薄膜淀积与外延技术.ppt

微电子工艺学Microelectronic Processing第五章 薄膜淀积与外延技术张道礼张道礼 教授教授Email:Email:zhang-zhang-Voice:87542894Voice:875428941 超薄膜超薄膜:10nm薄膜薄膜:50nm10m mm典型薄膜典型薄膜:50nm 1m mm厚膜厚膜:10m mm 100m mm单晶薄膜单晶薄膜多晶薄膜多晶薄膜无序薄膜无序薄膜5.1 5.1 概述概述采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。薄膜分类薄膜分类 2（1 1）物态）物态（2 2）结晶态：）结晶态：（3 3）化学角度）化学角度 5.1 5.1 概述概述3（4 4）组成）组成（5 5）物性）物性 q厚度，决定薄膜性能、质量厚度，决定薄膜性能、质量q通常，膜厚通常，膜厚 k ks s，则，则C Cs sC CG G,这种情况为表面反应控制过程这种情况为表面反应控制过程有有2 2、如果、如果h hG Gk ks s，则，则C CS S00，这是质量传输控制过程，这是质量传输控制过程有有 质量输运控制，对温度不敏感质量输运控制，对温度不敏感5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积表面（反应）控制，对温度特别敏感表面（反应）控制，对温度特别敏感 37T T对对k ks s的影响较的影响较h hG G大许多，因此：大许多，因此：h hG Gk ks s表面控表面控制过程在较低温制过程在较低温度出现度出现生长速率和温度的关系生长速率和温度的关系硅外延：硅外延：E Ea a=1.6 eV=1.6 eV斜率与激活能斜率与激活能E Ea a成正比成正比h hG Gconstantconstant5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积38以硅外延为例（以硅外延为例（1 atm1 atm，APCVDAPCVD）h hGG 常数常数E Ea a 值相同值相同硅淀积往往是在高硅淀积往往是在高温下进行，以确保温下进行，以确保所有硅原子淀积时所有硅原子淀积时排列整齐，形成单排列整齐，形成单晶层。为质量输运晶层。为质量输运控制过程。此时对控制过程。此时对温度控制要求不是温度控制要求不是很高，但是对气流很高，但是对气流要求高。要求高。多晶硅生长是在低多晶硅生长是在低温进行，是表面反温进行，是表面反应控制，对温度要应控制，对温度要求控制精度高。求控制精度高。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积39当工作在高温区当工作在高温区,质量控制为主导，质量控制为主导，h hG G是常数，此时反应是常数，此时反应气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片气体通过边界层的扩散很重要，即反应腔的设计和晶片如何放置显得很重要。如何放置显得很重要。记住关键两点：记住关键两点：k ks s 控制的淀积主要和温度有关控制的淀积主要和温度有关h hGG 控制的淀积主要和反应腔体几何形状有关控制的淀积主要和反应腔体几何形状有关5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积40单晶硅淀积要采用图中的卧式反应设备，放置硅片单晶硅淀积要采用图中的卧式反应设备，放置硅片的石墨舟为什么要有倾斜的石墨舟为什么要有倾斜?5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积41这里界面层厚度这里界面层厚度 s s是是x x方向平板长度的函数。方向平板长度的函数。随着随着x x的增加，的增加，s s(x x)增加，增加，h hG G下降。下降。如果淀积受质量传输控制，则淀积如果淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降速度会下降沿支座方向反应气体浓度的减少沿支座方向反应气体浓度的减少,同同样导致淀积速度会下降样导致淀积速度会下降 为气体粘度为气体粘度 为气体密度为气体密度U U为气体速度为气体速度5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积42因此，支座倾斜可以促使因此，支座倾斜可以促使 s s(x x)沿沿x x变化减小变化减小原理：原理：由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致由于支座倾斜后，气流的流过的截面积下降，导致气流速度的增加，进而导致气流速度的增加，进而导致 s s(x x)沿沿x x减小和减小和h hG G的增加。从的增加。从而用加大而用加大h hG G的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而的方法来补偿沿支座长度方向的气源的耗尽而产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关产生的淀积速率的下降。尤其对质量传输控制的淀积至关重要，如重要，如APCVDAPCVD法淀积法淀积硅硅。