薄膜沉积技术及工艺

- 电阻加热蒸发装置 F F
薄膜工艺
- E-beam 蒸发装置
F 阴极产生
的电子在电场 加速下，获得 足够的动能轰
F 击处于阳极的
蒸发材料，使
- S N 之受热气化
薄膜工艺
-E-beam蒸发装置
F 优点：
¾电子束轰击能量密度高，可使熔点3000℃以上的材料熔
F 化
¾蒸发速率高，可蒸发：W、Mo等难熔材料； ¾提高纯度：坩埚用水冷却，避免容器材料的污染及与蒸
从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。
F ¾优点： 设备简单、操作容易、薄膜纯度高、成膜速率快 ¾缺点：
- S N 薄膜与衬底附着力小、台阶覆盖差
薄膜工艺
-简单的蒸发装置
坩锅
载片盘
F 蒸发金属
工艺腔
F(钟罩)
高真空阀
- S N 高真空泵
机械泵
薄膜工艺
-蒸发成膜过程
¾加热源材料，通常至熔点
F
- S N In、Ag、Ni等金属
24
薄膜工艺
- ei-5z 电子束蒸发镀膜机
F
F
-SN
25
薄膜工艺
- 石英晶体监控系统
F
F ¾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。
- S N ¾可监控蒸发速率
薄膜工艺
- ei-5z的性能指标
¾真空度：5E-4Pa
加工平台
-
F薄膜沉积技术与工艺
F 钟飞
-SN
薄膜工艺
-主要内容
¾ 引言
F
¾ 薄膜的一般特性 ¾ PVD 原理与工艺
F
¾ CVD 原理与工艺
- S N ¾ 氧化 原理与工艺
薄膜工艺
-
- MOS晶体管中的薄膜层
顶部
F
氮化硅
F 氧化层
金属层
ILD
氧化层
多晶硅
场氧化层
多晶硅金属
n+
金属前氧化层 侧壁氧化层
¾ 引言
F ¾ 薄膜的一般特性 F ¾ PVD 原理与工艺
¾ CVD 原理与工艺
- S N ¾ 氧化 原理与工艺
薄膜工艺
-PVD 原理与工艺
F ¾ PVD 沉积的定义 F ¾ PVD 沉积的特点和步骤
- S N ¾ PVD 沉积的分类
14
薄膜工艺
-PVD 沉积的定义
定义：
F
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。
Байду номын сангаас
¾真空度：5E-4Pa
F ¾基片最高温度：350℃
¾电子枪功率：8KW和6KW ¾厚度均匀性：< ±5%
F ¾可加工样品尺寸：4寸每次1片，2寸每次3片，以及小样
F 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
N 介质薄膜的沉积 - S 15
薄膜工艺
- PVD 沉积的特点和步骤
F ¾源物质经过物理过程进入气相; F ¾需要相对较低的气体压力环境;
- S N ¾要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质
薄膜工艺
-真空蒸发沉积
¾基本原理：
F 在真空状态下，加热源材料，使原子或分子
¾ 衬底位置
- S N ¾ 衬底温度
薄膜工艺
¾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 ¾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。 ¾缺点：坩埚或其它加热 体以及支撑部件可能的污
N 染，不适用于高纯或难熔 - S 物质的蒸发。
薄膜工艺
厚度 宽度
和衬底比较薄膜是非常薄的 薄膜层
- S N 衬底
F
-理想的固态薄膜 F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
F
F
- S N 均匀台阶覆盖
非均匀台阶覆盖
薄膜工艺
- 薄膜沉积的深宽比
薄膜工艺
-薄膜测试设备
F ¾台阶仪：厚度测试、表面粗糙度测试
F ¾表面轮廓仪：表面形貌测试、薄膜厚度测试、表面粗糙
度测试
¾膜厚仪：介质薄膜（SiO2、SiNx等）厚度测试 ¾分光光度计：薄膜透射率、反射率测试、光学薄膜测试
- S N ¾其它测试设备：椭偏仪、原子力显微镜、应力测试仪
薄膜工艺
-主要内容
F ¾气化原子或分子从蒸发源向衬底输运
¾飞到衬底上的原子或分子在表面凝结、成核 ¾核再捕获到飞抵的原子分子或表面扩散原子分子而长大
¾核与核合成而形成网络结构
- S N ¾网络被填实即生成连续的薄膜。
薄膜工艺
- 薄膜厚度和质量的影响因素
¾ 残余气体压强
F
¾ ¾ ¾
F 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
分子或原 子
F
成核
F晶粒聚结
连续薄膜
- S N衬底
薄膜工艺
-薄膜的制备方法
F ¾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。
F 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）。
N ¾生长法：如氧化，外来物质与基底材料表面发生反应生成 - S 薄膜
F
¾基片最高温度：300℃
¾电子枪功率：4-10KW
F ¾厚度均匀性：< ±5%
¾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
- S N ¾现有蒸发源：Au、Ti、Ni、Cr、Au88Ge12、Al
薄膜工艺
- EBE-09电子束蒸发镀膜机
F
F
-SN
薄膜工艺
- EBE-09的性能指标
深度 深宽比 = 宽度
F 深宽比 = 500 Å = 2
250 Å
1
F
D
- S NW
500 Å
250 Å
薄膜工艺
-薄膜的特性
¾ 厚度均匀性
F
F ¾ 纯度及密度
¾ 台阶覆盖能力 ¾ 高深宽比孔隙的能力
¾ 理想配比并可控制 ¾ 应力控制
N ¾ 电学性质 - S ¾ 衬底材料和薄膜附著性
薄膜工艺
-薄膜成长阶段
S N栅氧化层
n+
p+
p−外延层 p+硅衬底
p+
n
薄膜工艺
-主要内容
¾ 引言
F ¾ 薄膜的一般特性 F ¾ PVD 原理与工艺
¾ CVD 原理与工艺
- S N ¾ 氧化 原理与工艺
薄膜工艺
-薄膜的一般特性
¾ 什么是薄膜
F
F ¾ 理想的固态薄膜
¾ 薄膜的台阶覆盖
¾ 薄膜的深宽比 ¾ 薄膜的特性
- S N ¾ 薄膜的生长阶段
发材料的反应
¾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
N 缺点：
¾化合物受轰击会分解
S ¾结构复杂、设备昂贵 -¾电离气体分子，影响膜质量。
薄膜工艺
-电阻式热蒸发
F
¾真空度：5E-4Pa ¾基片最高温度：200℃ ¾可加工样品尺寸：2寸
F
每次1片，以及小样品 ¾可蒸发材料：Al、Au、