第三章：真空蒸镀
第三章：真空蒸镀
真空蒸镀
薄膜沉积中的共性问题：超净室
镀膜中的气泡是影响膜的特性和附着强度的最大障碍
之一，灰尘是产生气泡的主要原因。
超净室＋超净真空室
超净真空室：除尘，抽气时防止产生湍流。
薄膜沉积中的共性问题：超净室超净室，不能产生灰尘：
1、油封机械泵所排出的气体要接到室外；
2、用无皮带的直连泵或将泵装在室外；
3、用塑料纸张或使用不产生灰尘的纸；
4、不能用铅笔；
人体污染：呼出气体中颗粒的污染距离0.6-
1m ，打喷嚏的污染距离4~5m 。
主要是含有
矿物质和盐如钠，钙，铁，镁，氯，铝，
硫，钾，磷。
百级超净室：测试一立方英尺/分钟，0.5
微米的尘小于100
个
大气中的尘埃粒子及其大小范围
芯片特征尺寸和沾污控制
物理气相沉积
定义：
物理气相沉积(Physical vapor deposition）是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。
物理气相沉积
特点（与CVD相比）
(1) 需要使用固态的或者熔融态的物质作为蒸发源；
(2) 源物质经过物理过程而进入气相；
(3) 需要相对较低的气体压力环境；
a) 其它气体分子对于气相分子的散射作用较小，
b) 气相分子的运动路径近似为一条直线；
c) 气相分子在衬底上的沉积几率接近100％。
(4) 在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应。
真空蒸发原理
定义：
真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
真空蒸发原理
主要组成：
(1) 真空室；
(2) 蒸镀材料；
(3) 激活源；
(4) 衬底；
(5) 其它：加热
器、测温器等。
P≤10-6Torr薄膜形成
“s-g-s”
蒸发的基本过程
（1）蒸发过程：通过能量转移，凝聚相→气相
该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压
（2）输运过程：蒸气流在蒸发源与基片之间的飞行该阶段的主要作用因素：分子平均自由程（3）淀积过程：在衬底表面，凝聚→成核→核生长→连续薄膜。
蒸发的特点
(1) 优点：
成膜速度快0.1～50 μm/min;设备比较简单，操作容易；薄膜生长机理较单纯；
制得薄膜纯度高；
膜厚可控性好；
用掩模可以获得清晰的图形。
(2) 缺点：
薄膜附着力小；
结晶度低；
台阶覆盖性差；工艺重复性不够好;
薄膜质量不高。
饱和蒸气压
气体与蒸气
对于每一种气体都有一个特定的温度，高于此温度
时，气体不能通过等温压缩而液化，这个温度称为该气体的临界温度。
温度高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界
温度的气态物质称为蒸气。
通常以室温为标准来区分气体和蒸气。
蒸气不是理想气体
各种物质的临界温度
临界温度不是沸点
饱和蒸气压
定义：
在一定温度下，气、固或气、液两相平衡时，蒸气的压力称为该物质的饱和蒸气压。
仅仅是温度的函数。
饱和蒸气压的理论推导
饱和蒸气压的理论推导
应用范围：蒸气压小于1 Torr；
饱和蒸气压
蒸发温度
定义：饱和蒸气压为10-2Torr左右的温度。
蒸发材料分为两种：
（1）蒸发：蒸发温度大于熔点，
大多数金属(Au、Ag、Al、Ga)（2）升华：加热温度小于熔点
Ti、Cr、Mo等
P ＜10-2Torr
蒸发温度
蒸发速率
来自任何角度单位时间碰撞于单位面积的
：饱和蒸气压
蒸发速率
，得到最大净蒸发流量，即最大蒸发速率：
v P kT
m π2
蒸发速度的影响因素
蒸发速度的影响因素-蒸发源形状
上述公式是对于蒸发面来说的，仅适用于自由蒸发源
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
影响膜厚分布的因素：
（1）蒸发源的特性；
（2）基板与蒸发源的几何形状，相对位置。
假设：
（1）蒸发原子或分子之间，或者它们与残余气体分子之间不发生碰撞；
（2）蒸发源的发射特性不随时间而变化；
（3）蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象。
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
点蒸发源
可推导空间任一意的膜厚
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布方向，蒸发的材料质量与cosθ
