第六章(物理方法薄膜沉积技术)
薄膜制备的物理方法
一、薄膜制备的物理方法
1.真空蒸发 真空蒸发 2.溅射 溅射 3.离子束和离子助 3.离子束和离子助 4.外延膜沉积技术 外延膜沉积技术
二、真空蒸发
在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环境。在真空环境下， 在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环境。在真空环境下， 真空环境 待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压 提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。 给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温 度下，蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发薄膜沉积。 度下，蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发薄膜沉积。 大量材料皆可以在真空中蒸发，最终在基片上凝结以形成薄膜。 大量材料皆可以在真空中蒸发，最终在基片上凝结以形成薄膜。真空 组成： 蒸发沉积过程由三个步骤组成： ①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； 蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在蒸发源与基片之间蒸发粒子的运输； 在蒸发源与基片之间蒸发粒子的运输； ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜。 蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜。
1.真空蒸发沉积薄膜的优点：简单便利、操作容易、成膜速度快、效 真空蒸发沉积薄膜的优点：简单便利、操作容易、成膜速度快、 真空蒸发沉积薄膜的优点 率高等 是薄膜制备中最为广泛使用的技术。 率高等，是薄膜制备中最为广泛使用的技术。
2.真空蒸发技术的缺点：形成的薄膜与基片结合较差，工艺重复性不 真空蒸发技术的缺点：形成的薄膜与基片结合较差， 真空蒸发技术的缺点 好。
薄膜制备的物理方法
化学气相沉积方法由于所得到的薄膜材料是由反应气体通过化学反应 化学气相沉积方法由于所得到的薄膜材料是由反应气体通过化学反应 而实现的，因此对于反应物和生成物的选择具有一定的局限性。同时， 而实现的，因此对于反应物和生成物的选择具有一定的局限性。同时， 由于化学反应需要在较高的温度下进行， 由于化学反应需要在较高的温度下进行，基片所处的环境温度一般较 这样也同时限制了基片材料的选取。 高，这样也同时限制了基片材料的选取。相对于化学气相沉积这些局 限性，物理气相沉积（ 简称PVD）则显 限性，物理气相沉积（Physical Vapor Deposition ，简称 ） 示出独有的优越性，它对沉积材料和基片材料均没有限制。 示出独有的优越性，它对沉积材料和基片材料均没有限制。 物理气相沉积过程可概括为三个阶段： 物理气相沉积过程可概括为三个阶段： 从源材料中发射出粒子； ①从源材料中发射出粒子； ②粒子运输到基片； 粒子运输到基片； 粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。 ③粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。
薄膜沉积原理分析课件
研究和发展新的薄膜沉积技术，如原子层沉积（ALD）、脉冲激光沉积（PLD）、化学气相沉积（CVD）等。
新技术
通过调整工艺参数和材料组成，提高薄膜的性能，如力学性能、光学性能、电学性能等。
实现对薄膜结构和性能的精确控制，以满足不同应用领域的严格要求。
控制
优化
跨学科
将薄膜沉积技术应用于其他学科领域，如生物医学、能源、环境等。
详细描述
金属有机物化学气相沉积采用金属有机化合物作为反应前驱体，通过热解或等离子体增强方式在基底上形成金属或金属氧化物薄膜。该方法具有较高的成膜质量和可调的薄膜性质，广泛应用于微电子、光电子和催化等领域。
利用激光诱导化学反应，在局部快速形成高质量薄膜。
总结词
激光化学气相沉积通过高能激光束诱导局部化学反应，在基底上快速形成高质量薄膜。该方法具有高精度、高分辨率和高沉积速率等特点，适用于制备微纳结构薄膜和功能薄膜。
脉冲激光沉积是一种利用脉冲激光束将靶材熔化并形成等离子体，然后将等离子体沉积在基底表面的方法。
延时符
化学气相沉积原理
通过加热反应气体，使其在基底上发生化学反应形成薄膜。
总结词
热化学气相沉积利用高温条件，使反应气体在基底表面发生热分解或化学反应，形成固态薄膜。该方法具有较高的沉积速率和较成熟的工艺，广泛应用于制备各种功能薄膜。
在真空蒸发镀膜过程中，首先将蒸发材料放入坩埚中，然后加热坩埚使材料蒸发。蒸发出来的原子或分子在真空中向四面八方运动，最终沉积在基底表面形成薄膜。
溅射镀膜是一种利用高能离子轰击靶材表面，使靶材原子或分子溅射出来并沉积在基底表面的方法。
在溅射镀膜过程中，惰性气体在电场的作用下加速并撞击靶材表面，使靶材原子或分子从表面溅射出来。这些溅射出来的原子或分子在真空中向四面八方运动，最终沉积在基底表面形成薄膜。
物理气相沉积(PVD)技术
物理气相沉积(PVD)技术第一节 概述物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，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。
物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
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。
真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。
如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。
磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。
电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。
离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。
这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。
物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。
薄膜沉积物理方法超强总结
电弧加热蒸发装置示意图
真空蒸发沉积
三、电弧放电加热蒸发：
3、主要优点： 与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； ❖加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导 电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
4、主要缺点： 电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质 量。
薄膜制备物理方法总结
蒸发（Evapor)
Physical
Vapor
Deposition
溅射（Sputtering ） 离化PVD（离子镀、IBAD、IBD等）
的物 理方 法
外延技术 Epitaxy
分子束外延 (MBE，Molecular Beam Epitaxy 液相外延 (LPE，Liquid Phase Epitaxy ) 热壁外延 (HWE，Hot Wall Epitaxy )
轰击坩埚
电子束蒸发装置 示意图
薄膜沉积
采用电场 (5~10 kV) 加速获得高能电子束。 磁场偏转法的使用可以避免灯丝材料的蒸发 对于沉积过程可能造成的污染。
真空蒸发沉积
二、电子束蒸发：
➢ 应用场合：适用于高纯度（高真空度）、高熔点、易污染 薄膜材料的沉积。
➢ 优点： 加热温度高，可蒸发任何材料； 可避免来自坩锅、加热体和支撑部件的污染；
5、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜.
