薄膜沉积技术与工艺

薄膜沉积技术与工艺加工平台钟飞-SNFF-薄膜工艺主要内容¾引言¾薄膜的一般特性¾PVD原理与工艺¾CVD原理与工艺¾氧化原理与工艺-SNFF-薄膜工艺MOS晶体管中的薄膜层p+硅衬底p−外延层场氧化层n+n+p+p+nILD氧化层氧化层氮化硅顶部栅氧化层侧壁氧化层金属前氧化层多晶硅金属层多晶硅金属-SNFF-薄膜工艺主要内容¾引言¾薄膜的一般特性¾PVD原理与工艺¾CVD原理与工艺¾氧化原理与工艺-SNFF-薄膜工艺¾什么是薄膜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¾薄膜的生长阶段薄膜的一般特性-SNFF-薄膜工艺理想的固态薄膜衬底薄膜层宽度厚度和衬底比较薄膜是非常薄的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。-SNFF-薄膜工艺薄膜的台阶覆盖均匀台阶覆盖非均匀台阶覆盖厚度均匀-SNFF-薄膜工艺薄膜沉积的深宽比500ÅD250ÅW=21深宽比=500Å250Å深宽比=深度宽度-SNFF-薄膜工艺薄膜的特性¾厚度均匀性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¾电学性质¾衬底材料和薄膜附著性-SNFF-薄膜工艺薄膜成长阶段连续薄膜分子或原子成核晶粒聚结衬底-SNFF-薄膜工艺薄膜的制备方法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。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）。¾生长法：如氧化，外来物质与基底材料表面发生反应生成薄膜-SNFF-薄膜工艺薄膜测试设备¾台阶仪：厚度测试、表面粗糙度测试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¾其它测试设备：椭偏仪、原子力显微镜、应力测试仪-SNFF-薄膜工艺主要内容¾引言¾薄膜的一般特性¾PVD原理与工艺¾CVD原理与工艺¾氧化原理与工艺-SNFF-薄膜工艺14PVD原理与工艺¾PVD沉积的定义¾PVD沉积的特点和步骤¾PVD沉积的分类-SNFF-薄膜工艺15PVD沉积的定义定义：物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,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。该过程的实现一般是在真空状态下实现应用：金属薄膜的沉积介质薄膜的沉积-SNFF-薄膜工艺PVD沉积的特点和步骤¾源物质经过物理过程进入气相;¾需要相对较低的气体压力环境;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-SNFF-薄膜工艺¾基本原理：在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。¾优点：设备简单、操作容易、薄膜纯度高、成膜速率快¾缺点：薄膜与衬底附着力小、台阶覆盖差真空蒸发沉积-SNFF-薄膜工艺简单的蒸发装置机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘-SNFF-薄膜工艺蒸发成膜过程¾加热源材料，通常至熔点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¾网络被填实即生成连续的薄膜。-SNFF-薄膜工艺薄膜厚度和质量的影响因素¾残余气体压强¾蒸发源的平衡蒸气压¾源蒸发速率和淀积速率¾蒸发源的温度¾衬底位置¾衬底温度-SNFF-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染，不适用于高纯或难熔物质的蒸发。