第3章-薄膜制备技术PPT课件
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光学薄膜技术第三章--薄膜制造技术
光学薄膜技术第三章——薄膜制造技术—-—-———-—--—--———————-—-——--——-—作者：—--—-————-——--—-————-———————-———日期：第三章薄膜制造技术光学薄膜可以采用物理汽相沉积(PVD)和化学液相沉积(CLD）两种工艺来获得.CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜,废水废气对环境造成污染，已很少使用.PVD需要使用真空镀膜机,制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。
PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。
制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体(从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚.在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在,那就会产生如下一些问题：①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜；②空气分子进入薄膜而形成杂质；③空气中的活性分子与薄膜形成化合物；④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成化合物，从而不能进行正常的蒸发等等.因此,必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个过程称为抽气。
空气压力低于一个大气压的状态称为真空，而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备.制作薄膜最重要的装备是真空设备．真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备.二者真空度不同,这两种真空设备的抽气系统基本上是相同的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气系统的材料也不同,下图是典型的高真空设备的原理图，制作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类.下图是超高真空设备的原理图,在原理上,它与高真空设备没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性，超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵(如钛吸气泵）来辅助超高真空泵。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
生长速率的增加而下降；低温下， Nf∝ HPf0，且H 随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率 成正比；。
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
3 薄膜制备技术(PVD)(溅射)
直流溅射的基本原理：
在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极 间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离 子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则 在电场作用下加速飞向阴极—靶材料，高速撞击靶材料，使大量的 靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。
射频溅射装臵示意图
射频电场对于靶材的自偏压效应: 由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离 子体近旁的任何部位都处于负电位。 设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它既可作 为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大 量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运 动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电 极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位，此负电位对电 子产生排斥作用。 设等离子电位为Vp（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为 0）对等离子的电位差为-Vp，设靶电极的电位为Vc（是一个负值），则靶电 极相对于等离子体的电位差为Vc-Vp。 |Vc-Vp|幅值要远大于| -Vp|。因此，这 一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子体在加速 后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。
.DISTANCE(Torr-cm)
辉光放电的巴邢曲线
等离子体鞘层
辉光放电等离子体中电离粒子的密度和平均能量均较低， 而放电的电压则较高，此时质量较大的离子、中性原子和 原子团的能量远远小于质量极小的电子的能量，这是因为 电子由于质量小极易在电场中加速而获得能量。 不同粒子还具有不同的平均速度
电子速度：9.5*105ms-1， Ar离子和Ar原子：5*102ms-1
