工学物理方法薄膜沉积技术课件.pptx

《工学物理方法薄膜沉积技术课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工学物理方法薄膜沉积技术课件.pptx（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、图形的转换方法填充法(Additive)刻蚀法(Etching or Subtractive)填充法刻蚀法第1页/共66页IC制造中的薄膜集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。第2页/共66页二种薄膜沉积工艺化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介质材料和半导体材料的沉积，如SiO2,poly-Si,Si3N4物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）利用物理机制制备所需的薄膜材料，常用于金属薄膜的制备，如Al,Cu,W,Ti第3页/共66页薄膜制备技术

2、薄膜：在衬底上生长的薄固体物质，其一维尺寸（厚度）远小于另外二维的尺寸。常用的薄膜包括:SiO2,Si3N4,poli-Si,Metal常采用沉积方法制备：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）第4页/共66页薄膜的生长沉积薄膜的三个阶段：晶核形成 聚集成束 形成连续膜第5页/共66页薄膜特性要求薄膜特性要求为满足微纳加工工艺和器件要求，通常情况下关注薄膜的如下几个特性：1、台阶覆盖能力2、低的膜应力3、高的深宽比间隙填充能力4、大面积薄膜厚度均匀性5、大面积薄膜介电电学折射率特性6、高纯度和高密度7

3、、与衬底或下层膜有好的粘附能力第6页/共66页台阶覆盖能力（Step Coverage）我们希望薄膜在不平整衬底表面的厚度具有一致性厚度不一致容易导致膜应力、电短路等问题。非共型台阶覆盖共型台阶覆盖第7页/共66页非共型台阶覆盖出现的原因：非共型台阶覆盖出现的原因：第8页/共66页高的深宽比间隙填充能力（Gap Fill）深宽比：孔的深度H与宽度W的比值在亚0.25mm工艺中，填充硅片表面很小的间隙和孔的能力是重要的薄膜特性。防止出现空洞，减少出现缺陷和可靠性问题。WH第9页/共66页薄膜应力（Stress）应力的来源：薄膜的成核和生长过程中的产生本征应力薄膜与衬底的热膨胀系数不匹配导致外应力

4、应力分类：压应力张应力第10页/共66页热应力与热膨胀系数a第11页/共66页d dd d应力的表征通常用圆片在沉积前后的弯曲变化量来测量。测量方法：采用激光束扫描圆片，通过反射光线的变化来表征曲率的变化第12页/共66页因应力造成的薄膜表面龟裂第13页/共66页物理沉积物理沉积PVD（PhysicalVaporDeposition）采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽，并在硅片表面凝聚并沉积下来。没有化学反应出现，纯粹是物理过程制备金属薄膜的最主要方式。第14页/共66页物理沉积方法物理沉积方法ThermalEvaporation(热蒸发热蒸发)E-beamEvaporation(电子束蒸

5、发电子束蒸发)Sputtering(溅射溅射)FilterVacuumArc(真空弧等离子体真空弧等离子体)Thermal Oxidation(热氧化)Screen Printing(丝网印刷)Spin Coating(旋涂法)Electroplate(电镀)Molecular Beam Epitaxy(分子束外延)高真空环境10-3Pa第15页/共66页热蒸发技术(Thermal Evaporation Technique)蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺钨W(Tm=3380)钽Ta(Tm=2980)钼Mo(Tm=2630)第16页/共66页挡板蒸发源晶振第17页/共66页电子束蒸发(E-b

6、eam Evaporation Technique)whenV=10kVElectronVelocity=6104km/sTemperature5000-6000第18页/共66页E-beam Evaporation Machine第19页/共66页热蒸发和电子束蒸发技术的比较Depositionrate:1025000nm/min热蒸发电子束蒸发电子束蒸发Advantages SimpleequipmentHighlydirectionalLowcontaminationLesslimitedmaterialsDisadvantagesContaminationLimitedmaterial

7、sChargebuildupfordielectricsRadiation(X-ray)DepositedMaterialsAl,Ag,Au,CrMetalandDielectrics第20页/共66页蒸发工艺参数蒸发要求的真空度：750eV时，溅射产额略微增加，直至发生离子注入。第29页/共66页溅射产额与离子原子序数的变化关系第30页/共66页直流/射频型溅射（DC/RF diode）第31页/共66页直流/射频型溅射（DC/RF diode）第32页/共66页磁控溅射(Magnet Sputtering)通过增加一个与电场方向垂直的磁场，可使等离子体的电子螺旋式运动，增加与气体分子碰撞几

