第四章 薄膜生长技术4.1.1 蒸发概念与机理4.1.2 常用蒸发技术4.1.3 溅射概念与机理4.1.4 常用溅射技术4.1 物理淀积：蒸发和溅射主要内容主要内容薄膜制造薄膜制造物理淀积物理淀积化学淀积化学淀积CVD蒸发蒸发Evaporation溅射溅射SputteringAPCVDLPCVDHDCVDVPEElse4.1.1 蒸发概念与机理 1. 基本原理热蒸发法：热蒸发法：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，形成蒸气流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜优点：优点：较高的沉积速率， 相对高的真空度，较高的 薄膜质量等缺点：缺点：台阶覆盖能力差； 沉积多元合金薄膜时，组 分难以控制平衡蒸汽压在一定环境温度T下，真空室内从 固体物质表面蒸发出来的气体分子 与该气体分子从空间回到该物质表 面的过程达到平衡时的压力称为平 衡蒸汽压右图为不同元素的平衡蒸汽压与温 度的函数关系，平衡蒸汽压与蒸发 淀积速率密切相关液相条件下，蒸汽压为了得到合适的淀积速率，样品 蒸汽压至少应为10mTorrNkTH veeTP/2/12/3121032.淀积速率 当将坩埚和晶圆片放在同一个球表面上时，推导可得淀积速率2242rA TP kMRe d蒸发材料温度腔体形状一个典型的蒸发 淀积设备虚拟源 为得到高淀积速率，蒸发台通常 用很高的坩埚温度工作，因而，在 紧靠坩埚上方区域，蒸发气压达到 足够高，以致使这个区域处于粘滞粘滞 流动状态流动状态，在此区域内工作会导致 蒸发材料凝聚成小液滴，如果这些 液滴到达并附着于晶圆片表面，将 使薄膜表面形貌变差。
在此范围内工作时，因为坩埚上 方某一距离处形成了虚拟源虚拟源，也会 影响到淀积的均匀性为了获得好的均匀性，蒸发器必 须在低淀积速率下进行，同时为了 避免薄膜玷污需要很高的真空淀积速率的测量淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量所用器件为一个谐振板，它 可以在谐振频率下振荡，工作时测量其振荡频率 原理：原理：因为晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测 得的频率移动可得出淀积速率淀积足够厚的材料后，谐振频率会移动几个百分点，振荡器便会失效，不 再出现尖锐谐振将频率测量系统的输出与机械挡板的控制相连，淀积层厚度可以在很宽的 淀积速率范围内得到很好的控制同时可以将淀积厚度的时间速率变化反馈给坩埚的温度控制，以得到恒定 的淀积速率3.台阶覆盖蒸发的一个重要限制是台阶覆盖特性不好右图所示的为接触孔断面的蒸发淀积过程 这种高度差的形貌会投射出一定的阴影区域， 在接触孔的一边，薄膜通常是不连续的当淀 积连续进行时，在绝缘层顶部生长的薄膜使得 阴影区边缘向上移动台阶覆盖问题对于金属化层来说尤其严重， 若不采用平面化技术，所累积的形貌高差会十 分严重台阶覆盖特性改善办法一、蒸发过程中旋转晶圆片一、蒸发过程中旋转晶圆片蒸发台内用于承载晶圆片的半球形夹具，被设计成能使晶圆片环绕蒸发 器顶部转动。
虽然此时侧壁上的淀积速率仍低于平坦表面，但已经可以实现 轴向均匀接触孔的形状比定义为标准的蒸发工艺不能在纵横比大于1.0的图形上形成连续薄膜，纵横比 在0.5与1.0之间时也很勉强二、加热晶圆片二、加热晶圆片加热晶圆片使得到达晶圆片的原子在它们化学成键之前能够沿表面扩散， 这种随机运动导致原子进入淀积速率较低的区域，类似于以前讲过的体扩散， 表面扩散系数可以表示为扩散的特征长度台阶直径台阶高度ARkTESa eDD0sSDL 4.1.2 常用蒸发技术 1 1）电阻加热）电阻加热将高熔点材料（W, Mo, Ta, Nb）制成的加热丝或者舟通上直流电，利 用欧姆热加热并蒸发材料局限性：局限性：灯丝的蒸发和出气会造成污染蒸发难熔金属，常常没有合适的电阻加热元件2 2）电感加热）电感加热通过高频电磁场感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，直至蒸发材料气 化蒸发蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成蒸发速率大，可采用较大坩埚，增 加蒸发表面；蒸发源的温度均匀、稳定，不易产 生飞溅现象；温度控制精度高，操作比较简单；大功率高频电源，价格昂贵，且需 要进行屏蔽，防止外界的电磁干扰电感加热可以用来蒸发难熔材料，但是坩埚本身材料的玷污仍是一个严重 的问题。
