薄膜沉积原理分析PPT课件
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薄膜沉积物理方法超强总结PPT课件
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溅射沉积法
➢优点 (与蒸发技术相比)：
1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料，特 别是高熔点材料 (如：石墨、Ti、W、Mo 等)；
2、由于沉积原子能量较高，薄膜组织均匀 致密，与基片的结合力较高；
3、制备合金薄膜时，成分控制容易保证； 4、利用反应溅射技术，容易实现化合物薄
膜沉积； 5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确，
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溅 4、射磁三控沉、溅磁积射控的法溅优射势装分置析及：特性
磁约束 电子运动路径 其与气体分子的碰撞几率 绝大部分二次电子的高动能被用于气体的电离
气体离化率 正离子产率 溅射速率几个数量级！ ！注意：这就是磁控溅射可在低压下获得极高的离化率、很高的
离子电流密度和沉积速率的原因。
工艺重复性好； 6、沉积原子能量较高，还可以改善薄膜对
复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜的表 面粗糙度。
➢主要缺点：
1、沉积速率不高； 2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用，
不 但 可 引 起 基 片 温 升 ， 而 且 可 能第形17页成/共内4部8页
溅射沉积法
➢分类：
直流溅射三传极统二/四极极溅溅射射
溅射沉积法
一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能通过与高能入射 离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。
➢基本过程：
a, 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气
体Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子
按电极特性不同，可分为：
磁控溅射
射频溅射
❖ 按靶材性质不同，可分为：射直频流溅溅射射－－靶靶材材为为绝金缘属体或或半半金导属体导体
溅射沉积法
➢优点 (与蒸发技术相比)：
1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料，特 别是高熔点材料 (如：石墨、Ti、W、Mo 等)；
2、由于沉积原子能量较高，薄膜组织均匀 致密，与基片的结合力较高；
3、制备合金薄膜时，成分控制容易保证； 4、利用反应溅射技术，容易实现化合物薄
膜沉积； 5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确，
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溅 4、射磁三控沉、溅磁积射控的法溅优射势装分置析及：特性
磁约束 电子运动路径 其与气体分子的碰撞几率 绝大部分二次电子的高动能被用于气体的电离
气体离化率 正离子产率 溅射速率几个数量级！ ！注意：这就是磁控溅射可在低压下获得极高的离化率、很高的
离子电流密度和沉积速率的原因。
工艺重复性好； 6、沉积原子能量较高，还可以改善薄膜对
复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜的表 面粗糙度。
➢主要缺点：
1、沉积速率不高； 2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用，
不 但 可 引 起 基 片 温 升 ， 而 且 可 能第形17页成/共内4部8页
溅射沉积法
➢分类：
直流溅射三传极统二/四极极溅溅射射
溅射沉积法
一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能通过与高能入射 离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。
➢基本过程：
a, 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气
体Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子
按电极特性不同，可分为：
磁控溅射
射频溅射
❖ 按靶材性质不同，可分为：射直频流溅溅射射－－靶靶材材为为绝金缘属体或或半半金导属体导体
薄膜沉积原理分析课件
新材料
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。
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。
薄膜淀积学习.pptx
在LPCVD淀积系统中，二氯甲硅烷与氨在700℃-800℃间反应形 成氮化硅。化学反应如下：
3SiCl2H2+4NH3→Si3N4+6H2+6HCl
（18）
薄膜均匀性好、产量（即每小时可处理的晶片数）高是低压工
艺的优点。与氧化膜的淀积相似，氮化硅薄膜淀积由温度、压力及反
应物浓度所决定。淀积氮化硅层的激活能为1.8eV。淀积速率随总压
三、台阶覆盖
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图2.12
图
2.14
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图2.12（b)为一非共形的台阶覆盖的例子。其主要原因是反应物 在吸附、反应时没有显著的表面迁移所致。其到达角度（φ1）可从0℃180℃变化。而对水平面下方的垂直侧壁而言，其到达角度（φ2）只在 0℃-90℃变化。
因此淀积薄膜在上表面的厚度为侧壁方向的两倍。在底部，到达角 度（φ3）与开口宽度有关，薄膜厚度正比于
