硅集成电路工艺基础5

衬底与薄膜材料，可异质生长
厚度范围:

典型薄膜：~nm ─ ~μm 也可以生长更厚的膜
PVD生长条件

高真空 高纯材料


清洁和光滑的衬底表面
提供能量的能源
5.0.2 薄膜生长
薄膜分类
按厚度:



超薄膜： ~10 nm 薄膜： 50 nm─1 m 中间范围：1 m ─ ~10 m 厚膜： ~10 m ─ ~100 m 单晶薄膜：外延生长GaAs薄膜 多晶薄膜： ZnO,ITO 无序薄膜：a-Si,SiO2
第五章 物理气相沉积
5.0 物理气相沉积 5.1、真空蒸发法 5.2、蒸发源 5.3、气体辉光放电
5.4、溅射
5.0 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition)
5.0.1 物理气相沉积 5.0.2 薄膜生长 5.0.3 真空的获得
5.0.1 物理气相沉积(PVD)
PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:
真空的测量
测量栅极和收集极之间的电流。
5.1、真空蒸发制备薄膜的基本原理
真空蒸发和溅射是物理气相淀积技术中最基本的两种方法。 蒸发的优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄
膜质量等。
蒸发法缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分 难以控制。 溅射法特点：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制； 沉积的薄膜与衬底附着性好。
蒸发物质分子才能无阻挡地、直线达到衬底的表面。 一般蒸发源到衬底距离d在30cm左右，要求真空室气体压强为10-2～ 10-4Pa，这时的平均自由程与蒸发源到基片的距离相比要大得多。
薄膜厚度的均匀性
薄膜厚度的均匀性同蒸发源的形状有很大的关系。
对于点蒸发源，基片平行放臵在蒸发源的正上方， 则膜厚分布为：
20个动叶轮组成的整体式转子
阳极和阴极间加高压，电子在阳极被加速，在磁场作用下旋转。 气体分子与旋转的电子碰撞而电离（潘宁放电），气体离子被加速向阴极
运动，被阴极材料（如Ti）吸附，并且把表面的Ti溅射出来。
溅射出来的Ti原子还可以与气体离子反应，使抽速增大。
加热Ti丝，使Ti原子蒸发出来。 Ti与反应室内的气体分子反应，凝结在腔壁上。
1、所生长的材料以物理方式由固体转化为气体； 2、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底； 3、蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。
PVD的物理原理
衬底 扩散、吸附、凝 结成薄膜
物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
残留气体对薄膜生长的影响
Substrate 残留气体在衬底上 形成一单原子层所需时间
环境温度
固体物质的蒸发率
5 . 8 3 3 1 0 2 a M T ( PS P ) ( 单 位 ： g/cm 2 s )
蒸发系数 分子量 环境压强
气体分子的平均自由程
λ 1 /( 2 π nd )
2
单位体积内的气体分子数
kT 2πd 2 P
分子的有效直径
蒸发沉积过程需在高真空下进行
多组分薄膜的蒸发方法
利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：单源蒸发法、多源同时蒸 发法和多源顺序蒸发法。
5.2 蒸发源加热方式 ① 电阻加热蒸发

用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料 升高温度，熔解并蒸发材料
钟罩
衬底 衬底架
反应气体管道 充气管道
常用真空泵的汉语拼音代号及名称
代 号 W 名 往复真空泵 称 代 号 Z 名 称 油扩散喷射泵（油增压泵）
D
X H ZJ YZ L XD F
定片真空泵
旋片真空泵 滑阀真空泵 罗茨真空泵 余摆线真空泵 溅射离子泵 单级多旋片式真空泵 分子泵
S
LF GL DZ DG IF SZ PS
升华泵
复合式离子泵 锆铝吸气剂泵 制冷机低温泵 灌注式低温泵 分子筛吸附泵 水环泵 水喷射泵
Plume 厚度监控仪
加热丝、舟或坩埚
真空泵
常用电阻加热源
加热丝 加热舟
坩埚
慢下来的蒸汽流向下运动过程中碰到水冷的泵壁，
油分子冷凝，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用。
结构特点和工作原理
1958年，德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现 了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种。 涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子（即动叶轮）、 静叶轮和驱动系统等组成。 动叶轮和静叶轮交替排列，动、静叶轮几何尺寸基本 相同，但叶片倾斜角相反。 每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固 定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙，动叶轮可 在静叶轮间自由旋转。动叶轮外缘的线速度高达气体 分子热运动的速度（一般为150～400米/秒）。
常用真空泵的工作压强范围及起动压强
真空泵种类 活塞式真空泵 旋片式真空泵 水环式真空泵 罗茨真空泵 涡轮分子泵 水蒸气喷射泵 油扩散泵 油蒸气喷射泵 分子筛吸附泵 溅射离子泵 钛升华泵 锆铝吸气剂泵 低温泵 工作压强范围（Pa） 1×105—1.3×102 1×105—6.7×10-1 1×105—2.7×103 1.3×103—1.3 1.3—1.3×10-5 1×105—1.3×10-1 1.3×10-2—1.3×10-7 1.3×10—1.3×10-2 1×105—1.3×10-1 1.3×10-3—1.3×10-9 1.3×10-2—1.3×10-9 1.3×10—1.3×10-11 1.3—1.3×10-11 起动压强（Pa） 1×105 1×105 1×105 1.3×103 1.3 1×105 1.3×10 <1.3×105 1×105 6.7×10-1 1.3×10-2 1.3×10 1.3—1.3×10-1

