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薄膜淀积工艺(下).ppt
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1、第五章第五章 薄膜淀薄膜淀积积工工艺艺(下)(下)1.薄膜淀薄膜淀积积(Thin Film Deposition)工)工艺艺 概述概述概述概述 真空技真空技真空技真空技术术术术与等离子体与等离子体与等离子体与等离子体简简简简介介介介 化学气相淀化学气相淀化学气相淀化学气相淀积积积积工工工工艺艺艺艺 物理气相淀物理气相淀物理气相淀物理气相淀积积积积工工工工艺艺艺艺 小小小小结结结结参考参考参考参考资资资资料:料:料:料:微微微微电电电电子制造科学原理与工程技子制造科学原理与工程技子制造科学原理与工程技子制造科学原理与工程技术术术术第第第第1212章章章章(电电电电子子子子讲讲讲讲稿中出稿中出稿中
2、出稿中出现现现现的的的的图图图图号是号是号是号是该书该书该书该书中的中的中的中的图图图图号)号)号)号)2.四、物理气相淀四、物理气相淀积积工工艺艺 引言引言引言引言 蒸蒸蒸蒸发发发发工工工工艺艺艺艺 溅溅溅溅射工射工射工射工艺艺艺艺3.(一)引言(一)引言1 1 1 1、物理气相淀物理气相淀物理气相淀物理气相淀积积积积(P P P Physical hysical hysical hysical V V V Vapor apor apor apor D D D Depositionepositionepositioneposition)技)技)技)技术术术术:蒸蒸蒸蒸发发发发(Evapora
3、tionEvaporation)法)法)法)法 溅溅溅溅射射射射(SputteringSputtering)法)法)法)法PVDPVD的特点:的特点:的特点:的特点:靶材料靶材料靶材料靶材料薄膜材料薄膜材料薄膜材料薄膜材料2 2 2 2、在、在、在、在ICICICIC制造中,制造中,制造中,制造中,PVDPVD技技技技术术术术主要用于主要用于主要用于主要用于金属薄膜的制金属薄膜的制金属薄膜的制金属薄膜的制备备备备。4.蒸蒸蒸蒸发发发发的速率取决于:的速率取决于:的速率取决于:的速率取决于:(1)(1)离开离开离开离开蒸气源的材料有多少;蒸气源的材料有多少;蒸气源的材料有多少;蒸气源的材料有多少
4、;(2)(2)到达到达到达到达硅片硅片硅片硅片衬衬衬衬底的材料有多少底的材料有多少底的材料有多少底的材料有多少真空度一般要求高于真空度一般要求高于真空度一般要求高于真空度一般要求高于1010-5-5TorrTorr。(二)蒸(二)蒸发发工工艺艺介介绍绍1 1 1 1、蒸蒸蒸蒸发发发发工工工工艺艺艺艺是最早出是最早出是最早出是最早出现现现现的金属淀的金属淀的金属淀的金属淀积积积积工工工工艺艺艺艺。5.2 2 2 2、蒸、蒸、蒸、蒸发发发发工工工工艺艺艺艺的淀的淀的淀的淀积积积积速率速率速率速率单单单单位位位位时间时间时间时间内通内通内通内通过单过单过单过单位面位面位面位面积积积积表面的气体分(原
