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1、微细加工与微细加工与MEMSMEMS技术张庆中技术张庆中1212物理淀积物理淀积 12.1 升华和蒸发升华和蒸发 随着温度的升高，材料经历从固相、液相到气相的变化。随着温度的升高，材料经历从固相、液相到气相的变化。在任何温度下，材料周围都存在蒸汽，平衡蒸汽压为在任何温度下，材料周围都存在蒸汽，平衡蒸汽压为 pe。温度。温度越高，平衡蒸汽压就越高。材料温度低于熔化温度时，产生蒸越高，平衡蒸汽压就越高。材料温度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为汽的过程称为 升华升华升华升华；材料熔化后，产生蒸汽的过程称为；材料熔化后，产生蒸汽的过程称为 蒸发蒸发蒸发蒸发。式中，式中，为粘着系数，为粘着系数，As
2、为蒸发源表面积，为蒸发源表面积，t 为蒸发时间。再为蒸发时间。再 膜厚及其均匀性膜厚及其均匀性膜厚及其均匀性膜厚及其均匀性 1 1、点蒸发源、点蒸发源、点蒸发源、点蒸发源硅片硅片面积面积元元 dArDxr 由蒸发源蒸发出来的材料总质量为由蒸发源蒸发出来的材料总质量为 M=RMEAst，通过立体，通过立体角元角元 淀积到硅片上面积元淀积到硅片上面积元 dAr 上的材料质量为上的材料质量为 dM，则，则将立体角元将立体角元代入上式，得：代入上式，得：设薄膜密度为设薄膜密度为 ，硅片架为平板型，硅片架为平板型，则薄膜厚度则薄膜厚度 W 为为显然，中心处的膜最厚，显然，中心处的膜最厚，为改进膜厚的均匀
3、性，可将硅片架为改进膜厚的均匀性，可将硅片架改为球面型改为球面型，并将蒸发源置于球心处，并将蒸发源置于球心处，此时，此时，DDx0 其特点是蒸汽分子在空间的分布与角其特点是蒸汽分子在空间的分布与角度度 有关，蒸汽分子在与源平面法线方向有关，蒸汽分子在与源平面法线方向的夹角为的夹角为 的立体角元的立体角元 内的几率为内的几率为 2 2、小平面蒸发源、小平面蒸发源、小平面蒸发源、小平面蒸发源 故淀积在面积元故淀积在面积元 dAr 上的质量为上的质量为 当采用球面型硅片架，并将蒸发源置于球面上时，当采用球面型硅片架，并将蒸发源置于球面上时，当采用平板型硅片架时，当采用平板型硅片架时，为了进一步改进膜
4、厚的均匀性，还可将硅片架设计成按为了进一步改进膜厚的均匀性，还可将硅片架设计成按“行星方式行星方式行星方式行星方式”进行旋转。进行旋转。12.3 台阶覆盖台阶覆盖 蒸蒸发发工工艺艺的的主主要要缺缺点点之之一一是是台台阶阶覆覆盖盖性性差差，容容易易导导致致金金属属引引线线在在台台阶阶处处断断开开，严严重重影影响响集集成成电电路路的的可可靠靠性性和和成成品品率率。由由于于金金属属化化是是集集成成电电路路制制造造过过程程的的最最后后几几个个步步骤骤，硅硅片片表表面面的的形形貌高差会比较严重，使台阶覆盖问题变得更加重要。貌高差会比较严重，使台阶覆盖问题变得更加重要。台阶覆盖性差台阶覆盖性差台阶覆盖性好
