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1、第六章物理气相淀积第六章物理气相淀积物理气相淀积（物理气相淀积（PVDPhysical Vapor Deposition）：）：利用某种物理方法使物质由源按一定化学计量比转移到衬底表面并淀积形成薄膜的过程。通常用于利用某种物理方法使物质由源按一定化学计量比转移到衬底表面并淀积形成薄膜的过程。通常用于金属、金属氧化物或其它固金属、金属氧化物或其它固态化合物态化合物的淀积的淀积。态化合物态化合物的淀积的淀积。物理气相淀积一般以单质固态材料为源，采用各种物理方法将源变为气态，并在衬底表面淀积成膜。根据固体源气化方式不同，物理气相淀积一般以单质固态材料为源，采用各种物理方法将源变为气态，并在衬底表面淀
2、积成膜。根据固体源气化方式不同，可以把物理气相淀积技术分为可以把物理气相淀积技术分为真空蒸发真空蒸发和和溅射溅射两种最基本的方法。两种最基本的方法。淀积在淀积在物理方法物理方法淀积在淀积在衬底表面衬底表面固态源固态源气态气态薄 膜薄 膜物理方法物理方法2011-03-2312011-03-2316.1 真空蒸发真空蒸发一、真空蒸发过程及设备一、真空蒸发过程及设备真空蒸发真空蒸发：利用固体材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行利用固体材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行真空蒸发真空蒸发：利用固体材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行利用固体材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备的物理气相淀积技术。薄膜
3、制备的物理气相淀积技术。主要物理过程主要物理过程：在在高真空环境中加热固体蒸发源高真空环境中加热固体蒸发源，使其原子使其原子主要物理过程主要物理过程：在在高真空环境中加热固体蒸发源高真空环境中加热固体蒸发源，使其原子使其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。真空蒸发又称为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。真空蒸发又称为热蒸发。热蒸发。主要应用主要应用：制作有源元件制作有源元件、器件的接触及金属互连器件的接触及金属互连，高精度高精度主要应用主要应用：制作有源元件制作有源元件、器件的接触及金属互连器件的接触及金属互连，高精度高
4、精度低温度系数薄膜电阻器和薄膜电容器的绝缘介质及电极等。低温度系数薄膜电阻器和薄膜电容器的绝缘介质及电极等。显著的优点显著的优点：设备简单设备简单，操作简便操作简便，淀积薄膜纯度较高淀积薄膜纯度较高，厚厚显著的优点显著的优点：设备简单设备简单，操作简便操作简便，淀积薄膜纯度较高淀积薄膜纯度较高，厚厚度控制比较精确，成膜速度快以及生长机理简单等等。度控制比较精确，成膜速度快以及生长机理简单等等。明显的缺点：明显的缺点：淀积薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够淀积薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够2011-03-2322011-03-232理想，台阶覆盖能力较差等等。理想，台阶覆盖能力较差等等。
5、淀积膜的台阶覆盖（淀积膜的台阶覆盖（step coverage）保形台阶覆盖：保形台阶覆盖：无论衬底表面有什么样的非平坦图形，淀积薄膜无论衬底表面有什么样的非平坦图形，淀积薄膜都能保持均匀的厚度都能保持均匀的厚度，反之称为反之称为非保形台阶覆盖非保形台阶覆盖。都能保持均匀的厚度都能保持均匀的厚度，反之称为反之称为非保形台阶覆盖非保形台阶覆盖。L L 膜厚正比于膜厚正比于arctanWL=保形覆盖：保形覆盖：与淀积膜种类、反应系统类型、淀积条件、图形尺寸等有关。与淀积膜种类、反应系统类型、淀积条件、图形尺寸等有关。三种机制三种机制：入射入射、再发射再发射、表面迁移表面迁移。WW2011-03-2
6、33三种机制三种机制：入射入射、再发射再发射、表面迁移表面迁移。真空蒸发设备主要真空蒸发设备主要由三部分组成：由三部分组成：a. 真空系统：真空系统：为蒸发为蒸发过程提供真空环境过程提供真空环境；过程提供真空环境过程提供真空环境；b. 蒸发系统：蒸发系统：放置蒸发源以及对蒸发源加放置蒸发源以及对蒸发源加热和测温的装置；热和测温的装置；c. 基板及加热系统：基板及加热系统：放置衬底以及对衬底放置衬底以及对衬底放置衬底以及对衬底放置衬底以及对衬底加热和测温的装置。加热和测温的装置。真空蒸发法制备薄膜的过程包含以下几个连续的步骤：真空蒸发法制备薄膜的过程包含以下几个连续的步骤：a. 加热蒸发过程：加
7、热蒸发过程：对蒸发源进行加热，使其温度接近或达到对蒸发源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点蒸发材料的熔点，此时固态源表面原子容易逸出而转变为蒸气此时固态源表面原子容易逸出而转变为蒸气；蒸发材料的熔点蒸发材料的熔点，此时固态源表面原子容易逸出而转变为蒸气此时固态源表面原子容易逸出而转变为蒸气；b. 气化原子或分子在蒸发源与衬底之间的输运过程：气化原子或分子在蒸发源与衬底之间的输运过程：原子或原子或分子在真空环境中由蒸发源飞向衬底分子在真空环境中由蒸发源飞向衬底，飞行过程中可能与真空室飞行过程中可能与真空室分子在真空环境中由蒸发源飞向衬底分子在真空环境中由蒸发源飞向衬底，飞行过程中可能与真
