第六章-薄膜工艺PPT课件下载推荐.ppt
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而在低真空和高真空情形下，要分别使用不同的泵。
低真空下一般使用机械泵，其抽真空过程可以分为三个步骤：
捕捉气体，压缩气体，排除气体。
比如：
活塞泵，旋转叶片真空泵，罗茨泵等。
高真空下使用扩散泵、分子泵和低温泵。
工作原理有两种：
一是转移动量给气态分子而抽取气体（扩散泵和分子泵）；
二是直接俘获气体分子（低温泵）。
活塞真空泵（机械泵）示意图,旋转叶片真空泵（机械泵）示意图,罗茨真空泵（机械泵）示意图,扩散泵示意图,泵油加热成油蒸气,油蒸气从伞形喷嘴高速喷出,油蒸气喷出时带走气体分子,油蒸气碰到冷壁凝成液体流到蒸发器,油蒸气被加热成油蒸气同时释放出气体被抽走,特点：
垂直安装，需要设置冷阱防止返油，不能抽取与泵油反应的气体。
分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气。
其叶片是经过特殊设计，在叶片旋转的过程中，使气体分子能够产生定向流动。
分子泵必须在一定的真空度下才能有效的运行（气体分子的平均自由程大于叶片间距）。
分子泵示意图,低温泵（吸附泵）示意图,腔体连接真空系统，气体吸附到冷却元件上,腔体关闭，加热冷却元件，使吸附的气体解吸并抽走,冷却元件制冷后恢复工作状态,连接真空系统与泵腔体，循环工作,吸附泵必须在一定真空泵下才能有效的工作。
真空密封：
在中真空领域，一般采用O型橡胶圈进行密封；
对于高真空领域，则需要采取金属对金属的密封。
2mm厚的金属环被夹紧在两个刀口之间。
1.2等离子体产生,等离子体是除了固态、液态、气态之外的第四态。
它是部分离子化的气体，包括离子，电子和中性原子。
特点是：
导电性，宏观上的中性。
平板等离子体反应腔示意图,高压电源在电极间产生的电弧解离气体产生离子和电子,离子和电子在直流电源的作用下分别向负极和正极运动,离子轰击负极激发出大量的二次电子，这些电子向正极运动,电子向正极运动的过程中与中性气体原子碰撞产生大量的离子，产生循环,在这个系统中，等离子体靠二次电子的发射维持。
等离子体主要包括：
正离子、电子、中性气体分子或原子。
直流等离子体的组成,直流等离子体由各种辉区和暗区组成。
暗区是离子和电子获得能量的加速区；
辉区是不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
直流等离子体的组成包括：
阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正辉柱、阳极辉区和阳极暗区等区域。
射频（交流）等离子体示意图,游离电子在射频电源作用下在电极间作振荡运动,电子碰撞气体原子产生更多的离子和电子,离子和电子在射频电源的作用下在电极间作振荡运动，碰撞产生更多的离子和电子，从而产生循环,该系统中，二次电子的发射不再是维持等离子体的必要条件。
问题：
射频等离子体中，等离子体和电极之间的电位分布是怎样的？
答：
由于电子的运动速度远大于离子的运动速度，因此电子会在电极上大量堆积，造成电极处于低电位，电极附近的压降与电极面积的4次方成反比。
高密度等离子体的产生,从本质上来说，是利用电场或磁场来增加电子的射程，增加电子与气体的碰撞机率，从而增加离子的数量。
磁控等离子体：
利用磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；
电感耦合等离子体：
当射频电流流过线圈时会产生感应磁场，利用感应磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；
电子回旋共振等离子体：
利用交变电场和磁场的频率耦合，使电子作圆周运动，从而增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率。
磁控等离子体示意图,磁场平行于电极，这样从电极激发出来的二次电子会被磁场束缚作圆周运动，但离子比较重，受到的影响比较小。