5、)子数表面的气体分(原)子数表面的气体分(原)子数表面的气体分(原)子数其中,其中,其中,其中,P P是是是是压压压压强强强强,MM是气体分(原)子是气体分(原)子是气体分(原)子是气体分(原)子质质质质量量量量单单单单位位位位时间时间时间时间内坩内坩内坩内坩锅锅锅锅内蒸气源材料内蒸气源材料内蒸气源材料内蒸气源材料质质质质量的消耗速率量的消耗速率量的消耗速率量的消耗速率其中,其中,其中,其中,PePe是蒸气源的平衡蒸气是蒸气源的平衡蒸气是蒸气源的平衡蒸气是蒸气源的平衡蒸气压压压压,T T是材料温度是材料温度是材料温度是材料温度假假假假设设设设材料材料材料材料温度近似温度近似温度近似温度近似为为
6、为为恒定恒定恒定恒定,同,同,同,同时时时时面面面面积积积积A A恒定恒定恒定恒定,则则则则有:有:有:有:为为为为一个固定量一个固定量一个固定量一个固定量1)1)1)1)通量密度:通量密度:通量密度:通量密度:质质质质量蒸量蒸量蒸量蒸发发发发率:率:率:率:6.图图图图12.2 12.2 常用材料的蒸气常用材料的蒸气常用材料的蒸气常用材料的蒸气压压压压曲曲曲曲线线线线温度越高温度越高温度越高温度越高,蒸气蒸气蒸气蒸气压压压压越高。越高。越高。越高。7.a.a.a.a.离开蒸气源的气体分子流离开蒸气源的气体分子流离开蒸气源的气体分子流离开蒸气源的气体分子流 F F 当蒸气源近似当蒸气源近似当蒸
7、气源近似当蒸气源近似为为为为点源点源点源点源时时时时,气体分子流是气体分子流是气体分子流是气体分子流是各向同性各向同性各向同性各向同性的。的。的。的。当蒸气源近似当蒸气源近似当蒸气源近似当蒸气源近似为为为为平面源平面源平面源平面源时时时时,气体分子流与气体分子流与气体分子流与气体分子流与夹夹夹夹角角角角有关。有关。有关。有关。此此此此时时时时,蒸气源正上方的硅片会得到更,蒸气源正上方的硅片会得到更,蒸气源正上方的硅片会得到更,蒸气源正上方的硅片会得到更多的淀多的淀多的淀多的淀积积积积薄膜。薄膜。薄膜。薄膜。2)2)2)2)离开坩离开坩离开坩离开坩埚埚埚埚材料材料材料材料与与与与堆堆堆堆积积积积
8、在在在在圆圆圆圆片表面材料片表面材料片表面材料片表面材料的的的的比比比比值值值值假假假假设设设设:腔室真空度足腔室真空度足腔室真空度足腔室真空度足够够够够高高高高,气体分子的相互碰撞可以被忽略,气体分子的相互碰撞可以被忽略,气体分子的相互碰撞可以被忽略,气体分子的相互碰撞可以被忽略,离开蒸气源的离开蒸气源的离开蒸气源的离开蒸气源的气体分子以气体分子以气体分子以气体分子以直直直直线线线线形式形式形式形式运运运运动动动动到硅片表面到硅片表面到硅片表面到硅片表面。8.图图图图12.3 12.3 圆圆圆圆片淀片淀片淀片淀积积积积位置位置位置位置b.b.b.b.到达到达到达到达圆圆圆圆片表面的材料片表面
9、的材料片表面的材料片表面的材料比例常数比例常数比例常数比例常数为获为获为获为获得好的得好的得好的得好的均匀性均匀性均匀性均匀性,一般采,一般采,一般采,一般采用用用用球形放置球形放置球形放置球形放置方式,此方式,此方式,此方式,此时时时时有:有:有:有:k k为为为为一个常数一个常数一个常数一个常数,保,保,保,保证证证证了达到硅了达到硅了达到硅了达到硅片表面各点的气体分子数相等,片表面各点的气体分子数相等,片表面各点的气体分子数相等,片表面各点的气体分子数相等,即淀即淀即淀即淀积积积积速率的速率的速率的速率的均匀性均匀性均匀性均匀性。考考考考虑虑虑虑到到达到到达到到达到到达圆圆圆圆片表面的部
