Chap.5 物理气相淀积
第六章 物理气相淀积
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在真空蒸发工艺中，系统真空度是直接 影响成膜质量的关键。为了使蒸发原子 或分子能淀积在离开蒸发源一定距离的 衬底上，真空室的真空度通常应优于 6×10-2帕，制作铝膜需要在1×10-3帕以 上，制作高纯薄膜须优于10-8帕。 真空度测试用真空计
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高真空的理由
高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行。这是基于下达 几个理由： (1)被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以 保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上。如果真空度很 低，被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体的分子 碰撞，使被蒸发的原子或分子的运动方向不断改变，很难保证 被蒸发的原子或分子淀积在衬底上。 (2)如果真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子 或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发 生氧化。 (3)系统中残余气体及所含质原子或分子也会淀积在衬底上， 从而严重地影响了淀积薄膜的质量。
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真空度常用毫米汞柱（mmHg）或托（Torr）来表示， 也可以用帕（Pa） 1托＝1mmHg＝1/760标准大气压（atm） 1标准大气压＝760mmHg＝760Torr 1mmHg＝1Torr＝133Pa
真空度划分区域： 粗真空：760～10 Torr 低真空：10～10－3 Torr 中真空：10－3～10－5 Torr 高真空：10－5～10－8 Torr 超高真空：10－8 Torr以上 即使在10－8 Torr以上的超高真空系统中， 也不能说完全没有气体分子，只是极少而已
（e）取片：待硅片温度降至150℃以下，关闭高真空阀，关 26 闭扩散泵电源，对真空室放气，打开钟罩，取出硅片。
蒸发过程中的几个概念
汽化热
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5.1.4 蒸发速率—蒸发源的温度影响最大
5.1.5 多组分蒸发
❖ 方法：（按蒸发源分类） ①单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶； 靶源的要求：各组分蒸汽压接近； ②多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； ③多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发， 最后高温退火。
❖ 工艺关键：根据薄膜组分控制各层厚度；
所造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料 等因素有关， 4〉主要应用：①利用它的发光效应（如霓虹灯）和 正常辉光放电的稳压特性(如氖稳压管)。②利用辉 光放电的正柱区产生激光的特性，制做氦氖激光器。
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等离子体：具有一定导电能力的气体。由正离子、电 子、光子及原子、原子团、分子和它们的激发态所 组成的混合气体。（电子是其导电过程中的主要载 流子）
△H—用来克服凝聚相中原子间的吸引力。 饱和蒸汽压P—一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态
或液态平衡时所表现出来的压力。 净蒸发：分压﹤P 蒸发温度—规定在P=133.物3理×气相10淀-积2P最a新时的温度。
5.1.3 真空度与分子平均自由程
高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的理由： ①被蒸发原子或分子在真空中输运是直线运动（有效的淀
1.对加热材料的要求：不产生污染 ①熔点高：高于蒸发源的蒸发温度； ②饱和蒸汽压低：低于蒸发源； ③化学性能稳定：不发生化学反应，不形成合金。
❖ 优点：工艺简单，蒸发速率快； 缺点：难以制备高熔点、高纯度薄膜。
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2.蒸发材料对加热材料的“湿润性” “湿润性”—指在高温下，熔化的蒸发材料在加热源
❖ 热蒸发—能量转化引起的 ❖ 溅射—含有动量的转换，溅射出的原子有方向性。 ❖ 溅射过程：建立在辉光放电的基础上 ❖ 溅射定义：具有一定能量的入射离子在对固体表面
物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）