最全的各种薄膜制备PPT课件
第34页/共46页
3．离子镀的应用
第35页/共46页
第36页/共46页
12.5 化学气相沉积（ CVD）
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是通过气 相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。
• CVD的基本步骤与PVD不同的是：沉积粒子来源于化合物的气 相分解反应。
• 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半 导体、化合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、 非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄 膜，复合薄膜。
• 应用：
光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集 成电路薄膜、防护功能薄膜。
第40页/共46页
电子束辅助化学气相沉积(EACVD) 和激光束化学气相沉积(LACVD)
• 采用电子束或激光束对基片进行轰击和照射， 也可以使基片获得能量，从而促进和改善反应 的进行。
• 尤其是经过聚焦的电子束和激光束可以实现 基片表面的局部生成薄膜，这对于微电子和微 加工领域有着重要作用。
第41页/共46页
3SiH4 +4NH3 7500CSiN4 +12H2 W(s)+3I2 (g) ~ 134000 0 000CC WI6 (g)
SiH4 ~3500Ca-Si(H)+2H2 W(CO)6 激光 束W+6CO
第38页/共46页
• CVD的化学反应温度一般在800-1200℃，较高 的反应温度限制了基片材料的选择，并给薄膜 和薄膜基片复合体结构和性能带来不利的影响， 如基体材料的相变及由高温冷却到室温时产生 的热应力等。
3．离子镀的应用
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12.5 化学气相沉积（ CVD）
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是通过气 相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。
• CVD的基本步骤与PVD不同的是：沉积粒子来源于化合物的气 相分解反应。
• 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半 导体、化合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、 非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄 膜，复合薄膜。
• 应用：
光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集 成电路薄膜、防护功能薄膜。
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电子束辅助化学气相沉积(EACVD) 和激光束化学气相沉积(LACVD)
• 采用电子束或激光束对基片进行轰击和照射， 也可以使基片获得能量，从而促进和改善反应 的进行。
• 尤其是经过聚焦的电子束和激光束可以实现 基片表面的局部生成薄膜，这对于微电子和微 加工领域有着重要作用。
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3SiH4 +4NH3 7500CSiN4 +12H2 W(s)+3I2 (g) ~ 134000 0 000CC WI6 (g)
SiH4 ~3500Ca-Si(H)+2H2 W(CO)6 激光 束W+6CO
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• CVD的化学反应温度一般在800-1200℃，较高 的反应温度限制了基片材料的选择，并给薄膜 和薄膜基片复合体结构和性能带来不利的影响， 如基体材料的相变及由高温冷却到室温时产生 的热应力等。
《薄膜材料的制备》PPT课件
m为气体分子的质量
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1.2.1 真空蒸发镀膜
• 蒸发速率 1 m J7.75M 2pPa k/g(m 2s) T 从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中，还 不断与真空中的残留气体分子相碰撞，使蒸发分子失去 定向运动的动能，而不能沉积于基片。为保证80－90％ 的蒸发元素到达基片，一般要求残留气体的平均自由程 是蒸发源至基片距离的5-10倍。
《薄膜材料的制备》PPT 课件
1 薄膜材料的制备
1.1 薄膜的形成机理 1.2 物理气相沉积 1.3 化学气相沉积 1.4 化学溶液镀膜法 1.5 液相外延制膜法 1.6 膜厚的测量与监控
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1.1 薄膜的形成机理
薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制 膜技术的发展也十分迅速。 制膜方法—分为物理和化学方法两大类； 具体方式上—分为干式、湿式和喷涂三种， 而每种方式又可分成多种方法。
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1 薄膜材料的制备
1.1 薄膜的形成机理 1.2 物理气相沉积 1.3 化学气相沉积 1.4 化学溶液镀膜法 1.5 液相外延制膜法 1.6 膜厚的测量与监控
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1.2 物理气相沉积