电阻加热蒸发装置-SNFF-薄膜工艺阴极产生的电子在电场加速下，获得足够的动能轰击处于阳极的蒸发材料，使之受热气化E-beam蒸发装置-SNFF-薄膜工艺优点：¾电子束轰击能量密度高，可使熔点3000℃以上的材料熔化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缺点：¾化合物受轰击会分解¾结构复杂、设备昂贵¾电离气体分子，影响膜质量。E-beam蒸发装置-SNFF-薄膜工艺24电阻式热蒸发¾真空度：5E-4Pa¾基片最高温度：200℃¾可加工样品尺寸：2寸每次1片，以及小样品¾可蒸发材料：Al、Au、In、Ag、Ni等金属-SNFF-薄膜工艺25ei-5z电子束蒸发镀膜机-SNFF-薄膜工艺石英晶体监控系统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。¾可监控蒸发速率-SNFF-薄膜工艺¾真空度：5E-4Pa¾基片最高温度：300℃¾电子枪功率：4-10KW¾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¾现有蒸发源：Au、Ti、Ni、Cr、Au88Ge12、Alei-5z的性能指标-SNFF-薄膜工艺EBE-09电子束蒸发镀膜机-SNFF-薄膜工艺¾真空度：5E-4Pa¾基片最高温度：350℃¾电子枪功率：8KW和6KW¾厚度均匀性：±5%¾可加工样品尺寸：4寸每次1片，2寸每次3片，以及小样品夹具¾现有蒸发源：Au、Ti、Ni、Al、Cr、Ag等EBE-09的性能指标-SNFF-薄膜工艺光学镀膜机-SNFF-薄膜工艺离子辅助成膜工艺示意图¾填充密度提高：折射率提高¾波长漂移减少；¾增强了膜层的结合力、耐摩擦能力、机械强度、提高表面光洁度；¾减少膜层的吸收和散射；-SNFF-薄膜工艺光学薄膜的镀制是采用电子束蒸发，通过在元件表面沉积介质材料如SiO2,TiO2等，高折射率的材料和低折射率的材料交替沉积，产生所需要的干涉效果。光学镀膜机-SNFF-薄膜工艺光学镀膜机主要用途减反膜高反膜能量分光膜带通滤光片光谱分光膜其它用途：ITO透明导电膜非晶硅蒸发-SNFF-薄膜工艺光学镀膜机主要性能指标¾真空度：5E-4Pa¾基片最高温度：300℃¾电子枪功率：6KW¾可加工样品尺寸：6寸每次6片，4寸每次6片，2寸每次30片，以及小样品夹具¾现有蒸发膜料：SiO2、TiO2、MgF2、Ta2O5、Al2O3、ZrO2、ITO、Si-SNFF-薄膜工艺溅射原理与工艺溅射是一个物理过程，而非化学过程。溅射利用高能粒子在撞击出具有高纯度的靶材料原子，这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在衬底上。+0高能Ar+离子被溅射的金属原子金属原子阴极(-)弹回的氩离子和自由电子复合形成中性原子-SNFF-薄膜工艺简单平行金属板直流溅射系统尾气e-e-e-DC直流二极管溅射装置衬底1)电场产生Ar+离子2)高能Ar+离子和金属靶撞击3)将金属原子从靶中撞击阳极(+)阴极(-)氩原子电场金属靶等离子体5)金属淀积在衬底上6)用真空泵将多余物质从腔中抽走4)金属原子向衬底迁移.进气+++++-SNFF-薄膜工艺直流溅射：¾工作过程介绍¾系统简单¾溅射速率大¾适用各种金属×不能溅射绝缘材料射频溅射：¾可克服直流溅射的缺陷。¾电子震荡碰撞，故更有效。较低电场即可。¾射频电场可通过任何阻抗耦合到反应腔。¾自偏压效压：在射频电场中，靶材会自动处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发地轰击和溅射。溅射分类-SNFF-薄膜工艺磁控溅射：电子在近阴极表面沿磁场方向作螺旋运动，碰撞几率大为增加，离化率显著提高，淀积速率提高数10倍，可DC也可RF，成为溅射技术主流。工作气压大为降低。磁控溅射缺点：靶耗损不均匀，寿命短。