PPT《第五章 物理气相淀积》

第五章 物理气相淀积 物理气相淀积―PVD(physical vapor deposition)―利用某种物理过程(蒸发或溅射),实现物质的转移,即原子或分子由源转移到衬底(硅)表面上,淀积成薄膜.

淀积特点:物理过程 技术: ①真空蒸发:优点:淀积速率较高,相对高的真空度,薄膜质量较好 缺点:台阶覆盖能力差,淀积多元化合金薄膜时,组分难以控制. ②溅射:优点:化学成分易控制,淀积薄层与衬底附着性好. 5.1 真空蒸发的基本原理 材料的三态:solid,liquid,gas;

蒸气:任何温度下,材料表面都存在蒸气;

蒸气压:平衡时的饱和蒸气压;

升华:低于熔化温度时,产生蒸气的过程;

蒸发:熔化时,产生蒸气的过程;

真空蒸发:利用蒸发材料熔化时产生的蒸气进行薄膜淀积;

优点:工艺及设备简单,淀积速率快;

缺点:台阶覆盖差,薄膜与衬底附着力较小,工艺重复性不够理想. 5.1.1 真空蒸发设备 ①真空系统-为蒸发过程提供真空环境;

②蒸发系统-放置蒸发源的装置,以及加热和测温装置;

③基板及加热系统-放置衬底,对衬底加热及测温装置等. 蒸发淀积过程①加热蒸发:加热蒸发源(固态),产生蒸气;

②输运:气化的原子、分子扩散到基片表面;

③淀积:气化的原子、分子在表面凝聚、成核、生长、成膜;

5.1.2 汽化热和蒸汽压汽化热H―使蒸发源材料的原子或分子克服固相(或液相)的原子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获得的能量.H―用来克服凝聚相中原子间的吸引力.饱和蒸汽压P―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压力. 净蒸发:分压P蒸发温度―规定在P=133.3*10-2Pa时的温度. 5.1.3 真空度与分子平均自由程 高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的理由:①被蒸发原子或分子在真空中输运是直线运动(有效的淀积).②真空度太低,残余气体中的氧和水汽,会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化,并使加热的衬底表面发生氧化.③残余气体及所含杂质原子或分子淀积在衬底上,严重影响淀积薄膜质量.蒸发源到放置硅片的基座距离原子或分子平均自由程 ―粒子两次碰撞之间飞行的平均距离. 5.1.4 蒸发速率―蒸发源的温度影响最大 5.1.5 多组分蒸发方法:(按蒸发源分类) ①单源蒸发:具有薄膜组分比例的单一合金靶;

靶源的要求:各组分蒸汽压接近;

②多源同时蒸发:多种靶源,不同温度,同时蒸发;

③多源顺序蒸发:多种靶源,不同温度,顺序蒸发,最后高温退火.工艺关键:根据薄膜组分控制各层厚度;

5.2 蒸发源 (按加热方式分类)①电阻加热源②电子束加热源③高频感应加热源④激光加热源 5.2.1 电阻加热源―利用电流通过加热源时产生的焦耳热来加热蒸发材料 直接加热源:加热体与蒸发源的载体是同一物体;

加热体-W、Mo、石墨.间接加热源:坩埚盛放蒸发源;

坩埚-高温陶瓷、石墨.1.对加热材料的要求:不产生污染 ①熔点高:高于蒸发源的蒸发温度;

②饱和蒸汽压低:低于蒸发源;

③化学性能稳定:不发生化学反应,不形成合金.优点:工艺简单,蒸发速率快;

缺点:难以制备高熔点、高纯度薄膜. 2.蒸发材料对加热材料的 湿润性 湿润性 ―指在高温下,熔化的蒸发材料在加热源的材料上有扩展倾向(易湿润).蒸发材料与加热源材料十分亲合,蒸发状态稳定.尤其丝状加热源.面蒸发C 湿润情况下,材料蒸发面积大且较稳定.点蒸发―湿润较差情况下. 5.2.2 电子束蒸发源 原理:电场作用下,电子获得动能轰击阳极蒸发材料,使其加热气化.特点: 淀积高熔点、 高纯薄膜. 优点: ①蒸发温度高(能量密度高于电阻源);