物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）PVD概述真空系统及真空的获得真空蒸镀溅射PVD金属及化合物薄膜物理气相淀积（Physicalvapordeposition，PVD）是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由（靶）源气相转移到衬底表面形成薄膜的过程。
真空蒸发和溅射方法真空蒸发法制备薄膜的基本原理真空蒸发即利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。
在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流并入射到硅片衬底表面凝结形成固态薄膜。
制备的一般是多晶金属薄膜。
真空系统及真空的获得低真空：1~760Torr，102~105Pa中真空：10-3~1Torr，10-1~102Pa高真空：10-7~10-3Torr，10-5~10-1Pa超高真空：<10-7T orr，<10-5Pa气体流动及导率----气体动力学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。
气体流动及导率----气体动力学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；真空的获得方法初、中真空度的获得用活塞/叶片/柱塞/隔膜的机械运动将气体正向移位.有三步骤：捕捉气体-压缩气体-排出气体.压缩比真空的获得方法旋片泵旋片泵主要由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。
其结构是利用偏心地装在定子腔内的转子和转子槽内滑动的借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁的两块旋片。
真空的获得方法在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。
压缩比30：1真空的获得方法真空的获得方法高、超高真空度的获得扩散泵靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的.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。
物理气相淀积
形成气态等离子体。
2、溅射过程-动量转移，500-5000eV
基本溅射步骤 1、高真空腔形成正（氩）离子，向负电势靶加速； 2、离子经加速获得动量，轰击靶材料；
3、经物理过程撞击出靶材表面原子；
4、被撞击出的靶材原子迁移到硅片表面；
5、被溅射原子在衬底聚集成膜；
6、额外材料被真空泵抽除。
基本溅射过程示意图
1、适合淀积合金（复原能力）和高温难熔金属；
2、良好的台阶覆盖：面源-形成均匀淀积薄膜；
3、溅射之前可进行预溅射，去除表面玷污或氧化层等；
4、薄膜粘附性较好—原子到达硅片表面具有一定能量
5、可通过调整工艺条件改变淀积薄膜性质。 6、能量控制精度要求高：否则出现离子注入
溅射方式
直流（DC）溅射：不能溅射绝缘体，原因？辉光放电 射频（RF）（交流）溅射：周期性补充阴极电子
蒸发设备加热方式
蒸发操作过程（以铝为例） 1）蒸发源加热器处理：清洗和空蒸去杂；
2）铝丝处理：去油、去氧化层和脱水处理； 3）石墨基座处理：与外延类似；
4）蒸铝过程：装料——抽真空——烘烤衬底—
—加热蒸发铝丝——冷却取片——抽真空待用。
真空蒸发镀膜设备
蒸发设备示意图
载片盘
蒸发金属 坩锅
工艺腔 (钟罩)
高真空阀
机械泵 高真空泵
蒸发设备示意图
蒸镀法的特点
1) 台阶覆盖均匀性不佳:尤其对高深宽比通孔形成的台 阶来说更是如此—点源，且总体淀积速率不高。 2)对淀积材料具有一定限制：若淀积过程需要多种材料 组成的合金，需要多个坩埚制备材料蒸汽，但不同材料 蒸发温度不同、产生蒸汽压也各异，因此淀积配比和精 度难以保证；
溅射产额和溅射淀积速率
物理气相沉积综述
第二章物理气相堆积一、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition, PVD）的第一类1、电阻热蒸发（ thermal vaporization）蒸发资料在真空室中被加热时，其原子或分子就会从表面逸出，这类现象叫热蒸发。
A 、饱和蒸气压 P V在必定温度下，真空室中蒸发资料的蒸汽在与固体或液体均衡过程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸汽压。
dP V HdT TV G V LH：mol汽化热， T：绝对温度。
V G、V L：分别为汽相和液相 mol体积。
ln P V CH R：气体普适常数RTln P V A B T以下图给出了以 lgP V和 lgT为坐标而绘制的各样元素的饱和蒸汽压曲线。
图2-1某些元素的均衡蒸气压1饱和蒸汽压跟着温度高升而快速增添。
由上图1曲线知，a. 达到正常薄膜蒸发速率所需的温度，即P V=1Pa时温度；b.蒸发速率随温度变化的敏感性；c.蒸发形式：蒸发温度高于熔点，蒸发状态是融化的，不然是升华。