-SNFF-薄膜工艺39磁控溅射设备-SNFF-薄膜工艺LAB18的性能指标¾真空度：2E-7Torr¾工艺气体：Ar、O2、N2¾衬底升温：400℃¾反溅功率：100W¾直流源：500W¾射频源：300W¾脉冲直流：300W¾厚度均匀性：±5%¾可加工样品尺寸：6寸和4寸每次一片，2寸每次5片，¾LAB18现有靶材Au、Pt、Ti、Ni、Al、Cr、Ag、Fe、Pd、Cu、W、TiN、SiO2、ITO、AlN、磁控溅射设备的性能指标-SNFF-薄膜工艺方法优点缺点真空蒸镀工艺简便，纯度高，通过掩膜易于形成所需要的图形蒸镀化合物时由于热分解现象难以控制组分比，低蒸气压物质难以成膜溅射镀膜附着性能好，易于保持化合物、合金的组分比需要溅射靶，靶材需要精制，而且利用率低，不便于采用掩膜沉积-SNFF-薄膜工艺主要内容¾引言¾薄膜的一般特性¾PVD原理与工艺¾CVD原理与工艺¾氧化原理与工艺-SNFF-薄膜工艺CVD原理与工艺¾CVD定义和应用¾CVD传输及反应步骤¾CVD特点¾CVD分类-SNFF-薄膜工艺CVD定义应用：介质薄膜（例如SiO2、SiNx等）半导体薄膜（例如Si、GaAs、GaN等）导体薄膜（例如钨）定义：化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是指以单独的或综合的利用热能、等离子体放电、紫外光照射等形式的能量，使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。-SNFF-薄膜工艺CVD传输及反应步骤图CVD反应器衬底连续薄膜8)副产物移除1)反应物传输副产物2)生成次生分子3)次生分子扩散4)次生分子吸附5)次生分子在衬底表面扩散6)表面反应7)副产物的脱附出口气体传输圖11.8-SNFF-薄膜工艺CVD特点¾反应物和副产物为气体¾成膜速度快¾薄膜的成分精确可控¾淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好¾极佳的台阶覆盖能力¾可以获得平滑的沉积表面¾CVD某些成膜温度远低于体材料的熔点，可得到高纯度、结晶完全的膜层-SNFF-薄膜工艺¾APCVD（常压CVD）¾LPCVD（低压CVD）¾PECVD（等离子体增强CVD）¾MOCVD（金属有机物CVD）CVD的分类-SNFF-薄膜工艺APCVD连续供片APCVD反应器反应气体加热器衬底N2N2N2N2N2N2常压工作连续送片200-400℃工作高速N2保护生长速率快，常用于低温SiO2-SNFF-薄膜工艺LPCVD三段加热线圈热电偶(外部、控制)阀门由真空泵抽出气体进入热电偶(內部)工作气压：0.1-10Torr工作温度：600-900℃装片量大、污染小、温度控制均匀-SNFF-薄膜工艺PECVD射频输入PEVCD反应器连续薄膜8.副产物去除1.反应物进入反应室衬底2.电场分解反应物3.次生分子扩散4.次生分子吸附5.次生分子扩散入衬底6.表面反应7.副产物脱附抽出气体传送副产物下电极上电极RF场-SNFF-薄膜工艺PECVD工作原理等离子体的存在可以促进气体分子的分解、化合、促进反应活性基团（即所谓的次生分子）的生成，同时为扩散至衬底表面的次生分子提供能量，使得它们在没有高衬底温度条件下进一步沿表面扩散，因而某些原来需要在高温下进行的反应过程得以在低温下实现。LPCVD生长Si3N4750℃PECVD生长Si3N4350℃-SNFF-薄膜工艺CVD反应器优缺点优点缺点应用APCVD反应器简单反应温度低沉积速率快台阶覆盖差均匀性差颗粒污染严重低温氧化层LPCVD均匀性优台阶覆盖优产量大生长温度高沉积速率低氧化硅氮化硅多晶硅、钨硅等PECVD生长温度低沉积速率快应力可控制针孔密度较高存在颗粒污染差的化学配比氧化硅氮化硅非晶硅-SNFF-薄膜工艺PECVD设备‡OxfordSystem100-SNFF-薄膜工艺PECVDSystem100的结构在上电极上提供两种不同的工作频率基片置于下电极,没有DCBIAS产生0.5—2.5T的工作压力工作气体从上电极的SHOWERHEAD上导入残余气体从下电极处抽离-SNFF-薄膜工艺PECVD中的化学反应PECVDNitride:SiHx+NHxÎSiNx(+H2)orSiHx+NÎSiNx(+H2)PECVDSiOx:SiHx+N2OÎSiOx(+H2+N2)P