感应耦合等离子体示意图,线圈上首先加上高电压产生等离子体，然后加上射频电流产生交变的射频磁场，从而使电子在磁场中的射程增加，与更多的气体原子（分子）碰撞产生离子。
等离子由射频电源激发，线圈产生交变磁场，当射频电源的频率与磁场频率相同时，电子产生共振作圆周运动，从而大大增加其射程和碰撞机率。
电子回旋共振等离子体示意图,1.3物理淀积蒸发,定义：
将固体源（如铝、钨、钛等）加热熔化，产生的蒸气在真空中直线运动抵达晶片表面，堆积成薄膜。
根据加热方式，可将蒸发系统分为：
电阻热蒸发、电感热蒸发和电子束蒸发。
一个简单的蒸发台,蒸发必须在一定真空度下进行，这是因为真空度太低，蒸气分子会与空气分子碰撞而损失能量，改变运动方向，从而到达不了晶片表面。
其次，低真空下，蒸气分子会与空气发生氧化等反应。
在真空下，蒸气分子的平均自由程很大，基本上可以沿直线方向运动到晶片表面堆积。
电阻加热蒸发,感应加热蒸发,电子束蒸发示意图,蒸发淀积速率,其中：
pe蒸发物质的蒸气压，T温度，蒸发物质密度，A坩埚面积，M蒸发物质分子量，k玻尔兹曼常数，Z视角因子。
影响蒸发速率的因素,温度：
实际上确定了蒸气压。
温度越高，蒸气压越大，淀积速率越快，但需要控制淀积速率不能太大，否则会造成薄膜表面形貌变差。
视角因子：
确定了晶片淀积的均匀性，可以调整晶片的位置，使它们与坩埚在同一圆周上。
一些常用蒸发材料的蒸气压曲线,晶片与坩埚的位置,晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z,如果晶片与坩埚均在同一圆周r之上，则有：
蒸发工艺的缺陷,台阶覆盖能力差，为了改善台阶覆盖，采用办法有：
蒸发过程中旋转晶片；
蒸发过程中加热晶片，增加原子的迁移能力。
合金膜的蒸发要注意：
合金中各组分的蒸气压要一致，否则会出现膜组分不均匀的现象。
为了改善合金膜的组分均匀性，可采用以下方法：
多源不同温度蒸发；
分层蒸发，但淀积后需要高温扩散。
一台蒸发台用于蒸发铝，铝材料温度加热到1100。
蒸发器的行星转动机构半径是40cm，坩埚直径5cm，铝的淀积速率是多少？
铝的密度：
2.7g/cm3。
作业,希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合物，如果淀积温度是1000，坩埚内的初始混合物是1：
1，两种成分黏滞系数都为1，则蒸发初期膜的组成将是怎样？
膜的组成如何随时间变化？
1.4物理淀积溅射,溅射的物理机制：
是利用等离子体中的离子对靶材料进行轰击，靶材料原子或原子团被发射出来，堆集在晶片衬底上形成薄膜。
与蒸发工艺相比：
台阶覆盖性好，容易制备合金或复合材料薄膜。
简单平行板溅射系统腔体,靶接负极晶片置于正极进气氩气（用于产生等离子）工作原理：
高压产生等离子体之后，正离子在电场作用下向负极运动，轰击靶电极，激发出来的二次电子向正极运动，维持等离子体。
而被轰击出来的靶原子则堆集在晶片上形成薄膜。
离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果,反射：
入射离子能量很低；
吸附：
入射离子能量小于10eV；
离子注入：
入射离子能量大于10KeV；
溅射：
入射离子能量为1010KeV。
一部分离子能量以热的形式释放；
一部分离子造成靶原子溅射。
影响溅射速率的因素,离子质量：
离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期性起伏。
离子能量：
存在能量阈值；
能量越大，溅射产额越大；
能量过大，发生离子注入，产额降低，因此产额在某一能量时会有最大值。
离子数量：
采用高密度等离子体可以增加溅射速率。
靶原子质量和结晶性：
金属材料中，铜、银、金较容易溅射；
碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。
不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系,定义溅射产额：