8、率而提高等离子体浓度等离子体密度可由0.0001%增加至0.03%。第33页/共66页靶材表面的离子和电子运动轨迹第34页/共66页磁控溅射过程第35页/共66页蒸发法和溅射法的比较蒸发法和溅射法的比较蒸镀法蒸镀法溅射法溅射法靶材的选择靶材的选择受限制（金属靶材）受限制（金属靶材）几乎不受限（难溶金属，几乎不受限（难溶金属，合金，复合材料）合金，复合材料）基材加热基材加热低低除磁控法外，需高温除磁控法外，需高温表面损害表面损害低，电子束会产生低，电子束会产生X-ray损害损害离子轰击的损害离子轰击的损害合金沉积合金沉积可可可可均匀度均匀度难难易易厚度控制厚度控制不易控制不易控制易控制易控制台阶

9、覆盖性能台阶覆盖性能差差较好较好附着性附着性不佳不佳佳佳缺陷缺陷多多少少第36页/共66页溅射法具有强的间隙填充能力第37页/共66页溅射法形成的台阶形貌优于蒸发法，但不如CVD法改善措施：衬底加热；硅片衬底加RF偏压，圆片被高能电子轰击，使溅射材料再沉积；强迫填充溅射；准直溅射；在高深宽比的接触孔处，典型的台阶覆盖随时间增加而变化的截面图第38页/共66页强迫填充溅射施加几个大气压的高压使金属自动坍塌第39页/共66页准直溅射控制粒子沉积的方向，更好的填充高深宽比的孔，但是减低了沉积速率。第40页/共66页常用的溅射工艺流程金属薄膜：采用磁控直流溅射介质薄膜：采用RF溅射溅射前预清洗工艺：采

10、用RF等离子体，Ar+离子轰击硅片表面，去除自然氧化层合金材料的溅射：合金靶材：薄膜组分受控于气相传输多靶溅射：调节各靶功率来改变沉积层组分TiN反应离子溅射：在N气氛下进行Ti靶溅射，生成TiN。第41页/共66页真空弧等离子体镀膜技术第42页/共66页真空弧等离子体镀膜技术 -单离子源第43页/共66页真空弧等离子体镀膜技术 -多离子源第44页/共66页多腔体沉积系统（Multi Chamber Deposition System）第45页/共66页薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量1、原位监控：石英晶振仪2、台阶仪(Profiler)3、光学干涉仪4、光脉冲反射计第46页/共66页石英晶振石英

11、晶体是离子型晶体，具有压电效应压电谐振，在晶振上加交变电压（或者电流不断开关），则晶片就产生机械振动。石英压电谐振效应的固有频率的影响因素：芯片厚度，几何尺寸，切割类型。第47页/共66页石英晶振n谐波数n=1，3，5，dQ石英晶体的厚度 c 切变弹性系数 r石英晶体的密度(2.65103kg/m3)质量负载效应：在芯片上镀上膜层，芯片厚度增大，则芯片固有频率减小。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而测量淀积薄膜的厚度第48页/共66页台阶仪(Stylus Profilometer)探针直接在样品表面扫描，记录表面微观轮廓信息物理破坏式测量：接触式，轻拍式第49页/共6

12、6页第50页/共66页光学干涉仪膜厚干涉不同的膜厚对应于不同的颜色改变衬底的倾斜度，颜色也跟着改变（why）第51页/共66页光脉冲反射计（Spectroreflectometer）在不同波长测量反射光强度通过反射光强度与波长的对应关系确定厚度光学探测器精度高于人眼，测出的厚度精确程度高。第52页/共66页改善大面积薄膜改善大面积薄膜均匀性的基本方法均匀性的基本方法1 1、高真空环境、高真空环境2 2、洁净的衬底表面、洁净的衬底表面(加热加热/离子表面清洁离子表面清洁)3 3、旋转样品架、旋转样品架4 4、离子、离子/原子束均匀性提高原子束均匀性提高第53页/共66页Dry Oxidation

13、 Si(S)+O2(V)SiO2(S)Wet Oxidation Si(S)+H2 O(V)SiO2(S)+H2(V)热氧化技术 -湿氧氧化和干氧氧化第54页/共66页热氧化技术第55页/共66页热氧化炉第56页/共66页优点：结构致密、均匀性和重复性好、与光刻胶黏附好且应力小。缺点：生长温度高（7501200）、生长速度慢。热氧化SiO2的优缺点第57页/共66页热氧化技术在微纳技术中的应用-氧化锐化第58页/共66页热氧化技术在微纳技术中的应用-硅纳米材料的制作第59页/共66页热氧化技术在微纳技术中的应用-硅纳米材料的制作第60页/共66页丝网印刷技术第61页/共66页第62页/共66页丝网印刷技术第63页/共66页丝网印刷技术在光电薄膜制作中的应用-显示器件第64页/共66页电镀技术第65页/共66页感谢您的观看。第66页/共66页