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图2.6 2.8
2.7和图
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图2.7为抛物线型氧化速率常数B与温度的关系。常数也随 exp(-Ea/kT）改变。对干法氧化而言，激活能为1.24eV，此值与氧 在硅土内的扩散激活能（1.18）eV相当吻合。在湿氧环境下的激活能 为0.71eV，与水在硅土内扩散的激活能（0.79eV）相当符合。抛物 线型氧化速率常数与晶体方向无关。此结果在预料之中，因为其值仅 与氧化剂扩散穿过一层杂乱排列的非结晶型硅土的速率有关。
ULSI电路中，有不少合成的低介电常数材料以应用在金属层间的 介质上。角受到重视的低介电常数材料列于表2.2。这些材料涵盖无机 和有机物质，其淀积方式包括：化学气相淀积或旋转涂布方式。
高介电常数材料
高介电常数材料在ULSI电路中有其使用的必要性，尤其是针对动 态随机存储器（DRAM）。为保证器件的正常工作，DRAM的储存电容值必 须维持在40fF左右。为了达到某一给定电容值，一般会选择议和最小厚 度d,且保证其漏电流不超过最大容许值，而击穿电压则不低于最小容许 值。电容的面积可通过堆叠或沟槽的方式增加，这些结构将在5章中讨 论。然而对平面结构而言，面积A应随着DRAM密度的提升而降低，因此 必须提高薄膜的介电常数。
薄膜的沉积技术汇总PPT教学课件
2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子 不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向 于与其他原子发生键合。这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积 过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力 图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模 式会由层状模式向岛状模式转变。
2020/10/16
7
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合，即被沉 积物质与衬底之间浸润性很好，因此，薄膜从形核阶 段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。
2020/10/16
8
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛
7.5.1 离子束溅射沉积（IBSD）
有两个独立的离子束源（双离子束沉积）：一个离 子束源射向靶产生溅射材料，持续薄膜的沉积；另 一个聚焦于基片提供辅助离子，帮助形成较好的膜 特性。
7.5.2 离子束辅助沉积（IBAD）：在气相沉积的同时， 进行离子束轰击混合以改善薄膜性能的方法。
2020/10/16
15
7.6 脉冲激光沉积（激光烧蚀）：
工作原理：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来 的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
PLD一般可以分为以下四个阶段： 1. 激光辐射与靶的相互作用 2. 熔化物质的动态 3. 熔化物质在基片的沉积 4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
2020/10/16
4
2、薄膜生长阶段
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力 图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模 式会由层状模式向岛状模式转变。
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2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合，即被沉 积物质与衬底之间浸润性很好，因此，薄膜从形核阶 段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。
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3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛
7.5.1 离子束溅射沉积（IBSD）
有两个独立的离子束源（双离子束沉积）：一个离 子束源射向靶产生溅射材料，持续薄膜的沉积；另 一个聚焦于基片提供辅助离子，帮助形成较好的膜 特性。
7.5.2 离子束辅助沉积（IBAD）：在气相沉积的同时， 进行离子束轰击混合以改善薄膜性能的方法。
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7.6 脉冲激光沉积（激光烧蚀）：
工作原理：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来 的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
PLD一般可以分为以下四个阶段： 1. 激光辐射与靶的相互作用 2. 熔化物质的动态 3. 熔化物质在基片的沉积 4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
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4
2、薄膜生长阶段
《光伏薄膜沉积》课件 (2)
成本难题
尽管光伏薄膜沉积技术具有 许多独特的优势，但成本仍 是其发展过程中需要解决的 最大问题之一。
市场竞争
全球清洁能源市场竞争激烈， 各家企业需要在科技创新、 营销手段、资本战略等方面 集中力量。
光伏薄膜沉积未来的发展趋势
1
晶硅薄膜太阳能电池的发展
晶硅薄膜太阳能电池具有具有超高的
有机太阳能电池的发展
日益增长的市场需求
