7薄膜的沉积技术汇总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
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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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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。
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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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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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2、薄膜生长阶段
薄膜制备技术蒸镀解析课件.ppt
pB xB pB (0)
原因分析如下：
1）假若AB二元合金溶液是一种理想溶液，A-B原子间的作用能 与A-A或B-B原子间的作用能相等。由理想溶液的拉乌尔 （的金R组中a元的ou含组lt）量元定之含律比量可，之得因比：此。组组元元的蒸蒸发气速压度之之比比pФA A/ /pФBB不也同不于同合于金合中
半导体元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线 （曲线上的点标明的是相应元素的熔点）
❖ 纯元素的蒸发形式
1）即使当温度达到了元素的熔点，其饱和蒸汽压 也低于0.1pa。在这种情况下，要想利用蒸发方法 进行物理气相沉积，就需要将物质加热到物质的 熔点以上。大多数金属的热蒸发属于这种情况。
2）在低于熔点的温度下，元素的饱和蒸气压已经 相对较高。这种情况下，可以直接利用由固态物 质的升华现象，实现元素的气相沉积。如Cr、Ti、 Mo、Fe、Si等物质的蒸发沉积
MA和Mg分别是蒸发物质和残余气体的分子量，P是残余气 体压力
❖蒸发源
真空蒸发所采用的设备根据使用目的的不同有很大差别。 从简单的电阻加热蒸镀装置到极其复杂的分子束外延设备， 都属于真空蒸发范畴。在蒸发沉积装置中，最重要的组成 部分是物质的蒸发源，根据其加热原理可分为以下类型。
1、电阻加热蒸发源
（1）电阻加热蒸发法：
合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，因 此，合金中各元素的蒸发过程可近似视为各元素相互独立的 蒸发过程，就像纯元素蒸发过程一样。但即使如此，合金在 蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差.
▪理想溶液的拉乌尔（Raoult）定律 合金中组元B的蒸汽压PB将小于纯元素B的蒸汽压PB(0)，并 且与该组元在合金中的摩尔分数xB成正比，即
§1-1 物理气相沉积技术
物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD)：利用某种 物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面 原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控 转移的过程。
原因分析如下：
1）假若AB二元合金溶液是一种理想溶液，A-B原子间的作用能 与A-A或B-B原子间的作用能相等。由理想溶液的拉乌尔 （的金R组中a元的ou含组lt）量元定之含律比量可，之得因比：此。组组元元的蒸蒸发气速压度之之比比pФA A/ /pФBB不也同不于同合于金合中
半导体元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线 （曲线上的点标明的是相应元素的熔点）
❖ 纯元素的蒸发形式
1）即使当温度达到了元素的熔点，其饱和蒸汽压 也低于0.1pa。在这种情况下，要想利用蒸发方法 进行物理气相沉积，就需要将物质加热到物质的 熔点以上。大多数金属的热蒸发属于这种情况。
2）在低于熔点的温度下，元素的饱和蒸气压已经 相对较高。这种情况下，可以直接利用由固态物 质的升华现象，实现元素的气相沉积。如Cr、Ti、 Mo、Fe、Si等物质的蒸发沉积
MA和Mg分别是蒸发物质和残余气体的分子量，P是残余气 体压力
❖蒸发源
真空蒸发所采用的设备根据使用目的的不同有很大差别。 从简单的电阻加热蒸镀装置到极其复杂的分子束外延设备， 都属于真空蒸发范畴。在蒸发沉积装置中，最重要的组成 部分是物质的蒸发源，根据其加热原理可分为以下类型。
1、电阻加热蒸发源
（1）电阻加热蒸发法：
合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，因 此，合金中各元素的蒸发过程可近似视为各元素相互独立的 蒸发过程，就像纯元素蒸发过程一样。但即使如此，合金在 蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差.
