第9章IC工艺薄膜物理淀积技术
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第9章(83)教材配套课件
力、化学等一种或多种信息的输入、输出。输入、输出信
号界面复杂，对芯片钝化、封装保护提出了特殊要求。某
些MEMS的封装及其技术比MEMS还新颖，不仅技术难度
大，而且对封装环境的洁净度要求更高。
第九章 MEMS 封 装
13
3) 空间性
为给MEMS可活动部分提供足够的可动空间，需要在
外壳上刻蚀，或留有一定的槽形及其它形状的空间，经过
第九章 MEMS 封 装
2
9.1 MEMS封装的基本类型
MEMS封装的分类方式有两种：一种是按封装材料分 类，可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三类；另一种 是按密封特性分类，可分为气密封装和非气密封装。
第九章 MEMS 封 装
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9.2 MEMS封装的特点
1. MEMS封装区别于微电子封装的不同点 1) 封装层次 微电子封装通常分四个层次，即芯片级封装、单芯片 封装和多芯片组件的封装、单层或多层PCB基板封装、多 层母板封装。MEMS 封装则通常分为裸片级封装(Die Level)、器件级封装(Device Level)、硅圆片级封装(Wafer Lever Packaging)、单芯片封装(Single Chip Packaging)和系 统级封装(System on Packaging)。
固定的薄固体结构
需要将微结构和微电子进行集成
不需要这种集成
在生物学、化学、光学以及电动机械方面可以实 现不同的功能
为特定的电子功能实现电能传输
很多组件需要接触工作介质并处于恶劣环境之下
集成电路模板通过包装与工作介质相隔离
涉及各种不同的材料，如单晶硅、硅化合物、GaAs、 只涉及少量几种材料，如单晶硅、硅化合物、
CSP的封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸稍大于裸芯
微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积-68页PPT文档资料
半导体工艺设备一般工作在初、中真空度。而在通入工作气 体之前，设备先抽至高、超高真空度。
20
气体G流---动-在及体积导率----气体动力学
V内气体的质量
ρ ----质量密
质量流速qm度(g/s)：
qm
dG dt
d(ρV) dt
阀门
气体流量Q (L·atm/min)：
Q
qm
p g
气流用标准体积来测量，指相同气体, 在0℃和1atm下所占的体积。
（cold pump | cryogenic pump | cryovacuum pump | low temperature pump）
利用低温表面冷凝气体真空 泵，又称冷凝泵。
抽气原理 在低温泵内设
有由液氦或制冷机冷却到极
低温度的冷板。它使气体凝
结，并保持凝结物的蒸汽压
力低于泵的极限压低温力泵，是从获得而清洁真空的极限压力最低、
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薄膜工艺主要内容
一、物理气相淀积 二、化学气相淀积 三、外延生长技术
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一、物理气相淀积（PVD）
21
气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加 若大量气体流过真空系统，要保持腔体压
力接近泵的压力，就要求真空系统有大的 传导率----管道直径；泵放置位置
•泵的抽速Sp----体积置换率
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气体G流---动-在及体积导率----气体动力学
V内气体的质量
ρ ----质量密
质量流速qm度(g/s)：
qm
dG dt
d(ρV) dt
阀门
气体流量Q (L·atm/min)：
Q
qm
p g
气流用标准体积来测量，指相同气体, 在0℃和1atm下所占的体积。
（cold pump | cryogenic pump | cryovacuum pump | low temperature pump）
利用低温表面冷凝气体真空 泵，又称冷凝泵。
抽气原理 在低温泵内设
有由液氦或制冷机冷却到极
低温度的冷板。它使气体凝
结，并保持凝结物的蒸汽压
力低于泵的极限压低温力泵，是从获得而清洁真空的极限压力最低、
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薄膜工艺主要内容
一、物理气相淀积 二、化学气相淀积 三、外延生长技术
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一、物理气相淀积（PVD）
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气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加 若大量气体流过真空系统，要保持腔体压
力接近泵的压力，就要求真空系统有大的 传导率----管道直径；泵放置位置
•泵的抽速Sp----体积置换率
集成电路制造技术第六章(物理方法薄膜沉积技术)
when V= 10 kV Electron Velocity = 6×104 km/s Temperature ~ 5000-6000 ℃
E-beam Evaporation Machine
热蒸发和电子束蒸发 技术的比较
热蒸发
电子束蒸发
