PVD薄膜沉积工艺及设备

五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB-18操作注意事项
进行工艺前确保相应电源和工艺气体打开； 对腔体充气时确保打开氮气开关； 升降样品架时确保挡板打开； 充气时确保腔体温度低于50℃； 溅射时确保靶材正常起辉，溅射过程中确保起
辉正常； 溅射时核对溅射材料
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五 纳米加工平台现有设备介绍
量 蒸镀过程中，注意观察所蒸发的材料是否正
确，电子束斑位置； 禁止非授权操作人员执行开机和关机步骤。
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五 纳米加工平台现有设备介绍
热蒸发设备外观
液晶显示器 腔体
加热控制显示
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五 纳米加工平台现有设备介绍
热蒸发真空示意图
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五 纳米加工平台现有设备介绍
• 热蒸发操作界面
五 纳米加工平台现有设备介绍
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电子束蒸发－ ei-5z
操作界面
真空腔体
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五 纳米加工平台现有设备介绍
ei-5z系统组成
控 制
膜
坩
厚
埚
控
电 子 枪
抽 真 空
系
制
系
统
统
真空腔体
冷却系统
五 纳米加工平台现有设备介绍
膜厚控制
监视蒸镀速率的方法 是利用共振的石英晶 体。结晶的石英晶体 具有压电性的，在共 振频率时，石英晶体 产生震荡电压，晶体 放大并回授以驱动晶 体，就可监督蒸镀速 率。
300
工艺条件
22 衬底转速
功率 电压 电流 (W) (V) (A)
200 426 0.46
20
压
气 体
力 (mT
流量
orr)
Ar 4 19.2
工作真 空
2.8E-3
速率：8.1A/S
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五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB18 工艺参数
材料 Au Al Ni Ti Ag Pt
速率（A/S） 8.9 2.7 3.6 2 8 6
缺点
蒸镀化合物时由于热分解现象 难以控制组分比，低蒸气压物
质难以成膜
需要溅射靶，靶材需要精制， 而且利用率低，不便于采用掩
膜沉积
装置及操作均较复杂，不便于 采用掩膜沉积
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三 PVD薄膜沉积中常见问题
如何提高PVD薄膜 的粘附性
基片的预处理 9 水洗 9 有机溶剂清洗 9 超声波清洗 9 蚀刻
PVD（物理气相沉积）薄 膜工艺及设备介绍
赵德胜
1
主要内容
¾一 PVD薄膜沉积的基本原理 ¾二 PVD薄膜沉积各种方式的比较 ¾三 PVD薄膜沉积中常见问题 ¾四 PVD薄膜的表征 ¾五 纳米加工平台现有设备介绍
2
一 PVD薄膜沉积的基本原理
在半导体行业PVD主要用于金属化
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)技术：表示在真空条件下，采用物理方 法，将材料源－固体或液体表面气化成气体原 子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体 （或等离子体）过程，在基体表面沉积具有特 殊功能薄膜的技术。
辉光放电是指在稀薄气体中，两个电极之间加 上电压时产生的一种气体放电现象。
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一 PVD薄膜沉积的基本原理
直流溅射：适用于金 属材料
射频溅射：是适用于 各种金属和非金属材 料的一种溅射沉积方 法
一 PVD薄膜沉积的基本原理
脉冲溅射：一种用于消除直流反应溅射 中异常放电技术。
反应溅射：在溅射过程中，在工艺气体 中混入活性气体，在溅射过程中发生反应 生成氧化物、氮化物等的溅射方式。
约5MHZ
电极
晶体
膜厚
蒸气
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五 纳米加工平台现有设备介绍
ei-5z腔体内部
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五 纳米加工平台现有设备介绍
ei-5z主界面
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五 纳米加工平台现有设备介绍
ei-5z的性能指标
真空度：5E-6Pa 基片最高温度：300℃ 电子枪功率：8KW 厚度均匀性：< ±5% 可加工样品尺寸：6寸每次8片，4寸每次8片，
2 50
坩埚号 X/Y—Position
X/Y—Sweep 衬底转（r/m）
预蒸发时间 Gain/Time-C/Limit
Tooling
3
3
3.5
3
0
8
2min
5 5 10
85
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Power(%)
Rate(A/S)
40 30 20 10
0
5
0
Power
50
100
150
200
镀料的气化 镀料原子、分子或离子的迁移 镀料原子、分子或离子在基体上凝结
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二 PVD薄膜沉积各种方式的比较
真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀的比较
方法
真空 蒸镀
溅射 镀膜
离子 镀
优点
工艺简便，纯度高，通 过掩膜易于形成所需要
的图形 附着性能好，易于保持 化合物、合金的组分比
附着性能好，化合物、 合金、非金属均可成膜
器。 充气阀充气完毕后要及时关闭。 单独用一个真空室工作时，一定要保持另一个真空室
处于低真空状态，不可是大气压状态。 束源炉在升温的过程中通过面板上的调节旋钮调节电
流不能超过3A，蒸发过程中温度不稳定可增加电流。 束源炉的温度或蒸发舟的温度必须降低到100度以下才
可关闭真空系统，开启真空室。
250
Time(S)
Rate
0 0
400
50
100
150
200
250
Time(S)
200
Thick
0 0
50
100
150
200
250
Time(S)