5、台阶覆盖性好 解决办法解决办法解决办法解决办法 1、采用旋转硅片架；、采用旋转硅片架；2、蒸发时对硅片适当加热；、蒸发时对硅片适当加热；3、蒸发前使硅片平坦化。、蒸发前使硅片平坦化。电阻加热（金属丝、金属舟等）电阻加热（金属丝、金属舟等）蒸发源加热方式蒸发源加热方式 电子束加热电子束加热 高频感应加热高频感应加热 设备组成：蒸发源、真空室、真空系统、电气控制系统设备组成：蒸发源、真空室、真空系统、电气控制系统 12.4 蒸发系统蒸发系统 对对电电阻阻加加热热器器材材料料的的要要求求：1、熔熔点点远远高高于于蒸蒸发发源源的的熔熔点点，且且蒸蒸汽汽压压极极低低；2、蒸蒸发发过过程程中中不不软软化化
6、，不不与与蒸蒸发发源源生生成成合合金金。3、容容易易加加工工成成所所需需要要的的各各种种形形状状。常常用用的的电电阻阻加加热热器器材材料料有有钨、钼、钽等。钨、钼、钽等。电阻加热器电阻加热器电阻加热器电阻加热器 电阻加热方式（金属丝）电阻加热方式（金属丝）电阻加热方式（金属丝）电阻加热方式（金属丝）硅片加热器硅片加热器硅片架硅片架硅片硅片真空室钟罩真空室钟罩蒸发料蒸发料蒸发源加热电极蒸发源加热电极金属舟金属舟抽气抽气 电阻加热的优点是设备简单；缺点是可能受到来自加热器电阻加热的优点是设备简单；缺点是可能受到来自加热器的的 K+、Na+离子的沾污。离子的沾污。电阻加热方式（金属舟）电阻加热方式（
7、金属舟）电阻加热方式（金属舟）电阻加热方式（金属舟）电子束加热方式电子束加热方式电子束加热方式电子束加热方式B电子束电子束加速聚加速聚焦系统焦系统电子枪电子枪硅片架硅片架硅片硅片坩锅坩锅冷却水冷却水蒸发料蒸发料 电子束加热的优点电子束加热的优点：(1)沾污少，膜的纯度高；沾污少，膜的纯度高；(2)能蒸发能蒸发各种高熔点的难熔金属和非金属。缺点：各种高熔点的难熔金属和非金属。缺点：(1)设备复杂；设备复杂；(2)有有一定的辐射损伤，蒸发后需进行退火处理。一定的辐射损伤，蒸发后需进行退火处理。高频感应加热方式高频感应加热方式高频感应加热方式高频感应加热方式 蒸发工艺中影响薄膜质量的因素蒸发工艺中影
8、响薄膜质量的因素蒸发工艺中影响薄膜质量的因素蒸发工艺中影响薄膜质量的因素 1、淀积前硅片的清洗、淀积前硅片的清洗 除化学清洗外，可在蒸发前对硅片进行轻微的溅射处理。除化学清洗外，可在蒸发前对硅片进行轻微的溅射处理。2、蒸发速率、蒸发速率 蒸发速率过低，金属膜不光亮，电阻大，键合困难；蒸发蒸发速率过低，金属膜不光亮，电阻大，键合困难；蒸发速率过大会在硅片表面形成金属原子团淀积小丘，影响光刻，速率过大会在硅片表面形成金属原子团淀积小丘，影响光刻，且厚度也不易控制。且厚度也不易控制。3、衬底温度、衬底温度 较较高高的的衬衬底底温温度度可可使使薄薄膜膜与与衬衬底底粘粘附附得得更更好好，有有利利于于降降
9、低低接触电阻。接触电阻。真空度的确定真空度的确定真空度的确定真空度的确定 为了减小薄膜的沾污和提高薄膜的附着力，要求蒸发物粒为了减小薄膜的沾污和提高薄膜的附着力，要求蒸发物粒子尽量避免与残余气体分子的碰撞，也就是要求尽量增大残余子尽量避免与残余气体分子的碰撞，也就是要求尽量增大残余气体分子的平均自由程。根据气体分子运动论，室温下，气体分子的平均自由程。根据气体分子运动论，室温下，一般蒸发设备中，蒸发源到硅片的间距不超过一般蒸发设备中，蒸发源到硅片的间距不超过 50 cm，由此，由此可算出气压应小于可算出气压应小于 10-4 Torr，这就是真空蒸发设备中真空度的，这就是真空蒸发设备中真空度的下