8、空室飞行过程中可能与真空室内残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到衬底间的距离；内残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到衬底间的距离；c. 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底表面的原子发生凝结、成核、生长和成膜。由于衬底温度通常低于飞到衬底表面的原子发生凝结、成核、生长和成膜。由于衬底温度通常低于蒸发源温度蒸发源温度，同时被蒸发的原子或分子只具有极低能量同时被蒸发的原子或分子只具有极低能量，在衬底在衬底蒸发源温度蒸发源温度，同时被蒸发的原子或分子只具有极低能量同时被蒸发的原子或分子只具有极低能量，在衬底在衬底表面不发
9、生移动，因此到达后直接从气相转变为固相，快速凝结表面不发生移动，因此到达后直接从气相转变为固相，快速凝结在衬底表面在衬底表面。2011-03-2352011-03-235在衬底表面在衬底表面。蒸发速率淀积速率蒸发速率淀积速率蒸发速率蒸发速率是工艺上的一个重要参数，它直接关系到薄膜的淀积速率：是工艺上的一个重要参数，它直接关系到薄膜的淀积速率：，为被蒸发材料的为被蒸发材料的平衡蒸气压平衡蒸气压。2MEeMRPkT=/123/21/2HNkT，为被蒸发材料的为被蒸发材料的平衡蒸气压平衡蒸气压。影响蒸发速率的因素主要有影响蒸发速率的因素主要有蒸发源温度、蒸发面积、衬底表蒸发源温度、蒸发面积、衬底表面
10、清洁度面清洁度以及以及蒸发源加热方式蒸发源加热方式等等。由于物质的平衡蒸汽压随温度由于物质的平衡蒸汽压随温度/123/21/23 10HNkTePTe=面清洁度面清洁度以及以及蒸发源加热方式蒸发源加热方式等等。由于物质的平衡蒸汽压随温度由于物质的平衡蒸汽压随温度的上升快速增大，因此对物质蒸发速率影响最大的因素是蒸发源的温度。的上升快速增大，因此对物质蒸发速率影响最大的因素是蒸发源的温度。PM薄膜淀积速率：薄膜淀积速率：上式中，右边第一项仅由蒸发材料决定，第二项取决于温度，上式中，右边第一项仅由蒸发材料决定，第二项取决于温度，22edPMRAZkT =2011-03-2362011-03-236
11、第三项由蒸发腔的几何形状决定。第三项由蒸发腔的几何形状决定。常用单位换算表常用单位换算表帕斯卡千克力每平方厘米巴标准大气压托毫米汞柱帕斯卡千克力每平方厘米巴标准大气压托毫米汞柱Pa(N/m2)Kgf/cm2baratmTorrmmHgPa11.0210-5110-59.8710-67.510-37.510-3Kgf/cm29.810410.980.967735.56735.56bar11051.0210.987750.06750.06atm1013251.031.011760760Torr133.321.3610-31.3310-31.3210-311mmHg133.321.3610-31.3
12、310-31.3210-3112011-03-237晶片与坩埚的位置确定了视角因子晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z22edPMRAZkT =2coscosZR=如果晶片与坩埚均在同一圆周如果晶片与坩埚均在同一圆周 r 上，薄膜均匀性较好，此时：上，薄膜均匀性较好，此时：2coscos214RrZr=4 r为了改善台阶覆盖为了改善台阶覆盖，可采用的办法有可采用的办法有：蒸发工艺的缺陷之一：蒸发工艺的缺陷之一：台阶覆盖能力差台阶覆盖能力差晶片与坩埚的位置为了改善台阶覆盖为了改善台阶覆盖，可采用的办法有可采用的办法有：1. 蒸发过程中旋转晶片；蒸发过程中旋转晶片；2蒸发蒸发过程中加热晶片过程中加热晶
13、片，增加原子的迁移能力增加原子的迁移能力。2011-03-2382. 蒸发蒸发过程中加热晶片过程中加热晶片，增加原子的迁移能力增加原子的迁移能力。二、常用真空蒸发系统二、常用真空蒸发系统真空蒸发的主要物理过程之一是采用各种技术加热蒸发源，根据对蒸发源加热方式的不同，常用真空蒸发系统可分为真空蒸发的主要物理过程之一是采用各种技术加热蒸发源，根据对蒸发源加热方式的不同，常用真空蒸发系统可分为电阻式蒸发、电阻式蒸发、电子束蒸发、电感式蒸发以及激光蒸发电子束蒸发、电感式蒸发以及激光蒸发等几大类。等几大类。1. 电阻式蒸发电阻式蒸发定义：定义：根据普通电学的焦耳楞次定律，将低压大电流流经用难熔金属丝（如
14、钨）、薄片（如钼）制成的加热器的两端或加热石根据普通电学的焦耳楞次定律，将低压大电流流经用难熔金属丝（如钨）、薄片（如钼）制成的加热器的两端或加热石墨墨氮化硼坩埚氮化硼坩埚，使放在其上的蒸发源气化而蒸发到衬底表面使放在其上的蒸发源气化而蒸发到衬底表面。墨墨氮化硼坩埚氮化硼坩埚，使放在其上的蒸发源气化而蒸发到衬底表面使放在其上的蒸发源气化而蒸发到衬底表面。分类：分类：直接加热器和间接加热器。直接加热器和间接加热器。应用：应用：铝、金、铬等铝、金、铬等易熔化、易气化材料易熔化、易气化材料的蒸镀。的蒸镀。优点优点：设备简单设备简单，使用成本低使用成本低，蒸发速度快蒸发速度快，不产生电离辐射不产生电离
