《薄膜成膜技术》PPT课件

第四章薄膜成膜技术本章重点介绍了常用的薄膜材料性能；干式薄膜成膜方法；电路图形形成技术等。常用薄膜材料一、薄膜导体材料导体薄膜的主要用途是形成电路图形，为半导体元件、半导体芯片、电阻、电容等电路部件提供电极及相互引线，以及金属化等。应具有以下特性：a.电导率要高；b.对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接；c.热导率高、机械强度高；d.置于高温状态，电气特性也不发生变化；e.附着力大，成膜及形成图形容易；f.可进行选择性刻蚀；g.可进行Au丝、Al丝引线键合及焊接等加工。1)AgAg具有最高的电导率；与氧化铝陶瓷及玻璃的附着性好于Au易形成硫化物污染膜，易形成氧化银大电流下，易发生电迁移，抗焊锡浸蚀性差2)Au导电好，不易氧化，抗蚀性好，电迁移效应弱对于任何基片没有直接的附着能力，只能用一些中间层来改善，如用铬，镍铬，钛，钨等打底。电迁移：金属原子在电流作用下产生的定向迁移，其结果是在导线中产生原子堆积形成的小丘或原子缺乏形成的空洞，造成电路短路或开路。3)Cu导电性仅次于Ag,熔点高，与氧化铝基片附着好，当各种自然条件变化时，仍保持附着性几乎能被用于所有合金材料中，生产成本低；抗电迁移性能最好4)Al迄今为止，Al在薄膜导体中应用最普遍对基片，介质，半导体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面附着良好熔化温度低(659.7摄氏度)，能用相对较低的工艺温度沉积键合性良好电迁移效应严重实际上，采用单一导体很难满足所有要求，构成电子电路往往需要多种导体膜的组合。5)Cr-AuCr-Au与玻璃间具有良好的附着性，无论对P型还是N型Si均能形成欧姆接触，因此也常用作SiIC工艺中Al导线的替代；其成膜方法有两种，一是将基板加热到250摄氏度，依次真空蒸镀Cr和Au,二是采用溅射法沉积。Cr-Au可能引起的可靠性问题是Cr向Au中扩散，由此会引起电阻增加。6)NiCr-Au薄膜导体中应用最广泛的是NiCr-Au,其构成是先蒸镀0.1微米的NiCr合金膜，再蒸镀0.1微米的Au这种膜层在200~400摄氏度的干燥氮气中放置24小时，阻值会有明显增加7)Ti-Au以Ti为底层的Ti-Au，对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力。在250~350摄氏度的温度下就形成化合物，使Ti膜特性变差，造成阻值增加，因此，常在Au与Ti之间加入Pt阻挡层。二、常用薄膜电阻材料薄膜电阻用原材料的电阻率多分布在范围内，通常由此做成方阻值为的薄膜方电阻。以下的低方阻值电阻需求不多，为了获得高方阻值的薄膜电阻，或增加电阻膜长度，或减少电阻膜厚度。电阻体薄膜实际使用的TCR应在以下，且电性能稳定。1)Ni-Cr迄今为止用作电阻最好的材料。不论在氧化铝陶瓷还是玻璃基片上，都非常稳定。也不会发生调阻后的阻值漂移；真空蒸发中，Ni与Cr蒸发压力之间存在相当大差异，因为Cr的高蒸发压力，其占据的组分随沉积时间增长而变大。故常采用溅射技术沉积。2)TaN采用溅射方法，在干燥的氮气环境下进行；电阻值范围宽，可达；工作条件下具有长期的稳定性。三、常用薄膜介质材料Ta材料用于电容器材料已有几十年历史，其特点是容量大，稳定性高；溅射Ta膜经阳极氧化形成TaO,且整个电路的电阻器和电容器和引线都钽膜化，制造工艺简单，提高了可靠性，降低了成本。薄膜成膜方法相对于厚膜，薄膜成膜方法很多，分类方法也不一样。一种是按干式和湿式分类。在干式中，有以真空蒸镀、溅射蒸镀、离子镀为代表的物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等；湿式中有电镀、化学镀、阳极氧化等。