如果势垒很低，形核率高，形成很多的小聚集体，这时薄 膜的厚度虽然很薄，但它会成为连续的。
• 高的脱附能Ed和低的扩散激活能ES都有利于气相原 子在衬底表面的停留和运动，因而会提高形核率。
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第三章薄膜制备技术ppt课件
化学气相沉积，包括低压化学气相沉积（low pressure CVD,LPCVD）、离子增强型气相沉积（plasma enhanced (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、常压化学气相沉积（atmosphere pressure CVD,APCVD）、金属有机物气相沉积（MOCVD）和微波电子回旋共振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECR-CVD）等。
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
《薄膜材料的制备》课件
制备方法
1
物理气相沉积法
采用真空状态下物质在表面反应沉积成
化学气相沉积法
2
薄膜的方法，包括等离子体增强化学气 相沉积法和分子束外延法等。
在气体氛围中，通过气相反应生成沉积
薄膜，包括金属有机化学气相沉积法和
低压化学气相沉积法等。
3
溶液法
通过化学反应或物理方法，使溶解在溶
液中或游离态的的材料中，厚度在1纳米至1微米之间，具有 很多独特的性质和广泛的应用领域。
薄膜材料的应用领域
光电子学
薄膜材料广泛应用于制造LED、 太阳能电池等光电学器件，同时 也可用于照明和显示领域。
微电子学
薄膜材料的狭窄厚度和多层结构 可以制造出微小的电子元件和IC 芯片，促进了微电子学的发展。
电化学法
4
化学溶胶-凝胶法和溶液旋涂法等。
通过电位差驱动溶液中的溶质向电极表 面沉积成薄膜，包括阳极氧化法和电解
沉积法等。
质量控制
表面形貌
• 表面光洁度 • 晶体缺陷 • 异质界面及其影响
厚度和成分控 制
• 控制成核速率 和生长速率
• 反应气体流量 和温度的控制
• 使用复合膜技术
结晶结构和晶 体质量
涂层和保护层
薄膜材料在航空航天、汽车制造 和建筑领域中可以制作高效的涂 层和保护层，提高了产品的耐磨 性和力学性能。
薄膜材料的制备意义和困难
独特性能
薄膜材料具有高表面积、可控性、多功能性和 结构纳米尺度效应等独特性能，与传统材料相 比具有很大的优势。
制备困难
由于薄膜材料的厚度非常小，制备过程中需要 克服小尺寸效应和表面能变化等问题，因此制 备起来比较困难。
• 控制生长速率 和生长温度
第三章薄膜材料的制备
(6) 特殊蒸发方法—化合物和合金材料
a.闪蒸蒸发 又称瞬间蒸发，把薄膜 材料做成细小颗粒或粉 末状，通过一定装置使 其以极小的流量逐渐进 入高温蒸发源。使每个 颗粒都在瞬间完全蒸发， 以保证薄膜的组分比例 与合金相同。
闪蒸蒸发设备示意图
b．多源蒸发 将合金薄膜所需的元素各 自置于单独的蒸发源中， 同时加热，并独立控制各 蒸发源的温度，以使薄膜 的组分比例满足合金要求。 要求各蒸发源参数能独立 控制和指示，蒸发源间分 隔开，避免相互污染。
六硼化镧薄膜的电子束蒸发法制备 基底选用玻璃和钽片, 使用的设备为南光H44500-3 型超高真空镀 膜机。基底固定在一个不锈钢底座上, e型电子枪为加工的块状 LaB6 , 用来代替原设备中的钨阴极, 试验装置的基本结构如图。 实验过程中冷阱中持续添加液氮, 真空度控制在8×105~3×10- 4Pa 之间, 电子束加速级电压控制在4500V 左右, 电 流为80mA, 蒸发时间为15min 。蒸发过程中通过控制电子束能 量来实现对多晶材料蒸发速率的控制, 通过蒸发时间来控制蒸发薄
一、薄膜和薄膜材料分类
1、薄膜材料的概念
采用一定方法，处于某种状态的一种或几种物质 (原材料)的基团（离子、原子或分子）以物理或 者化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表 面形成一层新的物质，这层新物质就称为薄膜。
简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过 程形成的二维材料。
2、薄膜的基本特征
多源蒸发装置示意图
c.反应蒸发(属化学成膜) 把活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子与来自 蒸发源的原子、分子在衬底表面反应，生成所需化合物。 这种方法在制作高熔点 化合物薄膜时经常被采 用。 例如：在空气或氧气中 蒸发Si来制备SiO2薄膜
第三章 薄膜材料的主要制备方法ppt课件
温成膜
化学工业，光学工业， 电子工业
与下述放电（等离子体） 聚合的应用相近，特别 是可满足要求更高的局 部处理，如精细线的光 扫描聚合等
放电（等离子 体）聚合
采用低温等离子体，激发 能量的变化范围宽，可以 制备各种不同的膜层，应 用对象范围宽
蒸发模式多样，生成机制复杂
适用对象广泛，各种类 型的聚合物，桥架反应， 保护膜，分离膜，光学 膜，电子材料膜，耐磨 抗蚀膜等
杂质混入少
类的组合、选择等受到限制
化学保护，提高电学性 能，提高光学性能，装 饰效果，提高与生物体 的适应性，赋予传感功 能等
干
聚合反应
同上。可促进反应的进行
式
既可进行局部处理，又可
法
光聚合反应 (CVD)
进行大面积处理，激发能
量小，能量的变化范围小， 对膜层的损伤范围小，生
需要对光源进行选择
成膜中的杂质少，可在低
材料不能成膜
箔，装饰，玩具等
.
方 法 化学的制模法
优点
缺点
主要应用
热分解法
装置简单
整个反应系统处于高温。膜厚控 制困难，难以通过掩模形成所需 要的图形
化学工业，光学工业， 电子工业
气相反应法 装置简单
同上
保护膜，表面钝化膜， 装饰，耐磨抗蚀
吸附反应
不需要溶剂，蒸发能量小， 膜层的生长速率低，反应气体种
图3.32 半导体材料的平衡蒸气压随 温度的变化曲线
.
