薄膜的沉积过程
薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、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。
3、主要问题：
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。
电弧加热蒸发装置示意图
4、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 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )
第四章_薄膜的物理气相沉积
4.1 蒸发沉积 4.2 溅射沉积 4.3 离子束沉积 4.4 脉冲激光沉积
4.1 蒸发沉积
蒸发沉积薄膜的基本过程：
1） 原材料被加热蒸发而气化 2） 气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运 3）蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、 核长大，继而形成连续薄膜
4.1.1 蒸发源
缺点：需要较复杂且昂贵的高频电源
4.1.2 原材料的蒸发与输运
1.
蒸发速率 假设在原材料表面液相和气相分子处于动态平 衡，则蒸发速率
dN r Pr P0 Je Adt 2 mkT
蒸发速率与蒸发源温度的关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
4.1.3 蒸发镀膜的膜厚分布
膜厚的分布取决于蒸发源的几何形状 与蒸发特性、基片的几何形状、基片与蒸 发源的相对位置等因素。
膜厚理论计算的简化假设： 1）蒸发凝结成薄膜
4.2 溅射沉积
溅射：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（或 分子）逸出的现象叫溅射。 使用范围：金属、合金、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物、超导薄膜等。 溅射率：当粒子轰击靶阴极时，平均每个粒子从 阴极上打出的原子数。 溅射阈值：当入射粒子能量高于溅射阈值时才发 生溅射。
脉冲激光沉积的优点
相比其他制膜技术，PLD具有如下特点：1） 采用紫外脉冲激光器作为等离子体的能源，它 具有高光子能量、无污染且易于控制的特点； 2）可以比较精确的控制化学计量比，实现靶 膜成分接近一致。3） 可以引入反应气体，提 供了另一种改变薄膜组分的办法；4）四个靶 材托板随意更换，可以实现多层膜、异质结的 制备，尤其适合制备量子阱结构薄膜。5）工 艺相对简单，灵活性很大，可以实现诸多不同 种类的薄膜制备；6）可以使用激光器对薄膜 进行后续处理等。
pecvd反应方程
pecvd反应方程PECVD，全称为等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition），是一种常用于薄膜制备的沉积方法。
它利用等离子体激活气体分子，使其发生化学反应并在基底表面生成薄膜。
以下是PECVD常见的反应方程及其对应的薄膜沉积过程。
1. 硅氢化物PECVD反应方程：SiH4 + H2 → Si + 2H2O该反应方程描述了在PECVD过程中使用硅氢化物（如硅烷SiH4）作为前驱体进行硅薄膜的沉积。
通过与氢气反应，产生硅及水蒸气。
在等离子体激活的条件下，硅和水蒸气在基底表面发生化学反应，生成纯净的硅薄膜。
2. 氧化物PECVD反应方程：SiH4 + N2O → SiO2 + 2H2O + N2该反应方程描述了使用硅氢化物和氮氧化物（如N2O）作为前驱体进行氧化物薄膜（如二氧化硅SiO2）的沉积。
在等离子体激活的条件下，硅氢化物与氮氧化物发生化学反应，生成氧化硅薄膜、水蒸气和氮气。
3. 碳氮化物PECVD反应方程：SiH4 + C3H8 + NH3 → SiCN + 3H2 + H2O (SiC涂覆剂)该反应方程描述了使用硅氢化物、丙烷和氨气作为前驱体进行碳氮化物薄膜（如碳化硅SiC）的沉积。
在等离子体激活的条件下，硅氢化物与丙烷和氨气发生化学反应，生成碳氮化硅薄膜、氢气和水蒸气。
4. 氮化物PECVD反应方程：SiH4 + NH3 → Si3N4 + 3H2该反应方程描述了使用硅氢化物和氨气作为前驱体进行氮化物薄膜（如氮化硅Si3N4）的沉积。
在等离子体激活的条件下，硅氢化物与氨气发生化学反应，生成氮化硅薄膜和氢气。
值得注意的是，以上的PECVD反应方程仅为示例，实际的PECVD反应可能涉及不同的前驱体和反应条件。
根据所需的薄膜材料和沉积条件的不同，可以选择不同的前驱体和反应方程进行PECVD沉积。
在PECVD过程中，等离子体的产生是至关重要的。
薄膜沉积工艺原理
薄膜沉积工艺原理
薄膜沉积工艺是指将材料蒸发、溅射或化学气相沉积等方法将原子或分子以单层或多层覆盖在基底表面上的过程。
其原理可以简述如下：
1. 蒸发沉积：将材料加热到足够高的温度，使得材料表面的原子或分子能够克服束缚力，从而从固体材料表面蒸发出去。
薄膜材料的原子或分子蒸发后冷凝在基底表面上，形成薄膜。
2. 溅射沉积：通过施加高压电弧、激光或离子束等能量源，将固体材料中的原子或分子击出，并沉积在基底表面上。
溅射沉积能够产生较高质量的薄膜，其沉积速率和成膜厚度可以通过调节能量源的强度和工艺参数来控制。
3. 化学气相沉积：将所需的反应气体引入反应室中，在适当的温度下，材料的原子或分子与反应气体发生化学反应并沉积在基底表面上。
化学气相沉积具有较高的沉积速率和较好的均匀性，且适用于多种材料的沉积。
总的来说，薄膜沉积工艺是通过将原子或分子从材料表面蒸发出来或通过化学反应使其沉积在基底表面上，形成具有特定性能的薄膜。
通过控制工艺参数和材料选择，可以实现对薄膜沉积速率、组成和微结构的精确控制。