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
PLD也被称为脉冲激光烧蚀:pulsed laser ablation，PLA.
1，原理： 将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面，
使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子 体，等离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜。真空 度～10-6 Pa，可实现multilayer的沉积
薄膜材料的表征方法
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
6.2 薄膜形貌的表征方法
➢ 二次电子：外层价电子激发SEM ➢ 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 S
EM ➢ 透射电子TEM
➢ 俄歇电子：内层电子激发AES,表面层成分分析
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.3 薄膜结构的表征方法
6.3.1 X射线衍射法 －－ 物相定性分析
材料的成份和组织结构是决定其性能的基本因素,化学分析能给 出材料的成份,金相分析能揭示材料的显微形貌,而X射线衍射分 析可得出材料中物相的结构及元素的存在状态.因此,三种方法不 可互相取代.
物相分析不仅能分析化学组成,更重要的是能给出元素间化学结 合状态和物质聚集态结构.
质量的方法,甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于一个 原子层的高水平.
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法 基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物
理现象. 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:
一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二,应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定. 在大多数的情况下,这种方法主要是被用来测量沉积速度. 将其与电子技术相结合,不仅可实现沉积速度、厚度的检测,还 可反过来控制物质蒸发或溅射的速率,从而实现对于薄膜沉积 过程的自动控制.
垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化而发 生振荡.
当n1> n2n2＝1.5,相当于玻璃时,反射极大的位置： h = 2m+1λ/4n1
对于n1< n2,反射极大的条件变为： h = m+1λ/2n1
半导体技术-薄膜沉积
薄膜沉积薄膜的沉积，是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的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。
分类及详述：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）——CVD反应气体发生化学反应，并且生成物沉积在晶片表面。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）——PVD蒸镀（Evaporation）利用被蒸镀物在高温（近熔点）时，具备饱和蒸汽压，来沉积薄膜的过程。
溅镀（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极（Electrode）的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），沉积薄膜。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)用高温炉管来进行二氧化硅层的成长，至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。
由于化学反应随温度呈指数函数变化，故当高温时，迅速完成化学反应，对于化学气相沉积来说，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程的重复性。
高温制程有几项缺点：1．高温制程环境所需电力成本较高。
2．安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积材料。
3．高温成长的薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。
所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，如此一来，在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。
按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」：1．常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD；APCVD)最早研发的CVD系统，是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。