3 3）电子束蒸发）电子束蒸发用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料上图右图中，材料置于冷却的坩埚内，因为只有小块区域被电子束轰击， 坩埚内部形成一个虚的“坩埚”，所以不会与坩埚材料交叉污染4 4）脉冲激光源蒸发）脉冲激光源蒸发用高能聚焦激光束轰击靶材， 可蒸发高熔点材料蒸发只发生在光斑周围的局 部区域蒸发材料受热气化，直接从 固体转化为等离子体能轰击出来大尺寸的颗粒光束渗透深度小 ~ 100 A, 蒸发只发生在靶材表面5.多组分薄膜蒸发多组分薄膜依据不同情况可分为以下三种办法进行（单源蒸发、多源同 时蒸发、多源按次序蒸发）4.1.2 溅射概念与机理 1. 基本原理第一次发现溅射现象是在1852年， 到20世纪20年代发展成为一种薄膜淀 积技术基本原理如右图所示，真空腔中 有一个平行板等离子体反应器，非常 类似于简单的反应离子刻蚀系统将靶材放置在具有最大离子电流 的电极上，高能离子将所要淀积的材 料从靶材中轰击出来靶与晶圆片相 距十分近（小于10cm），出射原子大 部分能被晶圆所收集与蒸发法相比，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递因与蒸发法相比，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递。
因 此，溅射出的原子从溅射过程中获得很大的动能此，溅射出的原子从溅射过程中获得很大的动能 由于能量的增加，可以提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力、改善了台由于能量的增加，可以提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力、改善了台 阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力等离子体产生原理电极间施加高电压，电极间隙内为低压气体，可激发产生等离子体，所需击 穿电压由Paschen定律给出P为腔内压力，L为电极间距，b为一个常数一旦等离子体形成，等离子体内离子将被加速向带负电的阴极运动，轰击 表面产生二次电子二次电子，这些电子被加速，从阴极向阳极运动，与中性粒子碰撞若碰撞传递能量小于气体原子的离化能，原子将被激发至高能态，之后通 过发射光子跃迁回基态，产生辉光现象辉光现象若传递能量足够高，原子将被离化离化，产生的离子加速移动向阴极，离子束 对阴极的轰击产生溅射工艺bLPLPVbdlog实际上，具有能量的离子打到材料表面，会发生四种情况四种情况溅射仅是离子对 物体表面轰击时可能发生的物理过程之一其中每种物理过程的相对重要性 取决于入射离子的能量取决于入射离子的能量2. 淀积速率：溅射产额 溅射产额溅射产额影响因素影响因素离子质量 离子能量 靶原子质量 靶的结晶性右图为氩等离子体中，不同种类的靶材料，溅射 产额与离子能量的函数关系。
入射离子数平均出射原子数S只有当入射离子的能量超过一定能量(溅射阈值)时，才能发生溅射，每种 物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热有一定的比例关系 随着入射离子能量的增加，溅射率先是增加，其后是一个平缓区，当离子 能量继续增加时，溅射率反而下降，此时发生了离子注入现象溅射产额与入射离子种类的关系溅射产额S依赖于入射离子的原子量，原子量越大，则溅射率越高 溅射产额也与入射离子的原子序数有密切的关系，呈现出随离子的原子 序数周期性变化关系，凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最 大 因此，惰性气体的溅射率最高，氩通常被选为工作气体，氩被选为工作 气体的另一个原因是可以避免与靶材料起化学反应溅射产额与入射角度的关系溅射产额对角度的依赖性于靶材料及入射离子的能量密切相关金、铂、铜等高溅射产额材料一般与 角度几乎无关Ta和Mo等低溅射产额材料，在低离子 能量情况下有明显的角度关系，溅射产 额在入射角度为40°左右时最大低能量时，以不完整余弦的形式分布， 最小值存在于接近垂直入射处；高能量 溅射产额近似为cos1ln EE MMStargasθ为靶的法线与入射离子速度矢量的夹角。