1)真空蒸发(镀)及溅射法真空蒸发是将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸气原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜。这种方法主要用于Au,Cu,Ni,Cr等导体材料及电阻材料的成膜。溅射镀是将放电气体导入真空，在辉光放电下产生正离子加速轰击处于阴极的靶材，使溅射出的原子沉积于基板上。这种方法一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及合金材料的成膜。2)CVD法CVD法泛指气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程。该化学反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散，气态化合物和基板表面的反应，气态化合物的分解，或者气态化合物之间的反应等。CVD法成膜材料范围广泛，除碱金属，碱土金属之外，几乎所有的材料均可以成膜，特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能的膜的沉积。3)电镀和化学镀电镀和化学镀是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法。对于电镀来说，促进析出的还原能量由外部电源提供；对于化学镀来说，需要添加还原剂。电镀或化学镀的特点是，可对大尺寸基板批量成膜，与其他成膜方法相比，设备投资低，但需要考虑环境保护问题。本课程重点讲述干式成膜法中的真空蒸发和离子溅射。一、真空蒸发具体作法是使用真空机组把淀积室内的压强降到托以下，然后采用电阻加热，电子轰击等方法通过高熔点材料制成的蒸发源或直接把蒸发料加热到使大量原子或分子离开其表面，并淀积到基片上。“托”是表示真空度大小的单位。真空是指低于1标准大气压的气态空间，用真空度来表征。真空度与气压是同一物理概念，真空度越高，气压越小，真空度越低，气压越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即760毫米汞柱。(1大气压=1.01*pa,1托=1/760大气压=133.332pa)1)蒸发系统蒸发系统的主要部分有：a.真空容器，为蒸发过程提供了相应的环境；b.蒸发源，被蒸发材料被置于此处并加热；c.基片，在它上面形成蒸发料淀积层；d.基片夹持器；e.加热器2)理论基础真空蒸发的具体过程可分为三个阶段：从蒸发源开始的热蒸发；蒸发料原子或分子从蒸发源向基片渡越；蒸发料原子或分子淀积在基片上。a.粒子的平均自由程与源基距真空室中蒸发料被加热蒸发，动能大的原子或分子克服内聚力而逸出蒸发料表面。此时，真空室中有两种粒子，一种是蒸发物质的原子或分子，另一种是残余气体分子。它们处在不断不规则运动状态之下，既彼此碰撞，也与室壁碰撞。单位体积中粒子数n越多，相互碰撞的机会也越多，平均自由程就越短。为了降低碰撞所带来的对淀积薄膜的污染和提高膜对基片的附着力，要求粒子的平均自由程远大于蒸发源与基片之间的距离(源—基距)，即每个粒子平均在单位时间内与其他粒子相碰的次数，称为粒子的碰撞频率,它除了与n有关以外，还与粒子的直径和平均运动速率有关。如果近似把粒子看成弹性球，它的有效直径为，则粒子的碰撞频率为：(1)因为所以平均自由程为(2)可见，平均自由程仅与粒子的浓度和大小有关，与平均速度无关。由理想气体方程，得，带入上式，(3)空气分子的平均直径为3.7，在室温t=20时，(4)其中，P的单位是托，的单位是厘米。