由于全球清洁能源需求的 不断增长，光伏薄膜沉积 技术得到了越来越广泛的 应用。
光伏薄膜沉积的原理
1
光电效应
在光的作用下，光电转换材料中的电子将从价带跃迁至导带，释放出自由电子，从而 形成电流。
2
pn结
将n型半导体和p型半导体材料接触在一起，形成的结构就是pn结。在阳极（p型）和 阴极（n型）之间形成电场，可以使光生电子被加速，增大其漂移速率。
2
光电转换效率、纯净的制造成本和极 长的使用寿命。
有机太阳能电池是目前最具潜力的太
阳能电池之一。其具有利于量产、流
程简单、柔性制造等特点。
3
智能发电技术的应用
智能发电技术可以将发电和用电联系 起来，更好地实现电能的分配和利用。 随着物联网技术的发展，智能发电技 术的前景广阔。
3
光吸收材料
光伏薄膜电池中，光吸收材料是将太阳光转化为电能的关键材料之一。光伏薄膜电池 可以根据不同的应用场景和电池材料来选择适合的光吸收材料。
常见的光伏薄膜沉积技术
溅射沉积技术 薄膜靶，然后用惰性气体（如 氩气）加电弧等方法使其气化， 沉积在基板上。
通过在高温条件下将含有金属 和非金属原料的气体混合物输 入反应室中，使它们在反应室 中化学反应并形成沉积物。
光伏薄膜沉积
7薄膜的沉积技术汇总PPT课件
应用：沉积超导体、石墨和电子光学材料。
7.7 高密度等离子辅助沉积（HDPAD）：适用于大长宽比的沟槽 和通孔。
工艺特点：在同一个反应腔中同步的进行淀积和刻蚀的工艺。
应用：金属前绝缘层，金属间绝缘层，浅槽隔离。
2020年9月28日
16
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7.8金属有机化合物化学气相沉
（MOCVD） 是在气相外延生长(VPE)的基础
灯丝材料的选择：用铱代替首选的钨
缺点：蒸发在低真空条件下，造成蒸发期间蒸发粉 的气体成分太高。
2020年9月28日
12
7.3 PVD--溅射
适应于沉积所有材料：金属、合金、半导体 和绝缘材料。
定义：具有一定能量的入射离子对固体表面 轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞 过程中发生能量和动量的转移，并可能将固 体表面的原子溅射出来。
状模式。 根本的原因：归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
2020年9月28日
9
三种不同薄膜生长模式的示意图：
2020年9月28日
10
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常 数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了 松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
① 反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。
② 反应物分子吸附在衬底表面。
③ 吸附分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反 应，形成晶核
④ 晶核生长-----晶粒聚结----缝道填补-----沉积膜成
长。 2020年9月28日
14
7.5 离子束沉积
离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所 产生的三个效应，即撞击效应，溅射效应和注入效 应。
7.7 高密度等离子辅助沉积（HDPAD）：适用于大长宽比的沟槽 和通孔。
工艺特点：在同一个反应腔中同步的进行淀积和刻蚀的工艺。
应用：金属前绝缘层，金属间绝缘层，浅槽隔离。
2020年9月28日
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7.8金属有机化合物化学气相沉
（MOCVD） 是在气相外延生长(VPE)的基础
灯丝材料的选择：用铱代替首选的钨
缺点：蒸发在低真空条件下，造成蒸发期间蒸发粉 的气体成分太高。
2020年9月28日
12
7.3 PVD--溅射
适应于沉积所有材料：金属、合金、半导体 和绝缘材料。
定义：具有一定能量的入射离子对固体表面 轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞 过程中发生能量和动量的转移，并可能将固 体表面的原子溅射出来。
状模式。 根本的原因：归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
2020年9月28日
9
三种不同薄膜生长模式的示意图：
2020年9月28日
10
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常 数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了 松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
① 反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。
② 反应物分子吸附在衬底表面。
③ 吸附分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反 应，形成晶核
④ 晶核生长-----晶粒聚结----缝道填补-----沉积膜成
长。 2020年9月28日
14
7.5 离子束沉积
离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所 产生的三个效应，即撞击效应，溅射效应和注入效 应。
《薄膜CVD技术》PPT课件
艺作用
是一种近于电中性的半导体材料； 与Si的界面上的界面态少；
有独特机理的表面钝化作用： a）表面离子沾污的静电屏蔽
30
b）提高器件的耐压水平
利用SIPOS膜的微弱导电性，p+区所加的负电位传 到n区的表面；与SiO2膜中的正电荷作用相反， 这种负电位使Si表面附近的电子浓度减少，从 而使耗尽区的表面电场被削弱。
Metal
Film deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.