下表是几种介质资料的蒸汽压与温度的关系材料抵达以下蒸汽压的温度熔点（ C）10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 760(Torr)Al 2O3 1050 1150 1280 1440 1640 1860 3000 2034 MgO 1040 1130 1260 1410 1600 1800 2900 2672 ZrO 1430 1620 1820 2050 3600 2710 SiO2 1220 1380 1830 2227 1710 ZnS 870 925 980 1050 1120 1220 1850B、蒸发粒子的速度和能量E m 1mv m2 kT 22 3KT 3RT vm ME 3T 1000 ~ 2500 C KT均匀速度 105cm/s，E2C、蒸发速率和淀积速率Re dN e P V P h / 2 mkT （个/米2·秒）A dtdN：蒸发粒子数，e：蒸发系数， A ：面积P V：饱和蒸汽压； P h：液体静压， m：原子量，K：玻耳兹曼常数。
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• 溅射与热蒸发区分
• 热蒸发是由能量转化引发, 溅射含有动量转换。
• 溅射过程都是建立在辉光放电基础上, 即射向固体 表面离子都是起源于气体放电, 只是不同溅射技术 所采取辉光放电方式有所不同。
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一、直流辉光放电
电压V/V
• 在一圆柱形玻璃管内两端装上两个平板电极, 里面
充以气压约为几Pa到几十Pa气体, 在电极加上直
物质蒸发温度。
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四、真空度与分子平均自由程
1. 淀积高纯薄膜需在高真空度系统中进行原因
2. 1) 真空度高, 确保被蒸发原子或分子在真空中输 运为直线, 可有效淀积在衬底上；
3. 2) 真空度低, 则残余气体中氧和水汽会使金属原 子或分子在输运过程中发生氧化, 同时也将使加 热衬底表面发生氧化；
• 自持放电
• 气体击穿后, 电子和正离子是起源于电子碰撞和正 离子轰击, 即不存在自然电离源也将继续下去, 这 种放电方式称为自持放电；
-•10-辉18 光放电属于自持放电。
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4.反常辉光放电区
• 电流电压特性
• 放电电压、电流同时增大。
• 原因
• 整个阴极所有由辉光放电覆盖后, 只有增大功率才 干增长阴极电流密度, 从而增大电流。
• 被蒸发材料放置于水冷坩埚, 可避免容器材料蒸发、 容器材料与蒸发材料反应, 实现高纯薄膜制备；
• 热效率高, 热量直接加到蒸发材料表面, 热传导和
-10热-18辐射损失少。
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图5.4 电子束蒸发源示意图
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• 缺点 • 电子枪发出一次电子和蒸发材料发出二次电子, 使
物理气相沉积CVD演示课件
2013.6.28
1 ? Sputter工艺介绍 2 ? Sputter成膜与关键参数 3 ? Sputter 常见异常介绍 4 ? Sputter工艺应用
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Summary
1
1.Sputter 工艺介绍
?PVD---物理气相沉积技术（Physical Vapor Deposition） ?定义
ITO之后
ITO之前
A:passivation之后 B:平坦化层 C:平坦化层退火 D:平坦化层Ashing E:ITO sputter之后 F:ITO退火之后
ITO sputter之后Ioff上升很明显，退火之后会有一点下降，说明sputter工艺会造成 Ioff上升。
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? Splash
?产生原因
治具
3. Sputter 常见异常介绍
靶材局部散热不均,造成融化滴在基板上
Oxide or Void
Target
Heated area
arcing
Melted particle Ar+
慧星狀
圆形
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1.Sputter 工艺介绍
（1）对于任何待镀材料，只要能制作成靶材，就可以实现溅射； （2）溅射所获得的薄膜与基板间附着力较好； （3）溅射所得到的薄膜纯度高，致密性好； （4）溅射工艺重复性好，膜厚可控；同时可以实现大面积镀膜；
溅射存在缺点： 沉积速率低；基板升温严重。
第8章 物理气相淀积
为改善溅射沉积形成的薄膜组织及性能的最常用的而且也是最有 效的手段之一。
溅射方法 （Cont.)