可推导空间任一意的膜厚
1
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
小平面蒸发源
点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些但淀积速率要低得多，单位质量的原料所得膜厚1/4
220])/(1[1h x t t +=2
/320])/(1[1h x t t +=
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
克努曾蒸发源
饱和蒸气压
真空；小面积，蒸发速率低、方向性好
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
克努曾蒸发源
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
细长平面蒸发源
相当于热丝，由许多小平面蒸发源构成
由dS蒸发到dσ上的质量
x=0,正下方膜厚
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
环状平面蒸发源
为了在宽广面积上得到较好的膜厚
均匀性可以采用环状蒸发源。
实际
蒸发中，当基板处于旋转状态。
d S
相当于小平面源
1
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
环状平面蒸发源
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
实际蒸发源的发射特点
（1）点源：电子束蒸发源
（2）小平面蒸发源：蒸发舟，不浸润
（3）平面蒸发源；克努曾槽（λ>>2r），坩埚（4）柱状蒸发源：螺旋丝状蒸发源
（5）磁控靶源：可视为大面积（平面或柱面）蒸发源。
如何提高膜厚的均匀性？
1) 采用若干分离的小面积
蒸发源，最佳的数量,合
理的布局和蒸发速；
如何提高膜厚的均匀性？
如何提高膜厚的均匀性？
2)使基片平面旋转
旋转方式:
(a) 基片在圆顶上，绕轴旋转;
(b) 基片在鼓面上，源位于中
轴线，鼓面绕中轴线旋转；
(c) 行星式旋转
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
蒸发源与基板的相对位置配置
蒸发源放在球心，基板放在球面上，
可得到均匀薄膜。
蒸发源的蒸发特性及膜厚分布
蒸发源与基板的相对位置配置
蒸发源、基板放在同一球面上，
可得到均匀薄膜。
蒸发源的类型
最常用的加热方式：（1）电阻法
（2）电子束法（3）高频感应（4）激光
电阻蒸发源
蒸发源材料的要求
(1) 熔点要高，熔点要高于被蒸发物质的蒸发温度
（多在1000~2000℃）；
(2) 饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染。
(4) 耐热性好。
(3) 化学性能稳定，不与镀料反应。
(5) 经济耐用。
电阻蒸发源
电阻蒸发源蒸发源材料的选择
高温下，蒸发源材料与蒸镀材料之间会产生反应和扩散→形成
化合物和合金，特别是低共熔点合金，影响大；
钽和金，铝、铁、镍、钴与钨、钼、钽等蒸发源材料形成合金→低共熔合金熔点显著下降→蒸发源烧断；
B2O3与W、Mo、Ta反应；
W与水汽或氧→挥发性氧化物WO、WO2或WO3；
Mo与水汽或氧→挥发性MoO3；
作为改进方法可采用：氮化硼（BN50%-TiB250%）导电陶瓷坩锅、氧化锆（ZrO2）、氧化钍（ThO2）、氧化铍（BeO）、氧化镁（MgO）、氧化铝（Al2O3）坩锅以及石墨坩锅。
电阻蒸发源
镀料与蒸发源的浸润性
镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸润的。
反之，是不浸润的。
浸润时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。
不侵润时，为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。
电阻蒸发源各种形状的电阻蒸发源
（1）丝式
●a)、b)要求浸润性，镀料为丝
状。
但浸润好意味着有轻微合
金化，只能用1次。
●c)不要求浸润性，镀料可丝状、
块状
●蒸发加热丝的直径：0.5-
1mm，特殊1.5mm, 多股丝
电阻蒸发源
各种形状的电阻蒸发源
●用金属箔制成，箔厚0.05-0.15 mm ，可蒸发块状、丝状、粉状镀料;
●注意避免局部过热，发生飞溅
（2）蒸发舟
电阻蒸发源各种形状的电阻蒸发源
（3）外热坩埚。