控制5.1PVD概述PVD的發展濺射：濺射優點：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5.2真空蒸鍍真空狀態真空蒸發：在真空中，把蒸發料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發到真空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜。5.2真空蒸鍍真空蒸鍍法設備真空系統為蒸發過程提供真空環境；蒸發系統放置蒸發源的裝置，以及加熱和測溫裝置等；基板及加熱系統放置硅片，對襯底加熱裝置和測溫裝置等；5.2真空蒸鍍真空蒸發的三個過程蒸發過程：對蒸氣源進行加熱，使其溫度接近或達到蒸發材料的熔點，則固態源表面的原子容易逸出，轉變為蒸氣；氣相輸運過程：源蒸氣從源到襯底表面之間的質量輸運過程。蒸氣原子在飛行過程中可能與真空室內的殘余氣體分子發生碰撞，兩次碰撞之間飛行的平均距離為平均自由程；成膜過程：到達襯底的蒸發原子在襯底表面先成核再成膜的過程。5.2真空蒸鍍汽化熱與蒸汽熱汽化熱：將蒸發源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服固相的原子束縛而蒸發到真空中，并形成具有一定動能的氣相原子或分子，該能量為汽化熱ΔH，常用金屬的ΔH為4eV；蒸汽壓：在一定溫度下，真空室內蒸發物質的蒸汽與固態或液態平衡時所表現出來的壓力為飽和蒸汽壓；P為蒸汽壓，A為積分常數，R0為阿夫加德羅常數5.2真空蒸鍍多組分蒸發方法合金靶中各組分材料的蒸汽壓接近不同溫度多源順序蒸發最后高溫退火不同溫度多源同時蒸發5.2真空蒸鍍真空度與平均自由程

需要真空環境的原因：被蒸發的原子或分子在真空中的輸運應該是直線運動，以保證被蒸發的原子或分子有效的淀積在襯底上；真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會使金屬原子或分子在輸運過程中發生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發生氧化；系統中殘余氣體及所含的雜質原子或分子也會淀積在襯底上，從而嚴重的影響了淀積薄膜的質量。5.2真空蒸鍍真空度與平均自由程反比于氣體壓強r為氣體分子的半徑平均自由程在一定的條件下，一個氣體分子在連續兩次碰撞之間可能通過的各段自由程的平均值，微粒的平均自由程是指微粒與其他微粒碰撞所通過的平均距離。用符號λ表示，單位為米。5.2真空蒸鍍--蒸發源電阻加熱源原理：電阻加熱源是利用電流通過加熱源時所產生的焦耳熱來加熱蒸發材料。加熱體：鎢、鉬、鉭和石墨等。對加熱體的要求：不產生污染； 熔點高：高于蒸發源的蒸發溫度； 飽和蒸汽壓低：低于蒸發源； 化學性能穩定：不發生化學反應，不形成合金優點：工藝簡單，蒸發速率快；缺點：難以制備高熔點，高純度薄膜；5.2真空蒸鍍--蒸發源電子束蒸發源原理：基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發材料，使蒸發材料加熱氣化；特點：淀積高熔點高純度薄膜；優點：蒸發溫度高（能量密度高于電阻源）；高純度淀積：水冷坩堝可避免容器材料的蒸發；熱效率高：熱傳導和熱輻射損失少；5.2真空蒸鍍--蒸發源激光加熱源原理：利用高功率的連續或脈沖激光束作為能源對蒸發材料進行加熱，稱為激光束加熱蒸發法。特點：加熱溫度高，可避免坩堝過的污染，材料蒸發速率高，蒸發過程易控制。優點：功率密度高（高熔點材料）；高純度薄膜的淀積（激光束光斑小）；可淀積不同熔點的化合物薄膜（高熔點材料）；真空室內裝備簡單，可獲得高真空度；缺點：價格昂貴，影響了廣泛使用；5.2真空蒸鍍--蒸發源高頻感應加熱蒸發源

定義：通過高頻感應對裝有蒸發材料的坩鍋進行加熱。優點：蒸發源的溫度均勻、穩定，不易產生飛濺現象；蒸發速率大；溫度控制精度高，操作比較簡單；缺點：價格昂貴；電磁干擾；5.3濺射

濺射（sputtering）濺射淀積：氣體輝光放電產生等離子體，具有能量的離子轟擊靶材，靶材原子獲得能量從靶表面逸出-被濺射出，濺射原子淀積在表面。特點：被濺射出的原子動能很大（10~50eV）（蒸發只有0.1~0.2eV）優點：臺階覆蓋好（遷移能力強），附著力得到改善。5.3濺射氣體輝光放電模型：一個圓柱形玻璃管內的兩端裝上兩個平板電極，里面充以氣壓約為幾Pa到幾十Pa的氣體，在電極上加上直流電壓。5.3濺射氣體輝光放電