当托时，空气分子的平均自由程为50厘米。一般蒸发设备的源—基距仅为十几厘米，蒸发粒子从蒸发源向基片渡越基本上是沿直线的。以上讨论可知，在常用的真空度(托)下，分子的平均自由程远大于源—基距，但在蒸发粒子总数N中总有一部分与别的分子相碰撞，这一部分粒子的自由程小于源—基距，碰撞几率可表示为：(5)可见，仅当趋近于0时，才趋于0，此时才不发生碰撞。当时，有63%的粒子发生碰撞；而当时，只有9%的蒸发粒子发生碰撞。如果，为使，应为300厘米，则托。常用蒸发气压在托范围内。b.饱和蒸汽压与温度的关系在真空中加热被蒸发的物质，使物质由固相转变为液相，这一过程称为熔解。在熔解过程中温度保持不变，但要吸收热量。被蒸发物质转变为液相后，若继续升高温度，则开始蒸发，蒸发是发生在液相表面的汽化过程。温度越高，真空室气压越低，蒸发越快。若材料在密闭容器中蒸发，蒸汽压强越来越大，蒸发速率则越来越小，最后达到饱和，单位时间内液相变为气相的材料数量与从气相返回液相的材料数量相等，这时的蒸气压强为恒值，称为饱和蒸汽压。在一定温度下，饱和蒸汽压具有一定数值，同样，一定的饱和蒸汽压也必然对应于一定的温度。饱和蒸汽压与温度的关系为：(6)此方程称为克拉伯龙—克劳修斯方程。式中是蒸汽的摩尔体积，是液体的摩尔体积，是汽化热，单位为卡/摩尔，对一定材料来说为常数。因为总是大于，所以为正，即饱和蒸汽压随温度的升高而增大。因为熔融状态的金属的摩尔体积比气相时的摩尔体积小得多，可以认为在低气压下可认为金属蒸汽满足理想气体方程，即将其带入(6)式，得，即将上式积分得：(7)可见，金属的饱和蒸汽压随温度的升高而对数迅速上升。c.气化过程气化过程必须依靠加热来进行，以使材料的原子逸出。原子逸出后，只具有动能，其平均值为0.039ev/原子，对于常用的蒸发源温度，提供的能量约为0.2ev/原子，可见，汽化热主要用来克服固、液体中原子间吸引力所需要的能量。蒸发物粒子以蒸气形式到达基片的速率为：其中，M为气体分子的摩尔质量。若所有到达的粒子都粘着在基片上，并保持平衡状态，那么到达速率就是蒸发速率。实际中，一般用G(克/)来表示蒸发速率：3)薄膜生长a.吸附现象当入射原子接近基片在若干原子直径范围内时，可能出现几种类型的相互作用，即：反射—此时，原子保持其大部分动能，在基片上只有短暂的停留时间(约1纳秒)物理吸附—只涉及到范德瓦尔力，这种力出现于任何两个彼此接近的分子间。此时，没有势垒需要克服，气体分子可以吸附凝结在基片表面任何位置上。化学吸附—分子多半解离成原子吸附于固体表面上，作用力是化学键力，即有电子在吸附分子和固体间转移或共同作用而产生化学键。化学吸附常需要克服势垒。与已吸附在表面上的同类原子缔合一个原子被吸附或是与基片表面上蒸发料的另一原子相结合后，该原子仍有补充的过程发生。如能量变化引起的解吸和表面迁移。使吸附原子在表面迁移所需的能量小于原子从基片上离去所需要的能量。所以已吸附的原子在一定的基片温度下会产生表面迁移。膜层生长期间，各个分离的蒸发小岛发生横向迁移，当这些小岛相互触及时，即出现如液体似的迁移性，相互缔合。b.成核和生长作为晶体产生的先决条件是液体或气体达到过饱合、过冷却状态。无序运动的质点按空间格子的规律，自发集结至一定大小，形成及其微小的晶粒，即晶核。晶核形成后，晶体便以它为中心继续生长。晶核是晶体生长的中心。晶核可分为两类：一类是成膜材料因热涨落形成的结晶中心，称为均相成核；另一类是由于某种高熔点异相体的存在使其表面形成结晶中心，称为异相成核。晶体形成是物质相变的一种结果。其形成方式主要有以下三种：一是由气体转变为晶体：气体处于过饱和蒸汽压或过冷却温度条件下，直接由气相变为晶体。如冬季玻璃上的冰花，火山口的自然硫等。一是由液相变为晶体：溶液中的溶液结晶。