15、辐射，优点优点：设备简单设备简单，使用成本低使用成本低，蒸发速度快蒸发速度快，不产生电离辐射不产生电离辐射，台阶覆盖性能好。台阶覆盖性能好。缺点：缺点：存在来自加热器污染的可能性（尤其钨加热器是钠玷污存在来自加热器污染的可能性（尤其钨加热器是钠玷污2011-03-2392011-03-239源），加热器寿命短需经常更换。源），加热器寿命短需经常更换。电阻加热器电阻加热器淀积材料淀积材料加热螺旋丝源棒加热螺旋丝源棒淀积材料淀积材料载物舟载物舟淀积材料淀积材料淀积材料淀积材料坩埚坩埚(C)2011-03-23102011-03-2310坩埚坩埚(C)2. 电子束蒸发电子束蒸发定义：定义：用高电压加
16、速并聚用高电压加速并聚焦由热阴极发射出的电子焦由热阴极发射出的电子电子束电子束焦由热阴极发射出的电子焦由热阴极发射出的电子束，使之轰击蒸发源表面，当功率密度足够大时，可束，使之轰击蒸发源表面，当功率密度足够大时，可淀积材料淀积材料以使熔点在以使熔点在 3000 C左右的难熔金属或电介质源熔左右的难熔金属或电介质源熔化并蒸发到衬底表面形成化并蒸发到衬底表面形成坩埚坩埚化并蒸发到衬底表面形成化并蒸发到衬底表面形成薄膜。薄膜。应用应用：难熔金属和氧化物难熔金属和氧化物灯丝灯丝应用应用：难熔金属和氧化物难熔金属和氧化物材料（如材料（如W、Mo、SiO2、Al2O3等）的蒸镀。等）的蒸镀。电子束加热器电
17、子束加热器加速栅级偏转板偏转磁铁加速栅级偏转板偏转磁铁2011-03-23112011-03-2311电子束蒸发的特点电子束蒸发的特点优点：优点：a. 可通过附加磁场使电子束沿曲线行进而屏蔽热阴极，使来自可通过附加磁场使电子束沿曲线行进而屏蔽热阴极，使来自阴极的杂质不会到达衬底表面，加上阴极的杂质不会到达衬底表面，加上水冷坩埚水冷坩埚的使用，可制得高纯度薄膜；的使用，可制得高纯度薄膜；b 将电子束扫描熔融源表面可防止由于源内形成凹坑而造成不将电子束扫描熔融源表面可防止由于源内形成凹坑而造成不b. 将电子束扫描熔融源表面可防止由于源内形成凹坑而造成不将电子束扫描熔融源表面可防止由于源内形成凹坑而
18、造成不均匀淀积；均匀淀积；c. 允许使用大载量的源允许使用大载量的源，投片量大且易于获得较厚的薄膜投片量大且易于获得较厚的薄膜；允许使用大载量的源允许使用大载量的源，投片量大且易于获得较厚的薄膜投片量大且易于获得较厚的薄膜；d. 可以将衬底移至离源较远处，从而使用可以将衬底移至离源较远处，从而使用行星式装载系统；行星式装载系统；e. 可在真空室内放置多个源进行连续蒸发，不会因换源而破坏可在真空室内放置多个源进行连续蒸发，不会因换源而破坏真空度。利用多个源的共蒸发还可形成合金薄膜。真空度。利用多个源的共蒸发还可形成合金薄膜。缺点：缺点：衬底有衬底有辐射损伤辐射损伤；产生软产生软射线射线；结构复杂
19、价格昂贵结构复杂价格昂贵。2011-03-2312衬底有衬底有辐射损伤辐射损伤；产生软产生软 X 射线射线；结构复杂价格昂贵结构复杂价格昂贵。2011-03-2312蒸发多成分薄膜的方法：蒸发多成分薄膜的方法：分层分层挡板挡板挡板挡板合金膜合金膜合金膜合金膜分层分层淀积淀积挡板挡板挡板挡板合金溶液合金溶液材料材料1材料材料2材料材料1材料材料2单源蒸发多源共蒸发多源顺次蒸发单源蒸发多源共蒸发多源顺次蒸发2011-03-23133. 电感式蒸发电感式蒸发定义：定义：将盛有蒸发材料的石墨或陶瓷坩埚放置在水冷高频感应线圈内，使蒸发材料在将盛有蒸发材料的石墨或陶瓷坩埚放置在水冷高频感应线圈内，使蒸发材
20、料在高频电磁场高频电磁场的感应下升温，直至气化蒸发。的感应下升温，直至气化蒸发。优点：优点：a. 不存在电离辐射（相对于电子束蒸发）；不存在电离辐射（相对于电子束蒸发）；蒸发速率高蒸发速率高，可采用较大坩可采用较大坩感应线圈感应线圈氮化硼坩埚氮化硼坩埚b. 蒸发速率高蒸发速率高，可采用较大坩可采用较大坩埚，增加蒸发表面；埚，增加蒸发表面；c. 蒸发源温度均匀蒸发源温度均匀、稳定稳定，不不感应线圈感应线圈c. 蒸发源温度均匀蒸发源温度均匀、稳定稳定，不不易产生飞溅现象；易产生飞溅现象；d. 操作简便，温度控制精度高。操作简便，温度控制精度高。熔化的淀积材料熔化的淀积材料缺点：缺点：加热用大功率高
21、频电源价格昂贵，同时对高频电磁场需进加热用大功率高频电源价格昂贵，同时对高频电磁场需进行屏蔽行屏蔽，防止外界电磁干扰防止外界电磁干扰。高频感应加热器高频感应加热器2011-03-23142011-03-2314行屏蔽行屏蔽，防止外界电磁干扰防止外界电磁干扰。高频感应加热器高频感应加热器4. 激光蒸发激光蒸发定义：定义：利用利用高功率的连续或脉冲激光束高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热，使之熔化并蒸发到衬底表面形成薄膜。作为能源对蒸发材料进行加热，使之熔化并蒸发到衬底表面形成薄膜。应用：应用：特别适于蒸发特别适于蒸发成分比较复杂的合金或化合物材料。优点：成分比较复杂的合金或化合物
