CMOS知识点 物理气相沉积

知识点9：

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD) 是一种通过物理过程产生原子或分子，使其在低压气相中传输并冷凝在衬底（如晶圆）表面形成薄膜的技术。PVD主要包括两种常见工艺：蒸发沉积和溅射沉积。这两种工艺可用于沉积绝缘体、导体和半导体材料，但缺点是薄膜的台阶覆盖性较差（即在复杂表面形貌上覆盖不均匀）。

1.蒸发沉积

原理：

• 待沉积材料（如金Au）在高真空环境中被加热至熔点以上，形成蒸气。
• 蒸气原子在高真空中直线传播（平均自由程长），遇到衬底（晶圆）后冷凝成薄膜。

关键组件：

• 加热源：
  • 电阻加热（灯丝）：通过电流加热坩埚中的材料。
  • 电子束（e-beam）：聚焦电子束直接轰击材料局部，产生高温蒸发。
• 真空环境：避免气体分子干扰蒸气原子的传输。

蒸发沉积工艺简图

图示说明：

• 坩埚（Crucible）：盛放待蒸发的材料（如熔化的金）。
• 金蒸气（Au vapor）：蒸发的金原子向四周扩散。
• 晶圆（Wafer）：位于蒸气路径上，表面冷凝形成金薄膜。

特点：

• 工艺简单，适合金属和低熔点材料。
• 台阶覆盖性差（蒸气原子直线传播，难以覆盖凹陷或侧壁）。

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2.溅射沉积

原理：

• 类似于溅射蚀刻，但晶圆作为阳极，靶材（待沉积材料）作为阴极。
• 惰性气体（如氩气Ar）在低压下被电离，形成等离子体。
• Ar⁺离子在电场加速下轰击靶材，溅射出靶原子，这些原子飞向晶圆并沉积成膜。

关键组件：

• 靶材（Target）：超高纯度的待沉积材料（如铝、二氧化硅等）。
• 射频（RF）或直流（DC）电源：
  • DC用于导电靶材（如金属）。
  • RF用于绝缘靶材（如氧化物），避免电荷积累。
• 氩离子（Ar⁺）：轰击靶材的“子弹”，通过动量转移溅射靶原子。

溅射沉积过程简图

图示说明：

• 靶材（Target）：被Ar⁺离子轰击，表面原子被溅射出来。
• 溅射的靶原子（Ar plasma）：飞向晶圆，形成薄膜。
• 晶圆（Wafer）：位于靶材对面，接收沉积的原子。

特点：

• 可沉积导体、绝缘体和合金，台阶覆盖性优于蒸发（但仍有限）。
• 需要控制气压、功率等参数以优化薄膜质量。