10、限。实际的真空度范围为下限。实际的真空度范围为 10-4 10-7 Torr。12.5 多组分薄膜多组分薄膜 铝铝的的电电阻阻率率较较低低，能能与与硅硅形形成成低低电电阻阻欧欧姆姆接接触触，与与 SiO2 的的粘粘附附性性强强，容容易易光光刻刻，容容易易键键合合，价价格格低低廉廉，因因此此在在集集成成电电路路制造工艺中广泛采用铝膜作为互连材料。制造工艺中广泛采用铝膜作为互连材料。为防止硅向铝中溶解，为防止硅向铝中溶解，可以在铝中加可以在铝中加(1 2%)的硅的硅；为提高铝膜的抗电迁移能；为提高铝膜的抗电迁移能力，可以在铝中加力，可以在铝中加 4%的铜，的铜，或再加或再加(1 2%)的硅。的硅。
11、但但是是单单纯纯的的铝铝互互连连存存在在硅硅向向铝铝中中溶溶解解引引起起 PN 结结穿穿通通，以以及抗电迁移能力差的问题。及抗电迁移能力差的问题。蒸蒸发发工工艺艺的的主主要要缺缺点点之之一一是是在在对对合合金金和和化化合合物物进进行行蒸蒸发发镀镀膜时其组分会发生变化。膜时其组分会发生变化。蒸蒸镀镀合合金金和和化化合合物物时时，由由于于材材材材料料料料中中中中各各各各不不不不同同同同组组组组分分分分在在在在同同同同一一一一温温温温度度度度下下下下的的的的蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽压压压压不不不不同同同同，使使所所淀淀积积出出来来的的薄薄膜膜的的组组分分可可能能与与蒸蒸发发源源的的组分不相同。组分不相同。设
12、设 pao、pbo 为组分为组分 a、b 在温度在温度 T 时的平衡蒸汽压，时的平衡蒸汽压，Ma、Mb 为为 a、b 的分子量，的分子量，Rab 为为 a、b 在蒸发源中的比例，则在蒸发源中的比例，则 a、b 在在蒸镀所得薄膜中的比例蒸镀所得薄膜中的比例 rab 为为 要使薄膜中的组分与蒸发源中的组分相同，则应该满足要使薄膜中的组分与蒸发源中的组分相同，则应该满足 但实际上存在如下问题但实际上存在如下问题 1、在同一温度下，一般难以恰好满足上式，这就使薄膜中、在同一温度下，一般难以恰好满足上式，这就使薄膜中的组分与蒸发源中的组分不同；的组分与蒸发源中的组分不同；2、由于各组分在同一温度下的蒸汽
13、压不同，从源中蒸发出、由于各组分在同一温度下的蒸汽压不同，从源中蒸发出来的比例将不同于源的比例，这就使源中的组分、进而薄膜中来的比例将不同于源的比例，这就使源中的组分、进而薄膜中的组分随蒸发过程的进行而发生改变。的组分随蒸发过程的进行而发生改变。由于以上问题的存在，必须采用一些特殊方法来蒸镀合金由于以上问题的存在，必须采用一些特殊方法来蒸镀合金和化合物。对于合金，可采用闪蒸法和双蒸发源法。和化合物。对于合金，可采用闪蒸法和双蒸发源法。料斗料斗粉状料粉状料偏心轮偏心轮振动器振动器加热器加热器硅片架硅片架 1 1、闪蒸法、闪蒸法、闪蒸法、闪蒸法 2 2、双蒸发源法、双蒸发源法、双蒸发源法、双蒸发源
14、法 蒸发源蒸发源 A蒸发源蒸发源 B 把两种元素分别装入各自的蒸发源，独立控制每一种蒸发把两种元素分别装入各自的蒸发源，独立控制每一种蒸发源的温度，以控制该元素的蒸汽压使其达到所需要的值。源的温度，以控制该元素的蒸汽压使其达到所需要的值。对于化合物，可采用对于化合物，可采用 1 1、反应蒸镀法、反应蒸镀法、反应蒸镀法、反应蒸镀法 在真空室中充入一定量的活泼气体，使之与蒸发材料在硅在真空室中充入一定量的活泼气体，使之与蒸发材料在硅片上发生化学反应形成化合物薄膜。此法主要用于蒸镀高熔点片上发生化学反应形成化合物薄膜。此法主要用于蒸镀高熔点的绝缘化合物薄膜，及其它某些氧化物、氮化物等。的绝缘化合物薄