离子注入和薄膜沉积
离子注入和薄膜沉积离子注入和薄膜沉积是两种重要的表面工程技术，它们都能够改变材料表面的物理和化学性质，从而提高材料的性能和功能。
离子注入是一种将离子束注入固体材料中的技术。
离子注入常常被用来提高材料的硬度、耐磨性、化学稳定性等性质。
离子注入的原理是将电荷载体称为离子的高能量束，投射到材料表面或者表面下一定深度的位置。
离子注入时，需要控制离子束的能量、束流密度和注入时间等参数，以达到最佳效果。
离子注入通常需要使用离子源、加速器、注入系统和检测系统等设备。
离子注入主要有两种类型：浅层离子注入和深层离子注入。
浅层离子注入是将离子注入到材料表面下使用小于几十纳米的深度中的表面层。
这种注入能够改善材料表面的性能，并产生新的材料特性和功能，例如渗碳和渗硼处理在表面制备具有高耐磨性和高耐蚀性的工具和零件。
深层离子注入是在材料表面以下的深度中形成未均匀分布的点缺陷，以改善材料的辐射、耐腐蚀性、氢脆裂性等性能。
深层注入会在深层产生有利的物理和化学特性，使材料能够更好地抵抗环境中的攻击。
薄膜沉积技术是在基板表面沉积非常薄的材料层，以改善材料表面的性能。
薄膜沉积技术是一种制备单晶薄膜、多晶薄膜和非晶薄膜的表面工程技术。
薄膜沉积技术通常使用化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、离子束沉积（IBD）或电泳沉积等方法。
这些方法具有独特的优缺点，需要根据材料的性质和应用需求选择合适的方法。
例如，CVD可用于沉积非晶薄膜，PVD可用于沉积多晶薄膜，IBD可用于沉积单晶薄膜，而电泳法则可用于沉积均相或弥散的材料。
薄膜沉积能够改善材料的表面性能，例如增加硬度、降低摩擦系数、改善光学特性等。
这些应用非常广泛，如金属离子沉积可以形成具有高导电性能的导电膜，而非晶氮化硅沉积可以制备具有耐热、耐腐蚀性能的电气元件。
总之，离子注入和薄膜沉积是两种表面工程技术，是改善材料表面性能的重要手段。
这些技术为制造高品质的电子元件、导电器、半导体器件、光学器件和涂层等提供了支撑。
薄膜制备工艺技术
薄膜制备工艺技术薄膜制备工艺技术是指通过化学合成、物理沉积、溶液制备等方法制备出具有一定厚度和特殊性能的薄膜材料的技术。
薄膜广泛应用于光电子、微电子、光学、传感器、显示器、纳米技术等领域。
本文将详细介绍几种常见的薄膜制备工艺技术。
第一种是物理沉积法。
物理沉积法主要包括物理气相沉积法（PVD）和物理溶剂沉积法（PSD）两种。
其中，物理气相沉积法是将固态材料加热至其熔点或升华点，然后凝华在基底表面上形成薄膜。
而物理溶剂沉积法则是通过在沉积过程中溶剂的挥发使溶剂中溶解的材料沉积在基底表面上。
物理沉积法具有较高的沉积速度和较低的工艺温度，适用于大面积均匀薄膜的制备。
第二种是化学沉积法。
化学沉积法通过在基底表面上进行化学反应，使反应物沉积形成薄膜。
常见的化学沉积法有气相沉积法（CVD）、溶液法和凝胶法等。
气相沉积法是将气体反应物输送至反应室内，通过热、冷或化学反应将气体反应物沉积在基底表面上。
而溶液法是将溶解有所需沉积材料的溶液涂覆在基底表面上，通过溶剂挥发或加热使溶液中的沉积材料沉积在基底上。
凝胶法则是通过凝胶溶胶中的凝胶控制沉积材料的沉积，形成薄膜。
化学沉积法成本低、制备工艺简单且适用于大面积均匀薄膜的制备。
第三种是离子束沉积法（IBAD）、激光沉积法和磁控溅射法。
离子束沉积法是通过加速并聚焦离子束使其撞击到基底表面形成薄膜。
激光沉积法则是将激光束照射在基底表面上，通过激光能量转化和化学反应形成薄膜。
磁控溅射法是将材料附着在靶上，通过离子轰击靶表面并溅射出材料颗粒，最终沉积在基底表面上。
这些方法制备的薄膜具有优异的结构和性能，适用于制备复杂结构和功能薄膜。
综上所述，薄膜制备工艺技术包括物理沉积法、化学沉积法、离子束沉积法、激光沉积法和磁控溅射法等多种方法。
不同的方法适用于不同的材料和薄膜要求，可以根据具体需求选择合适的工艺技术。
薄膜沉积的物理方法精品PPT课件
2、污染薄膜（轰击基片并吸附）： 引入残余气体分子对基片的撞击率 (Ng)予以表征： N g 3.5131022
式中：Pg — 残余气体分压；Mg — 残余气体分子量；Tg — 残余气体的温度
Pg M gTg
cm-2 s-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；
3.1.2 蒸发沉积装置
五、激光蒸发：
采用激光作为热源照射待蒸发材料，实现其蒸发和沉积。
1、蒸发装置： 见课本 P44 图2.12 或 右图。
2、主要优点： 热源清洁，无来自加热体的污染； ❖ 表面局部加热，无来自支撑物的污染； 聚焦可获得高功率，可沉积陶瓷等高熔点材料以及
复杂成分材料（瞬间蒸发）； 光束集中，激光装置可远距离放置，可安全沉积一
课后作业：
1、什么是物理气相沉积（PVD）？举例说明PVD的主要过程。 2、真空蒸发装置一般包括哪三个组成部分？何者为最关键的部分，主要需要完成哪些功能？ 3、真空蒸发装置主要包括哪些类别？选择三种典型蒸发装置，比较其原理、特点和适用领域。
3 薄膜沉积的物理方法
3.2 溅射沉积技术
3.2.1 溅射的基本概念及原理
❖ 基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自由程）