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。
薄膜沉积工艺
薄膜沉积工艺
薄膜沉积工艺是一种利用原子层沉积或分子层沉积法在特定温度下在
特定表面上沉积一层薄膜的工艺，是能够控制膜厚、结构和性质、加工特
性的特殊材料制造工艺。
薄膜沉积工艺的主要过程是原子或分子的迁移，
其它物理、化学改变是原子或分子迁移的前提。
它包括多种技术，如热蒸发、激光沉积、电子束蒸镀、化学气相沉积、溶胶凝胶沉积、冷表面沉积、液体滴沉积等技术。
薄膜沉积工艺的优势在于可以生成具有任意材料和尺寸的薄膜，并可
以控制其厚度，从而便于控制材料的物理和化学性质，满足要求。
它与其
它工艺相比具有操作简便、能耗低、产品质量好、膜各性能的精细控制等
优点，是生产高功能材料的重要技术。
薄膜沉积工艺有广泛的应用，如用
于半导体加工、聚合物成型、膜光学、生物医学、薄膜电子、磁性记忆体、新型气体探测器、军事材料、航空航天等领域。
PVD知识整理
帕邢（Paschen）曲线
溅镀
溅射沉积的方法
反应溅射溅射
在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，溅射出来的靶材料与反应气体形成化合
物（氮化物、碳化物、氧化物）
反应溅射特征
➢靶中毒：反应气体与靶反应，在靶表面形成化合物。
➢沉积膜的成分不同于靶材。
➢化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体。
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸镀
➢真空室存在两种粒子：蒸发物质的原子或分 子；残余气体分子。 ➢由气体分子运动论可求出在热平衡下，单位时间通过单位面积的气体分 子数，即为气体分子对基片的碰撞率
➢蒸发分子的平均自由程为 （ d为碰撞截面）
蒸镀
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸发分子的碰撞百分数与实际行程对平均自由程之比如图。当平均自由程等于源 之比如 图。当平均自由程等于源- -基距时，有63％的蒸发分子受到碰撞，如果自由程增加 10倍， 撞几率减小到9％。因此，只有在平均自由程源- -基距大得多，才有效减少渡越中的碰撞。
Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高。 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加。 溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高
平均能量趋于恒定。
值时，
溅射沉积的方法 直流二极溅射
溅镀
辉光放电产生离子轰击靶材； 气压过低辉光放电难以维持（＜1Pa）； 溅射气压高（~10Pa）、沉积速率低； 工艺参数：电源功率、工作气体流量与压 强、基片温度、基片偏压。
溅镀
溅镀（Sputtering） 溅射的基本原理: ➢ 物质的溅射现象 溅射：荷能粒子与固体（靶材）表面相互作用过程中，发生能量和动量 的转移，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子 的溅射。 溅射是轰击粒子与固体原子之间能量和动量转移的结果 溅射镀膜：应用溅射现象将靶材原子溅射出来并沉积到基片上形成薄膜 的技术。 ➢ 溅射参数 ✓ 溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射 离子的种类关系不大、与靶材有关。 ✓ 溅射产额 ✓ 溅射离子速度和能量
mocvd沉积氧化镓薄膜的具体过程
mocvd沉积氧化镓薄膜的具体过程氧化镓，这可是个神奇的材料啊！而用 MOCVD 来沉积氧化镓薄膜，那更是一门高深的技术活儿。
咱先来说说这个 MOCVD 是啥玩意儿。
它就像是一个魔法盒子，能把各种材料变出来，沉积在我们想要的地方。
那怎么用它来沉积氧化镓薄膜呢？嘿，这就有意思了。
首先得准备好各种原料，就像做饭得有食材一样。
这些原料在特定的条件下进入那个魔法盒子，然后就开始发生奇妙的反应啦。
想象一下，就好像一场小小的化学反应舞会，各种分子在里面欢快地跳动、结合。
接着呢，这些反应产生的东西就会慢慢沉积下来，形成一层薄薄的膜，就跟给物体穿上了一件特别的衣服似的。
这层膜可不简单，它有着特殊的性能和用途。
在这个过程中，温度、压力、气体流量等等这些因素都得把握得恰到好处，不然这膜可就长不好啦。
这就好比骑自行车，得掌握好平衡，不然就得摔跟头。
温度高了不行，低了也不行，就像烤面包，火候得掌握好。
压力也是一样，得给它一个合适的环境，不然这膜就长得歪七扭八的。
而且啊，这个过程还得非常精细，一点差错都不能有。
就像绣花一样，得一针一线仔仔细细地绣，才能绣出漂亮的图案。
这可不是随随便便就能搞定的事情，得有经验、有技术才行。
你说，这是不是很神奇？从一些小小的原料，经过这么一系列复杂的过程，最后就能得到一层薄薄的氧化镓薄膜。
这就好像是从一堆积木里搭出了一个漂亮的城堡。
在这个领域里，科学家们就像是一群魔法师，用他们的智慧和技术创造出了这些神奇的东西。
他们不断地探索、尝试，让这个技术变得越来越好。
这 MOCVD 沉积氧化镓薄膜的具体过程，真的是充满了奥秘和挑战啊！我们普通人可能很难完全理解，但我们可以想象一下，那是一个多么奇妙的世界。
在那里，各种分子在跳舞，各种反应在发生，最后诞生出了这神奇的氧化镓薄膜。
这就是科技的魅力啊，它能让我们看到一些我们以前想都想不到的东西。
它让我们的生活变得更加丰富多彩，让我们对未来充满了期待。
难道不是吗？。
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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。