精选课件第5章物理气相淀积.ppt

第五章  物理气相淀积 物理气相淀积—PVD(physical vapor deposition)—利用某种物理过程（蒸发或溅射），实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，淀积成薄膜。 淀积特点：物理过程 技术： ①真空蒸发：早期工艺制备金属薄膜； 优点：淀积速率较高，相对高的真空度，薄膜质量较好；缺点：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：已取代蒸发。 优点：化学成分易控制，淀积薄层与衬底附着性好。 5.1 真空蒸发的基本原理 材料的三态：solid，liquid，gas； 蒸气：任何温度下，材料表面都存在蒸气； 蒸气压：平衡时的饱和蒸气压； 升华：低于熔化温度时，产生蒸气的过程； 蒸发：熔化时，产生蒸气的过程； 真空蒸发： 利用蒸发材料熔化时产生的蒸气进行薄膜淀积； 优点：工艺及设备简单，淀积速率快； 缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够理想。 5.1.1 真空蒸发设备 ①真空系统-为蒸发过程提供真空环境； ②蒸发系统-放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置； ③基板及加热系统-放置衬底，对衬底加热及测温装置等。 蒸发淀积过程 ①加热蒸发：加热蒸发源（固态），产生蒸气； ②输运：气化的原子、分子扩散到基片表面； ③淀积：气化的原子、分子在表面凝聚、成核、生长、成膜； 5.1.2 汽化热和蒸汽压 汽化热△H—使蒸发源材料的原子或分子克服固相（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所获得的能量。 △H—用来克服凝聚相中原子间的吸引力。 饱和蒸汽压P—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。 净蒸发：分压﹤P 蒸发温度—规定在P=133.3×10-2Pa时的温度。 5.1.3 真空度与分子平均自由程 高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的理由： ①被蒸发原子或分子在真空中输运是直线运动（有效的淀积）。 ②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，并使加热的衬底表面发生氧化。 ③残余气体及所含杂质原子或分子淀积在衬底上，严重影响淀积薄膜质量。 ﹥﹥蒸发源到放置硅片的基座距离 原子或分子平均自由程 —粒子两次碰撞之间飞行的平均距离。 5.1.4 蒸发速率—蒸发源的温度影响最大 5.1.5 多组分蒸发 方法：（按蒸发源分类） ①单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶； 靶源的要求：各组分蒸汽压接近； ②多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； ③多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发， 最后高温退火。 工艺关键：根据薄膜组分控制各层厚度； 5.2 蒸发源 （按加热方式分类） ①电阻加热源 ②电子束加热源 ③高频感应加热源 ④激光加热源 5.2.1 电阻加热源—利用电流通过加热源时产生的焦耳热来加热蒸发材料 直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体； 加热体-W、Mo、石墨。 间接加热源：坩埚盛放蒸发源； 坩埚-高温陶瓷、石墨。 1.对加热材料的要求：不产生污染 ①熔点高：高于蒸发源的蒸发温度； ②饱和蒸汽压低：低于蒸发源； ③化学性能稳定：不发生化学反应，不形成合金。 优点：工艺简单，蒸发速率快； 缺点：难以制备高熔点、高纯度薄膜。 2.蒸发材料对加热材料的“湿润性” “湿润性”—指在高温下，熔化的蒸发材料在加热源的材料上有扩展倾向（易湿润）。 蒸发材料与加热源材料十分亲合，蒸发状态稳定。 尤其丝状加热源。 面蒸发– 湿润情况下，材料蒸发面积大且较稳定。 点蒸发—湿润较差情况下。 5.2.2 电子束蒸发源 原理：电场作用下， 电子获得动能轰击阳极蒸发材料，使其加热气化。 特点： 淀积高熔点、 高纯薄膜。 优点： ①蒸发温度高（能量密度高于电阻源）；蒸发速率较高，可蒸发W,Mo,Ge,SiO2,Al2O3。 ②高纯度淀积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发； ③热效率高：热传导和热辐射损失少。 缺点： ①电子枪发出的一次电子与蒸发材料发出的二次电子使蒸发原子和残余气体分子电离； ②设备及工艺复杂，价格昂贵。 5.2.3 激光加热源 激光束加热蒸发法—利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热。 加热特点：加热温度高，可避免坩埚的污染，材料蒸发速率高，蒸发过程易控制。 激光源：连续输出的CO2激光器。 适应于蒸发成份较复杂的合金或