硅集成电路工艺基础：第五章 物理气相沉积

单晶薄膜：外延生长GaAs薄膜 多晶薄膜： ZnO,ITO 无序薄膜：a-Si,SiO2
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 衬底 衬底
5.0.3 真空的获得
n – 气体分子的密度 v – 平均速度
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）
当转子达到一定位置时，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。
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置以实现电激活
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，
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 。
定子置于油箱中，油起到密切、 润滑与冷却的作用。
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。
大晶格失配和大界面能材料体系 的三维岛状生长
Volmer-Weber (VW) Mode Island Growth ( 3D )
大晶格失配和较小界面能材料体系 由层状过渡到岛状生长
Stranski-Krastanov (SK) Mode Layer Plus Island Growth( 2D-3D )
离子源；提取电极；磁分析器；后加速器；等离子体溢注系统；底部 分析器。
上节课内容小结
物理气相沉积
PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:
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。
薄膜生长的三种生长模式：
二维层状、三维岛状、先层状后岛状生长
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:
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
按结构:
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
能量
扩散、吸附、凝 结成薄膜
物质输运 能量输运
块状材料 (靶材)
残留气体对薄膜生长的影响
Substrate
生长材料的分子 残留气体的分子
残留气体在衬底上 形成一单原子层所需时间
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
常用真空泵的汉语拼音代号及名称
代号 W D X H ZJ YZ L XD F K
名称 往复真空泵 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 油扩散真空泵
Pressure (Torr) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
Time
0.02 s 0.2 s 2s 20 s 3 min 35 min 6 hr 3 days
PVD的一般特性
物理吸附 比外延生长速率快很多 衬底与薄膜材料，可异质生长 厚度范围:
代号 Z S LF GL DZ DG IF SZ PS P
名称 油扩散喷射泵（油增压泵） 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 水蒸气喷射泵
旋片式机械泵原理
旋片式机械泵通常由转子、定子、 旋片等结构构成。
偏心转子置于定子的圆柱形空腔 内切位置上，空腔上连接进气管 和出气阀门。
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
退火时间短(10-3-102秒)
上节课内容小结
离子注入系统
♣气体系统 特殊的传送系统来操作危险气体；用氩气来净化系统及校准离子束。
♣电控系统 高压系统（离子能量，从而控制结深）；射频系统（一些离子源需要
用射频电源来产生离子ห้องสมุดไป่ตู้。 ♣真空系统
需要高真空来加速离子以及减少碰撞；真空度为10-5-10-7 torr；使用分 子泵和低温泵；排空系统。 ♣离子束线控制
上节课内容小结
真空
真空的划分：低真空、高真空、超高真空
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