15、膜，及其它某些氧化物、氮化物等。2 2、双蒸发源三温度法、双蒸发源三温度法、双蒸发源三温度法、双蒸发源三温度法 此法主要用于淀积化合物半导体单晶薄膜，后来发展成了此法主要用于淀积化合物半导体单晶薄膜，后来发展成了分子束外延技术。三温度是指能独立控制两个蒸发源的温度和分子束外延技术。三温度是指能独立控制两个蒸发源的温度和衬底的温度。衬底的温度。12.6 溅射简介溅射简介 离子溅射镀膜过程分为三步：离子溅射镀膜过程分为三步：(1)离子的产生；离子的产生；(2)离子对离子对靶的轰击引起溅射；靶的轰击引起溅射；(3)从靶材料溅射出来的粒子在低压气氛中从靶材料溅射出来的粒子在低压气氛中向硅片作渡越运动，
16、碰撞到硅片上并被硅片吸附，完成对硅片向硅片作渡越运动，碰撞到硅片上并被硅片吸附，完成对硅片的淀积。其中前两步与离子溅射刻蚀相同。的淀积。其中前两步与离子溅射刻蚀相同。溅射镀膜是集成电路制造中代替蒸发而进行金属薄膜淀积溅射镀膜是集成电路制造中代替蒸发而进行金属薄膜淀积的主要方法。溅射镀膜的台阶覆盖性好，对硅片的附着性好，的主要方法。溅射镀膜的台阶覆盖性好，对硅片的附着性好，能淀积合金、化合物与难熔金属，因而避免了蒸发镀膜的主要能淀积合金、化合物与难熔金属，因而避免了蒸发镀膜的主要缺点。溅射镀膜的主要缺点是缺点。溅射镀膜的主要缺点是 淀积速率较慢。淀积速率较慢。12.7 溅射物理溅射物理 入射离子
17、打到固体表面时因能量的不同而发生不同情况入射离子打到固体表面时因能量的不同而发生不同情况。当入射离子的能量很低时，离子从表面反弹回来当入射离子的能量很低时，离子从表面反弹回来；当入射离子；当入射离子的能量小于的能量小于 10eV时，离子被吸附于表面；当入射离子的能量为时，离子被吸附于表面；当入射离子的能量为 10 eV 10 keV 时，离子的部分能量以热的形式释放，另外的能时，离子的部分能量以热的形式释放，另外的能量则传递给衬底原子而使其发射出来，形成量则传递给衬底原子而使其发射出来，形成 溅射溅射溅射溅射；当入射离子；当入射离子的能量大于的能量大于 10 keV 时，离子可深入到衬底内部。
18、时，离子可深入到衬底内部。溅射出来的原子能量为溅射出来的原子能量为 10 50 eV，比蒸发出来的原子能量，比蒸发出来的原子能量约约 大大大大 100 100 倍倍倍倍 。这使原子到达硅片表面时有较大的迁移能力，从。这使原子到达硅片表面时有较大的迁移能力，从而提高了台阶覆盖性。高能量的原子还提高了膜的附着性。而提高了台阶覆盖性。高能量的原子还提高了膜的附着性。暗暗区区亮区亮区（等离子区）（等离子区）靶靶（阴极）（阴极）硅片（阳极）硅片（阳极）Z RC=KC I US 电流电流 I 主要与电压及气压有关，随电压升高而增大；随气主要与电压及气压有关，随电压升高而增大；随气压降低而先升后降，所以对气
19、压应作折中考虑。压降低而先升后降，所以对气压应作折中考虑。相对溅射率相对溅射率 US 与电压、离子种类及入射角的关系已讨论过。与电压、离子种类及入射角的关系已讨论过。当气压高于当气压高于 10 2 Torr 时，时，US 随气压的升高而下降。随气压的升高而下降。离子溅射镀膜的淀积速率离子溅射镀膜的淀积速率 RC 一般在一般在 10 50 nm/min 的范围的范围内，比真空蒸发的要慢。内，比真空蒸发的要慢。式中，式中，KC 为设备常数，主要为设备常数，主要与从靶到硅片之间的距离有关。为与从靶到硅片之间的距离有关。为提高提高 KC ，硅片应尽量靠近靶，硅片应尽量靠近靶，但，但不能进入暗区。通常硅