长投准直溅射技术 靶与硅片之间的距离很长， 等离子体在低压下产生， 小角度射出的原子几乎无 碰撞以直线轨迹到达硅片 表面。
问题：反应室室壁污染，远离硅 片中心的通孔台阶覆盖不对称， 低压下获得等离子体难。
Where M1 and M2 are the mass of the sputtering ion， and the sputtered material, and τ reaches a maximum
M1 ~M2 then max τ, then min Eth。
溅射特性：溅射阈值
溅射特性：
由于电子速度快
。
光强，电荷分布及等离子体（plasma）
溅射（Sputtering）
利用离子对溅镀物体电极的轰击 （Bombardment）使气相中具有被 镀物的粒子（如原子），再来沉积 薄膜。（清洗基板表面、蚀刻造型）
溅射和蒸镀： 溅射粒子和基板之间 有较大的能量传递：10-50eV；而 蒸镀只有0.1-0.2eV。 溅射原子具有更大的动能，在电极 表面有更高的迁移能力，改善了台 阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。
真空蒸发法制备薄膜的基本原理
真空蒸法设备 （1）真空系统 （2）蒸发系统 （3）基板及加热系统
真空蒸法过程:
加热蒸发过程：对蒸气源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料 的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：原子或分子在真 空环境中，由源飞向硅片，飞行过程中可能与真空室内的残余气体 分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到硅片之间的距离。 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底表面的原子 在表面上凝结、成核、生长和成膜过程。
物理气相淀积-蒸发
物理气相淀积(蒸发)物理气相淀积的主要方法蒸发电阻丝加热蒸发电子束蒸发溅射直流溅射射频溅射磁控溅射蒸发的含义待淀积的金属原子获得足够的能量，脱离金属表面蒸发出来，在飞行途中遇到硅片，就淀积在硅片表面，形成金属薄膜。
真空度的单位换算：1Torr(托）=1mmHg=1/760标准大气压=133Pa(帕）1标准大气压=760mmHg=760Torr=105Pa真空度的划分真空度压强范围粗真空760-10Torr(1-0.013大气压）低真空10-10-1Torr中真空10-1-10-3Torr高真空10-3-10-5Torr电阻加热蒸发（1）定义：利用电阻丝对待蒸发材料进行加热使之熔化并蒸发出来电阻丝加热源（2）电阻加热蒸发设备一台商用蒸发台照片（3）电阻加热蒸发操作过程：蒸发源加热铝丝处理器处理石墨衬底处蒸铝理（3）电阻加热蒸发操作过程：注意：抽真空时先开机械泵，抽到低真空后，才能开扩散泵，关闭时反过来。
（4）特点：加热设备简单，但难熔金属不容易找到合适的加热源，且污染较严重电子束蒸发（1）工作原理：•被高压加速并聚焦的电子束在真空中轰击蒸发源表面时，由于电子束的动能几乎完全转变成热能，瞬间即可达到3000 ℃的高温，足以使蒸发源溶化，并蒸发到衬底表面形成薄膜。
（2）设备偏转电子枪行星片架2 1 3提高台阶覆盖能力。
电子束蒸发淀积的铝膜纯度高，钠离子沾污少。
衬底采用红外线加热，直接烘烤硅片表面，工作效率高，杂质沾污少。
4蒸发面积大，工作效率高。
5应用范围广，可蒸发铂、钼、钛等高熔点金属材料。
（3）特点本课重点•蒸发的原理•蒸发设备的基本构成•真空相关的设备THANKS 谢谢。
PVD-物理汽相淀积
气相输运过程：源蒸气从源到衬底表面之间的质量输
运过程。蒸气原子在飞行过程中可能与真空室内的残余 气体分子发生碰撞，两次碰撞之间飞行的平均距离为平 均自由程；
成膜过程：到达衬底的蒸发原子在衬底表面先成核再
成膜的过程。
5.2 真空蒸镀
汽化热与蒸汽热
汽化热：将蒸发源材料加热到足够高的温度，使 其原子或分子获得足够的能量，克服固相的原子 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，该能量为汽化热ΔH，常用金属 的ΔH为4eV； 蒸汽压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸 汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力为饱和 蒸汽压；
5.3 溅射
气体辉光放电
模型：一个圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板
电极，里面充以气压约为几Pa到几十Pa的气体， 在电极上加上直流电压。
5.3 溅射
气体辉光放电
5.3 溅射
（1）无光放电区-ab段，导电而不发光。 电离产生的离子和电子在外电场作用下定向运动，运动速度随电压 增加而加快。直至达到饱和值，即电流从0逐渐增加至达到某一极大 值，电压再增加，电流并不增加。因为电离量很少且恒定，电压再增 加，到达电极的电子和离子数目不变。 （2）汤生放电区-bc段，离子和电子数目雪崩式的增加，放电电流迅 速增大。电压是常数（受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制） （3）辉光放电-气体突然发生放电击穿现象，电流显著增加，放电电 压显著减少。 c点-放电的着火点。处于阴极的边缘和不规则处。 cd段-前期的辉光放电。电流增加，电压减小（负阻现象）。因为气 体已经被击穿，气体内阻随电离度的增加显著减小。
淀积多元化合金薄膜时组分容易控制
较高的薄膜溅射质量
5.2 空蒸镀
真空蒸发：在真 空中，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。
第五章 物理气相淀积(上)