三、蒸发条件：分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pei
1、物理机制：
■ 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行；
■ T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压
Pe /Torr
■ Pi > Pei 凝聚； Pi < Pei 蒸发 (净蒸发 > 0)
些特殊材料薄膜（如高放射性材料）； 可引导激光束，实现多源同步或有序蒸发； 脉冲激光可实现超高功率脉冲加热，实现超高温瞬时蒸发。
薄膜沉积技术
薄膜沉积技术在人类的生产生活中，许多方面都要求材料具有耐腐蚀性。
这就需要采取措施，提高金属的抗腐蚀性。
在很久以前，由于材料本身和外界环境因素的影响，它们容易被腐蚀或被污染而降低了使用价值，所以人们便开始探索提高材料耐腐蚀性的方法，经过漫长的发展历程，形成了一套完整的防护技术——保护技术。
沉积薄膜的原理是基于物质的吸附与表面的微观作用，通过对不同的金属进行电解处理，然后在金属的表面涂覆一层导电的金属氧化物或非金属氧化物，最终在金属的表面沉积出一层均匀且完整的金属氧化物薄膜。
沉积薄膜的工艺方法大致可分为两大类：物理气相沉积和化学气相沉积。
而化学气相沉积又包括热分解沉积、溶胶凝胶沉积、氧化还原沉积和离子束沉积等。
薄膜沉积技术简介随着科学技术的不断发展，薄膜沉积技术也在不断地发展与改进，在传统的化学沉积方式之外，人们还尝试使用其他方式来制备金属氧化物薄膜。
在化学气相沉积中，选择性激光烧蚀法（ SLAM）、电子束蒸发沉积法（ EBSD）、原子溅射沉积法（ RIE）等都属于选择性激光烧蚀法。
这种方法首先将金属粉末（或金属熔体）制成一定尺寸的粉末颗粒，然后用氧气等惰性气体作为保护气体充分混合，在惰性气体的气流下，将粉末颗粒置于蒸发源的前方，高能量的激光束直接照射到粉末颗粒上，就会将粉末颗粒激发出等离子体，最终将粉末颗粒烧蚀掉，从而得到金属氧化物薄膜。
总的来说，沉积薄膜的工艺过程是基于物质的吸附与表面的微观作用，它要求被沉积的金属有较高的活性，并具有较好的纯度。
薄膜沉积技术的应用薄膜沉积技术就是利用一种能在固体上生成特殊有序、高强度Affordable晶体层的薄膜沉积技术。
晶体层可以在晶体表面形成极高密度的致密的耐腐蚀层，从而达到延长设备寿命及减少维修费用的目的。
薄膜沉积技术的主要优点有：①薄膜的机械性能比较稳定；②可以实现各向异性的功能转换；③加工精确度高，操作安全性好。
薄膜沉积技术已广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、石油化工、核工业、医疗器械、电子仪器、建筑装饰、冶金、农业等领域。
薄膜的沉积过程
薄膜的沉积过程
薄膜沉积是指将材料沉积到基底表面形成一层薄膜的过程。
这个过程在微电子、光电子、纳米技术等领域都有广泛的应用。
薄膜沉积过程可以分为物理气相沉积和化学气相沉积两种方法。
1. 物理气相沉积
物理气相沉积是指通过高能粒子（如电子束、离子束）或热源（如电阻丝）将材料加热至高温，使其蒸发或溅射到基底表面上形成一层薄膜的过程。
这种方法适用于制备金属、合金、硅等材料的薄膜。
2. 化学气相沉积
化学气相沉积是指通过化学反应将材料从气体状态转变为固态并在基底表面上形成一层薄膜的过程。
这种方法适用于制备半导体、绝缘体和金属等材料的薄膜。
化学气相沉积可以分为以下几种类型：
（1）热化学气相沉积（CVD）
CVD是一种将气态前驱体在高温下分解反应产生材料沉积在基底表面
的方法。
CVD适用于制备SiO2、Si3N4、MoSi2等材料的薄膜。
（2）物理化学气相沉积（PVD）
PVD是指通过物理手段将材料从固态转变为气态，然后在基底表面上
形成一层薄膜的过程。
PVD适用于制备金属、合金、氧化物等材料的
薄膜。
（3）原子层沉积（ALD）
ALD是一种将前驱体分子和反应剂交替注入反应室中，每次只有一个
单层原子或分子被沉积在基底表面上的方法。
ALD适用于制备高质量、均匀性好的绝缘体和金属薄膜。
总之，不同类型的薄膜沉积方法具有不同的特点和优缺点，在实际应
用中需要根据具体情况选择合适的方法。
薄膜的物理气相沉积(PVD)
1 Torr = 133 Pa 1 Pa =7.5 mTorr
残留气体对薄膜生长的影响
Substrate
生长材料的分子 残留气体分子
残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间
Pressure (Torr) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
衬底
Layer by Layer ( 2D )
Stranski-Krastanov Mode
Layer Plus Island Growth
衬底
( 2D-3D )
Volmer-Weber Mode
衬底
Island Growth ( 3D )
薄膜生长中服从的物理原理
总能量必须最小化
►表面自由能 ►位错能 ►应变能
表面
真空室 反应气体管道 充气管道
脉冲激光沉积
Plume
衬底 厚度监控仪 激光束
真空泵
靶材
Pulsed Laser Deposition (PLD) System
磁控溅射
► DC ( 导电材料 ) ► RF ( 绝缘介质材料 ) ► 反应 (氧化物、氮化物) 或不反应 ( 金属 )
溅射靶材
溅射过程的物理模型
玻璃钟罩
反应气体管道 充气管道
热蒸发
衬底 衬底架
Plume 真空泵