20、片与靶的间不能进入暗区。通常硅片与靶的间距为暗区宽度的两倍左右。距为暗区宽度的两倍左右。12.8 淀积速率淀积速率12.9 溅射方法溅射方法 一、直流溅射一、直流溅射一、直流溅射一、直流溅射 当溅射金属时，可采用直流溅射。这种技术的设备简单，当溅射金属时，可采用直流溅射。这种技术的设备简单，而且淀积速率较高。而且淀积速率较高。采用直流高压辉光放电采用直流高压辉光放电产生等离子体。产生等离子体。典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件 直流电压：直流电压：1 10 kV 电极间距：电极间距：1 2 cm 气体：气体：Ar 气压：气压：10-1 10-2 Torr 直流溅射镀膜的直流溅射镀
21、膜的 缺点：缺点：缺点：缺点：(1)所需气压较高，薄膜易受沾污，所需气压较高，薄膜易受沾污，附着性差；附着性差；(2)只能淀积金属。只能淀积金属。改进方法：改进方法：改进方法：改进方法：针对第针对第 1 条缺点，可以增加一个发射电子的热条缺点，可以增加一个发射电子的热阴极和一个励磁线圈，以增加电子的碰撞几率，从而可以降低阴极和一个励磁线圈，以增加电子的碰撞几率，从而可以降低气压，提高膜的质量与附着性；针对第气压，提高膜的质量与附着性；针对第 2 条缺点，可以采用射条缺点，可以采用射频溅射。频溅射。二、射频溅射二、射频溅射二、射频溅射二、射频溅射 直流溅射只能淀积金属直流溅射只能淀积金属而不能淀
22、积介质，这是因为而不能淀积介质，这是因为轰击介质靶材的离子的电荷轰击介质靶材的离子的电荷无法泄放。采用射频溅射可无法泄放。采用射频溅射可以解决这个问题，从而能够以解决这个问题，从而能够淀积包括导体、半导体和介淀积包括导体、半导体和介质在内的几乎任何材料。质在内的几乎任何材料。射频溅射所用的气压为射频溅射所用的气压为 210-4 Torr，膜的附着性、纯度与，膜的附着性、纯度与致密度等都比较好。致密度等都比较好。特点特点特点特点 1、入射角为、入射角为 60o 左右，能使相对溅射率左右，能使相对溅射率 US 达到最大。达到最大。2、离子源与淀积室是分离的，使淀积室的真空度可高达、离子源与淀积室是
23、分离的，使淀积室的真空度可高达 10-5 10-6 Torr，膜的质量与附着性更好。，膜的质量与附着性更好。离子枪离子枪靶材靶材硅片硅片 三、离子束溅射三、离子束溅射三、离子束溅射三、离子束溅射 四、磁控溅射四、磁控溅射四、磁控溅射四、磁控溅射 是高密度等离子溅射的一种是高密度等离子溅射的一种。具体结构很多。具体结构很多，共同的特点，共同的特点是：是：1、采用正交的电场与磁场，使电子作复杂运动，增加碰撞、采用正交的电场与磁场，使电子作复杂运动，增加碰撞几率；几率；2、阴极靶与硅片架不是平板型而是某种立体结构，增加、阴极靶与硅片架不是平板型而是某种立体结构，增加了产量，并使膜厚均匀；了产量，并使