Advantages Simple equipment Low contamination
• 集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。
二种薄膜沉积工艺
• 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）
利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4……
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
第六章：薄膜制备技术—— 物理沉积方法
Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition
(PVD)
图形的转换方法
填充法 (Additive)
刻蚀法 (Etching or Subtractive)
填充法
刻蚀法
IC制造中的薄膜
溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
RML : 蒸汽源材料的消耗速率 （温度越高，消耗速率 越快） : 沉淀材料的质量密度（ 材料本身性质）
E-beam Evaporation Machine
热蒸发和电子束蒸发 技术的比较
热蒸发
电子束蒸发
Advantages Simple equipment Low contamination
• 集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。
二种薄膜沉积工艺
• 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）
利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4……
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
第六章：薄膜制备技术—— 物理沉积方法
Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition
(PVD)
图形的转换方法
填充法 (Additive)
刻蚀法 (Etching or Subtractive)
填充法
刻蚀法
IC制造中的薄膜
溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
RML : 蒸汽源材料的消耗速率 （温度越高，消耗速率 越快） : 沉淀材料的质量密度（ 材料本身性质）
《薄膜物理与技术》课程教学大纲
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
薄膜淀积工艺(上)要点38页PPT
薄膜淀积工艺(上)要点
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
7、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
7、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积
第六讲 薄膜工艺
之物理气相淀积
主讲人：李方强
2019-11-01
1
1
引言
在集成电路制造工艺中，常常需要在硅片的表面淀积各种固 体薄膜。薄膜厚度一般在纳米到微米的数量级，薄膜材料可以是 金属、半导体或绝缘体。
淀积薄膜的主要方法
热氧化（干法氧化、湿法氧化、加氯氧化等）
物理淀积（真空蒸发镀膜、溅射镀膜、分子束外延等）
在蒸发源与基片 之间的输运； 被蒸发的原子或 分子在衬底表面 的淀积：凝结→ 成核→ 生长→成膜。
16
1.1 基本参数
汽化热ΔH 被蒸发的原子或分子需克服固相或 液相的原子间束缚，而蒸发到真空中并形成具 有一定动能的气相原子或分子所需的能量。
常用金属材料汽化热 在蒸发温度下的动能
H4eV/原子（分子） E3kT 0.2eV/原子（分子）
适用于高真空,但入口真空也要求较高,一般 前要接机械泵
压缩比可达108
2019-11-01
油扩散泵主要由 泵体、扩散喷嘴、 蒸气导管、油锅、 加热器、扩散器、 冷却系统和喷射 喷嘴等部分组成。
28
涡轮分子泵
1958年，联邦德国的W.贝克首次提 出有实用价值的涡轮分子泵
利用高速旋转的动叶轮将动量传给 气体分子，使气体产生定向流动而 抽气的真空泵。
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薄膜工艺主要内容
一、物理气相淀积 二、化学气相淀积 三、外延生长技术
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之物理气相淀积
主讲人：李方强
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引言
在集成电路制造工艺中，常常需要在硅片的表面淀积各种固 体薄膜。薄膜厚度一般在纳米到微米的数量级，薄膜材料可以是 金属、半导体或绝缘体。
淀积薄膜的主要方法
热氧化（干法氧化、湿法氧化、加氯氧化等）
物理淀积（真空蒸发镀膜、溅射镀膜、分子束外延等）
在蒸发源与基片 之间的输运； 被蒸发的原子或 分子在衬底表面 的淀积：凝结→ 成核→ 生长→成膜。
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1.1 基本参数
汽化热ΔH 被蒸发的原子或分子需克服固相或 液相的原子间束缚，而蒸发到真空中并形成具 有一定动能的气相原子或分子所需的能量。
常用金属材料汽化热 在蒸发温度下的动能
H4eV/原子（分子） E3kT 0.2eV/原子（分子）
适用于高真空,但入口真空也要求较高,一般 前要接机械泵