厚度监控仪 加热丝、舟或坩埚
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
电子束蒸发
►用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 ►材料置于冷却的坩埚内 ►只有小块区域被电子束轰击 - 坩埚内部形成
一个虚的“坩埚” - “skulling” ►不与坩埚材料交叉污染，清洁。
沉积法制备薄膜
沉积法制备薄膜
沉积法是制备薄膜的一种常用方法。
一般来说，沉积法可以分为物理
沉积法和化学沉积法两种。
物理沉积法包括蒸发沉积法、溅射沉积法和离
子束沉积法等，而化学沉积法则包括气相沉积法、溶液沉积法和电化学沉
积法等。
在物理沉积法中，蒸发沉积法是利用热源将物质进行加热，使其蒸发
并在基底上形成薄膜；溅射沉积法则是利用离子轰击的力量将目标物质沉
积到基底上；离子束沉积法则是将离子束引导到目标物质的表面进行轰击，并让释放出来的粒子形成薄膜。
而在化学沉积法中，气相沉积法是利用气相反应生成物质，并让其沉
积在基底上；溶液沉积法则是将目标物质的溶液浸润到基底上，并让其沉
积形成薄膜；电化学沉积法则是利用电化学反应将目标物质沉积到极板上。
不同的沉积法有其各自的优缺点，选择何种方法制备薄膜需要根据实
际需要和情况来选择。
3 薄膜沉积工艺
3 薄膜沉积工艺3薄膜沉积工艺薄膜沉积工艺是一种将材料以薄膜的形式沉积在基底表面的技术。
这种工艺广泛应用于电子、光电子、光学、纳米技术等领域，具有重要的科学研究和应用价值。
本文将介绍薄膜沉积工艺的基本原理、主要方法和应用领域。
一、薄膜沉积工艺的原理薄膜沉积工艺是通过物理或化学方法将材料以原子或分子的形式沉积在基底表面，形成一层均匀的薄膜。
其原理可以简单概括为两个方面：一是在基底表面形成薄膜的核心过程，包括原子或分子的吸附、扩散和聚集等；二是在基底表面形成薄膜的外部过程，包括气相传输、表面反应和薄膜成核等。
二、薄膜沉积工艺的方法1. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积是利用物理方法将材料以原子或分子的形式沉积在基底表面的方法。
常用的物理气相沉积方法有蒸发、溅射、激光熔融等。
这些方法具有成本低、沉积速度快、薄膜质量好等优点，广泛应用于半导体、电子器件等领域。
2. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积是利用化学反应将材料以原子或分子的形式沉积在基底表面的方法。
常用的化学气相沉积方法有热CVD、等离子体CVD、激光化学气相沉积等。
这些方法具有沉积速度快、薄膜质量好、沉积温度低等优点，广泛应用于光电子、光学器件等领域。
3. 溶液法沉积：溶液法沉积是将溶解了材料的溶液涂覆在基底表面，通过溶剂的挥发或化学反应形成薄膜的方法。
常用的溶液法沉积方法有旋涂法、浸渍法、喷涂法等。
这些方法具有简单易行、成本低等优点，广泛应用于柔性电子、生物医学等领域。
三、薄膜沉积工艺的应用1. 电子器件领域：薄膜沉积工艺在电子器件领域的应用非常广泛，如硅薄膜太阳能电池、有机发光二极管（OLED）、薄膜晶体管（TFT）等。
2. 光学器件领域：薄膜沉积工艺在光学器件领域的应用也非常重要，如反射镜、透镜、滤光片等。
3. 纳米技术领域：薄膜沉积工艺在纳米技术领域的应用也十分广泛，如纳米粒子薄膜、纳米线薄膜等。
总结：薄膜沉积工艺是一种将材料以薄膜的形式沉积在基底表面的技术。
薄膜的物理气相沉积溅射法.pptx
业
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• 由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周 期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面， 而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子， 吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。
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二、射频溅射装置及特性
• 电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路 径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘 体和金属无关。
4.2 物质的溅射现象
• 入射离子能量的影响 • 只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能
从被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与 入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的 升华热有一定比例关系 • 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加， 然后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加， 溅射产额反而下降
弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速
增加