1) Ion-induced deposition of film precursors Cap
物，并沉积在衬底表面（或原子迁移到晶格 位置）
5）反应副产物分子从衬底表面解吸 6）副产物分子由衬底表面外扩散到主气流
中，然后排出沉积区
10.1.2. Grove模型 和质量附面层模型 Grove模型 : F1=hG(CG-CS) F2=kSCS G=F/m =[kShG/(kS+hG)](CT/ m)Y
之一。
24
25
氮化硅有结晶化形和无定形两种 在器件中常希望无定形氮化硅（？）
用反应溅射法等物理方法和低温CVD法 可以制备无定形氮化硅膜，但以CVD为好。
（？）
常用PECVD法： 3SiH2Cl2+7NH3——Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2
用SiH2Cl2比用SiH4生长的膜致密。
26
8
CVD原理的特点？
10.2. CVD反应室
气相沉积的反应控制模式主要为质量输运 控制和表面反应控制。
是一种近于电中性的半导体材料； 与Si的界面上的界面态少；
有独特机理的表面钝化作用： a）表面离子沾污的静电屏蔽
30
b）提高器件的耐压水平
利用SIPOS膜的微弱导电性，p+区所加的负电位传 到n区的表面；与SiO2膜中的正电荷作用相反， 这种负电位使Si表面附近的电子浓度减少，从 而使耗尽区的表面电场被削弱。
Metal
Film deposited with PECVD creates pinch-off at the entrance to a gap resulting in a void in the gap fill.
1) Ion-induced deposition of film precursors Cap
物，并沉积在衬底表面（或原子迁移到晶格 位置）
5）反应副产物分子从衬底表面解吸 6）副产物分子由衬底表面外扩散到主气流
中，然后排出沉积区
10.1.2. Grove模型 和质量附面层模型 Grove模型 : F1=hG(CG-CS) F2=kSCS G=F/m =[kShG/(kS+hG)](CT/ m)Y
之一。
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25
氮化硅有结晶化形和无定形两种 在器件中常希望无定形氮化硅（？）
用反应溅射法等物理方法和低温CVD法 可以制备无定形氮化硅膜，但以CVD为好。
（？）
常用PECVD法： 3SiH2Cl2+7NH3——Si3N4+3NH4Cl+HCl+6H2
用SiH2Cl2比用SiH4生长的膜致密。
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CVD原理的特点？
10.2. CVD反应室
气相沉积的反应控制模式主要为质量输运 控制和表面反应控制。
薄膜的化学气象沉积PPT精品文档19页
Ga(CH3)3+Asห้องสมุดไป่ตู้3
GaAs+3CH4
化学气相沉积法薄膜制备的例
金刚石薄膜的制备
CH4+H2
C+2H2
直流放电等离子体CVD装置
在上表的条件下，5*5mm的衬底上生长速度 为20微米/小时。薄膜为透明的乳白色金刚石 膜。
增大放电电流和气体压强，可以获得最高速 度150微米/小时的生长速度。
微波等离子体CVD装置
磁控微波等离子体CVD装置
金刚石薄膜的拉曼光谱
（a）CH4/H2=2%（b） CH4/H2=0.5% （c）显微拉曼
拉曼光谱（a）天然金刚石、 (b)气相沉积法金刚石
End
一二、薄膜的化物学理气相沉积
1c、he薄m膜ica的l蒸va镀po法r deposition
2、脉冲激光沉积法
用上气经过相3、分化薄解合膜沉物的积分溅形子射成携沉薄带积膜所需原子在衬底
1、装置
硅衬底上Si薄膜的外延生长 SiH4 Si+2H2
金属有机化学气相沉积
metalorganic chemical vapor deposition
薄膜的物理气相沉积PPT课件
3.1 概述
真空蒸镀（Vacuum Evaporation）
蒸发条件（分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pe）
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 Pi > Pe 凝聚； Pi < Pe 蒸发 (净蒸发 > 0)
怎样实现蒸发条件？ He 升温 ： PeaeRT T 也随之↓ 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi ↓
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所 Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜技术与应用
薄膜的物理气相沉积技术（Ⅰ）
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
膜层在高真空环境下形成，蒸汽中的膜层粒子基本上是原子态，在工 件表面形成细小的核心，生长成细密的组织；
一般只在工件面向蒸发源的一面可以沉积膜层，工件的背面几乎不沉 积。
2020/12/3
7
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
分类
电阻加热、电子束蒸发、电弧放电、激光加热、分子束外延
2020/12/3
6
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
真空蒸镀（Vacuum Evaporation）
蒸发条件（分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pe）
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 Pi > Pe 凝聚； Pi < Pe 蒸发 (净蒸发 > 0)
怎样实现蒸发条件？ He 升温 ： PeaeRT T 也随之↓ 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi ↓
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所 Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜技术与应用
薄膜的物理气相沉积技术（Ⅰ）
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
膜层在高真空环境下形成，蒸汽中的膜层粒子基本上是原子态，在工 件表面形成细小的核心，生长成细密的组织；
一般只在工件面向蒸发源的一面可以沉积膜层，工件的背面几乎不沉 积。
2020/12/3
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湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