22、材料。优点：a. 聚焦后的激光束功率密度可高达聚焦后的激光束功率密度可高达106 W/cm2 以上，可以上，可以蒸发任何高熔点材料以蒸发任何高熔点材料；以蒸发任何高熔点材料以蒸发任何高熔点材料；b. 激光束光斑很小，蒸发材料是局部受热而气化，避免了坩激光束光斑很小，蒸发材料是局部受热而气化，避免了坩埚对蒸发材料的污染埚对蒸发材料的污染，可提高淀积薄膜的纯度可提高淀积薄膜的纯度；埚对蒸发材料的污染埚对蒸发材料的污染，可提高淀积薄膜的纯度可提高淀积薄膜的纯度；c. 能量密度高，因此淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证成分的比例；能量密度高，因此淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证成分的比例；d
23、. 真空室结构简单，易获得高真空度。真空室结构简单，易获得高真空度。缺点：缺点：大功率激光器价格昂贵，影响广泛应用。大功率激光器价格昂贵，影响广泛应用。2011-03-23152011-03-23156.2 溅射溅射利用利用带电离子带电离子在电场中加速后具有一定在电场中加速后具有一定动能动能的特点，将离子引向被溅射的的特点，将离子引向被溅射的靶电极靶电极。在离子能量适合的情况下，入射离子在与。在离子能量适合的情况下，入射离子在与靶表面原子的靶表面原子的碰撞碰撞过程中使其过程中使其溅射溅射出来，这些溅射出的原子以一定动能并沿一定方向出来，这些溅射出的原子以一定动能并沿一定方向射向射向衬底，从而实
24、现在衬底上的薄膜衬底，从而实现在衬底上的薄膜淀积淀积。气体入口气体入口靶靶Metal target直流直流/射频电源射频电源靶靶衬底基片衬底基片Atom ione真空系统真空系统plasmaArMetal简单平行板溅射系统腔体简单平行板溅射系统腔体2011-03-23162011-03-2316Wafer简单平行板溅射系统腔体简单平行板溅射系统腔体溅射的六个阶段溅射的六个阶段引入气体原子（引入气体原子（Ar）与电子碰 撞制造出离子（）与电子碰 撞制造出离子（Ar+）；离子在电场作用下加速冲向靶阴极，对靶进行撞击；靶原子从表面飞溅出来；自由的靶原）；离子在电场作用下加速冲向靶阴极，对靶进行撞击；
25、靶原子从表面飞溅出来；自由的靶原子向衬底传输；靶原子在衬底上凝结形成薄膜；多余物质被真空泵抽出。子向衬底传输；靶原子在衬底上凝结形成薄膜；多余物质被真空泵抽出。平行板直流平行板直流平行板直流平行板直流溅射系统溅射系统2011-03-2317与蒸发法相比，溅射法制备薄膜有一些突出的特点：与蒸发法相比，溅射法制备薄膜有一些突出的特点：a. 在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，溅射出的原子从溅射过程获得较大动能，提高了溅射原子在衬在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，溅射出的原子从溅射过程获得较大动能，提高了溅射原子在衬底表面上的底表面上的迁移能力迁移能力，增大了薄膜与衬底之间
26、的，增大了薄膜与衬底之间的附着力，附着力，大大改善了大大改善了台阶覆盖。台阶覆盖。b. 溅射过程中靶材的成分不会改变。对于溅射工艺，含铜溅射过程中靶材的成分不会改变。对于溅射工艺，含铜2的铝靶材就可以在衬底上生长出含铜的铝靶材就可以在衬底上生长出含铜 2的铝薄膜。这个特的铝薄膜。这个特点特别有利于点特别有利于合金膜和绝缘膜合金膜和绝缘膜的制备的制备。点特别有利于点特别有利于合金膜和绝缘膜合金膜和绝缘膜的制备的制备。2011-03-2318两种两种PVD薄膜制备方法比较薄膜制备方法比较真空蒸发溅射真空蒸发溅射原子原子离子动能离子动能低低（0.1 0.2eV）高高（10 50eV）原子原子离子动能
27、离子动能低低（）高高（）致密性致密性差差好好黏附性黏附性差差好好方向性方向性好好差差均匀性均匀性差差好好台阶覆盖台阶覆盖差差好好台阶覆盖台阶覆盖差差好好淀积速率淀积速率极慢极慢快快大尺寸厚度的控制大尺寸厚度的控制差差好好成分控制成分控制差差好好可淀积材料可淀积材料少少多多2011-03-23192011-03-2319制造成本制造成本低低高高6.2.1 溅射过程溅射过程溅射现象是在溅射现象是在辉光放电辉光放电中观察到的。在辉光放电过程中离子中观察到的。在辉光放电过程中离子对阴极的轰击，可以使阴极的物质飞溅出来。但溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的对阴极的轰击，可以使阴极的物质飞溅出来。但溅
28、射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的四种物理过程四种物理过程之一，其中每种物理过之一，其中每种物理过程发生的几率取决于程发生的几率取决于入射离子的能量入射离子的能量。利用不同能量的离子与固利用不同能量的离子与固程发生的几率取决于程发生的几率取决于入射离子的能量入射离子的能量。利用不同能量的离子与固利用不同能量的离子与固体表面的不同作用过程，不仅可以实现对于物质原子的溅射，还可以实现离子注入及离子的卢瑟福背射等过程。体表面的不同作用过程，不仅可以实现对于物质原子的溅射，还可以实现离子注入及离子的卢瑟福背射等过程。由溅射的物理过程可见，从导体到绝缘体，从元素材料到合金、化合物薄膜，从普通金属材料到
