加热蒸发源.ppt

第五章 物理气相淀积 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院 绪论 PVD：physical vapor deposition 特点：物理过程； 方法： ①蒸发：早期工艺制备金属薄膜，目前广泛应用于科 研和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺中； ②溅射：已取代蒸发。 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，材料表面都存在自身的气体； 饱和蒸气压：在一定的温度下，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； 蒸发温度：饱和蒸汽压为133.3×10-2Pa时的物质温度； 升华：低于材料熔化温度时，产生蒸气的过程； 蒸发：材料熔化时，产生蒸气的过程； 真空蒸发：利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进 行薄膜淀积； 优点：工艺及设备简单，薄膜纯度高、淀积速率快； 缺点：薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖差。 5.1.1 真空蒸发设备 5.1.1 真空蒸发设备 主要由三大部分组成： ①真空系统 ②蒸发系统 ③基板及加热系统 蒸发淀积过程 主要有三个基本过程： ①加热蒸发过程：加热蒸发源（固态），产生蒸气； ②气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：气化 的原子、分子扩散到基片表面； ③被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：气化的原 子、分子在表面凝聚、成核、成长、成膜； 5.1.5 多组分蒸发 如，合金蒸发 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,控制相应厚度； 5.1.5 多组分蒸发 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 直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体； 加热体采用：W、Mo、石墨。 间接加热源：坩埚盛放蒸发源； (坩埚采用：高温陶瓷、石墨) 对加热材料的要求： ①熔点要高：高于蒸发源的蒸发温度； ②饱和蒸汽压要低：低于蒸发源； ③化学性能要稳定：在高温下与蒸发材料不发生化学反应，不形成合金。 目的：不产生污染 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。 5.2.2 电子束蒸发源 原理：电子轰击蒸发材料，使其 熔化蒸发。 特点：可淀积高熔点（﹥3000℃）、 高纯薄膜； 应用：W、Mo、SiO2、Al2O3 5.2.2 电子束蒸发源 优点： ①蒸发温度高：能量密度高于电阻加热源； 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： ①一次电子与二次电子使蒸发原子等电离； ②结构复杂、价格昂贵，会产生软X射线。 5.2.3 激光加热源 原理：利用高功率激光束进行加热。 主要优点： (1)加热温度高，可蒸发任何高熔点材料。 (2)坩埚材料对蒸发材料的污染小，薄膜纯度高。 (3)能量密度高，可保证化合物薄膜成分比例。 (4)易获得高真空度。 (5)适合蒸发成分比较复杂的合金或化合物。 主要缺点： 大功率激光器价格较昂贵。 5.2.4 高频感应加热蒸发源 优点： ①蒸发速率快； ②温度控制精确； ③工艺简便； 缺点： ①成本高； ②电磁干扰。 5.4 溅射 原理：气体辉光放电产生等离子体→具有能量的离 子轰击靶材→靶材原子获得能量从靶表面逸出 (被溅射出)→溅射原子淀积在表面。 特点：被溅射出的原子动能很大，10-50eV（蒸发： 0.1-0.2eV）；故， 还可实现离子注入。 优点：台阶覆盖好（迁移能力强）。 5.4.3 溅射方法 直流、射频、磁控、反应、 离子束、偏压等溅射； 1.直流溅射 溅射靶：阴极 衬底：阳极（接地） 工作气体：Ar气 要求：靶材导电性