第五章蒸镀.ppt

第五章 物理气相淀积 5.1 蒸镀的基本概念 物理气相淀积（PVD） 借助某种物理过程，将材料的原子或分子实现转移（在衬底），淀积形成薄膜。 汽化热： 将固体或液态的材料加热，使原子或分子获得足够的能量。能汽化到真空中所需的能量叫汽化热（?Hv） 蒸汽压： 物质蒸汽与其固态或液态平衡过程中表现的压力称为物质的蒸汽压-Pv 。 蒸汽压（Pv）与汽化热（?Hv）有关 log Pv=A － B/T 式中A为常数， B= ?Hv/2.3R 温度T越高，蒸汽压就高, Pv值可查表得出。对大多数金属来说，要加热到 熔化后(133Pa)才能有效地蒸发。 平均自由程： ?＝ KT/ ?r2P K为波尔兹曼常数，T＝绝对温度， r=气体分子半径， ?反比例与压强P 5.2 蒸发工艺 在高真空环境下加热的源材料，其原子或分子会很容易被蒸发出来，而不与其它的气体分子发生碰撞，直接撞击在硅片表面，形成一薄层镀膜。 蒸发过程中，金属原子的平均自由程远大于蒸发源到基片的距离。为此高真空是必要的条件。 蒸发过程受表面洁净度、平整度、衬底温度等因素的影响。 5.2.1 蒸发优缺点 优点： 1）薄膜淀积速率高（如Al的速度是0.5μm/min）； 2）金属原子撞击基片的能量很低（～0.1eV），不会损伤基片表面； 3）蒸镀的真空较高，淀积的薄膜含有很少的残余气体成分，其成分与源材料基本相同； 4）基片的加热只会由薄膜的压缩和源的热辐射产生。 缺点： 1）在控制合金成分方面比溅射困难很多； 2）蒸镀系统不能实现基片表面的原位清洗，溅射却能够在淀积之前利用溅射刻蚀实现； 3）台阶覆盖的均匀性不如溅射； 4）电子束蒸镀会产生X射线损伤。 5.2.2 蒸镀方法 电阻加热源 最简单的蒸镀方法是电阻加热源，即用蒸气压很低的金属（如W）的线圈垫在待蒸镀的金属条下面，然后加热W线圈，待镀金属条就会熔化并沾湿加热的灯丝，于是蒸镀就开始了。几个缺点： 1）灯丝的蒸气可能沾污淀积的薄膜； 2）不能淀积难熔金属； 3）每次装料很少，限制了最终的薄膜厚度。 电子束蒸镀 电子束蒸镀中，被加速到很高能量（5～30keV）的电子束轰击待蒸镀金属，其动能转化为热能，只要能量足够大（1200kW）， 会聚电子束能够熔化和蒸发任何材料。从而获得很高的淀积速率（0.5μm/min）。 自加速270°电子束枪已经成为电子束枪的标准设计（图）。以前的电子束枪直接瞄准靶材料的表面，在淀积过程中枪的灯丝会被蒸镀的材料覆盖或短路。环形电子枪的灯丝表面就与蒸镀源隔离，同时衬底也不会被灯丝上蒸发出来的物质沾污。电磁偏置使电子束在源材料的表面扫描，防止电子束固定造成源中空洞的形成，解决了相应的淀积不均匀的问题。 电子束蒸镀中可能出现的两个问题是： 1）当电压大于10kV时，电子束会使Al发出X射线，对器件造成损伤，如在MOS器件的栅氧化层中形成陷阱电荷。因此用电子束蒸镀Al作为互连的硅器件必须进行退火，以去除这些损伤； 2）如果源上加的能量过大，膨胀的金属蒸气会把金属滴吹离源材料，可能会淀积到基片上。 感应加热蒸镀 用RF能量加热源也能够实现高速蒸镀，（如图所示）， RF感应线圈环绕装有蒸镀源的坩锅。由于BN能够不受熔化的Al侵蚀，抗热冲击，容易加工，所以通常用于制作坩锅。 感应加热主要优点 1）基片不会受到电离辐射的损伤 2）蒸发源温度均匀稳定，蒸发速率大 两个缺点是： 1）必须使用坩锅； 2）RF设备复杂。 ? 实际的蒸镀工艺还包括以下相关问题： 1）合金薄膜的蒸镀一般使用两种技术： A.用单一的合金源蒸镀，但合金源的成 分与薄膜 的成分不一定相同(Al-0.5wt%Cu薄膜通常用Al-2wt%Cu单源)； B.同时使用两套电子枪和源进行蒸镀，每个源只含有合金的一种组分。 2）多层膜的蒸镀； 3）蒸镀过程中基片加热到350℃能够明显改善Al膜的台阶覆盖性。温度的提高使淀积薄膜的晶粒增大，提高了淀积物质的表面迁移率，薄膜原子更容易向淀积物质少的区域移动，从而提高了薄膜厚度的均匀性。 4）挡板的使用。 5.3 溅 射 ? 溅射是物理气相沉积（PVD）形式之一，在溅射过程中，高能粒子轰击高纯度的固体平板靶材料，按物理过程撞击出原子。这些被撞击出的原子穿过真空，最后沉积在晶片上。 5.3.1 溅射的特点： 1.溅射是由动量转换引起，溅射出的原子从入射粒子获得很大的动能（5～20ev) ，而蒸发只有0.1电子伏 2.溅射过程是建立在辉光放电基础上 3.被加速的正离子轰击阴极靶 5.3.2 溅射的优点是: 1.具有沉积并保持复杂合金的原组份的能力。 2.能够淀积难熔金属。 3.能够在直径为2