29、高熔点、低蒸气压材料，都由溅射的物理过程可见，从导体到绝缘体，从元素材料到合金、化合物薄膜，从普通金属材料到高熔点、低蒸气压材料，都可采用溅射法制备，而且溅射几乎可以在任何衬底上淀积薄膜。可采用溅射法制备，而且溅射几乎可以在任何衬底上淀积薄膜。2011-03-23202011-03-2320离子轰击物理表面可能发生的四种物理过程离子轰击物理表面可能发生的四种物理过程反射反射：入射离子能量很入射离子能量很入射离子入射离子反射离子中性粒子反射离子中性粒子反射反射：入射离子能量很入射离子能量很低；低；吸附：吸附：入射离子能量小入射离子能量小入射离子入射离子二次电子二次电子溅射原子溅射原子于于 10
30、eV；溅射：溅射：入射离子能量为入射离子能量为10 eV 10 keV。一部分离子一部分离子溅射原子溅射原子10 eV-10 keV。一部分离子一部分离子能量以热的形式释放；一部分离子造成靶原子溅射。能量以热的形式释放；一部分离子造成靶原子溅射。表面衬底损伤表面衬底损伤离子注入：离子注入：入射离子能量大于入射离子能量大于10 keV；注入溅射注入溅射2011-03-23212011-03-23216.2.2 溅射特性溅射特性一、溅射阈值一、溅射阈值在微电子工艺中，采用溅射法制备的薄膜种类很多，因此需要的靶材种类也很多。溅射所用靶材一般为无定形或多晶结构。在微电子工艺中，采用溅射法制备的薄膜种类
31、很多，因此需要的靶材种类也很多。溅射所用靶材一般为无定形或多晶结构。对于每一种靶材对于每一种靶材，都存在一个都存在一个能量阈值能量阈值（一般在一般在1030 eV 之之对于每一种靶材对于每一种靶材，都存在一个都存在一个能量阈值能量阈值（一般在一般在1030 eV 之之间），低于这个阈值就不会发生溅射反应。溅射阈值与入射离子的种类无明显的依赖关系，主要取决于靶材本身的特性（如升华间），低于这个阈值就不会发生溅射反应。溅射阈值与入射离子的种类无明显的依赖关系，主要取决于靶材本身的特性（如升华热）。热）。二、溅射率溅射产额二、溅射率溅射产额溅射出的靶原子数轰击靶阴极的离子数溅射出的靶原子数轰击靶阴极
32、的离子数S =2011-03-23222011-03-2322正离子轰击靶阴极时，平均每个离子所能溅射出的靶原子数。正离子轰击靶阴极时，平均每个离子所能溅射出的靶原子数。影响溅射率大小的因素：影响溅射率大小的因素：? 入射离子质量入射离子质量：离子质量增大离子质量增大，溅射速率有上升的趋势溅射速率有上升的趋势，但随但随? 入射离子质量入射离子质量：离子质量增大离子质量增大，溅射速率有上升的趋势溅射速率有上升的趋势，但随但随原子序数呈周期性起伏。原子序数呈周期性起伏。? 入射离子能量入射离子能量：存在能量阈值存在能量阈值。能量越大能量越大，溅射产额越大溅射产额越大；能能? 入射离子能量入射离子能
33、量：存在能量阈值存在能量阈值。能量越大能量越大，溅射产额越大溅射产额越大；能能量过大，发生离子注入，产额降低，因此产额在某一能量时会有最大值。量过大，发生离子注入，产额降低，因此产额在某一能量时会有最大值。? 入射离子数量：入射离子数量：采用高密度等离子体可增加溅射速率。采用高密度等离子体可增加溅射速率。? 靶材的种类：靶材的种类：金属材料中，铜、银、金较容易溅射；碳、硅、金属材料中，铜、银、金较容易溅射；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。? 入射角：入射角：角度分布为不完整角度分布为不完整 1/cos 函数形式，最小值接近垂 函数形式，最小值接近垂直
34、入射处直入射处。2011-03-2323直入射处直入射处。45 keV离子射向银、铜和钽靶时，溅射率与轰击离子原子序数的关系离子射向银、铜和钽靶时，溅射率与轰击离子原子序数的关系2011-03-23242011-03-2325S 与入射离子能量及入射角的关系与入射离子能量及入射角的关系S 与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系S 与入射角的关系与入射角的关系2011-03-2326与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系与入射角的关系与入射角的关系6.2.3 常用溅射方法常用溅射方法溅射原子运动到晶片表面溅射原子运动到晶片表面直流溅射射频溅射直流溅射射频溅射溅射原子运动到晶片表面溅射原子运动
35、到晶片表面被晶片表面吸附并扩散被晶片表面吸附并扩散磁控溅射磁控溅射反应溅射反应溅射溅射方法溅射方法原子密度足够大时成核原子密度足够大时成核反应溅射反应溅射离子束溅射离子束溅射偏压溅射偏压溅射晶核长大成岛状晶核长大成岛状偏压溅射偏压溅射岛状区域长大合并成连续薄膜岛状区域长大合并成连续薄膜2011-03-23272011-03-2327溅射薄膜表面形貌溅射薄膜表面形貌在不同在不同真空度真空度、温度温度和和在不同在不同真空度真空度、温度温度和和离子能量离子能量下，溅射薄膜的形貌会发生变化。下，溅射薄膜的形貌会发生变化。气压溅射薄膜不同形貌特点溅射薄膜不同形貌特点特点形成条件特点形成条件1区多孔、低密
36、度，无定形低真空，低温，低离子能量区多孔、低密度，无定形低真空，低温，低离子能量T区晶粒细小，多晶高真空，较低温度，高离子能量区晶粒细小，多晶高真空，较低温度，高离子能量2区柱状晶粒，多晶较高真空，较高温度，较高离子能量区柱状晶粒，多晶较高真空，较高温度，较高离子能量高真空，较低温度，高离子能量高真空，较低温度，高离子能量3区颗粒状晶粒，多晶高真空，高温度，高离子能量区颗粒状晶粒，多晶高真空，高温度，高离子能量2011-03-2328溅射中需要注意的地方溅射中需要注意的地方? 靶的清洁：靶的清洁：正式溅射前可采用预溅射，去除靶表面层原子。正式溅射前可采用预溅射，去除靶表面层原子。? 真空腔保持