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F E
G
4.1 辉光放电和等离子体
2、辉光放电区域的划分
阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区； 阳极柱；阳极暗区；阳极辉光 暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光区相当于不同粒子
发生碰撞、复合、电离的区域。
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• 作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的
大 部分能量
2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属
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4.1 辉光放电和等离子体
产生辉光放电 通过混合气体中加直流电压、或射频电压，
混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体， 与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原 子、或离子返回其最低能级时，以发射光（或 声子）的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。
薄膜沉积方法
薄膜沉积方法一、引言薄膜沉积方法是一种用于制备薄膜材料的关键技术。
它在电子器件、光学器件、太阳能电池等领域具有广泛的应用。
本文将介绍薄膜沉积方法的原理、分类以及一些常用的技术。
二、薄膜沉积方法的原理薄膜沉积方法是通过将材料原子或分子逐层沉积在基底上，形成具有特定功能和性质的薄膜。
常用的薄膜沉积方法主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）以及溶液法等。
三、薄膜沉积方法的分类1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是利用物理手段将材料蒸发、溅射或者离子轰击后沉积在基底上。
常见的物理气相沉积方法有热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等。
这些方法能够得到高纯度、致密度高的薄膜，但是制备过程中需要高真空环境。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是利用化学反应将材料原子或分子沉积在基底上。
常见的化学气相沉积方法有热CVD、等离子CVD、低压CVD等。
这些方法能够制备多种材料的薄膜，具有较好的均匀性和控制性。
3. 溶液法溶液法是将溶解有所需材料的溶液倾倒在基底上，通过溶剂的挥发或者化学反应使溶质沉积在基底上。
常见的溶液法有旋涂法、浸渍法、喷雾法等。
这些方法制备简单、成本低，适用于大面积薄膜的制备。
四、常用的薄膜沉积技术1. 热蒸发热蒸发是将材料加热至其沸点，使其蒸发并沉积在基底上。
这种方法适用于蒸发温度较低的材料，如金属薄膜。
2. 磁控溅射磁控溅射是利用高能离子轰击靶材，使其溅射出的原子或分子沉积在基底上。
这种方法能够制备各种材料的薄膜，但需要高真空环境。
3. 化学气相沉积化学气相沉积是通过化学反应将材料原子或分子沉积在基底上。
这种方法可以制备复杂的多层薄膜，并具有较好的控制性和均匀性。
4. 旋涂法旋涂法是将溶解有所需材料的溶液倒在基底上，然后通过高速旋转基底使溶液均匀涂布在基底上。
这种方法适用于制备有机薄膜。
五、总结薄膜沉积方法是制备薄膜材料的重要技术，不同的方法适用于不同的材料和应用领域。
物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法是常用的薄膜沉积方法。
PVD薄膜沉积工艺及设备
PVD薄膜沉积工艺及设备薄膜沉积工艺是指将材料以薄膜的形式沉积在基底上的过程。
薄膜沉积广泛应用于半导体、光电子、化学、材料等领域，对于制备各类微电子器件、光电子器件、传感器、涂层材料等起着重要作用。
其中，物理气相沉积（PVD）是一种常用的薄膜沉积工艺，本文将对PVD薄膜沉积工艺及设备进行详细介绍。
PVD薄膜沉积工艺是通过物理方法，将目标材料表面原子或分子从固体态转化为气相态，并在此过程中形成凝聚到基底表面的薄膜。
PVD薄膜沉积工艺包括了蒸发沉积、溅射沉积和离子束沉积等几种不同的方法。
以下分别对这几种方法进行介绍。
蒸发沉积是最简单的一种PVD薄膜沉积方法。
其基本原理是将固态目标材料加热到一定温度，使其表面原子或分子获得足够的热能，从而转化为气相态，并经过扩散到基底表面沉积形成薄膜。
蒸发沉积可以通过热蒸发、电子束蒸发和激光蒸发等方法实现。
溅射沉积是一种利用目标材料被离子轰击而从固态转化为气相，然后沉积到基底表面的PVD薄膜沉积方法。
溅射沉积主要包括磁控溅射和电弧溅射两种方式。
在磁控溅射中，通过施加磁场使得离子在靶表面形成环状轨道，从而实现离子轰击靶材并将其剥离成粒子，最终沉积到基底表面形成薄膜。
电弧溅射则是通过高能电弧加热靶材并使用气体离子轰击的方式实现薄膜的沉积。
离子束沉积是一种将目标材料通过离子化并施加高能电场使其沉积到基底表面的薄膜沉积方法。
离子束沉积主要包括了离子束辅助沉积和离子束极化沉积两种方式。
