薄膜沉积技术与工艺

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F
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薄膜工艺
薄膜厚度和质量的影响因素
-S
N
残余气体压强 蒸发源的平衡蒸气压 源蒸发速率和淀积速率 蒸发源的温度 衬底位置 衬底温度
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薄膜工艺
电阻加热蒸发装置
-S
原理：利用电流通过加 热源时所产生的焦耳热来 加热蒸发材料 优点：结构简单、装置 便宜、操作方便、蒸发速 率快、广泛用于Au、Ag、 Cu、Ni、In、等材料。 缺点：坩埚或其它加热 体以及支撑部件可能的污 染，不适用于高纯或难熔 物质的蒸发。
-S
N
极佳的台阶覆盖能力
F
薄膜的成分精确可控
F
反应物和副产物为气体
-
薄膜工艺
CVD 的分类
APCVD（常压 CVD） LPCVD（低压 CVD）
PECVD（等离子体增强 CVD）
-S
N
MOCVD（金属有机物 CVD）
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F
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薄膜工艺
APCVD
反应气体
N2 N2 N2
F
N2
N2 N2
常压工作 连续送片 200-400℃工 作 高速N2保护 衬底
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薄膜工艺
简单的蒸发装置
坩锅
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高真空阀 机械泵 高真空泵
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工艺腔 (钟罩)
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载片盘 蒸发金属
-
薄膜工艺
蒸发成膜过程
-S
N
加热源材料，通常至熔点 气化原子或分子从蒸发源向衬底输运 飞到衬底上的原子或分子在表面凝结、成核 核再捕获到飞抵的原子分子或表面扩散原子分子而长大 核与核合成而形成网络结构 网络被填实即生成连续的薄膜。
加工平台
F N
-S
F
薄膜沉积技术与工艺
钟 飞
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薄膜工艺
主要内容
引言 薄膜的一般特性
PVD 原理与工艺 CVD 原理与工艺 氧化 原理与工艺
-S
N
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薄膜工艺
MOS晶体管中的薄膜层
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ILD n+ 多晶硅 n+
氮化硅 氧化层 金属层 氧化层 场氧化层
多晶硅金属 p+ p+
顶部
N
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金属前氧化层 侧壁氧化层 栅氧化层
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N
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薄膜工艺
薄膜测试设备
台阶仪：厚度测试、表面粗糙度测试
膜厚仪：介质薄膜（SiO2、SiNx等）厚度测试 分光光度计：薄膜透射率、反射率测试、光学薄膜测试 其它测试设备：椭偏仪、原子力显微镜、应力测试仪
-S
N
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表面轮廓仪：表面形貌测试、薄膜厚度测试、表面粗糙 度测试
F
-
薄膜工艺
主要内容
薄膜的一般特性
-S
N
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化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 是 指以单独的或综合的利用热能、等离子体放电、紫外光 照射等形式的能量，使气态物质在固体的表面上发生化 学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。
F
定义：
-
薄膜工艺
CVD 传输及反应步骤图
F F
副产物 5)次生分子在 衬底表面扩 6)表面反应 散 衬底
PVD 原理与工艺
-S
N
CVD 原理与工艺
氧化 原理与工艺
F
F
引言
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薄膜工艺
PVD 原理与工艺
PVD 沉积的定义
PVD 沉积的特点和步骤 PVD 沉积的分类
-S
N
14
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F
-
薄膜工艺
PVD 沉积的定义
定义： 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分 子由源转移到衬底表面上的过程。 该过程的实现一般是在真空状态下实现 应用： 金属薄膜的沉积 介质薄膜的沉积
主要内容
薄膜的一般特性
PVD 原理与工艺
-S
N
CVD 原理与工艺
氧化 原理与工艺
F
F
引言
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薄膜工艺
CVD 原理与工艺
CVD 定义和应用 CVD 传输及反应步骤 CVD 特点 CVD分类
-S
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薄膜工艺
CVD 定义
应用： 介质薄膜（例如 SiO2、SiNx等） 半导体薄膜（例如Si、 GaAs、GaN等） 导体薄膜（例如钨）
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-
薄膜工艺
磁控溅射
-S
N
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缺点： 靶耗损不均匀， 寿命短。
F
磁控溅射：电子在近阴极表面沿磁场方向作螺旋运动，碰撞 几率大为增加，离化率显著提高，淀积速率提高数10倍，可 DC也可RF，成为溅射技术主流。工作气压大为降低。
-
薄膜工艺
磁控溅射设备
-S
N
39
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F
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薄膜工艺
磁控溅射设备的性能指标
-S
=
2 1
250 Å
薄膜工艺
薄膜的特性
-S
厚度均匀性 纯度及密度 台阶覆盖能力 高深宽比孔隙的能力 理想配比并可控制 应力控制 电学性质 衬底材料和薄膜附著性
N
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F
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薄膜工艺
薄膜成长阶段
成核
F