分类
电阻加热、电子束蒸发、电弧放电、激光加热、分子束外延
2020/12/3
6
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜的化学气相沉积ppt课件
化 学 气 相 淀 积 ， 简 称 CVD(Chemical Vapor Deposition) 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的 单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激 光等能源，借助气相作用或在基板表面的化学反应（热分 解或化学合成）生长要求的薄膜。
化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。 CVD装置的主要部分：反应气体输入部分、反应激活能源
所有固体（C、Ta、W困难 ）、卤化物和热稳定化合物
材料精制，装饰，表面保护 ，电子材料
碱及碱土类以外的金属（Ag、Au困 难）、碳化物、氮化物、硼化物、 氧化物、硫化物、硒化物、碲化物 、金属化合物、合金
10
1.3 化学气相沉积的发展历程
20世纪50年代 主要用于道具
涂层
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上
CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体 的化学反应。
CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）
12
2 化学气相沉积的原理
CVD法实际上很早就有应用，用于材料精制、装饰涂层、 耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。在电子学方面PVD法用于制 作半导体电极等。
表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了 由Ⅲ、Ⅴ族元素构成的新的氧化膜，最近还开发了金属膜、 硅化物膜等。
4
1 基本概念
化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、 等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气 态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化 学反应形成固态沉积物的技术。
从气相中析出的固体的形态主要有下列几种： 在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒 在气体中生成粒子
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1 基本概念
3
引言
Hardest mat.Damaged the hardness sensor
化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。 CVD装置的主要部分：反应气体输入部分、反应激活能源
所有固体（C、Ta、W困难 ）、卤化物和热稳定化合物
材料精制，装饰，表面保护 ，电子材料
碱及碱土类以外的金属（Ag、Au困 难）、碳化物、氮化物、硼化物、 氧化物、硫化物、硒化物、碲化物 、金属化合物、合金
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1.3 化学气相沉积的发展历程
20世纪50年代 主要用于道具
涂层
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上
CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体 的化学反应。
CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）
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2 化学气相沉积的原理
CVD法实际上很早就有应用，用于材料精制、装饰涂层、 耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。在电子学方面PVD法用于制 作半导体电极等。
表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了 由Ⅲ、Ⅴ族元素构成的新的氧化膜，最近还开发了金属膜、 硅化物膜等。
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1 基本概念
化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、 等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气 态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化 学反应形成固态沉积物的技术。
从气相中析出的固体的形态主要有下列几种： 在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒 在气体中生成粒子
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1 基本概念
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引言
Hardest mat.Damaged the hardness sensor
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蒸发（Evaporation）
溅射（Sputtering）
淀积金属薄膜
淀积金属、介 质等多种薄膜
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
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蒸发
真空蒸发：在真空中， 真空状态 把蒸发料(金属)加热， 使其原子或分子获得 足够的能量，克服表 面的束缚而蒸发到真 空中成为蒸气，蒸气 分子或原子飞行途中 遇到基片，就淀积在 基片上，形成薄膜
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
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等离子体： ✓物质存在的第四态 ✓高密度导电粒子构成的气体 ✓极板区域有辉光
