第四章薄膜生长技术4.1.1蒸发概念与机理4.1.2常用蒸发技术4.1.3溅射概念与机理4.1.4常用溅射技术4.1物理淀积：蒸发和溅射主要内容薄膜制造物理淀积化学淀积CVD蒸发Evaporation溅射SputteringAPCVDLPCVDHDCVDVPEElse4.1.1蒸发概念与机理1.基本原理热蒸发法：在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜。优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。平衡蒸汽压在一定环境温度T下，真空室内从固体物质表面蒸发出来的气体分子与该气体分子从空间回到该物质表面的过程达到平衡时的压力称为平衡蒸汽压。右图为不同元素的平衡蒸汽压与温度的函数关系，平衡蒸汽压与蒸发淀积速率密切相关。液相条件下，蒸汽压为了得到合适的淀积速率，样品蒸汽压至少应为10mTorr。NkTHveeTP/2/12/3121032.淀积速率当将坩埚和晶圆片放在同一个球表面上时，推导可得淀积速率2242rATPkMRed蒸发材料温度腔体形状一个典型的蒸发淀积设备虚拟源为得到高淀积速率，蒸发台通常用很高的坩埚温度工作，因而，在紧靠坩埚上方区域，蒸发气压达到足够高，以致使这个区域处于粘滞流动状态，在此区域内工作会导致蒸发材料凝聚成小液滴，如果这些液滴到达并附着于晶圆片表面，将使薄膜表面形貌变差。在此范围内工作时，因为坩埚上方某一距离处形成了虚拟源，也会影响到淀积的均匀性。为了获得好的均匀性，蒸发器必须在低淀积速率下进行，同时为了避免薄膜玷污需要很高的真空。淀积速率的测量淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量。所用器件为一个谐振板，它可以在谐振频率下振荡，工作时测量其振荡频率。原理：因为晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测得的频率移动可得出淀积速率。淀积足够厚的材料后，谐振频率会移动几个百分点，振荡器便会失效，不再出现尖锐谐振。将频率测量系统的输出与机械挡板的控制相连，淀积层厚度可以在很宽的淀积速率范围内得到很好的控制。同时可以将淀积厚度的时间速率变化反馈给坩埚的温度控制，以得到恒定的淀积速率。3.台阶覆盖蒸发的一个重要限制是台阶覆盖特性不好。右图所示的为接触孔断面的蒸发淀积过程。这种高度差的形貌会投射出一定的阴影区域，在接触孔的一边，薄膜通常是不连续的。当淀积连续进行时，在绝缘层顶部生长的薄膜使得阴影区边缘向上移动。台阶覆盖问题对于金属化层来说尤其严重，若不采用平面化技术，所累积的形貌高差会十分严重。台阶覆盖特性改善办法一、蒸发过程中旋转晶圆片蒸发台内用于承载晶圆片的半球形夹具，被设计成能使晶圆片环绕蒸发器顶部转动。虽然此时侧壁上的淀积速率仍低于平坦表面，但已经可以实现轴向均匀。接触孔的形状比定义为标准的蒸发工艺不能在纵横比大于1.0的图形上形成连续薄膜，纵横比在0.5与1.0之间时也很勉强。二、加热晶圆片加热晶圆片使得到达晶圆片的原子在它们化学成键之前能够沿表面扩散，这种随机运动导致原子进入淀积速率较低的区域，类似于以前讲过的体扩散，表面扩散系数可以表示为扩散的特征长度台阶直径台阶高度ARkTESaeDD0sSDL4.1.2常用蒸发技术1）电阻加热将高熔点材料（W,Mo,Ta,Nb）制成的加热丝或者舟通上直流电，利用欧姆热加热并蒸发材料。局限性：灯丝的蒸发和出气会造成污染。蒸发难熔金属，常常没有合适的电阻加热元件2）电感加热通过高频电磁场感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，直至蒸发材料气化蒸发。蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成。蒸发速率大，可采用较大坩埚，增加蒸发表面；蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象；温度控制精度高，操作比较简单；大功率高频电源，价格昂贵，且需要进行屏蔽，防止外界的电磁干扰。电感加热可以用来蒸发难熔材料，但是坩埚本身材料的玷污仍是一个严重的问题。3）电子束蒸发用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料。上图右图中，材料置于冷却的坩埚内，因为只有小块区域被电子束轰击，坩埚内部形成一个虚的“坩埚”，所以不会与坩埚材料交叉...