▪理想溶液的拉乌尔（Raoult）定律 合金中组元B的蒸汽压PB将小于纯元素B的蒸汽压PB(0)，并 且与该组元在合金中的摩尔分数xB成正比，即
§1-1 物理气相沉积技术
物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD)：利用某种 物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面 原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控 转移的过程。
薄膜沉积原理分析PPT课件
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)
11
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
集成电路工艺原理
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
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
13
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
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第七章气相沉积技术ppt课件
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
定义：等离子体是指存在的时间和
空间均超过某一临界值的电离气体
产生途径——宇宙、天体、上层气
体、放射线及同位素、X射线、粒子 加速器、反应堆、场致电离、冲击波、 燃烧、激光、真空紫外光、发电等， 在气相沉积中广泛采用的是气体放电 产生等离子体。
等离子体特征
让 优
秀
成 为
一
种
惯
离子镀膜的应用
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
①首先，离子镀是各种刀具的保护神。可 以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化 钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆 等多种硬质膜。 ②其次，离子镀技术还是美化人民生活的 得力工具。从我们手上带的手表表壳、表 带，到手机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我 们衣服上的扣子、领带夹，腰上别的钥匙 扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰 作。颜色也是多种多样。 ③离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、 润滑及电子工业的集成电路等中。
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
化学气相沉积
什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？
外延
让 优
秀
成 为
一
种
习
外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向 相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具 有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。
外延分为——气相外延、液相外延和分子束外延
气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过 程。
有基体支撑：依附于固体表面并得到 其支撑而存在，并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料
手机贴膜
手机贴膜
塑料膜
让 优
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
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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
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。
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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
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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
薄膜的化学气相沉积67页PPT
薄膜的化学气相沉积
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
பைடு நூலகம்
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
பைடு நூலகம்
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
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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。
7.5.1 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年9月28日
2020年9月28日
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。
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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
2020年9月28日
11
7.2 PVD—蒸发
真空蒸发：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。
优点：工艺及设备简单，淀积速率快； 缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺
重复性不够理想。
瞬间蒸发
沉积其组分具有不同的蒸气压力的膜层的方法。
用于合金、金属与介质的混合物及化合物的蒸发沉 积。
溅射方法：直流、射频、磁控、反应、离子 束、偏压等溅射；
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7.4 CVD沉积原理及特点
A：定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激 活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体 薄膜的生长技术。
B：沉积原理：
用CVD法沉积硅薄膜实际上是从气相中生长晶体 的复相物理—化学过程，是一个比较复杂的过程。 大致可分为以下几步：
2020年9月28日
4
2、薄膜生长阶段
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的 原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛 像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又 形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤 立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐 被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
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年9月28日
5
图72.0220年透9射月2电8日子显微镜追踪记录Ag在NaCl晶体表面成核过程的系列照片和电子衍射图6
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子自己相互键合，而避免与衬底原子键
合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬 底上生长大都采取这种模式。
3
一、薄膜的生长过程：
两个阶段：新相的成核与薄膜的生长
1、成核阶段
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚 到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用， 原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且 可以运动的原子团（岛或核）。
当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长 大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐 长大。
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
上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
原理
MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、 Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热
分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种
第七章 薄膜沉积技术
2020年9月28日
1
对薄膜的特殊需求。 具有体积小、功耗低、电流密度大的特点。 薄膜厚度范围：20nm---2um 工艺制作方法：PVD，CVD，电镀和阳极氧
化法。
沉积技术的发展
2020年9月28日
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7.1薄膜生长过程
2020年9月28图日 7.1表示薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程
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。
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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。
7.5.1 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年9月28日
2020年9月28日
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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。
2020年9月28日
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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
2020年9月28日
11
7.2 PVD—蒸发
真空蒸发：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。
优点：工艺及设备简单，淀积速率快； 缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺
重复性不够理想。
瞬间蒸发
沉积其组分具有不同的蒸气压力的膜层的方法。
用于合金、金属与介质的混合物及化合物的蒸发沉 积。
溅射方法：直流、射频、磁控、反应、离子 束、偏压等溅射；
2020年9月28日
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7.4 CVD沉积原理及特点
A：定义：指使一种或数种物质的气体，以某种方式激 活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体 薄膜的生长技术。
B：沉积原理：
用CVD法沉积硅薄膜实际上是从气相中生长晶体 的复相物理—化学过程，是一个比较复杂的过程。 大致可分为以下几步：
2020年9月28日
4
2、薄膜生长阶段
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的 原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛 像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又 形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤 立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐 被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
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年9月28日
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图72.0220年透9射月2电8日子显微镜追踪记录Ag在NaCl晶体表面成核过程的系列照片和电子衍射图6
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子自己相互键合，而避免与衬底原子键
合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬 底上生长大都采取这种模式。
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一、薄膜的生长过程：
两个阶段：新相的成核与薄膜的生长
1、成核阶段
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚 到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用， 原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且 可以运动的原子团（岛或核）。
当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长 大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐 长大。
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
上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
原理
MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、 Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热
分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种
第七章 薄膜沉积技术
2020年9月28日
1
对薄膜的特殊需求。 具有体积小、功耗低、电流密度大的特点。 薄膜厚度范围：20nm---2um 工艺制作方法：PVD，CVD，电镀和阳极氧
化法。
沉积技术的发展
2020年9月28日
2
7.1薄膜生长过程
2020年9月28图日 7.1表示薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程