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1、光电子技术实验室1半导体制造技术第三章物理淀积半导体制造技术第三章物理淀积光电子技术实验室23.1 物理真空镀膜 真空镀膜 真空溅射和蒸发光电子技术实验室33.2 真空溅射镀膜 真空溅射镀膜：就是使在电场中加速的正离子轰击靶的表面，靶表面的原子、分子在与这些高能离子交换动量后从靶表面飞溅出来。如果在靶的附近放置适当的基片，则从靶表面溅出的原子、分子便会淀积在基片表面形成薄膜。光电子技术实验室43.2.1 辉光放电基本理论光电子技术实验室5 阴极区 在真空度为1-10Pa的真空室中，当两个电极之间加上直流高压时，便产生辉光放电。由于冷阴极发射的电子只有1eV左右的能量，它不会与气体发生反应，因此
2、在阴极附近形成阿斯顿暗区。随着电子在电场中的加速，使气体分子激发，产生辉光，这就是阴极辉光。电子再加速，就会使气体分子电离，从而产生大量的离子和低速电子，由于这个区域几乎不发光，又称克鲁克斯暗区。光电子技术实验室6光电子技术实验室7法拉第暗区光电子技术实验室8正柱区光电子技术实验室9阳极区光电子技术实验室10b表示从阴极到负辉光区的放电状态。有两点很重要，第一是克鲁克斯暗区附近形成的正离子轰击阴极产生溅射；第二是当两极间的电压不变而改变两极间的距离时，阳极光柱发生变化，而阴极到负辉光的距离几乎不变，这是由于两极间的电压几乎全部落在阴极到负辉光区之间的缘故。这表明阳极与阴极之间的距离必须大于阴极
3、到负辉光区的距离光电子技术实验室11分类：9直流溅射9射频溅射9磁控溅射9反应溅射3.2.2 分类光电子技术实验室12然后充入惰性气体至10-110-2托。阴极和阳极间的电压视被溅射的材料而定，一般不超过5千伏。在电场的加速下，气体电离产生辉光放电。辉光放电产生的正离子又在电场的加速下 撞击阴极，把阴极物质溅射出来，在基片上形成薄膜。直流溅射直流溅射也称为阴极溅射。真空是抽到托的高真空。缺点： 1） 直流溅射的速率很低；2）基片必须挨近阴极，成膜均匀性较差；3）直流溅射不能淀积介质材料。光电子技术实验室13射频溅射 在介质材料的靶背面装上金属电极，并在电极上施加高频电压，则在高频电压的正半周，
4、电子轰击靶面，中和负半周积累起来的正离子，使下一个半周的正离子能够继续轰击靶材料，溅射得以继续进行。这就是所谓的高频溅射或射频溅射。溅射高频电源的频率一般都在13.56MHz下，这是美国联邦委员会（）的标准。缺点：淀积速率低，基片过热，膜厚不均光电子技术实验室14 磁控溅射 如下图是磁控溅射的原理图。永久磁铁在靶表面形成高斯的磁场，它同靶基片之间的高压电场构成正交电磁场。优点： 相对一般溅射，磁控溅射速率可有较大提高，大约一个量级，对气压的要求也比较低(10-1左右），有助于提高薄膜的纯度和质量光电子技术实验室15反应溅射反应溅射是利用调整溅射室内的气体成分、压力等因素来抑制或减缓某些化合物在
5、溅射过程中发生分解的方法。例如许多氧化物在溅射过程中会发生失氧现象，即在薄膜中氧含量较应有成分值偏低的现象，在工作中适当掺如一定压强的氧气就可以改善这种现象。光电子技术实验室163.2.3 溅射镀膜优点和缺点溅射优点 溅射适用于加热分解因此不能用蒸发来制备薄膜的那些物质。 溅射适用于具有高熔点物质，即使是各种化合物，也能在它们的成份没有化学计量比减损的情况下溅射。 不存在由蒸发源被蒸发材料的盛料器或支持器引起的薄膜污染的危险 溅射粒子比蒸发粒子在基片表面的能量要大的多，因而溅射薄膜的附着力要强得多 可通过放电间距的适当配置，特别是利用适当构型的磁场，可在相当大的面积上溅射淀积薄膜 溅射缺点 利
