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

电子束蒸发台

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

机械泵

高真空阀

高真空泵

工艺腔( 钟罩 )坩锅

蒸发金属

载片盘

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

（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 蒸发源

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。

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

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。

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。

5.2.3 激光加热源

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：靶材导电性好 特点：只适于金属靶材

简单平行金属板直流二极管溅射系统

尾气

e-e- e-e-

e-e-

DC 直流二极管溅射装置

衬底

1) 电场产生 Ar+

离子 2) 高能 Ar+ 离子和 金属靶撞击

3) 将金属原子 从 靶中撞击

阳极 (+)

阴极 (-)

氩原子

电场

金属靶

等离子体

5) 金属淀积在衬底上

6) 用真空泵将多余 物质从腔中抽走

4) 金属原子向衬底迁移 .

进气++

++ ++ ++

++

5.4.3 溅射方法2. RF 溅射 原理：高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室； 特点：适于各种金属与非金属靶材；

5.4.3 溅射方法3. 磁控溅射 原理：磁场在靶材表面与电场垂直，电子沿电场方 向加速、绕磁场方向螺旋前进，提高了电子

碰撞电离效率。 特点：淀积速率最高；DC 电源

被加热的硅片吸盘

磁铁

氩气入口

真空泵

靶

阴极

双室超高真空多功能磁控溅射设备