5.3濺射（1）無光放電區-ab段，導電而不發光。電離產生的離子和電子在外電場作用下定向運動，運動速度隨電壓

增加而加快。直至達到飽和值，即電流從0逐漸增加至達到某一極大值，電壓再增加，電流并不增加。因為電離量很少且恒定，電壓再增加，到達電極的電子和離子數目不變。（2）湯生放電區-bc段，離子和電子數目雪崩式的增加，放電電流迅速增大。電壓是常數（受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限制）（3）輝光放電-氣體突然發生放電擊穿現象，電流顯著增加，放電電壓顯著減少。c點-放電的著火點。處于陰極的邊緣和不規則處。cd段-前期的輝光放電。電流增加，電壓減小（負阻現象）。因為氣體已經被擊穿，氣體內阻隨電離度的增加顯著減小。5.3濺射de段-正常的輝光放電。電壓已定，電流的增加與電壓無關，只與陰極上產生輝光的表面積有關。有效放電面積隨電流的增加而增加。陰極有效放電區內的電流密度保持恒定。（4）反常輝光放電-ef段。放電電壓和電流密度同時增大。（濺射區域）特點：電流增大時，兩個放電極板之間電壓升高，且陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強有關。（5）電弧放電-fg段。電流繼續增加，放電電壓再次突然大幅度減少，電流急劇增加。5.3濺射氣體輝光放電

濺射濺射的過程是建立在輝光放電的基礎上的，即射向固體表面的離子來源于氣體放電，因正常輝光放電時的電流密度比較小，濺射選在反常輝光放電區。等離子體放電擊穿之后的氣體具有一定的導電性，這種氣體為等離子體。等離子體是一種由正離子、電子、光子以及原子、原子團、分子和它們的激發態所組成的混合氣體。5.3濺射濺射特性

濺射閾值：對于每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于這個值就不會發生濺射現象。濺射率正離子轟擊作為陰極的靶材時，平均每個正離子能從靶上打出的原子數目；用S表示。5.3濺射濺射特性濺射率與入射離子能量的關系只有當入射離子能量超過一定能量時，才能發生濺射；隨入射離子能量增加，濺射率先增加－后平緩－最后降低，發生離子注入；與入射離子種類的關系入射離子原子量越大，濺射率越高凡電子殼層填滿的元素作為入射離子，則濺射率最大。（惰性氣體被選為入射離子。）5.3濺射濺射特性濺射率與被濺射物質的種類有關一般來說隨靶元素原子序數增加而增大；與入射離子入射角的關系隨入射角的增加，濺射率以1/cosθ規律增加。當入射角接近80o時，濺射率迅速下降。5.3濺射濺射方法直流濺射：淀積金屬薄膜；射頻濺射：適用于淀積各種金屬和非金屬薄膜；5.3濺射-濺射方法一般濺射淀積低壓下原子電離成為離子的幾率很低，影響淀積速率。高壓下，濺射出的靶材原子在飛向襯底的過程中將受到過多的散射，影響淀積速率；同時，氣體對薄膜產生污染。磁控淀積磁控濺射為淀積速率比一般方法高一個數量級；工作氣壓低，薄膜質量好。V與B垂直，電子沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進，有效提高了電子與氣體分子的碰撞幾率，因而使工作電壓降低。5.3濺射磁控濺射工作原理圖5.3濺射濺射方法反應濺射利用化合物直接作為靶材；特點：可實現多組分的薄膜淀積；避免化合物在濺射過程中發生分解：（1）調整濺射室內的氣體組成和壓力，限制化合物分解過程的發生。（2）純金屬作為靶材，在工作氣體中混入適量的活性氣體（氧氣等），在濺射淀積同時生成特定化合物，一步完成從濺射、反應到多組分薄膜淀積的多個步驟。偏壓濺射在襯底與靶材之間加偏壓，以改變入射到襯底表面的帶電粒子的數量和能量偏壓作用下：（1）使帶電離子對表面的轟擊可以提高淀積原子在薄膜表面的擴散和參加化學反應的能力，提高薄膜的密度和成膜能力。（2）抑制柱狀晶體生長和細化膜晶粒等。（3）可改變薄膜中氣體含量5.3濺射5.3濺射濺射方法長投準直濺射技術如同只有一個孔的準直器特點：靶與硅片間距離長（25~30cm）低壓下產生等離子體優點：能改善接觸孔底部覆蓋效果。