37、干净：真空腔保持干净：除了离子气体，其它残留气体要尽可能少。除了离子气体，其它残留气体要尽可能少。溅射薄膜后处理溅射薄膜后处理一般采取一般采取热退火热退火，作用在于：作用在于：? 消除溅射引起的损伤；消除溅射引起的损伤；? 使溅射薄膜与衬底发生某些反应，如金属与硅衬底生成硅化物，增加附着力。使溅射薄膜与衬底发生某些反应，如金属与硅衬底生成硅化物，增加附着力。2011-03-2329一、 直流溅射一、 直流溅射直流溅射又称为直流溅射又称为阴极溅射或直流二极溅射。阴极溅射或直流二极溅射。反应室中反应室中，靶接负电压呈阴极靶接负电压呈阴极，衬底呈阳极衬底呈阳极。使用直流溅射使用直流溅射反应室中反应室
38、中，靶接负电压呈阴极靶接负电压呈阴极，衬底呈阳极衬底呈阳极。使用直流溅射使用直流溅射方法可以很方便地淀积方法可以很方便地淀积各类金属薄膜，各类金属薄膜，但前提是但前提是靶材应具有较好的导电性。靶材应具有较好的导电性。对于导电性对于导电性直流溅射系统示意直流溅射系统示意对于导电性对于导电性差的非金属材料的溅射，需要一差的非金属材料的溅射，需要一种与直流溅射不同的方法。种与直流溅射不同的方法。2011-03-2330二、射频溅射二、射频溅射射频溅射是一种适用于射频溅射是一种适用于各种金属和非金属材料各种金属和非金属材料的溅射淀积方的溅射淀积方法法。在两个电极之间加高频电场时在两个电极之间加高频电场
39、时，因电场可以经其它阻抗形式因电场可以经其它阻抗形式法法。在两个电极之间加高频电场时在两个电极之间加高频电场时，因电场可以经其它阻抗形式因电场可以经其它阻抗形式耦合进入反应室，耦合进入反应室，不必再要求电极一定是导体。不必再要求电极一定是导体。2011-03-23312011-03-2331射频溅射系统示意射频溅射系统示意射频方法可以用来产生溅射射频方法可以用来产生溅射效应的另一个原因是它可以在靶效应的另一个原因是它可以在靶效应的另一个原因是它可以在靶效应的另一个原因是它可以在靶材上产生材上产生自偏压效应，自偏压效应，即在射频即在射频电场作用下电场作用下，靶材会自动处于一靶材会自动处于一电场作
40、用下电场作用下，靶材会自动处于一靶材会自动处于一个负电位，从而导致气体离子对其产生轰击和溅射。个负电位，从而导致气体离子对其产生轰击和溅射。由于射频电压周期性改变每个电极的的电位，因此每个电极由于射频电压周期性改变每个电极的的电位，因此每个电极都有可能因自偏压效应而受到离子轰击。解决这一问题的办法是都有可能因自偏压效应而受到离子轰击。解决这一问题的办法是加大非溅射电极的面积，加大非溅射电极的面积，从而降低这些电极的自偏从而降低这些电极的自偏鞘层电压鞘层电压（鞘（鞘层电压降与电极面积的四次方成反比层电压降与电极面积的四次方成反比）。）。4VkA=2011-03-23322011-03-2332层
41、电压降与电极面积的四次方成反比层电压降与电极面积的四次方成反比）。）。ccVkA=3. 磁控溅射磁控溅射前面提到的溅射方前面提到的溅射方前面提到的溅射方前面提到的溅射方法有两个主要缺点：淀积速率较小，工作气压法有两个主要缺点：淀积速率较小，工作气压较高较高，两者综合效果是两者综合效果是较高较高，两者综合效果是两者综合效果是气体分子对薄膜产生污气体分子对薄膜产生污染的可能性提高染的可能性提高。而磁而磁染的可能性提高染的可能性提高。而磁而磁控溅射作为一种控溅射作为一种淀积速率较高，工作气压较低淀积速率较高，工作气压较低的溅射技术具有其独特的溅射技术具有其独特的溅射技术具有其独特的溅射技术具有其独特
42、的优越性。的优越性。磁控溅射系统示意磁控溅射系统示意2011-03-23332011-03-2333磁控溅射系统示意磁控溅射系统示意磁场有效地提高了电子与气体分磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率子的碰撞几率，工作气压可以明显降工作气压可以明显降磁控溅射靶材剖面细节磁控溅射靶材剖面细节子的碰撞几率子的碰撞几率，工作气压可以明显降工作气压可以明显降低（低（1Pa 0.1Pa）。较低气压条件下溅射原子被散射的几率减小，这一）。较低气压条件下溅射原子被散射的几率减小，这一方面降低了薄膜被污染的可能性方面降低了薄膜被污染的可能性，另另方面降低了薄膜被污染的可能性方面降低了薄膜被污染的可能性，另另一
43、方面也将提高入射到衬底的表面原子的能量，在很大程度上改善薄膜质一方面也将提高入射到衬底的表面原子的能量，在很大程度上改善薄膜质量（致密化）。目前，磁控溅射是量（致密化）。目前，磁控溅射是应用最广泛应用最广泛的溅射方法，其薄膜淀积速的溅射方法，其薄膜淀积速率比其它溅射方法高出一个数量级率比其它溅射方法高出一个数量级，率比其它溅射方法高出一个数量级率比其它溅射方法高出一个数量级，且薄膜质量较好。磁控溅射的最大缺点是且薄膜质量较好。磁控溅射的最大缺点是靶的不均靶的不均等使用和烧蚀等使用和烧蚀，导致靶寿命降低导致靶寿命降低。等使用和烧蚀等使用和烧蚀，导致靶寿命降低导致靶寿命降低。2011-03-233