真空度：低于大气压的气体稀薄程度。 真空区域划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空
1) 粗真空（1×105Pa～ 1×102Pa），气态空间的特性和 大气差不多，气体分子的平均自由程短； 2) 低真空（1×102Pa～ 1×10－1Pa），每立方厘米的气体 分子数为1016～ 1013个，此真空区域由于分子数减少， 分子的平均自由程和容器的尺寸相当； 3) 高真空（1×10－1Pa～ 1×10－6Pa），气体分子的平均 自由程大于一般容器的线度。 4) 超高真空（＜1×10－6Pa），此时每立方厘米的气体分 子数在1010个以下，超高真空的用途之一是得到纯净的 气体，其二是可获得纯净的固体表面。
3) 过程：右图式出了机械泵转 子在连续旋转过程中的四个 典型位置，图1表示正在吸 气，同时把上一周期吸入的 气体逐步压缩；图2表示吸 气截至，此时泵的吸气量达 最大并将开始压缩；图3表 示吸气空间另一次吸气，而 排气空间继续压缩；图4表 示排气空间内的气体已被压 缩到当压强超过一个大气压 的时候，气体推开排气阀由 排气管道排出。如此不断进 行吸气、压缩和排气，于是 和机械泵连接的真空容器便 获得了真空。
第五章
物理气相淀积
内容
概述
真空技术
蒸发 溅射 薄膜淀积机理
概述
形成薄膜技术：薄膜生长技术、薄膜淀积技术 薄膜生长技术：专指衬底材料也是形成薄膜的元素之一， （如硅的热氧化生长二氧化硅） 薄膜淀积技术：薄膜形成过程中不消耗晶片或衬底材料，
薄膜淀积技术一般可分为两类：
kT 2d P
2
式中d为分子直径，P为腔体压强； n为单位体积内的气体分子数；式 中m为气体分子质量，
L 注意：这些公式只是在 时适用,L为腔体的特征长度
物理气相淀积
汽化热和蒸汽压
汽化热 将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得 足够的能量，克服固相（或液相）的原子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，该能量为汽化热Δ H。 常用金属材料的汽化热每个原子近似为4eV的数量级。 汽化热的主要部分用来克服凝聚相中的原子间吸引力，动 能所占的比例很小。 蒸汽压 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平 衡时所表现出来的压力为饱和蒸汽压。 实现物质净蒸发条件为：被蒸发物质的分压降到平衡时饱 和蒸汽压以下。
Metallized Plastic Films (Food, Capacitors
装饰
Roll to Roll Sputter coater (Web Coater)
电镀
真空蒸发法设备
Rate monitor
真空系统：为蒸发过程提供 真空环境。 蒸发系统：放置蒸发源的装 置以及加热和测温装置。
Shutter
蒸发源
四、高频感应加热蒸发源
加热原理 通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，使蒸 发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞 损失，使蒸发材料升温至汽化蒸发。 特点 蒸发速率大，可用较大坩埚增加蒸发表面； 蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象； 温度控制精度高，操作比较简单； 价格昂贵，同时要屏蔽高频磁场。
Partially Shadowed region Film thickness va有较高的淀积速率，相对高的真空度，以及由此 导致较高的薄膜质量；但台阶覆盖能力差，淀积多元化 合金薄膜时组分难以控制。
2.溅射 淀积多元化合金薄膜时组分易控制，高纯靶材、高 纯气体和制备技术的发展，也使溅射法淀积薄膜的质量 得到提高。故溅射法已基本取代真空蒸发法。
物理气相沉淀和化学气相沉积法
液相制备纳米材料的原理、方法和形成机理液相法实在液体状态下通过化学反应制取纳米材料方法的总称，又称为湿化学法或溶液法。
现在，有各种各样的制备方法，文献中无公认一致的分类方法，相反还有些凌乱。
为清晰醒目，特点明显，便于理解。
这里将液相材料的纳米制备方法分为：沉淀法、溶胶-凝胶（sol-gel）法、水热法、化学还原法、化学热分解法、微乳胶法、声化学法、电化学法和水中放电法等9中。
本章就沉淀法、溶胶-凝胶（sol-gel）法加以讨论。
沉淀法沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂，进行化学反应，生成难容性的反应物，在溶液中沉淀下来，或将沉淀物加热干燥和煅烧，使之分解得到所需要的纳米材料的方法。
沉淀法又主要分为共沉淀（CP），分布沉淀（SP），均匀沉淀（HP）等几种。
下面对这几种沉淀法做一简要分析。
含1种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法。
（包括:单项共沉淀发和混合共沉淀法）下图给出共沉淀法的典型工艺流程。
沉淀物为单一化合物或单相固溶体时，称为单相共沉淀，亦称化合物沉淀法。
其原理为溶液中的金属离子是以具有与配比组成相等的化学计量化合物形式沉淀的，因而，当沉淀颗粒的金属元素之比就是产物化合物的金属元素之比时，沉淀物具有在原子尺度上的组成均匀性。
但是，对于由二种以上金属元素组成的化合物，当金属元素之比按倍比法则，是简单的整数比时，保证组成均匀性是可以的。
然而当要定量的加入微量成分时，保证组成均匀性常常很困难，靠化合物沉淀法来分散微量成分，达到原子尺度上的均匀性。
如果是形成固溶体的系统是有限的，固溶体沉淀物的组成与配比组成一般是不一样的，则能利用形成固溶体的情况是相当有限的。
要得到产物微粒，还必须注重溶液的组成控制和沉淀组成的管理。
为方便理解其原理以利用草酸盐进行化合物沉淀的合成为例。