24、膜厚均匀；3、硅片架和阳极分离，且增加了屏蔽、硅片架和阳极分离，且增加了屏蔽极以吸收二次电子，消除了二次电子对基片的轰击。极以吸收二次电子，消除了二次电子对基片的轰击。NSNS硅片架硅片架阳极阳极靶阴极靶阴极接地屏蔽极接地屏蔽极环形磁铁环形磁铁 五、反应溅射五、反应溅射五、反应溅射五、反应溅射 在在 Ar 中混入少量反应气体，使之与从靶中溅射出来的粒子中混入少量反应气体，使之与从靶中溅射出来的粒子发生化学反应而淀积出化合物薄膜。反应溅射时，薄膜的组分发生化学反应而淀积出化合物薄膜。反应溅射时，薄膜的组分可以在一个很大的范围内平滑地控制，驱动等离子体内化学反可以在一个很大的范围内平滑地控制，驱动
25、等离子体内化学反应所需要的能量范围也相当宽，所以可能产生多种化合物。这应所需要的能量范围也相当宽，所以可能产生多种化合物。这时需要选择淀积条件和淀积后的退火条件，以优先形成所希望时需要选择淀积条件和淀积后的退火条件，以优先形成所希望的化合物。的化合物。12.10 淀积膜内的应力淀积膜内的应力 薄膜材料和衬底材料的热膨胀系数通常是不同的，当在高薄膜材料和衬底材料的热膨胀系数通常是不同的，当在高温下完成薄膜淀积后回到室温时，就会在薄膜内产生应力。若温下完成薄膜淀积后回到室温时，就会在薄膜内产生应力。若薄膜的热膨胀系数大于衬底，则导致硅片下凹，在薄膜内产生薄膜的热膨胀系数大于衬底，则导致硅片下凹，在
26、薄膜内产生 张应力张应力张应力张应力；反之，则导致硅片上凸，在薄膜内产生；反之，则导致硅片上凸，在薄膜内产生 压应力压应力压应力压应力。测量。测量硅片的弯曲量可计算出应力的大小。硅片的弯曲量可计算出应力的大小。如果膜的应力太大，膜上可能出现如果膜的应力太大，膜上可能出现 龟裂龟裂龟裂龟裂 ，严重时会从硅片，严重时会从硅片表面表面 脱落脱落脱落脱落。对于金属连线，较大的应力将导致。对于金属连线，较大的应力将导致 空洞空洞空洞空洞 形成，影响形成，影响金属连线的可靠性。金属连线的可靠性。在两层材料之间加在两层材料之间加 缓冲层缓冲层缓冲层缓冲层 可减小薄膜的应力。可减小薄膜的应力。12.11 小结
27、小结 蒸发：被蒸发材料在真空室内加热，其原子或分子通过蒸蒸发：被蒸发材料在真空室内加热，其原子或分子通过蒸发离开表面，以直线飞向硅片并淀积到硅片上形成薄膜。加热发离开表面，以直线飞向硅片并淀积到硅片上形成薄膜。加热方式有电阻加热、感应加热和电子束加热，后者可蒸发难熔金方式有电阻加热、感应加热和电子束加热，后者可蒸发难熔金属，但会引起辐射损伤。淀积速率主要由材料的蒸汽压和温度属，但会引起辐射损伤。淀积速率主要由材料的蒸汽压和温度决定。为改善膜厚的均匀性可采用行星式旋转的硅片架。蒸发决定。为改善膜厚的均匀性可采用行星式旋转的硅片架。蒸发的缺点是台阶覆盖差，附着性差，蒸发时材料组分会变化。的缺点是台阶覆盖差，附着性差，蒸发时材料组分会变化。溅射：离子对靶的轰击引起溅射，溅射：离子对靶的轰击引起溅射，从靶材料溅射出来的粒从靶材料溅射出来的粒子在真空中飞向硅片并淀积到硅片上形成薄膜。溅射方法有直子在真空中飞向硅片并淀积到硅片上形成薄膜。溅射方法有直流溅射、射频溅射、离子束溅射、磁控溅射和反应溅射等。与流溅射、射频溅射、离子束溅射、磁控溅射和反应溅射等。与蒸发相比，溅射改善了台阶覆盖与附着性，并容易淀积合金与蒸发相比，溅射改善了台阶覆盖与附着性，并容易淀积合金与化合物，但淀积速率较低。化合物，但淀积速率较低。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！42