等离子体由电子、离化分子、中性分 子、中性或离化的分子片断、激发的 分子和自由基组成。假设流进的气体 是由原子A和原子B组成的分子AB, 在 辉光放电中可出现的过程可有:
激 原子激发 发 分子激发
(b) 在真空系统中的输运过程
(c) (c) 气相分子在衬底上吸附、成核 和生长
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
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不同元素的平衡蒸气 压与温度的函数关系
为了得到合适的淀积 速率，样品蒸气压至少 为10 mTorr。
Ta，W，Mo和Pt，这些难 熔金属，它们具有很高 的溶化温度，如为达到 10 mtorr 的蒸气压， 钨 需要超过3000 ℃。
化学气相淀积：反应剂被激活 后在衬底表面发生化学反应成 膜。1)主气流中的反应剂越过 边界层扩散到硅片表面；2)反 应剂被吸附在硅片表面；3)反 应成核生长；4)副产物挥发。
表面反应控制：温度 质量输运控制：反应器形状， 硅片放置
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
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氮化硅的淀积方法
7 0 80 o 0 C0
LPCVD： 3 S2 iC H 2 4 lN3H S 3 N i4 6 H C 6 H 2l
质量好，产量高
PECVD：等离子体中 Si4 H N3H SiN 3H H 2
或
2 Si4 H N 2 2 SiN 3 H H 2
SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡 能力，可作为最终的钝化层或多 层布线中的介质。
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
1
集成电路工艺原理
仇志军
zjqiu@
邯郸校区物理楼435室
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大纲
第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战
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3
本节课主要内容
常用的淀积薄膜有哪些？ 举例说明其用途。
什么是CVD？描述它的 工艺过程。
CVD的控制有哪两种 极限状态？分别控制什 么参数是关键？
单晶硅（外延）—器件；多晶 硅—栅电极；SiO2—互连介质； Si3N4—钝化。金属…
加热器：电阻 丝或电子束
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一、真空蒸发淀积薄膜的物Fra bibliotek理过程
(a) 蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相 （固相或液相）转化为气相的过
程——所需能量为汽化热Hv
logPv
A B T
B H v 2.3R0
P为蒸汽压， A为积分常数， R0为阿夫加德罗常数
2. 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化 3. 残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底
保角差
平均自由程
kT
2r2 p
反比于气体压强
r为气体分子的半径
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
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三、蒸发速率和淀积速率
单位时间内，通过单位面积的分子数
点源
小平面源
速率与蒸发的蒸气流(F)和靶（硅片）的几何形状相关
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点源
小平面源
Revap是蒸发速率（g/s）
F
P k
R evap r2
FkP
Revap
r 2
cosn i
是源蒸汽的发射角度， 对于点源＝4
v
R evap Nr 2
e* + A A*+e e* + AB AB*+e
裂 解
e* + AB A*+B*+e
离 化
原子离子化 分子离子化
e* + A A++e+e e* + AB AB + +e+e
上标“ * ” 表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或 分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。 如：SiH3，SiO，F等。
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等离子增强化学气相淀积（PECVD）
13.56MHz
✓低温下（200～350 C）利用非热能来增强工艺过程
✓反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团， 它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
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二、真空度与分子平均自由程
高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：
1. 源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保 证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发 的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。
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PECVD：在等离子体反应器中，PECVD最重要
的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。
PECVD淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下LPCVD的膜 相比有以下特征： 应力较大、含H、非化学比的结构
因而造成膜的性质的不同： 粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降， 折射率下降，腐蚀速率增加。
PECVD薄膜淀积质量强烈依赖于RF功率、压强、温度等参数
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物理气相淀积 （PVD）