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积43化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点q 优点优点 即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；成膜速率高于成膜速率高于LPE和和MBE；（几微米至几百微米几微米至几百微米/min？）？）CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好；反应可在常压或低真空进行，绕射性能好；薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；薄膜生长温度低于材料的熔点；薄膜生长温度低于材料的熔点；薄膜表面平滑；薄膜表面平滑；辐射损伤小。辐射损伤小。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积44q 缺点缺点 参参与与沉沉积积的的反反应应源源和和反反应应后后的的气气体体易易燃燃、易易爆爆或或有毒，需环保措施，有时还有防腐蚀要求；有毒，需环保措施，有时还有防腐蚀要求；反反应应温温度度还还是是太太高高，尽尽管管低低于于物物质质的的熔熔点点；温温度度高于高于PVD技术，应用中受到一定限制；技术，应用中受到一定限制；对对基基片片进进行行局局部部表表面面镀镀膜膜时时很很困困难难，不不如如PVD方方便。便。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积45q CVD的分类及其在微电子技术中的应用的分类及其在微电子技术中的应用5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积46CVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介q CVD反应体系必须具备三个条件反应体系必须具备三个条件 在在沉沉积积温温度度下下，反反应应物物具具有有足足够够的的蒸蒸气气压压，并并能能以适当的速度被引入反应室；以适当的速度被引入反应室；反反应应产产物物除除了了形形成成固固态态薄薄膜膜物物质质外外，都都必必须须是是挥挥发性的；发性的；沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压，沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压，5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积47q 开口体系开口体系CVD 包包括括：气气体体净净化化系系统统、气气体体测测量量和和控控制制系系统统、反反应应器、尾气处理系统、抽气系统等。器、尾气处理系统、抽气系统等。卧式：卧式：5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积48感应加感应加热热5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积49 冷冷壁壁CVD：器器壁壁和和原原料料区区都都不不加加热热，仅仅基基片片被被加加热热，沉沉积积区区一一般般采采用用感感应应加加热热或或光光辐辐射射加加热热。缺缺点点是是有有较较大大温差温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。温度均匀性问题需特别设计来克服。适适合合反反应应物物在在室室温温下下是是气气体体或或具具有有较较高高蒸蒸气气压压的的液液体。体。热热壁壁CVD：器器壁壁和和原原料料区区都都是是加加热热的的，反反应应器器壁壁加加热热是是为为了了防防止止反反应应物物冷冷凝凝。管管壁壁有有反反应应物物沉沉积积，易易剥剥落落造成污染。造成污染。卧卧式式反反应应器器特特点点：常常压压操操作作；装装、卸卸料料方方便便。但但是是薄膜的均匀性差。薄膜的均匀性差。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积50开口体系开口体系CVDCVD工艺的特点工艺的特点能连续地供气和排气，能连续地供气和排气，物料的运输一般是靠惰性气物料的运输一般是靠惰性气体来实现的。体来实现的。反应总处于非平衡状态反应总处于非平衡状态，而有利于形，而有利于形成薄膜沉积层成薄膜沉积层（至少有一种反应产物可连续地从反应区排（至少有一种反应产物可连续地从反应区排出）。出）。在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的。于一个大气压下进行的。但也可在真空下连续地或但也可在真空下连续地或脉冲地供气及不断地抽出副产物。脉冲地供气及不断地抽出副产物。开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使用。件容易取放，同一装置可反复多次使用。有立式和卧式两种形式。有立式和卧式两种形式。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积51 立式：立式：气流垂直于基体，可使气流以气流垂直于基体，可使气流以基板为中心均匀分布基板为中心均匀分布5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积52沉积区域为球形，基沉积区域为球形，基片受热均匀，反应气片受热均匀，反应气体均匀供给；产品的体均匀供给；产品的均匀性好，膜层厚度均匀性好，膜层厚度一致，质地均匀。