压缩比可达108
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油扩散泵主要由 泵体、扩散喷嘴、 蒸气导管、油锅、 加热器、扩散器、 冷却系统和喷射 喷嘴等部分组成。
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涡轮分子泵
1958年，联邦德国的W.贝克首次提 出有实用价值的涡轮分子泵
利用高速旋转的动叶轮将动量传给 气体分子，使气体产生定向流动而 抽气的真空泵。
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薄膜工艺主要内容
一、物理气相淀积 二、化学气相淀积 三、外延生长技术
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第四讲：淀积工艺(半导体制造技术)
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
固态薄膜
厚
宽 与衬底相比 薄膜非常薄
Oxide Silicon substrate
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 11.4
电信学院微电子教研室
膜对台阶的覆盖
我们期望膜在硅片表面上厚度一致，但由 于硅片表面台阶的存在，如果淀积的膜在台阶 上过渡的变薄，就容易导致高的膜应力、电短 路或在器件中产生不希望的诱生电荷。应力还 可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。
均匀厚度
共形台阶覆盖
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 11.1
电信学院微电子教研室
引
言
从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较 为直接，上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀 积层。图中器件的特征尺寸远大于1µm。如图所 示，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦 ，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片 制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯 片加工过程中，需要6层甚至更多的金属来做连 接（第六页的图），各金属之间的绝缘就显得非 常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的 薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一 个重要工艺步骤。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
CVD 反应
• CVD 反应步骤 基本的化学气相淀积反应包含8个主要步骤， 以解释反应的机制。 1）气体传输至淀积区域； 2）膜先驱物的形成； 3）膜先驱物附着在硅片表面； 4）膜先驱物黏附； 5）膜先驱物扩散； 6）表面反应； 7）副产物从表面移除； 8）副产物从反应腔移除。
01190660薄膜材料与技术09级第3章薄膜沉积的物理方法40页PPT
cm -2s-1
课本 P38 表2.2 显示：常用真空度及沉积率下，残余气体分子可能污染薄膜；
系统真空度、薄膜沉积速率 薄膜内部残余气体含量。
西安理工大学
Xi'an University of Technology
-6-
薄膜材料与技术
材料科学与工程学院 2008©
Thin Film Materials & Technologies
Thin Film Materials & Technologies
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
二、电阻加热蒸发：
将待蒸发材料放置在电阻加热装置中，利用电阻热加热待 沉积材料提供蒸发热使待蒸发材料气化的蒸发沉积技术。
1、支撑加热材料 (课本 P40 图2.9)：可做成丝、箔片、筐、碗 等形状，常采用金属W、 Mo、Tl等高Tm、低Pe 材料。
1、初衷：
整体式加热：蒸发 坩物 锅反应
为克服电阻加热蒸发的缺点而引入：能量不集中：蒸发低速率
蒸发温度低：可蒸料发受材限
2、电子枪分类 (电子发射机制不同)：
热阴极型 由难熔金属制成的灯丝发射热电子； 空心阴极型 由惰性气体电离形成的等离子体引出电子。
a) 电子束蒸发装置 (热阴极电子枪)
0.2
3、规律：
0.0
0
距蒸发源近：则膜厚不均匀程度增加、但沉积速率提高；
距蒸发源远：则膜厚均匀程度好、但沉积速率降低。
西安理工大学
Xi'an University of Technology
-5-
1.0
0.8
余弦因子（cos）
薄膜淀积工艺(上)要点38页PPT
薄膜淀积工艺(上)要点
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
Hale Waihona Puke 66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
Hale Waihona Puke 66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
薄膜淀积工艺(上)要点
反应腔抽真空，充气 加高压电场，气体被击
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介