39
Thick(A)
五 纳米加工平台现有设备介绍
ei-5z操作注意事项
开机前注意检查水电气正常； 做工艺之前检查坩埚源的状态，如源不够及
时通知相应工作人员； 禁止在低真空条件下打开电子枪电源； 蒸发前注意晶振片的频率和所要蒸发材料的
热蒸发的性能指标
真空度：5E-6Pa 基片最高温度：200℃ 可蒸发材料：Al、Au、In、Ag、Ni等金
属
五 纳米加工平台现有设备介绍
热蒸发操作注意事项
不要用坚硬物品敲击触摸屏。 如果系统有异常声音或气味应马上停止工作，关闭总
电源，查出问题后再工作。 如果系统长期不用，要使真空腔处于真空状态关闭机
五 纳米加工平台现有设备介绍
三种设备的比较
性质 方法
沉积 粘附 均匀 致密 膜厚 速率 性 性 性 控制
成本
LAB 18 可控 优 优 优 可控 高
ei-5z
可控 良 优 良 可控 高
热蒸发
不可 控
一般
良
差
差
低
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上机培训价格（暂定）
• 溅射（LAB 18）：450元/人 • 电子束蒸发（ei-5z）：450元/人 • 热蒸发：350元/人
次4片，小样品夹具
五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB18现有靶材
Au、Pt、Ti、Ni、V、AlN、PZT、Al、 Cr、SiO2、Ag、ITO 、Fe、Pd、Ge、 Cu、W、TiN
五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB18 工艺参数
本底真空
序 号
靶材
1 Ag
2E-6
预溅 时间
120
Biblioteka Baidu温度
溅射 时间
热电子由灯丝发射后，被加速阳极加速，获得 动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材 料加热气化，而实现蒸发镀膜。
特点：多用于要求纯度极高的膜、绝缘物的蒸 镀和高熔点物质的蒸镀
熔融的 蒸镀源
电子束
水
水冷 坩埚
一 PVD薄膜沉积的基本原理
溅射镀膜
溅射－用带有几十电子伏以上动能的粒子或粒 子束照射固体表面，靠近固体表面的原子会获 得入射粒子所带能量的一部分进而向真空中放 出，这种现象称为溅射。
2寸每次180片，以及小样品夹具 现有蒸发源：Au、Ti、Ni、Cr、Au88Ge12、Al
、In、Sn、Ag、Pd
五 纳米加工平台现有设备介绍
ei-5z工艺参数
材料名称 High Vol（KV） 本底真空（Pa） 蒸发温度（℃）
蒸发功率(%) 蒸发速率（A/S）
蒸发厚度(A)
Ti 7.5 8E-5 23 28
四 PVD薄膜的表征
PVD薄膜的表征
电学性能：四探针 粘附性：划痕法 内应力：X射线衍射法 膜厚：台阶仪 表面粗糙度：AFM
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五 纳米加工平台现有设备介绍
磁控溅射－LAB18
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五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB18系统组成
控
抽
制 系
电源
加热
真 空
统
系
统
真空腔体
冷却系统
五 纳米加工平台现有设备介绍
3
一 PVD薄膜沉积的基本原理
PVD技术的分类
物理气相沉积（PVD）
真空蒸镀
溅射镀膜
离子镀
电子束（EB）蒸发 热蒸发 直流溅射 射频溅射 脉冲直流溅射
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一 PVD薄膜沉积的基本原理
真空蒸镀
真空蒸镀是将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸 发的原子或原子团在温度较低的基板上凝结， 形成薄膜。
热蒸发、EB蒸发。
三 PVD薄膜沉积中常见问题
镀膜前对基片进行离子轰击
三 PVD薄膜沉积中常见问题
镀膜时的加热 衬底和膜之间加
入接触金属（Cr、 Ni、Ti、W等）
三 PVD薄膜沉积中常见问题
如何在大台阶表面沉积厚度均匀的 薄膜
三 PVD薄膜沉积中常见问题
基片与蒸发源间的距离 镀膜时的压力 基片加偏压
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一 PVD薄膜沉积的基本原理
离子镀：在真空条件 下，利用气体放电使 气体或蒸发物质离化 ，在气体离子或被蒸 发物质离子轰击作用 的同时，把蒸发物或 其反应物蒸镀在基片 上。
离子镀把辉光放电、 等离子体技术与真空 蒸发镀膜技术结合在 一起
一 PVD薄膜沉积的基本原理
物理气相沉积技术基本原理的三个过程
一 PVD薄膜沉积的基本原理
溅射镀膜
磁控溅射－电子在电场的作用下加速飞向基片 的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩 离子和电子，电子飞向基片，氩离子在电场的 作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子 ，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成 膜。
一 PVD薄膜沉积的基本原理
什么是辉光放电？
一 PVD薄膜沉积的基本原理
热蒸发原理及特点
热蒸发是在真空状况下，将所要蒸镀的材料 利用电阻加热达到熔化温度，使原子蒸发， 到达并附着在基板表面上的一种镀膜技术。
特点：装置便宜、操作简单广泛用于Au、Ag、 Cu、Ni、In、Cr等导体材料。
一 PVD薄膜沉积的基本原理
E-beam蒸发原理
LAB18 Vacuum界面
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五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB18 Deposition界面
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五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB18 腔体内部
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五 纳米加工平台现有设备介绍
LAB 18的性能指标
真空度：2E-7Torr 工艺气体：Ar、O2、N2 衬底升温：450℃ 反溅功率：100W 直流源：500W 射频源：300W 脉冲直流：300W 厚度均匀性：< ±5% 可加工样品尺寸：6寸和4寸每次一片，2寸每