真空蒸发装置
真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的 电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下 几种：
薄膜物理与技术-3 薄膜的化学制备工艺学
Gr Gf (生成物) Gf (反应物)
CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些 CVD反应的 可行性（化学反应的方向和限度）。
在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算能从理论上 给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能给出沉积速率。
热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。
良好的耐热冲击材料,还是电绝缘体
■ 单氨络合物制备氮化物薄膜：AlCl3· NH3 (g) AlN (s) + 3HCl (g) 800-1000℃
3 薄膜制备的化学工艺学
3.2 化学气相沉积（CVD）
3.2.1 CVD的主要化学反应类型
热解 反应 还原 反应 氧化 反应 置换 反应 歧化 反应 输运 反应
二、还原反应：薄膜由气体反应物的还原反应产物沉积而成。 1）反应气体：热稳定性较好的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等 + 还原性气体。 2）典型反应：
■ H2还原SiCl4外延制备单晶Si薄膜： SiCl4 (g) + 2H2 (g) Si (s) + 4HCl (g) (单晶硅外延膜的生长) ■ 六氟化物低温制备难熔金属W、Mo薄膜： WF6 (g) + 3H2 (g) W (s) + 6HF (g)
借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物， 这种气态化合物再被输运到与源区温度不同的沉积区， 并在基片上发生逆向反应，从而获得高纯源物质薄膜的沉积。
1）反应气体：固态源物质 + 卤族气体。
2）典型反应：
T1 Ge ( s)＋I 2 ( g ) GeI 2 ■ 锗（Ge）与碘（I2）的输运反应沉积高纯Ge薄膜： T2 - 200℃ （类似于Ti的碘化精炼过程）： Ti ( s ) ＋2 I 2 ( g ) 100 TiI（ g ） 4
薄膜制备技术—溅射法ppt课件
缺陷：安装构造复杂，难以获得覆盖面积大、密 度均匀的等离子体，灯丝易耗费。
除特殊用途外已不在运用。
三、射频溅射安装及特性
任务原理
在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘 靶下面的金属电极上，在射频电场作用下， 在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能 量产生离化碰撞，从而使放电到达自持，阴 极溅射的二次电子不再重要。
3.2 溅射主要参数
一、溅射阈和溅射产额 溅射产额又称为溅射率
或溅射系数，表示正 离子撞击阴极时，平 均每个正离子能从阴 极上打出的原子数。 与入射能量，入射离子 种类，溅射物质种类
3.2 溅射主要参数
1. 入射离子能量的影响 只需入射离子能量超越一定阈值以后，才干从被溅射物质
外表溅射出离子。 阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升
速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射 速率上升。最终结果是，虽然靶材外表的化学成 分曾经改动，但溅射得到的合金薄膜成分却与靶 材的原始成分根本一样。 当靶的温度很高，各种合金成分由于热扩分发生变 化时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。
3.2 溅射主要参数
二、溅射粒子的能量和速度 靶外表受离子轰击会放出各种粒子，主要是溅射原
1、辉光放电过程包括
初始阶段AB：I=0 无光放电区
汤生放电区BC：I迅速增大
过渡区CD：离子开场轰击阴极，产生
二次电子，又与气体分子碰撞产生更多 B
离子
C D
辉光放电区DE：I增大，V恒定
A
异常辉光放电区EF：溅射所选择的任
务区
弧光放电：I增大，V减小
F E
G
3.1 溅射根本原理
溅射实际模型：动量实际，也称为级联碰撞实际。入射离子在进入 靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射离子的一部分动能会传送 给靶材原子，当后者的动能超越由其周围存在的其他靶材原子所构成的 势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出产生离位原子，并进一步和附近 的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。
除特殊用途外已不在运用。
三、射频溅射安装及特性
任务原理
在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘 靶下面的金属电极上，在射频电场作用下， 在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能 量产生离化碰撞，从而使放电到达自持，阴 极溅射的二次电子不再重要。
3.2 溅射主要参数
一、溅射阈和溅射产额 溅射产额又称为溅射率
或溅射系数，表示正 离子撞击阴极时，平 均每个正离子能从阴 极上打出的原子数。 与入射能量，入射离子 种类，溅射物质种类
3.2 溅射主要参数
1. 入射离子能量的影响 只需入射离子能量超越一定阈值以后，才干从被溅射物质
外表溅射出离子。 阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升
速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射 速率上升。最终结果是，虽然靶材外表的化学成 分曾经改动，但溅射得到的合金薄膜成分却与靶 材的原始成分根本一样。 当靶的温度很高，各种合金成分由于热扩分发生变 化时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。
3.2 溅射主要参数
二、溅射粒子的能量和速度 靶外表受离子轰击会放出各种粒子，主要是溅射原
1、辉光放电过程包括
初始阶段AB：I=0 无光放电区
汤生放电区BC：I迅速增大
过渡区CD：离子开场轰击阴极，产生
二次电子，又与气体分子碰撞产生更多 B
离子
C D
辉光放电区DE：I增大，V恒定
A
异常辉光放电区EF：溅射所选择的任
务区
弧光放电：I增大，V减小
F E
G
3.1 溅射根本原理
溅射实际模型：动量实际，也称为级联碰撞实际。入射离子在进入 靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射离子的一部分动能会传送 给靶材原子，当后者的动能超越由其周围存在的其他靶材原子所构成的 势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出产生离位原子，并进一步和附近 的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。