45KeV离子射向银、铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子序数之间的关系,离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期性起伏。
在等离子腔中引入磁场，增加电子与溅射气体的碰撞机率，从而增加离子的密度和溅射速率。
磁控溅射装置示意图,溅射薄膜形成过程,溅射原子运动到晶片表面,被晶片表面吸附并扩散,原子密度足够大时成核,晶核长大成岛状,岛状区域长大合并成连续薄膜,溅射薄膜表面形貌,在不同真空度，温度和离子能量下，溅射薄膜的形貌会发生变化。
溅射薄膜不同形貌特点,溅射薄膜的厚度均匀性,影响因素主要有两个：
溅射原子在晶片衬底上的扩散速率。
与温度有关，温度越高，溅射原子扩散越快。
或在正极引入偏压，使一部分离子轰击正极晶片，从而促进溅射原子的再扩散。
溅射原子的发散。
可以通过旋转晶片衬底和加入准直器来实现。
准直器,偏压离子溅射,合金和复合材料溅射,采用单靶：
由于各组分的溅射速率不一致，导致薄膜中组分与靶中组分会有差异。
采用多靶：
每个靶的功率可以单独调整。
反应溅射：
溅射室中引入反应气体，则溅射出来的靶原子会与反应气体发生作用，得到化合物薄膜。
溅射中需要注意的地方,靶的清洁：
正式溅射前可采用预溅射，去除靶表面层原子。
真空腔保持干净：
除了离子气体，其它残留气体要尽可能少。
溅射薄膜后处理,一般采取热退火，作用在于：
消除溅射引起的损伤；
使溅射薄膜与衬底发生某些反应。
如金属与硅衬底生成硅化物。
习题,溅射工艺中，离子能量越高，溅射速率越大吗？
二、化学气相淀积（CVD）,该工艺是指：
气态化合物在晶片衬底表面发生化学反应，并生成固体产物淀积在衬底上成为薄膜。
从工作原理上，该工艺主要分为：
热化学气相淀积气相反应需要在较高温度（600950）下进行，以热为化学反应的动力源。
如：
常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）；
其它化学气相淀积气相反应在比较低的温度（200300）甚至室温下进行，化学反应动力源为：
等离子体，光等。
等离子增强化学气相淀积（PECVD），光化学气相淀积等。
热化学气相淀积装置示意图,用于驱动化学反应的能源是热能，由温度提供,反应气体在被加热的晶片上吸附，分解，反应，从而最终生成固体淀积在晶片上。
比如应用SiH4（硅烷）气体淀积多晶硅的反应大致为：
该工艺一般在600950温度范围内淀积而成。
等离子增强（PECVD）化学气相淀积装置示意图,用于驱动化学反应的能源是等离子体活性基团,高能电子和分子相碰撞，会打开化学键，产生自由基。
自由基至少含有一个未配对电子，因此具有非常大的反应活性。
利用自由基的高反应活性，从而可以实现等离子刻蚀，等离子增强薄膜淀积等。
等离子刻蚀,比如CF4在等离子中产生F自由基，用于SiO2膜的刻蚀，该刻蚀可在室温下进行。
等离子增强CVD淀积,SiH4+N2O生成SiO2,其它还有SixNy、多晶和非晶硅膜淀积等：
化学气相淀积的过程,反应气体通过滞流层向晶片表面输运；
反应气体生成次级分子（因为热或等离子环境）；
反应物被吸附；
表面反应释放出固体产物；
反应副产物解吸；
副产物离开硅片并离开反应器。
其中：
1,6是质量传输过程；
3,5是吸附和解吸过程；
2,4是化学反应过程。
影响CVD系统的因素,气体输运控制淀积速率与流量、反应器形状密切相关。
必须有良好的气体流量控制和反应腔体几何形状设计，以确保均匀反应气体的均匀输送。
因此，只适合小批量生产。
反应速率控制淀积速率与温度密切相关。
必须有良好的温度控制和温度均匀性，来自气流动力学方面的影响比较小。
因此可以适合大批量生产。
常压CVD，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。
低压CVD，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。
为什么低压CVD优于常压CVD？
低压CVD属于反应速率控制，淀积速率主要与温度相关，比较容易实现大批量生产。