6、用溅射制作薄膜时，不太容易得到厚度 均匀一致的薄膜，特别是射频溅射更 是如此。 在溅射系统中不易引入光学监控装置，因 而严格监控淀积薄膜的厚度，就像光 学多层膜中要求的那样，上有一定困难。 即使是磁控溅射，真空室的气压尚嫌太高 ，因而工作气体与淀积物质比例较高，形成的薄膜中会包含若干剩余气体与淀积 物质，形成的薄膜中会包含若干剩余 气体与薄膜衬底材料的反应物。 溅射速率低，最近也几是接近蒸发速率光电子技术实验室17溅射系统光电子技术实验室18光电子技术实验室19光电子技术实验室20光电子技术实验室21 真空蒸发：简单地说来就是在真空条件下加热制作薄膜的材料，是薄膜材料的原子、分子或若干原子、分
7、子的集合体逸出材料表面，即蒸发。这时如果在一定距离处放置被镀零件，它们就能在零件表面凝聚成均匀薄膜。3.3 真空蒸发镀膜光电子技术实验室221234光电子技术实验室233.3.1真空蒸发系统返回光电子技术实验室24返回光电子技术实验室253.3.1真空蒸发系统1-机械泵；2- 机械泵放气阀；3- 预阀；4- 低阀5-热偶真空规；6- 高真空阀；7- 扩散泵8-电离真空规；9- 真空室放气阀；10- 真空室11-蒸发源；12- 基片夹具返回光电子技术实验室263.3.2 真空泵 机械泵 基本原理： PV = RT机械泵工作时的四个典型位置1-泵体 2-转子 3-旋片4-弹簧 5-泵室 6-活门极
8、限真空：10-1Pa光电子技术实验室27 油扩散泵：“气体压缩机”1-第一级喷嘴， 2-第二级喷嘴，3- 第三级喷嘴4-泵体， 5-冷却水管， 6-扩散泵油， 7-加热器极限真空：10-3Pa光电子技术实验室28冷凝泵返回80K光电子技术实验室29涡轮分子泵光电子技术实验室30离子泵光电子技术实验室31真空蒸发的原因空气分子进入薄膜而形成杂质；蒸发原子或分子与空气分子不断碰撞，直线前进受到阻碍，难以在基片上形成致密的薄膜；空气中的活性分子与薄膜材料形成化合物；蒸发用的加热器，如绕成螺旋形的钨丝、高熔点金属制作的坩埚或蒸发舟等在高温下氧化，从而不能进行正常的蒸发。 设初始被蒸发的物质分子总数为N
9、0，在到达基片的途中与残余气体分子发生碰撞的分子数为N1，则其比值N1/N0与蒸发分子的路径长度d有下列关系：LdeNN/011/=式中：L为平均自由程，d为蒸发源到基片的距离。当L=d时，63%的蒸发分子受到残余气体分子的碰撞；当L=10d时，9%的蒸发分子受到残余气体分子的碰撞。 要得到牢固、纯洁的薄膜，必须有效地抑制残余气体。光电子技术实验室323.3.3蒸发源及结构 真空蒸镀加热源有三种：电阻加热蒸发源、激光加热蒸发源和电子束加热蒸发源 电阻加热应用用于点源蒸发的场合用于混润材料，如蒸发Al，为了增加蒸发表面积，一般采用多股丝蒸发粒状或丝状材料，如升华和铬和难湿润的银铜；熔融金属易造成
10、电短路可用于球形夹具镀单层MgF2，在高温下不变形装料多，对粉料、块料、湿润的和不湿润的材料均适用，广泛用于多层膜光电子技术实验室33 E形枪能有效地抑制二次电子； 通过改变磁场大小，可在X方向任意选择靶面位置，如果附加Y方向交变磁场，则可使电子束在整个材料表面扫描，避免材料“挖坑”现象； 由于电极间距较大可有效地防止极间放电，因此功率可以做得很大； 阴极受到屏蔽，不受污染，工作寿命长。v=5.93105V1/2 作为阴极的灯丝（一般为钨丝）通以电流后达到很高的温度，它内部的一部分电子获得足够的能量而逸出金属表面，这就是所谓热电子反射光电子技术实验室34电子枪光电子技术实验室353.3.4几种
