真空蒸發工藝是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。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。
基本介紹
- 中文名：真空蒸發工藝
- 類型：工藝
- 分類：蒸發工藝
- 條件：高真空環境
- 套用：微電子技術
- 製作：薄膜電容器的絕緣介質和電極等
簡介
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。
真空鍍 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）。 加熱 在真空室中,被加熱材料的蒸氣壓在1帕以上時才會產生明顯的蒸發。為此，常常需要把材料加熱到1000～2000;對於一些難熔材料,甚至要加熱到3000左右。常用的加熱方式有兩種：①直接加熱。將高熔點導體（如鉬、鉭、鎢或石墨、氮化硼和硼化鈦的混合物等）製成各種形狀的籃或舟，把蒸發材料置於其上，通強電流使之升溫蒸發。對於某些材料如鉻這樣的高蒸氣壓材料，則可在加熱絲外預先電鍍一層鉻，然後通電流加熱使其升華澱積。②間接加熱。有些材料在高溫下對加熱材料會產生浸蝕而受到污染，因而不能直接置於加熱器上。這時可用另一種耐熱且性能穩定的材料（如氧化鋁、氧化鈹或氧化鋯等）製成坩堝。蒸發材料盛在坩堝內，加熱器通過坩堝對材料加熱蒸發。
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），而且污染很少。電子束加熱按聚焦方式分為:直槍式、E槍式和環形槍式。直槍式具有較高的功率密度，適合於蒸發高熔點材料（如氧化鋁、氧化鋯、鉭、鉬等）。E槍式具有功率容量大 (約10千瓦)的特點，適於導熱性好的材料如鋁、金的蒸發，並可獲得高達1微米/分的蒸發速度,而且發射電子的燈絲不受蒸發材料的沾污。環形槍式雖然結構簡單，但不具備上述特點，使用較少。這幾種加熱方式僅適用於單元素材料的蒸發。對於多元素材料或化合物因組成元素的蒸氣壓不同，為了獲得薄膜的成分，需要採用多源蒸發，瞬時蒸發、雷射蒸發或反應蒸發等方式。②多源蒸發：根據薄膜的組分，使用兩個以上蒸發源對材料同時加熱蒸發，澱積在同一基片上。控制每個蒸發源的強度，即可獲得薄膜組分。③瞬間蒸發：將按需要配製好的多元素材料置於真空室內特定的容器中，待加熱器達到預定溫度時，通過送料機構將一定量的材料迅速送到已達高溫的加熱器上瞬間受熱蒸發，從而獲得一定組分的薄膜。④雷射蒸發：用功率密度極高的一束雷射脈衝照射蒸發材料的表面,可使材料的受照表面瞬間升溫至幾千度,任何材料都將在此高溫下迅速汽化蒸發。因此，所得的薄膜可保持與原材料同樣的組分。⑤反應蒸發：在蒸發澱積的同時，將一定比例的反應性氣體（如氧、氮等）通入真空室內，蒸發材料的原子在澱積過程中與反應氣體結合而形成化合物薄膜。製備高熔點金屬氧化物和氮化物薄膜（如氧化鋁、氮化鈦等）常採用此種方法。
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。 除這些方法外還有一些其他方法。例如，可以通過蒸發氣體離子化，測出離子流；而根據離子流的變化可確定蒸發速率，並從蒸發時間換算出澱積膜的厚度等。
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。
真空鍍 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）。 加熱 在真空室中,被加熱材料的蒸氣壓在1帕以上時才會產生明顯的蒸發。為此，常常需要把材料加熱到1000～2000;對於一些難熔材料,甚至要加熱到3000左右。常用的加熱方式有兩種：①直接加熱。將高熔點導體（如鉬、鉭、鎢或石墨、氮化硼和硼化鈦的混合物等）製成各種形狀的籃或舟，把蒸發材料置於其上，通強電流使之升溫蒸發。對於某些材料如鉻這樣的高蒸氣壓材料，則可在加熱絲外預先電鍍一層鉻，然後通電流加熱使其升華澱積。②間接加熱。有些材料在高溫下對加熱材料會產生浸蝕而受到污染，因而不能直接置於加熱器上。這時可用另一種耐熱且性能穩定的材料（如氧化鋁、氧化鈹或氧化鋯等）製成坩堝。蒸發材料盛在坩堝內，加熱器通過坩堝對材料加熱蒸發。
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），而且污染很少。電子束加熱按聚焦方式分為:直槍式、E槍式和環形槍式。直槍式具有較高的功率密度，適合於蒸發高熔點材料（如氧化鋁、氧化鋯、鉭、鉬等）。E槍式具有功率容量大 (約10千瓦)的特點，適於導熱性好的材料如鋁、金的蒸發，並可獲得高達1微米/分的蒸發速度,而且發射電子的燈絲不受蒸發材料的沾污。環形槍式雖然結構簡單，但不具備上述特點，使用較少。這幾種加熱方式僅適用於單元素材料的蒸發。對於多元素材料或化合物因組成元素的蒸氣壓不同，為了獲得薄膜的成分，需要採用多源蒸發，瞬時蒸發、雷射蒸發或反應蒸發等方式。②多源蒸發：根據薄膜的組分，使用兩個以上蒸發源對材料同時加熱蒸發，澱積在同一基片上。控制每個蒸發源的強度，即可獲得薄膜組分。③瞬間蒸發：將按需要配製好的多元素材料置於真空室內特定的容器中，待加熱器達到預定溫度時，通過送料機構將一定量的材料迅速送到已達高溫的加熱器上瞬間受熱蒸發，從而獲得一定組分的薄膜。④雷射蒸發：用功率密度極高的一束雷射脈衝照射蒸發材料的表面,可使材料的受照表面瞬間升溫至幾千度,任何材料都將在此高溫下迅速汽化蒸發。因此，所得的薄膜可保持與原材料同樣的組分。⑤反應蒸發：在蒸發澱積的同時，將一定比例的反應性氣體（如氧、氮等）通入真空室內，蒸發材料的原子在澱積過程中與反應氣體結合而形成化合物薄膜。製備高熔點金屬氧化物和氮化物薄膜（如氧化鋁、氮化鈦等）常採用此種方法。
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。 除這些方法外還有一些其他方法。例如，可以通過蒸發氣體離子化，測出離子流；而根據離子流的變化可確定蒸發速率，並從蒸發時間換算出澱積膜的厚度等。