低压CVD可以降低气相成核，从而增大成品率。
低压CVD可以有效抑制气相自掺杂效应。
低压CVD的淀积温度通常比常压CVD低100150左右，这是因为低压下，晶体成核临界温度降低。
影响CVD淀积速率的具体工艺参数,温度：
质量输运控制下，与温度关系不大；
反应速率控制下，与温度关系密切，淀积速率随温度增加而增大。
流量：
质量输运控制下，与流量关系密切，随流量增大而增大；
反应速率控制下，与流量关系不大。
压强：
主要是指在低压CVD工艺中，淀积速率随反应腔内压强增大而增大。
典型常压CVD淀积速率与温度、气体流量的关系,气体输运控制,反应速率控制,低温时，反应速率控制；
高温时，气体输运控制,一项工艺在700下受反应速率限制，激活能为2eV，在此温度下淀积速率为1000/min，猜测在800下淀积速率是多少？
如果在800下淀积速率远低于预期值，说明什么？
怎样证明？
将Ea=2eV，k=8.61710-5eV/K，v700=1000/min代入上式，得到：
V800=9233/min,三、外延薄膜生长技术,外延是一种制备单晶薄膜的技术。
它是在单晶衬底上，沿其结晶轴方向，生长一层新单晶层的过程。
外延分为：
同质外延外延层与衬底材料相同。
如在硅上外延硅；
砷化镓上外延砷化镓。
异质外延外延层与衬底材料不同。
如在蓝宝石上外延硅；
在硅上外延砷化镓。
从方法上可分为：
化学气相淀积（CVD）外延：
包括等离子增强CVD（PECVD）、快速热处理CVD（RTCVD）、金属有机物CVD（MOCVD）、超高真空CVD（UHVCVD），以及激光、可见光、X射线辅助CVD等。
物理方法外延：
包括分子束外延、离子束外延等。
为什么要外延,外延层的性能在某些方面优于衬底材料。
如硅片由于工艺的局限性会含有碳和氧，而外延层中可以避免。
给设计者提供一种有别于扩散和离子注入的掺杂手段，不存在杂质的相互补偿，可在外延层和衬底之间获得突变型杂质浓度分布。
生长外延层之前硅片清洗,清洗的目的是：
去除自然氧化物、残留杂质和颗粒。
通常需要在一系列化学溶液中浸泡。
湿法化学清洗通常仍在硅片表面留下薄的氧化层，为了去除它，可以采用两种办法：
采用高真空下的高温预烘烤在此环境中，氧化层处于热力学不稳定状态；
采用HF溶液浸泡，使硅片表面形成SiH键，称之为氢键保护技术，而H在500以上会释放出，一般用于低温外延技术中，如分子束外延。
硅和氧化硅稳定性和温度、氧和水汽分压的关系,3.1外延化学气相淀积,该工艺是指利用化学气相淀积的方法来生长外延层。
其生长模型可用简单的Deal模型来描述，分为两步，即1、反应气体穿过滞流层，2、在晶片表面发生反应。
J是反应气体流量；
hg是质量传输系数；
ks是表面反应速率；
Cg，Cs分别是气流中反应气体浓度和晶片表面反应气体浓度；
当kshg时，生长速率由质量传输系数hg决定：
当hgks时，生长速率由表面反应速率ks决定：
其中N是硅原子密度除以所生长分子中的硅原子数。
2.51022cm-3,在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。
在高温下，一般是质量输运控制。
在低温下，一般是反应速率控制。
在低压下，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。
常压外延和低压外延,为什么基座要倾斜放？
生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向，反应气体的分压逐渐减小，导致沿气流方向的生长速率不一致；
将基座迎气流方向倾斜放置，则滞流层厚度会沿气流方向变薄，导致质量输运加快，生长速率增大，从而最终补偿由于反应气体分压减小带来的生长速率减小。
硅同质外延工艺,硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3，并用H2稀释，其中应用最广的是SiCl4。
不用SiH4作反应气体，是因为易在气体中成核，而不是在硅片表面。
对于SiCl4，主要反应为：