反应装置如图：图 利用草酸盐进行化合物沉淀的合成装置实验原理：在Ba 、Ti 的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物BaTiO3（C2H4）2•4H2O 沉淀；BaTiO3（C2H4）•4H2O 沉淀由于煅烧，分解形成BaTiO3微粉。
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溅射特性
溅射阈值 E>Et，10～30ev，取决于靶材 溅射率S 入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大） 入射离子的种类（原子量越大，S越大，周期性变化） 被溅射物质的种类（与原子量类似） 离子入射角（平行和垂直时最小，80°左右最大） 溅射原子的能量和速度
PVD:利用某种物理过程实现物质的转移，即原子或 分子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜
真空蒸发法 （Evaporation） •设备简单、操作容易、 纯度较高、成膜快、机 理简单 •附着力小、工艺重复 性差、台阶覆盖性差、 不适用多组分材料
溅射 （sputtering） •适用于任何物质，不 受蒸气压和膜成分限 制，靶材料与膜成分 符合，附着好，台阶 覆盖较好 •设备、操作较复杂
天津工业大学 集成电路工艺原理
淀积过程
天津工业大学 集成电路工艺原理
天津工业大学 集成电路工艺原理
PVD与CVD
PVD：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，适合淀积金属 CVD：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质
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§5.1 真空蒸发法基本原理
表面迁移（surface mobility）及再发射
表面迁移主要取决与温度和压力：
温度越高，表面迁移能力越强
压力越大，表面迁移能力越低
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台阶覆盖问题的改进
• 工艺选择及参数优化（淀积方式、温度、设备形式等） • 工艺设计优化（尽量减少深宽比）
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介 质 （ S iN ） Al 介 质 （ S iO 2 ） 多晶硅 多晶硅栅 场 氧 化 S iO 2
n
+
n
+
栅氧化层 P -S i
金属薄膜（铝，铜或金属硅化 物）：形成低阻值金属连线，欧 姆接触及整流金－半接触。
M O SFET的 剖 面 图
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ULSI对薄膜性能的要求
单源蒸发法:
合金靶中各组分材料蒸气压应该接近
多源同时蒸发法：
不同的温度控制，蒸发速率不一致
多源顺序蒸发法：
需高温退火
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§5.2 蒸发源
电阻加热源：结构简单，价廉易作 直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化 学性质稳定；润湿性好 间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚 电子束加热源： 更高的能量密度，能蒸发难熔材料 水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应 热效率高，热传导和热辐射损失小 激光加热源 高频感应加热源
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Mean Free Path
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台阶覆盖
台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各 种台阶形状的关系。
共形覆盖（conformal）
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非共形覆盖
F
1
F
2
F
3
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到达角（Arriving Angle）
到达角越大， 则该点淀积速率越大
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降低淀积速率，增加污染和成本 长投准直溅射技术 靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离 子体
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带准直器的溅射淀积
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真空蒸发与溅射
真空蒸发法 （Evaporation） •设备简单、操作容易、 纯度较高、成膜快、 机理简单 •附着力小、工艺重复 性差、台阶覆盖性差、 不适用多组分材料
影响台阶覆盖的因素（到达角、表面迁移、再发射）
真空蒸发的基本过程及蒸发源
等离子体的概念，产生及应用 溅射的基本原理（磁控溅射）及影响溅射率的因素
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Q&A
1. 在溅射中，主要利用的是那种非弹性碰撞过程？ 有没有分解过程？
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2. Why does one need a vacuum chamber to generate a stable plasma?