一致，质地均匀。特点？特点？5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积53q 封闭式（闭管沉积系统）封闭式（闭管沉积系统）CVD把一定量的反应物和适当把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两的基体分别放在反应器的两端，抽空后充入一定的输运端，抽空后充入一定的输运气体，然后密封，再将反应气体，然后密封，再将反应器置于双温区炉内，使反应器置于双温区炉内，使反应管内形成温度梯度。管内形成温度梯度。温度梯度造成的负自由能温度梯度造成的负自由能变化是传输反应的推动力，变化是传输反应的推动力，所以物料从闭管的一端传输所以物料从闭管的一端传输到另一端并沉积下来。在理到另一端并沉积下来。在理想情况下，闭管反应器中所想情况下，闭管反应器中所进行的反应其平衡常数值应进行的反应其平衡常数值应接近于接近于1。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积54温度梯度温度梯度2.5/cm/cm低温区低温区T1=T2-13.5高温区高温区T2=8508605.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积55 闭闭管管法法的的优优点点：污污染染的的机机会会少少，不不必必连连续续抽抽气气保保持持反应器内的真空，可以沉积蒸气压高的物质。反应器内的真空，可以沉积蒸气压高的物质。闭闭管管法法的的缺缺点点：材材料料生生长长速速率率慢慢，不不适适合合大大批批量量生生长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检测困难等。长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检测困难等。闭闭管管法法的的关关键键环环节节：反反应应器器材材料料选选择择、装装料料压压力力计计算、温度选择和控制等。算、温度选择和控制等。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积56 低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVDLPCVD）q LPCVD原理原理 早早 期期 CVD技技 术术 以以 开开 管管 系系 统统 为为 主主，即即 Atmosphere Pressure CVD(APCVD)。近近年年来来，CVD技技术术令令人人注注目目的的新新发发展展是是低低压压CVD技技术术，即即Low Pressure CVD（LPCVD）。）。LPCVD原理于原理于APCVD基本相同，主要差别是：基本相同，主要差别是：低低压压下下气气体体扩扩散散系系数数增增大大，使使气气态态反反应应物物和和副副产产物物的的质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积575.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积58q LPCVD优点优点 （1）低低气气压压下下气气态态分分子子的的平平均均自自由由程程增增大大，反反应应装装置置内内可可以以快快速速达达到到浓浓度度均均一一，消消除除了了由由气气相相浓浓度度梯梯度度带带来来的的薄薄膜膜不不均均匀性。匀性。（2）薄薄膜膜质质量量高高：薄薄膜膜台台阶阶覆覆盖盖良良好好；结结构构完完整整性性好好；针针孔较少。孔较少。（3）沉沉积积速速率率高高。沉沉积积过过程程主主要要由由表表面面反反应应速速率率控控制制，对对温温度度变变化化极极为为敏敏感感，所所以以，LPCVD技技术术主主要要控控制制温温度度变变量量。LPCVD工艺重复性优于工艺重复性优于APCVD。（4）卧式）卧式LPCVD装片密度高，生产效率高，生产成本低。装片密度高，生产效率高，生产成本低。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积59q LPCVD在微电子技术中的应用在微电子技术中的应用 广广泛泛用用于于沉沉积积掺掺杂杂或或不不掺掺杂杂的的氧氧化化硅硅、氮氮化化硅硅、多多晶晶硅硅、硅硅化化物物薄薄膜膜，-族族化化合合物物薄薄膜膜以以及及钨钨、钼钼、钽钽、钛等难熔金属薄膜。钛等难熔金属薄膜。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积60等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积 在在普普通通CVD技技术术中中，产产生生沉沉积积反反应应所所需需要要的的能能量量是是各各种种方方式式加加热热衬衬底底和和反反应应气气体体，因因此此，薄薄膜膜沉沉积积温温度度一一般般较高（多数在较高（多数在9001000）。u 容容易易引引起起基基板板变变形形和和组组织织上上的的变变化化，容容易易降降低低基基板板材材料的机械性能；料的机械性能；u 基基板板材材料料与与膜膜层层材材料料在在高高温温下下会会相相互互扩扩散散，形形成成某某些些脆性相，降低了两者的结合力。脆性相，降低了两者的结合力。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积61 如如果果能能在在反反应应室室内内形形成成低低温温等等离离子子体体（如如辉辉光光放放电电），则则可可以以利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降低。