同时存在另外一个竞争反应为：
硅片表面的反应,实际上，硅片表面发生的反应比较复杂，但有两点需要注意：
在Si-H-Cl系统中，硅片表面的反应物主要是SiCl2，这说明反应气体发生了中间反应。
在Si-H-Cl系统中，在反应速率受限区域，外延生长都具有相同的反应激活能。
这是因为反应速率都受限于氢从硅片表面释放的过程。
不同硅源淀积速率与温度关系,B质量输运控制区域；
A反应速率控制区域。
生长速率和流量的关系,在Si-Cl-H系统高温外延中，硅表面上的混合气体主要是H2，HCl和SiCl2，其中SiCl2是反应气体，而HCl则对硅有腐蚀作用。
因此，生长速率可以用下面公式拟合：
说明：
生长速率随流量会有一个最大值。
生长速率对SiCl4流量的函数,工业上典型生长条件,选择性硅外延,基于以下事实：
外延生长中在不同衬底上的晶粒成核速率有：
SiO2Si3N4Si。
通过调整Si-H-Cl系统中Cl的比例，因为HCl可以刻蚀掉硅晶核。
工艺步骤是：
采用SiO2作为掩蔽层，增加反应气体中Cl的含量，使SiO2上的硅晶核被腐蚀掉。
选择性硅外延示意图,外延掺杂,掺杂原理：
在反应气体中加入掺杂气体，在外延生长的时候结合进入生长层。
常用掺杂气体有：
乙硼烷（B2H6）、磷烷（PH3）和砷烷（AsH3）。
掺杂过程：
与外延生长相似，也分为：
向晶片表面输运，吸附，反应，解吸等过程。
掺杂浓度影响因素,与掺杂气体的分压成比例关系，一般随分压的增大而增大。
与温度有关，不同杂质对温度依赖关系不一样。
如硼随温度升高，掺杂量变大；
而磷、砷则变小。
与生长速率有关，高温下，掺杂浓度随生长速度增加而下降；
低温下，掺杂浓度随生长速度增加而增大。
掺杂浓度与诸多因素有关，通常是通过实验摸索出适当的工艺条件。
外延工艺中的杂质分布,气相自掺杂效应外延生长初期，反应器中杂质和衬底杂质蒸发出来，从而对外延层掺杂；
衬底杂质的再分布，衬底杂质向外延层中扩散；
掺入外延层中杂质的再分布，掺入的杂质向衬底内部扩散。
总的杂质分布是上述行为的叠加。
外延层中的杂质来源有哪些？
气体掺杂；
气相自掺杂；
衬底向外延层中的扩散。
减小杂质再分布措施,降低反应温度，比如采用低压化学气相淀积。
高温烘烤，使硅片表面形成杂质耗尽层。
清洁反应器，降低杂质污染。
用氧化硅，高纯硅覆盖衬底背面，减少蒸发。
外延生长缺陷,堆垛层错一般沿（111）方向，在晶面中插入多余的原子层面。
尖峰外延层表面突起，可能与生长初期缺陷有关。
图形漂移、畸变和塌边硅片上的图形在生长外延层之后，位置、形状发生变化。
图形漂移示意图,卤化物输运GaAs外延,砷源：
AsH3气体镓源：
HCl与热Ga反应生成GaCl气体,3.2外延分子束外延（MBE）,该工艺是将分子束流直接喷射到衬底表面，形成外延层的技术。
它能够生长原子级厚度的薄膜，而且能够精确控制膜组分和杂质含量。
分子束的产生将制备薄膜的物质加热使之熔化，产生的蒸气分子通过喷射炉的炉口喷射出去，从而产生分子束。
常用蒸发源有：
硅，镓，砷，锑，铝。
分子束外延装置示意图,影响MBE薄膜质量的因素,必须在超高真空下进行，接近10-10Torr。
衬底必须清洗干净。
包括高温烘烤（10001200），氢键保护，等离子溅射等。
掺杂采用易蒸发的物质，如镓、铝、锑等金属杂质，而不是硼、磷、砷等。
常见薄膜沉积,二氧化硅（SiO2）氮化硅（Si3N4）多晶硅（poly-Si）金属化薄膜,二氧化硅（SiO2）,常压CVD或低压CVD,低压CVD（LPCVD）,氮化硅（Si3N4）,低压CVD（LPCVD）,等离子增强CVD（PECVD）,多晶硅（poly-Si）,低压CVD（LPCVD）,CVD沉积钨,CVD沉积TiN,用于提供金属与衬底的粘附性和防止金属与衬底之间的化学反应。
习题,从图14.8中找出每一种化合物，大约在什么温度时，生长成为质量输运控制的？
其中假设hg与温度无关，ksk0exp（-Ea/kT），Cg为1015cm-3，计算SiH2Cl2的hg和k0。
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