10、分正比于片表面的部分正比于片表面的部分正比于片表面的部分正比于圆圆圆圆片所片所片所片所对对对对的立体角的立体角的立体角的立体角9.3)3)3)3)淀淀淀淀积积积积速率的公式:速率的公式:速率的公式:速率的公式:其中,其中,其中,其中,是淀是淀是淀是淀积积积积材料的材料的材料的材料的质质质质量密度。量密度。量密度。量密度。R Rd d的的的的单单单单位是:位是:位是:位是:m/sm/s影响淀影响淀影响淀影响淀积积积积速率的主要参数:速率的主要参数:速率的主要参数:速率的主要参数:a.a.a.a.被蒸被蒸被蒸被蒸发发发发材料本身材料本身材料本身材料本身的性的性的性的性质质质质b.b.b.b.淀淀淀
11、淀积积积积温度:温度:温度:温度:温度越高,温度越高,温度越高,温度越高,PePe越高越高越高越高c.c.c.c.腔室和坩腔室和坩腔室和坩腔室和坩锅锅锅锅的的的的几何形状几何形状几何形状几何形状讨 论10.3 3 3 3、常用蒸常用蒸常用蒸常用蒸发发发发系系系系统统统统(加(加(加(加热热热热器)器)器)器)电电电电阻加阻加阻加阻加热热热热蒸蒸蒸蒸发发发发、(、(、(、(电电电电感)感感)感感)感感)感应应应应加加加加热热热热蒸蒸蒸蒸发发发发、电电电电子束蒸子束蒸子束蒸子束蒸发发发发加加加加热热热热温度有限温度有限温度有限温度有限加加加加热热热热元件沾元件沾元件沾元件沾污污污污提高蒸提高蒸提高
12、蒸提高蒸发发发发温度温度温度温度坩坩坩坩锅锅锅锅材料沾材料沾材料沾材料沾污污污污只加只加只加只加热热热热淀淀淀淀积积积积材料材料材料材料存在存在存在存在辐辐辐辐射射射射损伤损伤损伤损伤11.1)1)1)1)薄膜的薄膜的薄膜的薄膜的淀淀淀淀积积积积速率:速率:速率:速率:4 4 4 4、蒸、蒸、蒸、蒸发发发发工工工工艺艺艺艺的限制因素的限制因素的限制因素的限制因素图图图图12.412.4 在高的淀在高的淀在高的淀在高的淀积积积积速速速速率下材料平衡蒸汽率下材料平衡蒸汽率下材料平衡蒸汽率下材料平衡蒸汽压压压压使坩使坩使坩使坩埚埚埚埚正上方区域形正上方区域形正上方区域形正上方区域形成粘滞流,在坩成粘
13、滞流,在坩成粘滞流,在坩成粘滞流,在坩埚顶埚顶埚顶埚顶部上方部上方部上方部上方10cm10cm处处处处形成形成形成形成虚虚虚虚拟拟拟拟源源源源2)2)2)2)淀淀淀淀积积积积薄膜材料薄膜材料薄膜材料薄膜材料的的的的纯纯纯纯度度度度高速率与均匀性的矛盾高速率与均匀性的矛盾高速率与均匀性的矛盾高速率与均匀性的矛盾12.解决:解决:解决:解决:加加加加热热热热硅片并硅片并硅片并硅片并进进进进行行行行旋旋旋旋转转转转。当表面吸附原子移当表面吸附原子移当表面吸附原子移当表面吸附原子移动动动动率低率低率低率低时时时时,阴影,阴影,阴影,阴影效效效效应应应应会造成会造成会造成会造成严严严严重的台重的台重的台
14、重的台阶阶阶阶覆盖覆盖覆盖覆盖问题问题问题问题。3)3)3)3)淀淀淀淀积积积积薄膜的薄膜的薄膜的薄膜的台台台台阶阶阶阶覆盖性覆盖性覆盖性覆盖性注意注意注意注意:增加:增加:增加:增加衬衬衬衬底温度要影响薄膜形貌,因此常用底温度要影响薄膜形貌,因此常用底温度要影响薄膜形貌,因此常用底温度要影响薄膜形貌,因此常用蒸蒸蒸蒸发发发发后加后加后加后加 离子束离子束离子束离子束,使沉,使沉,使沉,使沉积层积层积层积层重新分布重新分布重新分布重新分布13.图图图图12.10 12.10 蒸蒸蒸蒸发发发发多成分薄膜的方法示意多成分薄膜的方法示意多成分薄膜的方法示意多成分薄膜的方法示意图图图图4)4)4)4)