44、42011-03-2334四、 反应溅射四、 反应溅射多组分薄膜可以使用化合物靶材淀积，但化合物在溅射过程中可能发生分解，使薄膜与靶材的化学组分产生偏离。多组分薄膜可以使用化合物靶材淀积，但化合物在溅射过程中可能发生分解，使薄膜与靶材的化学组分产生偏离。解决问题的方法之一，是以纯金属作为靶材，同时在工作气体中混入适量活性气体（如解决问题的方法之一，是以纯金属作为靶材，同时在工作气体中混入适量活性气体（如O2、N2、NH3、CH4 和和 H2S等），使它们等），使它们在溅射的同时与靶材发生化学反应在溅射的同时与靶材发生化学反应，淀积形成多组分薄膜淀积形成多组分薄膜。这种这种在在在溅射的同时与靶材
45、发生化学反应在溅射的同时与靶材发生化学反应，淀积形成多组分薄膜淀积形成多组分薄膜。这种这种在在淀积的同时形成化合物淀积的同时形成化合物的溅射技术称为反应溅射。反应溅射经常用于以下化合物薄膜的淀积：的溅射技术称为反应溅射。反应溅射经常用于以下化合物薄膜的淀积：a. 氧化物：如氧化物：如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2；b. 碳化物：如碳化物：如SiC、WC、TiC ；c. 氮化物：如氮化物：如TiN、AlN、Si3N4；d. 硫化物：如硫化物：如CdS、ZnS、CuS；各种复合化合物各种复合化合物。2011-03-23352011-03-2335e. 各种复合化合物各种复合化合物。在反
46、应溅射过程中，化学反应发生在靶原子与气体分子之在反应溅射过程中，化学反应发生在靶原子与气体分子之间间，淀积的薄膜是靶和反应气体化合而成的淀积的薄膜是靶和反应气体化合而成的。这些反应可以发这些反应可以发间间，淀积的薄膜是靶和反应气体化合而成的淀积的薄膜是靶和反应气体化合而成的。这些反应可以发这些反应可以发生生在靶材上、气相里或衬底上。在靶材上、气相里或衬底上。通通过控制活性气体的压力过控制活性气体的压力，得到的得到的过控制活性气体的压力过控制活性气体的压力，得到的得到的淀积产物可以是化合物，或者是有一定固溶的合金固溶体，甚至淀积产物可以是化合物，或者是有一定固溶的合金固溶体，甚至可能是上述两者的
47、混合物。但随着活性气体压力和溅射功率的增可能是上述两者的混合物。但随着活性气体压力和溅射功率的增加加，靶材表面也可能形成一层相靶材表面也可能形成一层相加加，靶材表面也可能形成一层相靶材表面也可能形成一层相应的化合物，这可能会降低材料的溅射和淀积速率。应的化合物，这可能会降低材料的溅射和淀积速率。反应溅射中靶原子与气体分子的反应位置示意反应溅射中靶原子与气体分子的反应位置示意2011-03-23362011-03-2336反应溅射中靶原子与气体分子的反应位置示意反应溅射中靶原子与气体分子的反应位置示意五、偏压溅射五、偏压溅射偏压溅射是在一般溅射系统的基础上偏压溅射是在一般溅射系统的基础上施加一定
48、大小的偏置电压，施加一定大小的偏置电压，以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和质量的方法以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和质量的方法。为改善溅为改善溅以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和质量的方法以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和质量的方法。为改善溅为改善溅射薄膜的组织结构以及满足其它工艺设计要求，可以采用偏压溅射方法。例如利用施加偏压的方法改变金属薄膜的电阻率，改变薄膜射薄膜的组织结构以及满足其它工艺设计要求，可以采用偏压溅射方法。例如利用施加偏压的方法改变金属薄膜的电阻率，改变薄膜的硬度的硬度、介电常数介电常数、折射率折射率、密度以及附着力等密度以及附着力等。的硬度的硬度、介电常
49、数介电常数、折射率折射率、密度以及附着力等密度以及附着力等。偏压对薄膜性能的偏压对薄膜性能的影响机理较复杂，影响机理较复杂，但确实对薄膜的组织结构但确实对薄膜的组织结构等有影响等有影响。在偏压作用下在偏压作用下，带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原等有影响等有影响。在偏压作用下在偏压作用下，带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和成膜能力，抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等。此外，施加负偏压子在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和成膜能力，抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒
50、等。此外，施加负偏压（ 0 00 V）可以使氩离子对衬底进行轰击可以使氩离子对衬底进行轰击，将能量传送给衬底将能量传送给衬底（50500 V）可以使氩离子对衬底进行轰击可以使氩离子对衬底进行轰击，将能量传送给衬底将能量传送给衬底表面原子，增加它们的表面迁移率和反应速度，也可用于表面原子，增加它们的表面迁移率和反应速度，也可用于溅射刻蚀溅射刻蚀或在溅射前清洁衬底表面或在溅射前清洁衬底表面（去除有机残留和氧化物去除有机残留和氧化物）。）。2011-03-23372011-03-2337或在溅射前清洁衬底表面或在溅射前清洁衬底表面（去除有机残留和氧化物去除有机残留和氧化物）。）。六、准直溅射六、准直
