半导体工艺原理薄膜技术物理气相淀积.ppt

溅射选定区域 f 几Pa-几十Pa气体 4.1 原理 无光放电区：极少量原子受到高能宇宙射线激发而电离；电流微弱、，且不稳定 汤生放电区：电压升高，电子、离子的能量逐渐升高，α作用；γ作用； 辉光放电：气体放电击穿；负阻现象；阴极电流密度一定，有效放电面积随电流增加而增大； 反常辉光放电：阴极全部成为有效放电区域，只有增加功率才可增加阴极电流密度 电弧放电：随电流增加，放电电压再次大幅下降 第三十页，共50页 反常辉光放电区 暗区，相当于离子和电子从电场获取能量的加速区； 辉光区，相当于不同离子发生碰撞、复合、电离的区域。 负辉区，是最亮区域。 第三十一页，共50页 4.2 等离子体 等离子体（Plasma）是指具有一定导电能力的气体，它由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子及它们的激发态所组成的混合气体，宏观上呈现电中性。 辉光放电构成的等离子体中粒子能量、密度较低，放电电压较高。其特点是质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于电子的能量，是一种非热平衡状态的等离子体。 第三十二页，共50页 等离子鞘层 电子：等离子体中电子平均动能2eV，对应温度T=23000K;平均运动速度 v=9.5*105 m/s 离子及中性原子处于低能状态，对应温度在T=300-500K；平均速度vAr=5*102m/s 等离子鞘层：电子与离子具有不同速度，结果是形成所谓的等离子鞘层，即任何处于等离子中的物体相对于等离子体来讲都呈现出负电位，且在物体表面出现正电荷积累。 第三十三页，共50页 辉光放电中的碰撞过程 弹性碰撞 无激发、电离或复合 非弹性碰撞 动能转变为内能 维持了自持放电 电离过程： e-+ Ar →Ar++2e- 激发过程： e-+O2 → O2*+e- 分解反应：e-+CF4 → CF3*+ F*+e- 等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制。 第三十四页，共50页 4.3 射频辉光放电 国际上采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会(Fcc)建议的13.56MHz。 在一定气压条件下，在阴阳电极之间加交变电压频率在射频范围时，会产生稳定的射频辉光放电。 第三十五页，共50页 射频放电的激发源 E型放电：高频电场直接激发 H型放电：高频磁场感应激发 射频辉光放电与直流放电很不相同： 电场周期性改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁，减少了带电粒子的损失。在两极之间不断振荡运动的电子可从高频电场中获得足够能量，使气体分子电离，电场较低就可维持放电。 阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿必要条件。 射频电场可由容抗或感抗耦合进淀积室。电极可以是导体，也可是绝缘体。 第三十六页，共50页 5 溅射 微电子工艺中的溅射，是指利用气体辉光放电时，离子对阴极轰击，使阴极物质飞溅出来淀积到基片上形成薄膜的工艺方法。 第三十七页，共50页 5.1 工艺机理 在初、中真空度下，真空室通入少量氩或其它惰性气体，加高压或高频电场，使氩等惰性气体电离，正离子在电场作用下撞击靶，靶原子受碰撞溅射，到达衬底淀积成膜。 第三十八页，共50页 入射离子溅射分析 溅射出的原子，获得很大动能，约10-50eV。和蒸镀相比（约0.2eV）溅射原子在基片表面上的迁移能力强，改善了台阶覆盖性，以及与衬底的附着力。 第三十九页，共50页 第一页，共50页 物理气相淀积（PVD） 1 真空蒸发法原理 2 设备与方法 3 加热器 4 气体辉光放电 5 溅射 第二页，共50页 物理气相淀积（Physical vapor deposition，PVD）是利用某种物理过程，如用真空蒸发和溅射方法实现物质转移，即原子或分子由源转移到衬底(硅)表面淀积成薄膜。 蒸发必须在高真空度下进行。 溅射是在气体辉光放电的等离子状态实现。 PVD常用来制备金属薄膜:如Al, Au, Pt,Cu，合金及多层金属。 第三页，共50页 一、 真空蒸发法制备薄膜的基本原理 真空蒸发即利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。 在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流并入射到硅片衬底表面凝结形成固态薄膜。 这种物理淀积方法，制备的一般是多晶金属薄膜。 第四页，共50页 真空蒸发法优点 设备简单，操作容易 所制备的薄膜纯度较高，厚度控制较精确，成膜速率快 生长机理简单 真空蒸发法主要缺点 所形成的薄膜与衬底附着力较小 工艺重复性不够理想 台阶覆盖能力差 已为溅射法和化学气相淀积法所代替 第五页，共50页 蒸镀过程 源受热蒸发； 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运； 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积：凝结→成核→ 生长→成膜。 第六页，共50页 1.1 基本参数 汽化热ΔH 被蒸发的原子或