利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温度降低。这这种种等等离离子子体体参参与与的的化化学学气气相相沉沉积积称称为为等等离离子子化化学学气气相相沉沉积积。用用来来制制备备化化合合物物薄薄膜膜、非非晶晶薄薄膜膜、外外延延薄薄膜膜、超超导导薄薄膜膜等等，特特别是别是IC技术中的表面钝化和多层布线。技术中的表面钝化和多层布线。等离子化学气相沉积：等离子化学气相沉积：Plasma CVDPlasma Associated CVDPlasma Enhanced CVD这里称这里称PECVD5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积62 PECVD是是指指利利用用辉辉光光放放电电的的物物理理作作用用来来激激活活化化学学气气相相沉沉积积反反应应的的CVD技技术术。它它既既包包括括了了化化学学气气相相沉沉积积技技术术，又又有有辉辉光光放放电电的的增增强强作作用用。既既有有热热化化学学反反应应，又又有有等等离离子子体体化化学学反反应应。广广泛泛应应用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域，用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域，按照产生辉光放电等离子方式，可以分为许多类型。按照产生辉光放电等离子方式，可以分为许多类型。直流辉光放电等离子体化学气相沉积（直流辉光放电等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）射频辉光放电等离子体化学气相沉积（射频辉光放电等离子体化学气相沉积（RF-PCVD）微波等离子体化学气相沉积（微波等离子体化学气相沉积（MW-PCVD）电电子子回回旋旋共共振振等等离离子子体体化化学学气气相相沉沉积积（ECR-PCVD）5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积635.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积645.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积655.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积66等离子体在等离子体在CVD中的作用：中的作用：将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度；将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度；加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率；加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率；对对基基片片和和薄薄膜膜具具有有溅溅射射清清洗洗作作用用，溅溅射射掉掉结结合合不不牢牢的的粒子，提高了薄膜和基片的附着力；粒子，提高了薄膜和基片的附着力；由由于于原原子子、分分子子、离离子子和和电电子子相相互互碰碰撞撞，使使形形成成薄薄膜膜的厚度均匀。的厚度均匀。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积67PECVD的优点：的优点：低低温温成成膜膜（300-350），对对基基片片影影响响小小，避避免免了了高高温带来的膜层晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相；温带来的膜层晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相；低低压压下下形形成成薄薄膜膜，膜膜厚厚及及成成分分较较均均匀匀、针针孔孔少少、膜膜层层致密、内应力小，不易产生裂纹；致密、内应力小，不易产生裂纹；扩扩大大了了CVD应应用用范范围围，特特别别是是在在不不同同基基片片上上制制备备金金属属薄膜、非晶态无机薄膜、有机聚合物薄膜等；薄膜、非晶态无机薄膜、有机聚合物薄膜等；薄膜的附着力大于普通薄膜的附着力大于普通CVD。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积68PECVD的缺点：的缺点：化学反应过程十分复杂，影响薄膜质量的因素较多；化学反应过程十分复杂，影响薄膜质量的因素较多；工工作作频频率率、功功率率、压压力力、基基板板温温度度、反反应应气气体体分分压压、反反应应器器的的几几何何形形状状、电电极极空空间间、电电极极材材料料和和抽抽速速等等相相互互影响。影响。参数难以控制；参数难以控制；反应机理、反应动力学、反应过程等还不十分清楚。反应机理、反应动力学、反应过程等还不十分清楚。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积69其它化学气相沉积方法其它化学气相沉积方法其它化学气相沉积方法其它化学气相沉积方法（1）MOCVD 是是一一种种利利用用有有机机金金属属化化合合物物的的热热分分解解反反应应进进行行气气相相外外延延生长薄膜的生长薄膜的CVD技术。