51、溅射在微电子工艺中，溅射淀积薄膜的重要应用是形成金属互连在微电子工艺中，溅射淀积薄膜的重要应用是形成金属互连层层。薄膜即使覆盖在薄膜即使覆盖在高深宽比高深宽比的结构上也要求保持均匀厚度的结构上也要求保持均匀厚度，以以层层。薄膜即使覆盖在薄膜即使覆盖在高深宽比高深宽比的结构上也要求保持均匀厚度的结构上也要求保持均匀厚度，以以保证互连效果。为达到这一要求，可以使用保证互连效果。为达到这一要求，可以使用带准直器的溅射方法，带准直器的溅射方法，即准直溅射方法。即准直溅射方法。coscosMR=2coscosRrR2011-03-23382011-03-2338不使用准直器的高深宽比接触孔溅射靶原子离开
52、时的余弦分布不使用准直器的高深宽比接触孔溅射靶原子离开时的余弦分布准直溅射用准直器剖面准直溅射用准直器剖面靶靶准直器准直器衬底衬底准直器准直器采用准直溅射方法虽然可以改变接触孔底部的覆盖效果，但采用准直溅射方法虽然可以改变接触孔底部的覆盖效果，但它是以降低淀积速率为代价的它是以降低淀积速率为代价的。而且随着淀积次数的增加而且随着淀积次数的增加，准直准直它是以降低淀积速率为代价的它是以降低淀积速率为代价的。而且随着淀积次数的增加而且随着淀积次数的增加，准直准直器孔径变小，淀积速率会进一步减小。此外，溅射原子对准直器的填塞呈辐射状，中间孔比边孔更快被堵塞，因此准直器必须经器孔径变小，淀积速率会进一
53、步减小。此外，溅射原子对准直器的填塞呈辐射状，中间孔比边孔更快被堵塞，因此准直器必须经常更换常更换，不仅增加成本且增加了粒子污染的几率不仅增加成本且增加了粒子污染的几率。2011-03-23392011-03-2339常更换常更换，不仅增加成本且增加了粒子污染的几率不仅增加成本且增加了粒子污染的几率。长投准直溅射长投准直溅射是一种不用准直器而能改善接触孔底部覆盖效是一种不用准直器而能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。靶与衬底之间的距离（果的溅射技术。靶与衬底之间的距离（2530 cm）比传统磁控溅射系统（）比传统磁控溅射系统（510 cm）长的多，同时等离子体在低压下产生。只）长的多，同时等离
54、子体在低压下产生。只有小角度射出的靶原子才能到达衬底表面有小角度射出的靶原子才能到达衬底表面，如同加了单孔准直器如同加了单孔准直器。有小角度射出的靶原子才能到达衬底表面有小角度射出的靶原子才能到达衬底表面，如同加了单孔准直器如同加了单孔准直器。长投准直溅射的问题：长投准直溅射的问题：a 溅射会导致反应室壁表面凝结靶材料的原子溅射会导致反应室壁表面凝结靶材料的原子，从而造成污从而造成污a. 溅射会导致反应室壁表面凝结靶材料的原子溅射会导致反应室壁表面凝结靶材料的原子，从而造成污从而造成污染；染；b. 远离硅片中心的通孔存在台阶覆盖的不均匀性远离硅片中心的通孔存在台阶覆盖的不均匀性；b. 远离硅片
55、中心的通孔存在台阶覆盖的不均匀性远离硅片中心的通孔存在台阶覆盖的不均匀性；c. 在低压下获得等离子体比较困难。在低压下获得等离子体比较困难。2011-03-23406.3 现状与未来趋势现状与未来趋势PVD主要用于金属薄膜主要用于金属薄膜，或者金属氧化物及一些或者金属氧化物及一些PVD主要用于金属薄膜主要用于金属薄膜，或者金属氧化物及一些或者金属氧化物及一些绝缘材料的淀积。它实质上是一种“冷”工艺，淀积绝缘材料的淀积。它实质上是一种“冷”工艺，淀积过程中不对衬底进行加热过程中不对衬底进行加热。在在PVD工艺中工艺中，蒸发需要蒸发需要过程中不对衬底进行加热过程中不对衬底进行加热。在在工艺中工艺中
56、，蒸发需要蒸发需要纯度较高的材料，因此应用范围受限，而且这种淀积工艺的各向同性特征使台阶覆盖不够理想。溅射则允纯度较高的材料，因此应用范围受限，而且这种淀积工艺的各向同性特征使台阶覆盖不够理想。溅射则允许有很多可选择的材料用于淀积，而且有较高的工艺重现性和更好的台阶覆盖。因此大多数金属薄膜是由许有很多可选择的材料用于淀积，而且有较高的工艺重现性和更好的台阶覆盖。因此大多数金属薄膜是由溅射方法淀积的。溅射方法淀积的。2011-03-23412011-03-2341目前，目前，PVD 与与 CVD 之间虽然存在竞争，但分界线正逐渐消之间虽然存在竞争，但分界线正逐渐消失，两种工艺经常结合在一台设备中
57、。不断增长的产能和自动化失，两种工艺经常结合在一台设备中。不断增长的产能和自动化程度程度，对设备可靠性和薄膜均匀对设备可靠性和薄膜均匀程度程度，对设备可靠性和薄膜均匀对设备可靠性和薄膜均匀性的更高要求，更复杂的多层淀积技术以及溅射刻蚀、现场清洁性的更高要求，更复杂的多层淀积技术以及溅射刻蚀、现场清洁和退火技术和退火技术，是未来溅射工艺方是未来溅射工艺方和退火技术和退火技术，是未来溅射工艺方是未来溅射工艺方法面临的法面临的主要挑战。主要挑战。此外，一些薄膜的性质，特别是多层薄膜及此外，一些薄膜的性质，特别是多层薄膜及其淀积材料的电学其淀积材料的电学、力学和化学力学和化学其淀积材料的电学其淀积材料的电学、力学和化学力学和化学性质受工艺参数影响的机理目前还缺乏深刻理解，未来也将成为性质受工艺参数影响的机理目前还缺乏深刻理解，未来也将成为的的系统系统2011-03-2342PVD 薄膜工艺深入研究的焦点。薄膜工艺深入研究的焦点。Applied Material 的的Endura系统系统
