真空蒸發工藝
正文
將固體材料置於高真空環境中加熱,使之升華或蒸發並澱積在特定的襯底上,以獲得薄膜的工藝方法。使用導電材料、介質材料、磁性材料和半導體材料,都可以通過真空蒸發工藝而獲得澱積的薄膜。利用真空蒸發工藝形成各種薄膜是積體電路製備的一項重要技術。真空蒸發工藝在微電子技術中主要用於製作有源元件、器件的接觸及其金屬互連、高精度低溫度係數的薄膜電阻器,以及薄膜電容器的絕緣介質和電極等。薄膜磁性元件如存儲元件、邏輯元件、光磁元件、聲表面波器件、薄膜超導元件等的薄膜,都可用真空蒸發方法獲得。
真空度 工業上常用的真空蒸發裝置如圖1。在真空蒸發工藝中,系統真空度是直接影響成膜質量的關鍵。為了使蒸發原子或分子能澱積在離開蒸發源一定距離的襯底上,真空室的真空度通常應優於6×10-2帕,製作鋁膜需要在1×10-3帕以上,製作高純薄膜須優於10-8帕(見真空獲得技術、真空測量技術)。
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蒸發 蒸發主要有電子束蒸發、多源蒸發、瞬時蒸發、雷射蒸發和反應蒸發等方法。①電子束蒸發:在5~10千伏/厘米電場下使電子束加速,並通過電子透鏡使電子束聚焦,使坩堝中蒸發材料的溫度升高到蒸發溫度而蒸發。蒸發材料的熔融只限於表面的局部區域,使坩堝保持較低溫度,而且電子束可以通過磁場轉彎,從而把陰極雜質蒸發擋住。這種蒸發方法不僅可以達到較高的溫度(約3000
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成膜機理 真空蒸發所得到的薄膜,一般都是多晶膜或無定形膜,經歷成核和成膜兩個過程。蒸發的原子(或分子)碰撞到基片時,或是永久附著在基片上,或是吸附後再蒸發而離開基片,其中有一部分直接從基片表面反射回去。粘附在基片表面的原子(或分子)由於熱運動可沿表面移動,如碰上其他原子便積聚成團。這種團最易於發生在基片表面應力高的地方,或在晶體襯底的解理階梯上,因為這使吸附原子的自由能最小。這就是成核過程。進一步的原子(分子)澱積使上述島狀的團(晶核)不斷擴大,直至展延成連續的薄膜。因此,真空蒸發多晶薄膜的結構和性質,與蒸發速度、襯底溫度有密切關係。一般說來,襯底溫度越低,蒸發速率越高,膜的晶粒越細越緻密。
監控技術 在真空蒸發過程中需要對膜的厚度進行精確的監控。①電阻率測定法:這種方法適用於澱積導體薄膜時的監控。②光學方法:在澱積薄膜的過程中,同時測定膜的某一光學性質,如光的透射率、反射率或干涉等,藉此可對薄膜厚度進行監控。圖2為測量透射率的裝置原理圖,厚度通過光電接收器進行監控。③石英晶體振盪法:隨著石英晶體表面電極上澱積層的增厚,晶體的振盪頻率發生變化。檢測晶體頻率的偏移,即可確定澱積薄膜的厚度。如果在測量電路中加以微分處理,則可獲得薄膜的澱積速率。
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參考書目
L.I.Maissel,R.Glang,Handbook of Thin Film Technology, McGraw-Hill, New York,1970。