离子束辅助沉积利用高能离子束轰击基底表面，提高基底表面的活性，从而促进薄膜的成核和生长。
离子束极化沉积则是通过施加电场使离子束发生极化，改变离子束的性质，进而实现薄膜的沉积。
PVD薄膜沉积设备是实现PVD薄膜沉积工艺的关键工具。
常见的PVD薄膜沉积设备包括蒸发器、溅射器和离子束设备等。
蒸发器通常由源材料装置、加热装置和抽气系统等组成。
源材料装置用于装载目标材料，加热装置则用于加热目标材料，使其蒸发成为气相。
薄膜沉积物理方法超强总结
溅射沉积法
四、反应溅射 (reactive sputtering)
定义：在原子沉积的过程中，由溅射原子和活性气体
分子在衬底表面发生化学反应而形成化合物的溅射 技术称为反应溅射法。
解决将化合物直接作为靶材沉积得到的物质往往 与靶材的化学组成有很大的差别这一问题。 1、调 整溅射室内的气体组成和压力，限制化合物分解过 程的发生； 2、采用纯金属作为溅射靶材，但在工 作气体中混入适量的活性气体，使其在溅射沉积的 同时生成特定的化合物，从而一步完成从溅射、反 应到沉积多个步骤。
溅射沉积法
➢离子轰击固体表面的各种物理过程：
1）入射离子弹出；
2）入射离子注入； 3）二次电子、溅射原子/
分子/离子、光子从固体表面释出； 4）轰击 固体表面刻蚀、温升、结构损伤；
5）表面吸附气体分解、逸出；
离子轰击固体表面的各种物理现象
6）部分溅射原子可能返回。
பைடு நூலகம்
轰击后的物理现象主要取决于入射离子的能量 (Ei)： 较低 入射离子沉积为主(离子束沉积)
子 (Ar+) 和自由电子 (e)，并分别在电场作用下被 加速，进而飞向阴极（靶材）和阳极。
溅射沉积法
➢ 与蒸发法相比：溅射法易于保证所制备薄膜的化学成分 与靶材基本一致。
(1)与不同元素溅射产额间的差别相比，元素之间在平衡蒸气压 方面的差别太大，但是溅射产额方面差别小。
(2)溅射过程中靶物质的扩散能力较弱。由于溅射产额差别造成 的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面成分趋于某一平 衡成分，从而在随后的溅射过程中实现一种成分的自动补偿 效应[即：溅射产物高的物质已经贫化，溅射速率下降；而溅 射产额低的元素得到了富集，溅射产额会上升]，结果是，尽 管靶材表面的化学成分已经改变,但溅射出来的物质成分却与 靶材的原始成分相同。
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靶材表面的离子和电子运动轨迹
蒸发法和溅射法的比较
靶材的选择
基材加热 表面损害
合金沉积 均匀度
厚度控制 台阶覆盖性能
附着性 缺陷
蒸镀法
溅射法
受限制（金属靶材）
低 低，电子束会产生X-ray
损害 可 难
不易控制
几乎不受限（难溶金属， 合金，复合材料）
除磁控法外，需高温 离子轰击的损害
这三者是影响沉积速率的三个主要因素
蒸发工艺的限制
• 沉积薄膜的速率限制：高速率与均匀性的矛盾 • 沉积薄膜的纯度的限制 • 沉积薄膜的台阶覆盖能力的限制：阴影效应
解决办法：旋转，加热
• 合金材料与多组分复合材料薄膜的沉积 – 合金蒸汽压相近，采用单源蒸发 – 合金蒸汽压不同，采用多源同时/分次蒸发
• 石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频 率有关的参量的变化而测量淀积薄膜的厚度
f n ( c )1/2
2d Q
n﹕谐波数﹐n=1，3，5，… dQ﹕石英晶体的厚度 c ﹕切变弹性系数 ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m3)
台阶仪(Stylus Profilometer)
• 探针直接在样品表面扫描，记录表面微观轮廓信息 • 物理破坏式测量：接触式，轻拍式
Deposition rate: 10~25000 nm/min
蒸发工艺参数
• 蒸发要求的真空度：<10-5 Torr • 蒸发沉积速率取决于
– 离开蒸汽源的材料量 – 达到硅片衬底的材料量
• 蒸发沉积速率公式：
R (k R ) /
d
ML
k : 到达硅片表面的比例参数(腔体的几何形状参数）
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）
高真空 环境
<10-3 Pa
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
Al (Tm=660℃)
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
晶振
挡板
蒸发源
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
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
薄膜的生长
• 沉积薄膜的三个阶段：
– 晶核形成 — 聚集成束 — 形成连续膜
薄膜特性要求
为满足微纳加工工艺和器件要求，通常 情况下关注薄膜的如下几个特性： 1、台阶覆盖能力 2、低的膜应力 3、高的深宽比间隙填充能力 4、大面积薄膜厚度均匀性 5、大面积薄膜介电\电学\折射率特性 6、高纯度和高密度 7、与衬底或下层膜有好的粘附能力
• 强迫填充溅射
施加几个大气压的高压使金属自动坍塌
• 准直溅射
控制粒子沉积的方向，更好的填充高深宽比的孔， 但是减低了沉积速率。
常用的溅射工艺流程
• 金属薄膜：采用磁控直流溅射 介质薄膜：采用RF溅射