3. 形貌与台阶覆盖 淀积薄膜的形貌由区域模型区域模型描述，该模型由Movchan和Demchishin首先提出， 后来由Thornton进行修改如图所示：T32 11区：区：最低温度和离子能量条 件下，薄膜无定形，高度多 孔固体，质量密度很低T区：区：腔内压力降低或衬底温 度升高，高反射，晶粒小， 对于许多微电子应用此为最 佳的工作区2区：区：有从表面垂直生长的高 而窄的粒状晶粒，晶粒终结 于许多小平面升3区：区：薄膜具有大的三维晶粒薄膜表面相当 粗糙，呈现乳 白色或雾状台阶覆盖改善台阶覆盖的办法改善台阶覆盖的办法加热衬底加热衬底晶圆片上加偏压晶圆片上加偏压强迫填充技术强迫填充技术准直溅射只有速度方向接近于垂直晶圆只有速度方向接近于垂直晶圆 片表面的粒子才能够通过这些孔片表面的粒子才能够通过这些孔 缺点：降低了淀积速率缺点：降低了淀积速率离化溅射（IPVD or IMP）可以得到如同准直溅射的垂直表面的窄到达角分布可以得到如同准直溅射的垂直表面的窄到达角分布 大部分溅射材料会达到硅片，淀积速率优于准直溅射大部分溅射材料会达到硅片，淀积速率优于准直溅射 4.1.4. 常用溅射技术 1. 直流溅射惰性气体，如氩，送入低压下的溅射腔体，电压加在电极上产生等离子 体。
加负直流电压的的是顶电极为需要淀积的源材料，例如铝或铝压板，作 为靶材硅片放置于底电极上，高能离子撞击靶材，溅射出靶原子，这些原 子以蒸汽形式自由走过等离子体撞击到硅片表面， 凝聚并形成薄膜在较低的气压条件下，溅射率较低随着气体压力的升高，电子的平均 自由程减少，原子的电离几率增加， 溅射电流增加，溅射速率提高但当气体压力过高时，溅射出来的 靶材原子在飞向衬底的过程中将会受 到过多的散射，因而其淀积到衬底上 的速率反而下降因此随着气压的变化，溅射淀积的 速率会出现一个极值此外，淀积速率与溅射功率(或溅 射电流的平方)成正比、与靶材和衬 底之间的间距成反比直流溅射速率变化趋势2. 射频溅射直流溅射方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性 射频溅射是一种能适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法 在两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式耦 合进入淀积室，不必要求电极一定是导电体 射频方法可以在靶材上产生自偏压效应即在射频电场起作用的同时，靶 材会自动地处于一个负电位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射 在实际应用中，射频溅射的交流辉光放电是在l3.56MHz下进行的。
3. 反应溅射 采用以纯金属作为溅射靶材，但在工作气体中通入适量的活性气体，使其在 溅射淀积的同时生成特定的化合物，这种在淀积的同时形成化合物的溅射技 术被称为反应溅射方法缺点：缺点：随着活性气体压力和溅射功率的增加，靶材表面也可能形成一层化合 物，这可能会降低材料的溅射和淀积速率4. 偏压溅射：溅射刻蚀和偏压溅射淀积溅射刻蚀：溅射刻蚀：在淀积前的一个短时间内，将衬底和靶的电学连接相颠倒，可以 使得衬底发生溅射而不是靶材，这样可以从晶圆片表面去除自然氧化物和残 留的玷污对于简单的磁控系统，如果衬底和淀积材料是导体，可以调节加于衬底上的 相对于等离子体的偏压因为溅射刻蚀的薄膜，在低偏压下可以重新淀积于 晶圆片上，因而得到台阶覆盖的净改善4.2.1 简单的CVD系统4.2.2 CVD中的气体动力学4.2.3 淀积速率影响因素4.2.4 CVD系统分类4.2.5 常见薄膜的CVD4.2 化学气相淀积（CVD）主要内容主要内容4.2.1 简单的CVD系统定义：定义：将含有构成薄膜元素的气体（一种或多种）引入反应室，。