11、蒸发技术的比较 电阻加热法中，膜料与蒸发源材料直接接触，有可能将蒸发源材料作为杂质夹带入薄膜中；而且某些材料间还会发生反应，所以不能蒸发在常规工艺中分解的材料；另外，蒸镀温度受到蒸发源（加热器）材料熔点的限制，不能蒸发那些具有非常高的熔点的材料；由于经常在高温下工作，蒸发源很快就会变脆，寿命不长。光电子技术实验室36几种蒸发技术的比较 激光加热蒸发的速率高，蒸发过程也易于控制。可比较有效的实现化合物的蒸发沉积，对高熔点物质的蒸发也十分有效。鉴于以上优点，激光加热蒸发被大量应用于成分复杂材料的蒸发沉积中，特别是半导体、超导材料中。光电子技术实验室37几种蒸发技术的比较 电子束蒸发源既适用于高熔点
12、的膜料，也可用于低熔点的膜料，但使用中一般都应用于需要高温的场合；另外，它能够防止由蒸发源材料（坩埚）引起的污染，因为它有水冷却；阴极发射的电子束不会到达基片；可以在一个真空室内布置多个坩埚，分别对不同膜料进行蒸发。其主要缺点是热效率低，因为大部分能量都被冷却水带走。电子束蒸发是目前最常用的一种蒸发技术。光电子技术实验室38蒸发镀膜的优点和不足 优点： 蒸镀速度快 蒸镀过程厚度控制容易，薄膜比较均匀 蒸发镀膜的不足： 传统的电阻加热法、电子束蒸发、激光束加热蒸发技术所制得的薄膜其内部微结构大多是柱状+空穴，带有许多微孔，薄膜较疏松，当其暴露于大气中时，这些微孔会吸取水分，薄膜的特性(光学的，化
13、学的，机械的，物理的)发生变化，吸收、散射加大，激光损伤阈值降低，可靠性变差。光电子技术实验室39 离子辅助沉积（IAD） 离子辅助淀积，就是在真空蒸镀薄膜的同时，用具有一定能量、方向和束流密度的大面积均匀离子束轰击基片，是薄膜特性得以改变。 离子轰击的影响： 激活表面 表面粗糙度增加 氧化作用 聚集密度增大光电子技术实验室403.4 成膜参数对薄膜特性的影响3.4.1基片对薄膜特性的影响 不同的膨胀系数将会导致热应力 化学亲合力主要影响膜层的附着力和牢固度 表面粗糙度和缺陷是散射的主要来源，在可见光区，对于要求较高的基片，表面均方根粗糙度要求小于1nm 基片的清洁对膜层特性的影响有：残余杂质
14、或清洁剂会使光学特性变坏，附着力下降。不适当的清洗方法可能导致相反的结果，干涸在镀膜表面上的残余清洁液，将会引起我同的凝聚条件和附着力，引起新的沾污，甚至产生潜在的刻痕和使基片表面溶解。 浸润与否对附着力的影响 基片温度对薄膜特性的影响:影响膜层结构、晶体生长、凝聚系数、膨胀系数和聚集密度，从而导致薄膜折射率、散射、几何厚度、应力、附着力、硬度和不溶性等的变化光电子技术实验室413.4.2蒸发速率对薄膜特性的影响 主要是对膜层结构、气体的结合、和凝聚时的反应的影响而造成光学特性、电学特性、机械特性的影响。 喷溅 Hillock 折射率、反射率 附着力 电导率光电子技术实验室423.4.3真空度
15、对薄膜特性的影响 主要是由于气相碰撞后的能量损失和化学反应 附着力 残余气体分子残留的影响 均匀性 -实际总是在进行反应所需的气压与不希望的气体压力之间作一折衷光电子技术实验室433.4.4蒸汽分子入射角 影响膜层生长特性和聚集密度的改变 从膜厚均匀性光电子技术实验室443.5 改善均匀性的措施 原因： 1）腔室结构设计 2）温度 3）入射角 4）蒸发源形状光电子技术实验室45 基片放置： 以蒸发源为球心自转公光电子技术实验室462coscosrmts=面源沉积厚度：ts(3-14)光电子技术实验室47 平面夹具：除中心外，厚度差异大。生产滤光片时只能放在中心位置点源- 面源光电子技术实验室48光电子技术实验室493-16实际上还常常使用旋转球面夹具，因为它适用于各种曲率半径的镜片。这只需要把镜片表、面视作球面夹具的一部分，然后对不同曲率半径的镜片选用对应的球面夹具即可。不仅如此，球面夹具还可得到更大的均匀面积。图3-39表示球面夹具的配置，其几何关系