一是由固相转变为晶体：包括非晶物质向晶体的转变及晶体之间的转变。薄膜生长初始阶段，出现大量分立的三维晶核。晶核通常是随机分布，但成核现象往往发生在一些优先部位，如单晶基片上的解理阶处。淀积过程继续进行，晶核增大，而数量并不显著增多。除成核位置以外，撞击的原子被反射或解吸。当晶核生长到相互接触时，即开始合并，在几何形状和方位上迅速产生变化。随淀积进一步进行，合并后的大晶核“吃掉”较小的晶核，即再结晶过程，此过程对确定最终的薄膜结构非常重要。晶核的不断结合，构成一种网膜，网膜上分布着不规则形状的开口，随膜层厚度的进一步增加，逐渐形成连续的薄膜。4)影响薄膜生长和性能的因素基片温度真空蒸发中需要加热基片，基片温度越高，可使已吸附材料的表面移动性增大，使膜层结构均匀；同时高温使基片表面的杂质气体被排除，从而加强基片与淀积膜的结合力；还会促进物理吸附向化学吸附的转化，使膜的机械强度增加。必须注意的是，基片加温须适当，过高时会形成大颗粒凝集或材料分解、变质，致使膜层发雾。污染污染带来的影响是使蒸发膜失去良好的附着性。主要来源有：基片带进真空系统的污染物；空中系统中残余的蒸气、蒸发料及加热器材本身所释放出的气体等。二、离子溅射离子溅射的原理是：使真空室内剩余气体分子在强场作用下发生电离，电离后的正离子在电场作用下向阴极方向高速运动，撞击到阴极(靶材)表面后，把自己的能量传递给位于阴极面上的溅射靶子，使靶面原子或分子从其中逸出而淀积到基片上，从而形成薄膜。正离子轰击阴极靶材时，当能量在数百电子伏以下，并不能立即从阴极材料中轰出原子或分子，而仅能使它们在其平衡位置附件加速振动，材料近表面处的一些原子或分子被入射离子激化，将其自身的能量以声子的形式传给邻近的原子或分子，并沿着通向材料表面的方向。结果使材料表面的某些原子或分子从相邻原子获得越来越大的能量，若超过它们的结合能，则靶材原子或分子就从表面溅出。1)溅射能量当离子轰击靶材表面时，很多现象都可能发生，撞击粒子的动能很大程度上预示着可能发生什么现象。当溅射能量小于5ev时，轰击粒子从表面反弹；当溅射能量在5~10ev时，轰击粒子将使靶材表面的粒子产生迁移或损坏；当轰击能量大于10ev时，轰击粒子将嵌入靶内；当溅射能量远大于70ev时，有两种现象可能发生:轰击粒子的一部分能量以热的形式传递给固体表面，破坏晶格；另一部分能量使表面原子或分子移出，并以气体形式发射出来。2)溅射系数溅射原子(分子)数与轰击离子数之比称为溅射系数。溅射系数与轰击离子的能量有关。溅射系数随轰击离子能量的变化曲线分为三个典型区域：Ⅰ区中由于轰击离子能量过小，几乎不产生溅射。与零溅射系数对应的最高能量称为临界能量，值约为20~25ev;Ⅱ区中对应的轰击离子能量范围约为70~10000ev,在该区域中溅射系数与轰击离子能量的对数成正比，大多数材料工作在此区域内。Ⅲ区内轰击离子能量在30000ev以上时，溅射系数随放电电压上升而下降。这是因为高能量轰击离子深入到材料晶格内，把大部分能量消耗在材料体内，而非表面上，故不利于溅射。溅射系数还与轰击离子的质量有关。随离子质量的增大(原子序数的增大)，溅射系数保持着上升的趋势。最大溅射系数出现在稀有气体处，因此，溅射常选在氩气中进行。真空蒸发与离子溅射的比较真空蒸发离子溅射原理在真空中加热原材料，使之气化借助辉光放电时气体离子的冲击，使阴极材料溅射出原子或分子真空度原材料几乎一切材料都可蒸发绝缘材料难以直接阴极溅射膜厚分布均匀分布的面积比较窄均匀分布的面积比较宽成膜速度较快较慢膜厚控制较难(需通过监视器控制蒸发量)较易(只要几何尺寸、气压、电压保持恒定，重复性就好)图形形成掩模或光刻光刻成分原材料是化合物时，有改变成分的情况合金成分几乎不变纯度残余气体影响较小放电用的溅射气体纯度有较大的影响