蒸发系统
基板及加热系统
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真空蒸发设备
衬底材料（含 基座和加热装 置） 蒸发材料释 放出的气体 蒸发材料 坩埚（或电阻 丝，钼舟等其 他形式） 阀门
真空罩
分子泵
机械泵
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蒸发中的几个基本概念
汽化热：
克服固相中原子间的吸 引力，并形成具有一定 动能的气相原子和分子。
§5.4 等离子体（Plasma）的产生与应用
弹性碰撞 非弹性碰撞 电离过程：e-+Ar 激发过程： e-+O2 分解反应： e-+CF4
Ar+ + 2eO 2 * + eCF3* + F*+ e-
等离子体（Plasma）：一种由正离子、电子、光子、以 及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气 体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电中 性的物质存在形态。
表面 衬底 损伤
溅射原子

注入
溅射

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溅射过程
入射过程中入射离子与靶材之间有很 大的能量传递，因而溅射出的原子具 有较大的动能（10-50eV），而真空 蒸发过程中原子所获得的动能一般只 有0.1-0.2eV左右；
因此溅射法的台阶覆盖能力和附着力 都比真空蒸发要好，同时辐射缺陷远 小于电子束蒸发，制作复合材料和合 金膜时性能更好，是大多数硅基工艺 PVD的最佳选择。
多组分薄膜蒸发方法
单源蒸发法:
合金靶中各组分材料蒸气压应该接近
多源同时蒸发法：
不同的温度控制，蒸发速率不一致
多源顺序蒸发法：
需高温退火
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§5.2 蒸发源
电阻加热源：结构简单，价廉易做 直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化 学 性质稳定；润湿性好 间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚 电子束加热源： 更高的能量密度，能蒸发难熔材料 水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应 热效率高，热传导和热辐射损失小 激光加热源 高频感应加热源
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Illustration of Ionization
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Excitation Collision
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Relaxation
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Dissociation
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等离子体的物理特性
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离子入射
具有能量的离子打到材料表面 会发生的四种情况：

反射离子与 中性粒子 入射离子 二次电子
很低能量的离子简单反弹；

能量小于10eV的离子会吸附于 表面，并以声子（热）释放能 量；
能量介于10eV到10keV时，能 量传递，发生溅射过程，逸出 的原子一般具有10－50eV的能 量，远大于蒸发原子； 能量大于10keV时，离子注入 过程；
真空度与平均自由程：
真空系统中粒子两次碰撞之 间飞行的平均距离称为蒸发 原子或分子的平均自由程。
饱和蒸气压：
真空室内蒸发物质的蒸 气与固态或液态平衡时 所表现出来的压力。
高真空度的目的：
保证粒子近似直线运动 避免残余气体使金属或衬底 发生氧化 避免残余气体或杂质淀积
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到达角（Arriving Angle）
到达角越大，淀积原子 到达该点的几率越大， 则该点淀积速率越大。
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表面迁移（surface mobility）及再发射
表面迁移主要取决与温度和压力：
温度越高，成膜覆盖性更好；
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台阶覆盖（step coverage, gap fill）
台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各 种台阶形状的关系。 共形（保形）覆盖（conformal）
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非共形覆盖
F1
F2
F3
入射（到达角） 表面迁移（温度，压力） 再发射
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溅射方法
直流溅射 5~30MHz的交流电（一般为13.56MHz） 绝缘 在射频电场中，因为电场周期性地改 变方向，则电子不容易到达电极和容 溅射靶 器壁而损失； 射频电场可以通过很多类型的阻抗耦 衬底 合进入淀积室，所以电极可以是导体， 也可以是绝缘体。 阳极
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溅射靶
N S S N N S
接触孔中的薄膜溅射淀积
溅射原子遵循余弦分布 某方向上原子的分布概率与该方向与溅射平面法线的 夹角的余弦值成正比 带准直器的溅射淀积方法
改善台阶覆盖性能
降低淀积速率，增加污染和成本 长投准直溅射技术 靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离子 体
P-Si Al 介质（SiO2） 多晶硅
+
介质（SiN）
多晶硅栅
n n
+
场氧化SiO2
栅氧化层
台阶覆盖好
低缺陷密度
MOSFET的剖面图
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薄膜制备方法
热氧化(Oxidation): SiO2 薄膜制备 物理气相淀积(PVD):金属膜、介质膜 化学气相淀积(CVD):介质膜、多晶硅、金属 外延生长法(Epitaxy):硅器件工作区
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等离子体的应用
看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的 物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整 个宇宙的99％。 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产 生来控制等离子体。低温等离子体物理的发展为材料、能 源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。 如日光灯、PDP等离子电视、IC工艺中的等离子体应用 。
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PDP的工作原理
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§5.5 溅射（Sputtering）
溅射：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射 离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转 移，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为溅射。
高度电离（不同的等离子体电离度不同，0.001%100%），是电和热的良导体，具有比普通气体大几百 倍的比热容； 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等，宏观上呈电 中性的。
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物质四态
固体
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
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PVD系统
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小结
IC中薄膜的分类和典型制备方法 淀积的概念以及PVD和CVD的区别
真空蒸发和溅射各自的特点
影响台阶覆盖的因素（到达角、表面迁移、再发射）
真空蒸发的基本过程及蒸发源
等离子体的概念，产生及应用 溅射的基本原理（磁控溅射）及影响溅射率的因素
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溅射特性
溅射阈值 E>Et，10～30ev，取决于靶材 溅射率S 入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大） 入射离子的种类（原子量越大，S越大，周期性变化） 被溅射物质的种类（与入射离子种类的影响类似） 离子入射角（平行和垂直时最小，70°左右最大） 溅射原子的能量和速度
－V(DC)
射频溅射
磁控溅射 反应溅射 偏压溅射 离子束溅射
溅射气体
至真空泵
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磁控溅射
基片
靶原子 E e2 Ar e Ar+ e B
溅射的缺点：较低的薄膜淀积速率； 较高的工作气压。 磁控溅射的优点：磁场的存在延长 了电子在等离子体中的运动轨迹， 提高了与原子碰撞的效率，提高了 原子电离的几率，从而在较低的气 压下实现了较高的溅射效率和淀积 速率。
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Q&A
1. 在溅射中，主要利用的是那种非弹性碰撞过程？有没 有分解过程？
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2. Why does one need a vacuum chamber to generate a stable plasma?
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Mean Free Path
Chap.5 物理气相淀积 (PVD)
1 2 3 4 5
IC中的薄膜及其制备方法
淀积的概念及PVD和CVD
薄膜淀积中的台阶覆盖问题
真空蒸发的基本原理及过程 溅射的基本原理及方法
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单个完整的CMOS结构
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IC中的薄膜
介电薄膜（SiO2，SiN）：用来隔 离导电层，作为扩散及离子注入 的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流 失，或用来覆盖器件免受杂质， 水汽或刮伤的损害。 多晶硅（Polysilicon）：MOS器件 的栅淀积材料，多层金属导通材 料或浅结的接触材料。 金属薄膜（铝，铜或金属硅化 物）：形成低阻值金属连线，欧 姆接触及整流金－半接触。
介质（SiN） Al 介质（SiO2） 多晶硅
+
多晶硅栅
n n
+
场氧化SiO2
栅氧化层 P-Si
MOSFET的剖面图
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