技术。作为含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足：作为含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足：常温下稳定且容易处理常温下稳定且容易处理 反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层；反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层；室温附近应具有适当的蒸气压室温附近应具有适当的蒸气压5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积70 满满足足此此条条件件的的原原材材料料有有：金金属属的的烷烷基基或或芳芳基基衍衍生生物物、烃烃基基衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物MOCVD的优点：的优点：沉沉积积温温度度低低。减减少少了了自自污污染染，提提高高了了薄薄膜膜纯纯度度，有有利利于于降降低低空位密度和解决自补偿问题；对衬底取向要求低；空位密度和解决自补偿问题；对衬底取向要求低；沉积过程不存在刻蚀反应，沉积速率易于控制；沉积过程不存在刻蚀反应，沉积速率易于控制；几乎可以生长所有化合物和合金半导体；几乎可以生长所有化合物和合金半导体；反反应应装装置置容容易易设设计计，生生长长温温度度范范围围较较宽宽，易易于于控控制制，可可大大批批量生产；量生产；可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积71MOCVD的主要缺点：的主要缺点：许许多多金金属属有有机机化化合合物物有有毒毒、易易燃燃，给给有有机机金金属属化化合合物物的的制制备备、贮贮存存、运运输输和和使使用用带带来来困困难难，必必须须采采取取严严格格的的防防护措施；护措施；由由于于反反应应温温度度低低，有有些些金金属属有有机机化化合合物物在在气气相相中中就就发发生生反反应应，生生成成固固态态微微粒粒再再沉沉积积在在衬衬底底表表面面，形形成成薄薄膜膜中中的的杂质颗粒，破坏了膜的完整性。杂质颗粒，破坏了膜的完整性。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积72(2)光光CVD 是是利利用用光光能能使使气气体体分分解解，增增加加反反应应气气体体的的化化学学活活性性，促促进气体之间化学反应的化学气相沉积技术。进气体之间化学反应的化学气相沉积技术。(3)电子回旋共振（电子回旋共振（ECR）等离子体沉积）等离子体沉积 在在反反应应室室内内导导入入微微波波能能和和磁磁场场，使使得得电电子子的的回回旋旋运运动动和和微微波波发发生生共共振振现现象象。电电子子和和气气体体碰碰撞撞，促促进进放放电电，从从而而可可以以在在较高的真空度和较低的温度下发生反应，获得高质量的薄膜。较高的真空度和较低的温度下发生反应，获得高质量的薄膜。可可在在半半导导体体基基板板上上淀淀积积导导电电薄薄膜膜，绝绝缘缘介介质质薄薄膜膜，钴钴镍镍合金薄膜以及氧化物高合金薄膜以及氧化物高Tc超导薄膜。超导薄膜。5.2 5.2 化学气相沉积化学气相沉积73“物理气相沉积物理气相沉积”通常指满足下面三个步骤的一类通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术薄膜生长技术:1.所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体2.生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底3.蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积74成膜机理成膜机理?真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定形膜，经历成核和成膜两个过程。蒸发的原子（或分子）碰撞形膜，经历成核和成膜两个过程。蒸发的原子（或分子）碰撞到基片时，或是永久附着在基片上，或是吸附后再蒸发而离开到基片时，或是永久附着在基片上，或是吸附后再蒸发而离开基片，其中有一部分直接从基片表面反射回去。粘附在基片表基片，其中有一部分直接从基片表面反射回去。粘附在基片表面的原子（或分子）由于热运动可沿表面移动，如碰上其它原面的原子（或分子）由于热运动可沿表面移动，如碰上其它原子便积聚成团。这种团最易于发生在基片表面应力高的地方，子便积聚成团。这种团最易于发生在基片表面应力高的地方，或在晶体衬底的解理阶梯上，因为这使吸附原子的自由能最小。或在晶体衬底的解理阶梯上，因为这使吸附原子的自由能最小。这就是成核过程。进一步的原子（分子）淀积使上述岛状的团这就是成核过程。进一步的原子（分子）淀积使上述岛状的团（晶核）不断扩大，直至展延成连续的薄膜。（晶核）不断扩大，直至展延成连续的薄膜。