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溅射法是近几年发展相当快的一种镀膜方法。包括直 流溅射(DC sputtering)（一般只能用于靶材为良导体 的溅射）、射频溅射(rf sputtering)、磁控溅射 (magnetron sputtering)、反应溅射(reactive sputtering)和离子束溅射(ion beam sputtering)； 根据使用目的，不同溅射方法内又可以有一些具体的 差异。例如，在各种溅射方法中可以结合不同的施加 偏压的方法。另外，还可以将上述各种方法结合起来 构成某种新的方法，比如，将射频技术与反应溅射相 结合，就构成了射频反应溅射的方法。
电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发
真空蒸发 (High frequency induction evaporation)、 激光烧蚀/闪蒸、多源蒸发、反应蒸发、
分子束外延
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子
束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。
从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统
第三章 薄膜制备技术
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3.0 薄膜制备方法的分类
真空蒸发 Evaperation
物理气相沉积 溅射 Sputtering
气 （PVD）
离子镀 Ion plating
薄膜制备的 物理方法
相
常压CVD、低压CVD、
法
化学气相沉积VD、 光CVD、热丝CVD
膜及自组装(sel20f2-1 assemble)
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3.1.1 物理气相沉积(physical vapor deposition )
利用热蒸发源材料或电子束、激光束轰击靶材等方式产生 气相物质，在真空中向基片表面沉积形成薄膜的过程称为 物理气相沉积。
主要方法有：
1、真空蒸发（Vacuum evaporation）
在实际应用中，多使用波长位于紫外波段的脉冲 激光器作为蒸发的光源，如波长为248nm、脉 冲宽度为20ns的KrF准分子激光等。
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物理气相沉积（PVD）薄膜的优缺点
主要优点： ①由于在真空中进行，能保证薄膜高纯、清洁和干燥； ②能与半导体集成电路工艺兼容。 主要缺点： ①低的沉积速率； ②对多组元化合物，由于各组元蒸发速率不同，其薄膜难以
相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上 制取膜层的一种方法。
Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
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Types of Chemical Vapor Deposition
化学气相沉积，包括低压化学气相沉积 （low pressure CVD,LPCVD）、离子增强型 气相沉积（plasma enhanced (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、常压化学气相沉 积（atmosphere pressure CVD,APCVD）、金 属有机物气相沉积（MOCVD）和微波电子 回旋共振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECR-CVD）等。
溅射
二级溅射、三级/四级溅射、偏压溅射、反应
溅射、磁控溅射、射频溅射、对向靶溅射、离
子束溅射、中频溅射
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3、脉冲激光溅射沉积膜(pulsed laser ablation/pulsed laser deposition)（PLD）
使用高功率的激光束作为能源进行蒸发沉积的方 法被称为激光蒸发沉积。这种方法具有加热温度 高，可避免坩埚污染，材料的蒸发速率高，蒸发 过程容易控制等特点。
真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有
原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
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2、溅射法
荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从 表面射出，这些原子具有一定的动能和方 向性。在原子射出的方向上放上基片，就 可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜 的方法叫做溅射法。
溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒 子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能 粒子一般是电子、离子和中性粒子。
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化学气相反应按激发源的不同可分为光化 学气相沉积（photo-CVD）、热化学气相沉 积(hot wire-CVD)和等离子体化学气相沉积 (PECVD)等。
在半导体工艺过程中，无论是导体、半导 体，还是绝缘体，均可用CVD技术来淀积 薄膜，其已成为集成电路制造中最主要的 薄膜淀积方法。
从最简单的电阻加热蒸镀装置到极为复杂的分子束外延设
备，都属于真空蒸发沉积装置的范畴。
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按照使物质气化的加热方法不同可有各种各样的技
术，包括电阻式蒸发（resistance evaporation）、电 子束蒸发(electron beam evaporation)和分子束外延 （Molecular Beam Epitaxy，MBE）；
保证正确的化学计量比和单一结晶结构； ③溅射方法由于高能离子轰击，易使薄膜受伤； ④高成本设备购置与维修。
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3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在 特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体 和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气
真空蒸发镀膜，这是制备薄膜最一般的方法。这种方法是 把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2 Pa以 下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面气化逸出，形 成蒸汽流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。
利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜。真空
蒸发法所采用的设备根据其使用目的，可能有很大差别，
薄膜制备的 化学方法
化学溶液镀膜法：化学镀(CBD)、电镀(ED)、
液 溶胶-凝胶（Sol-Gel）、金属有机物分解 相 （MOD）、液相外延（LPE）、水热法
法 （hydrothermal method）、喷雾热解(spray
pyrolysis)、喷雾水解(spray hydrolysis)、LB