衬底
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晶粒聚结 连续薄膜
分子或原 子
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N
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薄膜工艺
薄膜的制备方法
沉积法：外来物质淀积于基底表面形成薄膜。分物理沉积 和化学沉积。 1、化学沉积：源材料通过化学反应生成所需材料沉积到衬 底表面。（气相和液相） 2、物理沉积：源材料直接转移到衬底表面形成薄膜（通常 为气相淀积）。 生长法：如氧化，外来物质与基底材料表面发生反应生成 薄膜
n p−外延层 p+硅衬底
-S
薄膜工艺
主要内容
薄膜的一般特性
PVD 原理与工艺
-S
N
CVD 原理与工艺
氧化 原理与工艺
F
F
引言
-
薄膜工艺
薄膜的一般特性
什么是薄膜
理想的固态薄膜 薄膜的台阶覆盖
-S
N
薄膜的特性 薄膜的生长阶段
薄膜的深宽比
F
F
-
薄膜工艺
理想的固态薄膜
宽度
F
和衬底比较薄膜是非常薄的
-S
气体传送 2. 电场分解反 应物 3. 次生分 子 扩散 4. 次生分子吸 附
RF场
F
副产物 5. 次生分子 扩散入衬 底 衬底
F
7. 副产物脱附 6. 表面反应 下电极
射频输 入 上电极
N
-S
PEVCD 反应器 8. 副产物 去除
抽出
连续薄膜
薄膜工艺
PECVD工作原理
PECVD生长 Si3N4 350℃
F
阴极 (-) + e衬底 阳极(+)
1)
离子
电场产生 Ar+ +
+ + ee-
+
2) 高能Ar+ 离子和 金属靶撞击
进气 氩原子 等离子体
F
3) 将金属原子 从 靶中撞击 4) 金属原子向衬底迁移.
N
电场 5) 金属淀积在衬底上
-S
金属靶 尾气 6) 用真空泵将多余 物质从腔中抽走 DC 直流二极管 溅射装置
离子辅助成膜工艺示意图
-S
N
填充密度提高：折射率 提高 波长漂移减少； 增强了膜层的结合力、 耐摩擦能力、机械强度、 提高表面光洁度； 减少膜层的吸收和散射；
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F
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薄膜工艺
光学镀膜机
-S
N
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F
光学薄膜的镀制是采用电子束蒸发，通过在元件表面沉积 介质材料如SiO2, TiO2等，高折射率的材料和低折射率的材料 交替沉积，产生所需要的干涉效果。
-
薄膜工艺
光学镀膜机主要用途
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高反膜
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减反膜 能量分光膜 其它用途： ITO透明导电膜 非晶硅蒸发 带通滤光片
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光谱分光膜
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薄膜工艺
光学镀膜机主要性能指标
真空度：5E-4Pa 基片最高温度：300℃ 电子枪功率：6KW 可加工样品尺寸：6寸每次6片，4寸每次6片，2寸每次 30片，以及小样品夹具 现有蒸发膜料：SiO2、TiO2、MgF2、 Ta2O5、 Al2O3、 ZrO2、ITO、Si
薄膜工艺
溅பைடு நூலகம்分类
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射频溅射： 可克服直流溅射的缺陷。 电子震荡碰撞，故更有效。较低电 场即可。 射频电场可通过任何阻抗耦合到反 应腔。 自偏压效压：在射频电场中，靶材 会自动处于一个负电位下，导致气体 离子对其产生自发地轰击和溅射。
N
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直流溅射： 工作过程介绍 系统简单 溅射速率大 适用各种金属 ×不能溅射绝缘材料
LAB 18的性能指标 真空度：2E-7Torr 工艺气体：Ar、O2、N2 衬底升温：400℃ 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寸每次5片， LAB18现有靶材 Au、Pt、Ti、Ni、Al、Cr、Ag、 Fe、 Pd、Cu、W、TiN、SiO2、ITO、 AlN、
-S
N
F
F
-
薄膜工艺
溅射原理与工艺
溅射是一个物理过程，而非化学过程。溅射利用高能 粒子在撞击出具有高纯度的靶材料原子，这些被撞击出的 原子穿过真空，最后淀积在衬底上。
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被溅射的 金属原子
N
高能 Ar+ 离子
金属原子
F
阴极(-)
F
0
+
弹回的氩离子和自由电 子复合形成中性原子
薄膜工艺
简单平行金属板直流溅射系统
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连续供片 APCVD反应 器 生长速率快，常用于低温SiO2
N
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加热器
薄膜工艺
LPCVD
三段加热线圈
由真空泵抽出
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工作气压：0.1-10Torr 工作温度：600-900℃ 装片量大、污染小、温度控制均 匀
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热电偶 (外部、控制)
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N
热电偶 (內部)
阀门 气体进入
薄膜工艺
PECVD
1. 反应物进入反应室
CVD反应器优缺点
APCVD
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反应器简单 反应温度低 沉积速率快 均匀性优 台阶覆盖优 产量大
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台阶覆盖差 均匀性差 颗粒污染严重 生长温度高 沉积速率低 针孔密度较高 存在颗粒污染 差的化学配比
优点
缺点
LPCVD
N
PECVD
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生长温度低 沉积速率快 应力可控制
圖 11.8
1)反应物传 输 气体传输
7)副产物的脱附 8)副产物移除 出口 连续薄膜
2)生成次生 分子 3)次生分子 扩散
4)次生分子吸 附
-S
N
CVD反应器
薄膜工艺
CVD 特点
成膜速度快
淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好
可以获得平滑的沉积表面 CVD 某些成膜温度远低于体材料的熔点，可得到高 纯度、结晶完全的膜层
N
薄膜层
衬底
F
厚度