5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积75Natural World “Atomic-World”Target/evaporated sourceSubstrate surfaceAtomic rainClustersParticlesDischargeImpurity,ContaminationVacuumCloudEarth surface-groundNatural rainSnowHailThunder stormDust,PollutionEnvironmental protectionCloudtargetsubstrate原子层的晶体生长原子层的晶体生长“世界世界”与自然世界的比拟与自然世界的比拟76SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子团簇原子团簇岛岛薄膜薄膜热运动热运动5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积77其它生长模式其它生长模式Frank-van der Merve ModeLayer by Layer(2D)衬底衬底衬底衬底衬底衬底Stranski-Krastanov ModeLayer Plus Island Growth(2D-3D)Volmer-Weber ModeIsland Growth(3D)5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积78PVDPVD所需实验条件所需实验条件高真空(HV)高纯材料清洁和光滑的衬底表面提供能量的电源5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积79PVDPVD的通用实验配置的通用实验配置靶材靶材衬底衬底真空室真空室真空泵真空泵厚度监控仪厚度监控仪充气管道充气管道反应气体管道反应气体管道Plume5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积80一、蒸发镀膜一、蒸发镀膜基本思想：将材料置于某种容器内,升高温度，熔解并蒸发材料5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积1 1、电阻式热蒸发、电阻式热蒸发将用高熔点金属将用高熔点金属(W,Mo,Ta,Nb)制成的加热丝或舟通上直制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料流电，利用欧姆热加热材料加热电阻丝、舟或坩埚加热电阻丝、舟或坩埚815.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积82常用蒸发源常用蒸发源加热丝加热丝加热舟加热舟坩埚坩埚盒状源（盒状源（Knudsen Cell）5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积83将用绝缘材料将用绝缘材料(quartz,graphite,alumina,beryllia,zirconia)制成的坩埚通上射频交流电，利用电磁感应加热材料制成的坩埚通上射频交流电，利用电磁感应加热材料2 2、高频感应加热蒸发、高频感应加热蒸发特点：加热均匀特点：加热均匀5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积843 3、电子束蒸发、电子束蒸发电子束蒸发方法电子束蒸发方法:用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料电子束加热原理电子束加热原理:是基于电子在电场作用下是基于电子在电场作用下是基于电子在电场作用下是基于电子在电场作用下,获得动能轰击处于获得动能轰击处于获得动能轰击处于获得动能轰击处于阳极的蒸发材料阳极的蒸发材料阳极的蒸发材料阳极的蒸发材料,使蒸发材料加热气化使蒸发材料加热气化使蒸发材料加热气化使蒸发材料加热气化5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积电子束蒸发装置组成电子束蒸发装置组成:电子束加热枪：电子束加热枪：电子束加热枪：电子束加热枪：灯丝灯丝灯丝灯丝+加速电极加速电极加速电极加速电极+偏转磁场组成偏转磁场组成偏转磁场组成偏转磁场组成蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩埚埚埚埚85被蒸发的材料是放在水冷的坩埚中被蒸发的材料是放在水冷的坩埚中,因而可以避免容因而可以避免容器材料的蒸发器材料的蒸发,不与坩埚材料交叉污染，清洁。不与坩埚材料交叉污染，清洁。只有小块区域被电子束轰击只有小块区域被电子束轰击 -坩埚内部形成一个虚坩埚内部形成一个虚的的“坩埚坩埚”-“skullingskulling”可以制备难熔金属薄膜可以制备难熔金属薄膜,如如W,Mo,GeW,Mo,Ge等和氧化物薄膜等和氧化物薄膜,如如SiOSiO2 2,Al,Al2 2O O3 3等等.特别是制备高纯度薄膜特别是制备高纯度薄膜.