上节课内容小结
热退火：T，t
消除晶格损伤 使注入的杂质进入晶格位臵以实现电激活 热退火中的扩散效应：杂质分布展宽，偏离注入时杂质分布 快速退火：脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、 连续波激光以及非相干宽带光源等。 特点：瞬时，某个区域加热到所需要温度，
退火时间短(10-3-102秒)
上节课内容小结
按结构:


薄膜生长
在薄膜生长过程中，由于衬底与薄膜的晶格失配度和 表面能与界面能不同，其生长模式也不同。
三种生长模式
晶格匹配体系的二维层状(平面)生长
Frank-van der Merwe (FVDM) Mode Layer by Layer ( 2D )
衬底
大晶格失配和大界面能材料体系 的三维岛状生长
衬底到蒸发源的距离d
蒸发时一般要选择λ比d大2～3倍，因为在蒸发过程中，真空室内温
度升高后要放出大量气体，会使真空度降低。
当气体分子平均自由程λ等于蒸发源到衬底的距离时，约有63％的 分子会在途中发生碰撞；当平均自由程λ 10倍于蒸发源到衬底的距
离时，就只有9％左右的分子在途中发生碰撞。可见只有当λ>>d时，
饱和蒸气压与蒸发速率
任何物质总在不断地发生着固、气、液三态变化，设在一定环境温度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，称为饱和蒸气压Ps。

被蒸发物质的饱和蒸气压PS
PS K e
积分常数

H /( R T )
分子蒸发热
油分子与气体分子碰撞，由于油分子量大，碰撞的
结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而 气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去。
在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而
界面内气体分子浓度较小．由于这个浓度差，使被 抽气体分子得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐 级带至出口，并被前级泵抽走。

旋片式机械泵原理

当转子顺时针转动时，空气由被抽 容器通过进气管被吸入，旋片随着 转子的转动使与进气管相连的区域 不断扩大，而气体就不断地被吸入。 当转子达到一定位臵时，另一旋片 把被吸入气体的区域与被抽容器隔 开，并将气体压缩，直到压强增大 到可以顶开出气口的活塞阀门而被 排出泵外，转子的不断转动使气体 不断地从被抽容器中抽出。
利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而 抽气的真空泵。 涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无 气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高 真空。 涡轮分子泵广泛用于高能加速器、 可控热核反应装臵、重粒子加速器 和高级电子器件制造等方面。
K
油扩散原理

旋片式机械泵通常由转子、定子、 旋片等结构构成。 偏心转子臵于定子的圆柱形空腔 内切位臵上，空腔上连接进气管 和出气阀门。


转子中镶有两块旋片，旋片间用 弹簧连接，使旋片紧压在定子空 腔的内壁上，转子的转动是由马 达带动的 。
定子臵于油箱中，油起到密切、 润滑与冷却的作用。
气体分子密度、气体压力、平均自由程
真空系统：真空室、真空泵、真空测量规 真空泵：低真空泵：机械泵、低温吸附泵
高真空泵：扩散泵、涡轮分子泵、
超高真空泵：离子泵、Ti升华泵
真空规管：低真空规管：热偶规、pirani规
高真空规管：离子规
泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经
电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸 汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出， 形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流。
近或达到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容 易逸出，转变为蒸气。
气化原子或分子在蒸发源与基片间输运过程：
原子或分子由源飞向衬底，飞行过程中可能与真空 室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真 空度以及源到衬底之间的距离。
被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：