什么是薄膜 相对于体材料而言， 采用特殊的方法， 在体材料的表面沉 积或制备的一层性 质与体材料完全不 同的物质层。
薄膜工艺
薄膜的台阶覆盖
厚度均匀
均匀台阶覆盖
N
-S
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非均匀台阶覆盖
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薄膜工艺
薄膜沉积的深宽比
深度 宽度
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深宽比 =
D 500 Å W
深宽比 =
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500 Å 250 Å
-S
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等离子体的存在可以促进气体分子的分解、化合、 促进反应活性基团（即所谓的次生分子）的生成， 同时为扩散至衬底表面的次生分子提供能量，使得 它们在没有高衬底温度条件下进一步沿表面扩散， 因而某些原来需要在高温下进行的反应过程得以在 低温下实现。 LPCVD生长 Si3N4 750℃
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F
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薄膜工艺
N
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F
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薄膜工艺
E-beam 蒸发装置
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阴极产生 的电子在电场 加速下，获得 足够的动能轰 击处于阳极的 蒸发材料，使 之受热气化
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薄膜工艺
E-beam蒸发装置
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缺点： 化合物受轰击会分解 结构复杂、设备昂贵 电离气体分子，影响膜质量。
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电子束轰击能量密度高，可使熔点3000℃以上的材料熔 化 蒸发速率高，可蒸发：W、Mo等难熔材料； 提高纯度：坩埚用水冷却，避免容器材料的污染及与蒸 发材料的反应 热效率高，热量直接加在蒸发材料表面，热传导和热辐 射损失少
-S
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薄膜工艺
EBE-09的性能指标
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真空度：5E-4Pa 基片最高温度：350℃ 电子枪功率：8KW和6KW 厚度均匀性：< ±5% 可加工样品尺寸：4寸每次1片，2寸每次3片，以及小样 品夹具 现有蒸发源：Au、Ti、Ni、Al、Cr、Ag等
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薄膜工艺
光学镀膜机
-S
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薄膜工艺
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薄膜工艺
ei-5z的性能指标
真空度：5E-4Pa 基片最高温度：300℃ 电子枪功率：4-10KW 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寸每次 180片，以及小样品夹具 现有蒸发源：Au、Ti、Ni、Cr、Au88Ge12、Al
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F
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薄膜工艺
EBE-09电子束蒸发镀膜机
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优点：
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薄膜工艺
电阻式热蒸发
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N
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真空度：5E-4Pa 基片最高温度：200℃ 可加工样品尺寸：2寸 每次1片，以及小样品 可蒸发材料：Al、Au、 In、Ag、Ni等金属
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薄膜工艺
ei-5z 电子束蒸发镀膜机
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薄膜工艺
石英晶体监控系统
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利用石英晶体振荡频率的变化 来测量薄膜的质量厚度，然后根 据相应材料的密度转换显示为几 何厚度。 可监控蒸发速率
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薄膜工艺
-S
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溅射 镀膜
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方法 真空 蒸镀
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
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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
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薄膜工艺
-S
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薄膜工艺
PVD 沉积的特点和步骤
源物质经过物理过程进入气相; 需要相对较低的气体压力环境;
要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质
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薄膜工艺
真空蒸发沉积
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基本原理： 在真空状态下，加热源材料，使原子或分子 从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。 优点： 设备简单、操作容易、薄膜纯度高、成膜速率快 缺点： 薄膜与衬底附着力小、台阶覆盖差