离子入射
具有能量的离子打到材料表面 会发生的四种情况：
反射离子与 中性粒子 入射离子 二次电子
很低能量的离子简单反弹；
能量小于10eV的离子会吸附 于表面，并以声子（热）释放 能量；
能量介于10eV到10keV时，能 量传递，发生溅射过程，逸出 的原子一般具有10－50eV的能 量，远大于蒸发原子； 能量大于10keV时，离子注入 过程；
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§5.3 气体辉光放电（Glow Discharge ）
直流辉光放电：
f 暗流 汤生 放电 辉光放电
电 弧 放 电
b 电 压
c
d a 电流
e g
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气体辉光放电现象
原 子 受 激 幅 度 不 同
气 压 逐 渐 下 降
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低缺陷密度
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薄膜制备方法
热氧化(Oxidation): SiO2 薄膜制备 化学气相淀积(CVD):介质膜、多晶硅、金属 外延生长法(Epitaxy):硅器件工作区 物理气相淀积(PVD):金属膜、介质膜
PVD： Physical Vapor Deposition CVD：Chemical Vapor Deposition
Chap.5 物理气相淀积 (PVD)
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IC中的薄膜及其制备方法
淀积的概念及PVD和CVD
薄膜淀积中的台阶覆盖问题
真空蒸发的基本原理及过程 溅射的基本原理及方法
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IC中的薄膜
介电薄膜（SiO2，SiN）：用来隔 离导电层，作为扩散及离子注入 的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流 失，或用来覆盖器件免受杂质， 水汽或刮伤的损害。 多晶硅（Polysilicon）：MOS器件 的栅淀积材料，多层金属导通材 料或浅结的接触材料。
溅射 （sputtering） •适用于任何物质，不 受蒸气压和膜成分限 制，靶材料与膜成分 符合，附着好，台阶 覆盖较好 •设备、操作较复杂
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PVD系统
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小结
IC中薄膜的分类和典型制备方法 淀积的概念以及PVD和CVD的区别
真空蒸发和溅射各自的特点
厚度均匀 高纯度以及高密度 可控制组分及组分的比例 薄膜结构的高度完整性 良好的电学特性 良好的附着性
P -S i Al 介 质 （ S iO 2 ） 多晶硅 多晶硅栅 场 氧 化 S iO 2
n
+
介 质 （ S iN ）
n
+
栅氧化层
台阶覆盖好
M O SFET的 剖 面 图
§5.4 等离子体（Plasma）的产生与应用
弹性碰撞 非弹性碰撞 电离过程：e-+Ar 激发过程： e-+O2 分解反应： e-+CF4
Ar+ + 2eO 2 * + eCF3* + F*+ e-
等离子体（Plasma）：一种由正离子、电子、光子、 以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合 气体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电 中性的物质存在形态。
表面 衬底 损伤
溅射原子
注入
溅射
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溅射过程
入射过程中入射离子与靶材之 间有很大的能量传递，因而溅 射出的原子具有较大的动能 （10-50eV），而真空蒸发过程 中原子所获得的动能一般只有 0.1-0.2eV左右； 因此溅射法的台阶覆盖能力和 附着力都比真空蒸发要好，同 时辐射缺陷远小于电子束蒸发， 制作复合材料和合金膜时性能 更好，是大多数硅基工艺PVD 的最佳选择。
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Illustration of Ionization
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Excitation Collision
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Relaxation
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Dissociation
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等离子体的物理特性
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电阻丝直接加热蒸发
源棒（或源丝） 加热螺旋电阻丝
电阻丝加热源示意图
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电子束蒸发
蒸发原子 蒸气 电子束
坩埚
冷却水
灯丝
偏转板 加速栅极
偏转磁铁
电子束加热源示意图
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蒸发速率均匀性的控制
平板式基板
行星式转动机构的半球形罩
高度电离（不同的等离子体电离度不同，0.001%100%），是电和热的良导体，具有比普通气体大几百 倍的比热容； 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等，宏观上呈电 中性的。
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物质四态
固体
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
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等离子体的应用
看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的 物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整 个宇宙的99％。 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产 生来控制等离子体。低温等离子体物理的发展为材料、能 源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。 如日光灯、PDP等离子电视、IC工艺中的等离子体应用 。