15、合金材料合金材料合金材料合金材料与与与与多多多多组组组组分复合材料薄膜分复合材料薄膜分复合材料薄膜分复合材料薄膜的淀的淀的淀的淀积积积积b.b.b.b.当合金材料的当合金材料的当合金材料的当合金材料的蒸气蒸气蒸气蒸气压压压压不同不同不同不同时时时时,采用,采用,采用,采用多源同多源同多源同多源同时时时时蒸蒸蒸蒸发发发发;c.c.c.c.当当当当进进进进行行行行多成分薄膜淀多成分薄膜淀多成分薄膜淀多成分薄膜淀积积积积时时时时,采用,采用,采用,采用多源按次序蒸多源按次序蒸多源按次序蒸多源按次序蒸发发发发。a.a.a.a.当合金材料的当合金材料的当合金材料的当合金材料的蒸气蒸气蒸气蒸气压压压压相近
16、相近相近相近时时时时,一般采用,一般采用,一般采用,一般采用单单单单源蒸源蒸源蒸源蒸发发发发;14.(三)(三)溅溅射工射工艺艺介介绍绍1 1 1 1、溅溅溅溅射射射射概述概述概述概述2)2)2)2)溅溅溅溅射射射射工工工工艺艺艺艺(相相相相对对对对于蒸于蒸于蒸于蒸发发发发工工工工艺艺艺艺)的的的的优势优势优势优势:a.a.台台台台阶阶阶阶覆盖性覆盖性覆盖性覆盖性得到得到得到得到改善改善改善改善b.b.辐辐辐辐射缺陷射缺陷射缺陷射缺陷远远远远小小小小于于于于电电电电子束蒸子束蒸子束蒸子束蒸发发发发c.c.容易制容易制容易制容易制备备备备难难难难熔金属熔金属熔金属熔金属、合金材料合金材料合金材料
17、合金材料和和和和复合材料复合材料复合材料复合材料薄膜薄膜薄膜薄膜。3)3)3)3)当靶材料是当靶材料是当靶材料是当靶材料是化合物化合物化合物化合物或或或或合金合金合金合金时时时时,淀,淀,淀,淀积积积积材料的化学配比与材料的化学配比与材料的化学配比与材料的化学配比与 靶材料的略微不同。靶材料的略微不同。靶材料的略微不同。靶材料的略微不同。当不同成分的当不同成分的当不同成分的当不同成分的溅溅溅溅射速率不同射速率不同射速率不同射速率不同时时时时,靶表面,靶表面,靶表面,靶表面积积积积累更多累更多累更多累更多溅溅溅溅射速率射速率射速率射速率较较较较低的材料,使得淀低的材料,使得淀低的材料,使得淀低的
18、材料,使得淀积积积积薄膜的成分重新接近靶体材料薄膜的成分重新接近靶体材料薄膜的成分重新接近靶体材料薄膜的成分重新接近靶体材料ICIC制造中制造中制造中制造中金属金属金属金属材料的材料的材料的材料的淀淀淀淀积积积积1)1)1)1)溅溅溅溅射射射射工工工工艺艺艺艺的的的的用途用途用途用途:15.2 2 2 2、溅溅溅溅射原理射原理射原理射原理简单简单简单简单的直流的直流的直流的直流溅溅溅溅射系射系射系射系统统统统示意示意示意示意图图图图 真空中充入的真空中充入的真空中充入的真空中充入的氩氩氩氩气气气气 在在在在电场电场电场电场下下下下产产产产生气体放生气体放生气体放生气体放电电电电(等离子体)(等
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