可用于粉末、块状材料的蒸发可用于粉末、块状材料的蒸发可以比较精确地控制蒸发速率；可以比较精确地控制蒸发速率；电离率比较低电离率比较低电子束蒸发的特点电子束蒸发的特点5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积86E-GunCrucibleSubstrate fixture5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积87常用蒸发材料形态常用蒸发材料形态5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积884 4、脉冲激光沉积、脉冲激光沉积用高能聚焦激光束轰击靶材5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积89激光束的斑点很小激光束的斑点很小激光束的斑点很小激光束的斑点很小,蒸发只发生在光斑周围的局部区域蒸发只发生在光斑周围的局部区域,可以避免坩埚材料对蒸发材料的污染可以避免坩埚材料对蒸发材料的污染可以避免坩埚材料对蒸发材料的污染可以避免坩埚材料对蒸发材料的污染,提高薄膜纯度提高薄膜纯度提高薄膜纯度提高薄膜纯度,激光加热激光加热激光加热激光加热源源源源,功率密度高功率密度高功率密度高功率密度高,可以蒸发任何高熔点的材料可以蒸发任何高熔点的材料可以蒸发任何高熔点的材料可以蒸发任何高熔点的材料,沉积含有不同熔点沉积含有不同熔点沉积含有不同熔点沉积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证成分的比例材料的化合物薄膜可保证成分的比例材料的化合物薄膜可保证成分的比例材料的化合物薄膜可保证成分的比例,特别适合于蒸发那些成分特别适合于蒸发那些成分特别适合于蒸发那些成分特别适合于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材料比较复杂的合金或化合物材料比较复杂的合金或化合物材料比较复杂的合金或化合物材料.蒸气的成分与靶材料基本相同，蒸气的成分与靶材料基本相同，没有偏析现象没有偏析现象蒸发量可以由脉冲的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制；蒸发量可以由脉冲的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制；光束渗透深度小光束渗透深度小 100 A,100 A,蒸发只发生在靶材表面蒸发只发生在靶材表面由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差；不要求高真空，但激光器价格昂贵不要求高真空，但激光器价格昂贵脉冲激光蒸发的特点脉冲激光蒸发的特点5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积905.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积915 5、多组分薄膜的蒸发方法、多组分薄膜的蒸发方法多源顺序蒸发多源顺序蒸发,形成多层膜形成多层膜,再进行要退火再进行要退火5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积92台阶和犁沟的阴影效应台阶和犁沟的阴影效应:蒸发分子流受到工件形状的影蒸发分子流受到工件形状的影响导致阴影效应；响导致阴影效应；台阶的阴影效应；台阶的阴影效应；与台阶的高度和台阶与蒸发与台阶的高度和台阶与蒸发源的相对位置有关；源的相对位置有关；旋转基片不能改善台阶的阴旋转基片不能改善台阶的阴影效应影效应犁沟的自封闭；犁沟的自封闭；犁沟的自封闭与犁沟的深度犁沟的自封闭与犁沟的深度和宽度有关；和宽度有关；6 6、薄膜的均匀性、薄膜的均匀性5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积93蒸发源纯度的影响：加热器、坩埚、支撑材料等的污染；蒸发源纯度的影响：加热器、坩埚、支撑材料等的污染；残余气体的影响：残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间残余气体的影响：残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间7 7、薄膜的纯度、薄膜的纯度生长材料的分子生长材料的分子残留气体分子残留气体分子Pressure Pressure(Torr)(Torr)TimeTime10-410-40.02 s0.02 s10-510-50.2 s0.2 s10-610-62 s2 s10-710-720 s20 s10-810-83 min3 min10-910-935 min35 min10-1010-106 hr6 hr10-1110-113 days3 daysSubstrate5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积提高薄膜纯度的提高薄膜纯度的方法：方法：降低残余气体分降低残余气体分压压,提高真空度；提高真空度；提高基片温度提高基片温度,提高沉积速率；提高沉积速率；94二、溅射镀膜二、溅射镀膜溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来的带电离子进行加溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来的带电离子进行加速，使其获得一定的动能后，轰击靶电极，将靶电极的原子溅射出速，使其获得一定的动能后，轰击靶电极，将靶电极的原子溅射出来，沉积到衬底形成薄膜的方法。来，沉积到衬底形成薄膜的方法。