• 溅射前预清洗工艺：采用RF等离子体，Ar+离子轰击硅片 表面，去除自然氧化层
• 合金材料的溅射： – 合金靶材：薄膜组分受控于气相传输 – 多靶溅射：调节各靶功率来改变沉积层组分
和孔的能力是重要的薄膜特性。 • 防止出现空洞，减少出现缺陷和可靠性问题。
H W
薄膜应力（Stress）
• 应力的来源：
– 薄膜的成核和生长过程中的产生本征应力 – 薄膜与衬底的热膨胀系数不匹配导致外应力
• 应力分类：
压应力
张应力
• 热应力与热膨胀系数a
L aTL
• 应力的表征
通常用圆片在沉积前后的弯曲变化量来测量。
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
• 没有化学反应出现，纯粹是物理过程
• 制备金属薄膜的最主要方式。
物理沉积方法
• Thermal Evaporation (热蒸发) • E-beam Evaporation (电子束蒸发) • Sputtering (溅射) • Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体)
• Screen Printing (丝网印刷) • Spin Coating (旋涂法) • Electroplate (电镀) • Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
离子能量略大于阈值时， 溅射产额随能量的平方 增加；
100~750eV时，溅射线 性增加；
>750eV时，溅射产额略 微增加，直至发生离子 注入。
• 溅射产额与离子原子序数的变化关系
直流/射频型溅射（DC/RF diode）
溅射过程
磁控溅射 (Magnet Sputtering)
通过增加一个与电场方向垂直的磁场，可使等离子体 中的电子螺旋式运动，增加与气体分子碰撞几率而提高等离 子体浓度
• 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）
可 易 易控制
差
较好
不佳
佳
多
少
溅射法具有强的间隙填充能力
• 溅射法形成的台阶形貌优于蒸发法，但不 如CVD法
• 改善措施：
– 衬底加热； – 硅片衬底加RF偏压，
圆片被高能电子轰击， 使溅射材料再沉积； – 强迫填充溅射； – 准直溅射；
在高深宽比的接触孔处，典 型的台阶覆盖随时间增加而 变化的截面图
石英晶振
• 石英晶体是离子型晶体，具有压电效应
• 压电谐振，在晶振上加交变电压（或者电流不断 开关），则晶片就产生机械振动。
• 当机械振动而产生的交变电场频率与交变电压频 率达到共振时，振幅最大
• 石英压电谐振效应的固有频率的影响因素：芯片 厚度，几何尺寸，切割类型。
石英晶振
• 质量负载效应：在芯片上镀上膜层，芯片厚度 增大，则芯片固有频率减小。
• 影响沉积速率的关键因素
– 入射离子流量、溅射产额和溅射材料在腔室中的输运
• 影响溅射产额的关键因素：
溅射产额
靶上发出的靶原子数 射到靶上的离子数
– 离子能量、离子质量、靶原子质量和靶的结晶性
• 对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于该 值则不发射溅射。（10~30 eV）
• 溅射产额随离子能量的变化关系
4、能量落在10eV~10KeV之间时，一部分离子能量 以热的形式释放，剩下的部分能量造成靶材表面 几个原子层(原子或原子团)脱离靶材，发射出表 面。逸出的原子和原子团的能量约为10-50eV， 约为蒸发工艺中原子/原子团能量的100倍，迁移 率大大增加，可改善台阶覆盖能力，提高微隙填 充能力。
沉积速率与溅射产额
• 必须预沉积势垒层和黏附层：避免铜扩散到硅， 提高附着力。常用Ti/TiN，Ta/TaN, W/WN。
• 必须预先沉积种子层：形成导电衬底 • 改善电镀层的电阻率的方法：降低Cu2+的浓度
– 降低硫酸铜溶液浓度 – 加入添加剂（硫酸，硫酸羟胺）
薄膜厚度的测量
1、原位监控：石英晶振仪 2、台阶仪(Profiler) 3、光学干涉仪 4、光脉冲反射计
离子溅射技术物理过程
1 4
2
3
离子溅射技术物理过程
当具有一定能量的离子打到材料表面，所产生的物 理过程包括： 1、低能量离子会从表面简单反射；
2、能量小于10eV的离子会吸附于表面，以声子的 形式释放出它的能量；
3、能量大于10KeV时，离子穿透多层原子层，深 入到靶材内部，改变靶材物理特性(离子注入)；
E T2
t 1 v 3R2
硅片中心弯曲量，t膜厚度，v泊松比
R硅片半径，T硅片厚度，E杨氏模量
• 测量方法：采用激光束扫描
圆片，通过反射光线的变化来 表征曲率的变化
因应力造成的薄膜表面龟裂
物理沉积PVD
（Physical Vapor Deposition）
• 采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸 汽，并在硅片表面凝聚并沉积下来。
起偏器取适当的透光方向，被待测
样品表面反射出来的将是线偏振
光．根据偏振光在反射前后的偏振 状态变化(振幅和相位)，便可以确 定样品表面的光学特性(折射率和厚 度)．
光脉冲反射计（Spectroreflectometer ）
• •
在不同波长测量反射光强度 通过反射光强度与波长的对应关系确定厚度
1
1
1 2nt
• TiN反应离子溅射：在N气氛下进行Ti靶溅射，生成TiN。
改善大面积薄膜 均匀性的基本方法
1、高真空环境 2、洁净的衬底表面(加热/离子表面清洁) 3、旋转样品架 4、离子/原子束均匀性提高