微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积

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1、第六讲薄膜工艺之物理气相淀积主讲人：李方强8/14/202111引言在集成电路制造工艺中，常常需要在硅片的表面淀积各种固体薄膜。薄膜厚度一般在纳米到微米的数量级，薄膜材料可以是金属、半导体或绝缘体。淀积薄膜的主要方法热氧化（干法氧化、湿法氧化、加氯氧化等）物理淀积（真空蒸发镀膜、溅射镀膜、分子束外延等）化学汽相淀积（CVD）（常压CVD、低压CVD、等离子增强CVD、汽相外延等）外延生长（同质外延、异质外延、正外延、反外延）8/14/20212薄膜的生长三阶段晶核的形成聚集成束形成连续膜8/14/20213薄膜特性要求1、台阶的覆盖能

2、力2、低的膜应力3、高的深宽比间隙填充能力4、大面积薄膜厚度的均匀性5、大面积薄膜的介电电学折射率特性6、高纯度和高密度7、与衬底或下层膜有好的粘附能力8/14/202148/14/202158/14/202168/14/202178/14/202188/14/202198/14/202110薄膜工艺主要内容一、物理气相淀积二、化学气相淀积三、外延生长技术8/14/202111一、物理气相淀积（PVD）1真空蒸发法原理2设备与方法3加热器4气体辉光放电5溅射12物理气相淀积：利用某种物理过程，如用真空蒸发和溅射方法实现物质转移，即

3、原子或分子由源转移到衬底(硅)表面淀积成薄膜。包含两种工艺方法：真空蒸发（高真空）；溅射（等离子体辉光放电）。PVD常用来制备金属薄膜:如Al,Au,Pt,Cu，合金及多层金属。物理气相淀积定义131真空蒸发法制备薄膜的基本原理真空蒸发即利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。1在真空条件下；2加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出；3形成蒸汽流并入射到硅片衬底表面凝结形成固态薄膜。这种物理淀积方法，制备的一般是多晶金属薄膜。14真空蒸发法的特点优点：设备简单，操作容易所制备的薄膜纯度较高，厚度控制较精确，成膜速率快生长

4、机理简单缺点：所形成的薄膜与衬底附着力较小工艺重复性不够理想台阶覆盖能力差较薄厚度的工艺，已被溅射法和化学气相淀积法所代替8/14/202115蒸镀过程源受热蒸发；气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运；被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积：凝结→成核→生长→成膜。161.1基本参数汽化热ΔH被蒸发的原子或分子需克服固相或液相的原子间束缚，而蒸发到真空中并形成具有一定动能的气相原子或分子所需的能量。常用金属材料汽化热/原子（分子）在蒸发温度下的动能/原子（分子）饱和蒸汽压P在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的

5、压力蒸发温度在饱和蒸汽压为133.3*10-2Pa时所对应的物质温度17蒸发速率蒸发速率和温度、蒸发面积、表面的清洁程度、加热方式有关，工程上将源物质、蒸发温度和蒸发速率之间关系绘成为诺漠图。蒸汽压8/14/202118蒸镀为什么要求高真空度蒸发的原子（或分子）的输运应为直线，真空度过低，输运过程被气体分子多次碰撞散射，方向改变，动量降低，难以淀积到衬底上。真空度过低，气体中的氧和水汽，使金属原子或分子在输运过程中氧化，同时也使加热衬底表面发生氧化。系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，影响淀积薄膜质量。191.2真空的获得初真

6、空：0.1~760Torr，10~105Pa中真空：10-4~10-1Torr，10-2~10Pa高真空：10-8~10-4Torr，10-6~10-2Pa超高真空：<10-8Torr，<10-6Pa1atm=760Torr，1Torr=133.3Pa半导体工艺设备一般工作在初、中真空度。而在通入工作气体之前，设备先抽至高、超高真空度。20气体流动及导率----气体动力学气流用标准体积来测量，指相同气体,在0℃和1atm下所占的体积。阀门质量流速qm(g/s)：气体流量Q(L·atm/min)：G----在体积V内气体的质量ρ----

7、质量密度21C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加若大量气体流过真空系统，要保持腔体压力接近泵的压力，就要求真空系统有大的传导率----管道直径；泵放置位置泵入口压力气体传导率C泵的抽速Sp----体积置换率8/14/2021221.3真空泵初、中真空度的获得用活塞/叶片/柱塞/隔膜的机械运动将气体正向移位有三步骤：捕捉气体-压缩气体-排出气体压缩比23旋片泵旋片泵主要由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。其结构是利用偏心地装在定子腔内的转子和转子槽内滑动的借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁的两块旋片，当转子旋转时，始终沿定子内壁

8、滑动。旋片泵工作原理图1-泵体;2-旋片;3-转子;4-弹簧;5-排气阀两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成A、B、C三个部分，不断地进行着吸气、压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的。8/14/202