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十种物理气相沉积(PVD)技术盘点

发布时间:2022-01-05浏览次数:载入中...
薄膜沉积是半导体制造工艺中的一个非常重要的技术,其是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面扩散及在适当的位置下聚结,以渐渐形成薄膜并成长的过程。在一个新晶圆投资建设中,晶圆厂80%的投资用于购买设备。其中,薄膜沉积设备是晶圆制造的核心步骤之一,占据着约25%的比重。
薄膜沉积工艺主要分为物理气相沉积和化学气相沉积两类。物理气相沉积(Physical Vapour Deposition,PVD)技术指在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积原理可大致分为蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀,具体又包含有MBE等各种镀膜技术。发展到目前,物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
随着技术的发展,PVD技术也不断推陈出新,出现了很多针对某几种用途的专门技术,在此特为大家盘点介绍各种PVD技术。 
真空蒸发镀膜技术
真空蒸发(Vacuum Evaporation) 镀膜是在真空条件下,用蒸发器加热蒸发物质,使之升华,蒸发粒子流直接射向基片,并在基片上沉积形成固态薄膜,或加热蒸发镀膜材料的真空镀膜方法。其物理过程为:采用几种能源方式转换成热能,加热镀料使之蒸发或升华,成为具有一定能量(0.1~0.3eV) 的气态粒子(原子、分子或原子团);离开镀料表面,具有相当运动速度的气态粒子以基本上无碰撞的直线飞行输运到基体表面;到达基体表面的气态粒子凝聚形核生长成固相薄膜;组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。
电子束蒸镀技术
电子束蒸镀(Electron Beam Evaporation)是物理气相沉积的一种。与传统蒸镀方式不同,电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内靶材,使之融化进而沉积在基片上。电子束蒸镀常用来制备Al、CO、Ni、Fe的合金或氧化物膜,SiO2、ZrO2膜,抗腐蚀和耐高温氧化膜。
电子束蒸镀与利用电阻进行蒸镀最大的优势在于:可以为待蒸发的物质提供更高的热量,因此蒸镀的速率也更快;电子束定位准确,可以避免坩埚材料的蒸发和污染。但是由于蒸镀过程中需要持续水冷,对能量的利用率不高;而且由于高能电子可能带来的二次电子可能使残余的气体分子电离,也有可能带来污染。此外,大多数的化合物薄膜在被高能电子轰击时会发生分解,这影响了薄膜的成分和结构。 
溅射镀膜技术
溅射镀膜技术是用离子轰击靶材表面,把靶材的原子被击出的现象称为溅射。溅射产生的原子沉积在基体表面成膜称为溅射镀膜。通常是利用气体放电产生气体电离,其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶体,击出阴极靶体原子或分子,飞向被镀基体表面沉积成薄膜。
射频溅射技术
射频溅射是溅射镀膜技术的一种。用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统,由于常用的交流电源的频率在射频段,如13.56MHz,所以称为射频溅镀。
在直流射频装置中,如果使用绝缘材料靶,轰击靶面的正离子会在靶面上累积,使其带正电,靶电位从而上升,使得电极间的电场逐渐变小,直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。
磁控溅射技术 
磁控溅射技术属于PVD(物理气相沉积)技术的一种,是制备薄膜材料的重要方法之一。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点,将离子引向被溅射的物质制成的靶电极(阴极),并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射设备使得镀膜厚度及均匀性可控,且制备的薄膜致密性好、粘结力强及纯净度高。该技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。
离子镀膜技术
离子镀是在真空蒸发镀和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜新技术,将各种气体放电方式引入到气相沉积领域,整个气相沉积过程都是在等离子体中进行,其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀(空心阴极蒸镀法)、多弧离子镀(阴极电弧离子镀)等。离子镀大大提高了膜层粒子能量,可以获得更优异性能的膜层,扩大了“薄膜”的应用领域。是一项发展迅速、受人青睐的新技术。
广义来讲,离子镀膜的特点是:镀膜时,工件(基片)带负偏压,工件始终受高能离子的轰击。形成膜层的膜基结合力好、膜层的绕镀性好、膜层组织可控参数多、膜层粒子总体能量高,容易进行反应沉积,可以在较低温度下获得化合物膜层。
多弧离子镀(MAIP)
多弧离子镀是采用电弧放电的方法,在固体的阴极靶材上直接蒸发金属,蒸发物是从阴极弧光辉点放出的阴极物质的离子,从而在基材表面沉积成为薄膜的方法。
多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电,而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说,多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源,通过靶与阳极壳体之间的弧光放电,使靶材蒸发,从而在空间中形成等离子体,对基体进行沉积。
分子束外延(MBE) 
分子束外延(MBE)是新发展起来的外延制膜方法,是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下,由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气,经小孔准直后形成的分子束或原子束,直接喷射到适当温度的单晶基片上,同时控制分子束对衬底扫描,就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
该技术的优点是:使用的衬底温度低,膜层生长速率慢,束流强度易于精确控制,膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜,以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子显微结构材料。
分子束外延不仅可用来制备现有的大部分器件,而且也可以制备许多新器件,包括其它方法难以实现的,如借助原子尺度膜厚控制而制备的超晶格结构高电子迁移率晶体管和多量子阱型激光二极管等。我们在公车上看到的车站预告板,在体育场看到的超大显示屏,其发光元件就是由分子束外延制造的。
脉冲激光沉积(PLD)
脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD),也被称为脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation,PLA),是一种利用激光对物体进行轰击,然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上,得到沉淀或者薄膜的一种手段。
由脉冲激光沉积技术的原理、特点可知,它是一种极具发展潜力的薄膜制备技术。随着辅助设备和工艺的进一步优化,将在半导体薄膜、超晶格、超导、生物涂层等功能薄膜的制备方面发挥重要的作用;并能加快薄膜生长机理的研究和提高薄膜的应用水平,加速材料科学和凝聚态物理学的研究进程。同时也为新型薄膜的制备提供了一种行之有效的方法。
激光分子束外延(L-MBE) 
激光分子束外延技术(L-MBE)是近年来发展起来的一项新型薄膜制备技术,是将分子束外延技术与脉冲激光沉积技术的有机结合,在分子束外延条件下激光蒸发镀膜的技术。
L- MBE结合了PLD的高瞬时沉积速率(不需要考虑成分挥发时的热平衡问题等等)及MBE的实时检测功能,是一种改良的MBE方法。
近年来,薄膜技术和薄膜材料的发展突飞猛进,成果显著,在原有基础上,相继出现了离子束增强沉积技术、电火花沉积技术、电子束物理气相沉积技术和多层喷射沉积技术等。
目前,芯片制造过程中关键的PVD设备主要包括硬掩膜(Hard Mask )PVD设备、铜互联(CuBS)PVD 以及铝衬垫(Al PAD)PVD,主要使用溅射镀膜技术。
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