5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电95+Al靶靶Al膜膜溅射沉积薄膜原理溅射沉积薄膜原理阳阳阴阴避免金属避免金属原子氧化原子氧化真空真空Ar气气Ar+Al膜与硅片之间的结合膜与硅片之间的结合力比蒸发法要好力比蒸发法要好Al靶靶5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积96溅射过程的物理模型溅射过程的物理模型5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积溅射靶材溅射靶材97溅射特性参数溅射特性参数（1 1）溅射阈值：）溅射阈值：使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量，低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为能量，低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为101020eV20eV。（2 2）溅射率：）溅射率：正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出的粒子数，又称击出的粒子数，又称溅射产额或溅射系数，溅射产额或溅射系数，S S。S=Ns/NiN Ni i-入射到靶表面的粒子数入射到靶表面的粒子数N Ns s-从靶表面溅射出来的粒子数从靶表面溅射出来的粒子数5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积98影响因素影响因素 入射离子能量入射离子能量5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积99 靶材种类靶材种类 入射离子种类入射离子种类溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。一般规律：一般规律：溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大CuCu、AgAg、Au Au 较大较大C C、SiSi、TiTi、V V、TaTa、W W等等 较小较小溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射率越溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射率越高。高。溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子壳层填满的溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子壳层填满的元素具有最大的溅射率。元素具有最大的溅射率。惰性气体的溅射率最高。惰性气体的溅射率最高。5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积100 入射角入射角入射角入射角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角 溅射温度溅射温度 靶材靶材5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积101（3 3）溅射出的粒子）溅射出的粒子 从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子能量和速度。能量和速度。溅射粒子的状态与入射离子的能量有关溅射粒子的状态与入射离子的能量有关溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子的方向性有关，的方向性有关，其能量可比蒸发原子的能量大其能量可比蒸发原子的能量大1 12 2个数量级。个数量级。（4 4）溅射粒子的角分布）溅射粒子的角分布 溅射原子的角度分布符合溅射原子的角度分布符合KnudsenKnudsen的余弦定律。也与入射原子的余弦定律。也与入射原子的方向性、晶体结构等有关。的方向性、晶体结构等有关。5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积102设备简单，操作方便，适合于溅射金属薄膜设备简单，操作方便，适合于溅射金属薄膜但直流溅射中靶材只接收正离子但直流溅射中靶材只接收正离子,如果靶材是绝缘材料如果靶材是绝缘材料,阴阴极表面聚集的大量正离子无法被电子中和使其电位不断上极表面聚集的大量正离子无法被电子中和使其电位不断上升升,阴阳两极电势减小阴阳两极电势减小,使溅射不能持续进行使溅射不能持续进行.1 1、直流溅射、直流溅射惰性气体惰性气体5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积103与直流溅射相比与直流溅射相比,溅射电压低溅射电压低,可可以溅射绝缘靶材，制备介质薄膜以溅射绝缘靶材，制备介质薄膜射频溅射原理射频溅射原理:交变电场使得靶材正交变电场使得靶材正半周接收电子半周接收电子,负半周接收正离子负半周接收正离子,相互中和相互中和,从而使阴阳两极电位的大从而使阴阳两极电位的大小保持稳定小保持稳定,使溅射能够持续进行使溅射能够持续进行.2 2、射频溅射、射频溅射惰性气体惰性气体5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积1043 3、反应溅射、反应溅射活性气体活性气体+惰性气体惰性气体可以制备化合物薄膜可以制备化合物薄膜5.3 5.3 物理气相沉积物理气相沉积1054 4、磁控溅射、磁控溅射磁控溅射：使电子的路径不再是直线，而是螺旋线，增加了与气体磁控溅射：使电