薄膜沉积原理
薄膜沉积原理分析课件
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。
磁控溅射薄膜淀积工艺原理
磁控溅射薄膜淀积工艺原理
磁控溅射薄膜淀积工艺是一种物理气相沉积（PVD）的方法，其工作原理可以简要概述为以下几个步骤：
1. 电子加速和电离: 在高真空的环境下，入射离子（通常为氩离子，Ar+）
在电场的作用下轰击靶材。
与此同时，电子在飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生新的Ar+离子和电子。
2. 电子束缚和二次电子发射: 新产生的电子在电场和磁场的作用下产生漂移，形成一种类似于摆线的运动轨迹。
在环形磁场的情况下，这些电子会在靶表面附近做圆周运动。
这个过程中，二次电子被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar+来轰击靶材。
3. 靶材溅射和薄膜形成: Ar+离子在电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高
能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
溅射出的中性靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。
4. 温度控制: 由于二次电子的能量很低，传递给基片的能量很小，因此基片
的温升较低。
这使得磁控溅射工艺具有沉积温度低、基片温升低的优点。
磁控溅射的优点包括沉积温度低、沉积速度快、所沉积的薄膜均匀性好，成分接近靶材成分等。
这种工艺在高精度、高性能薄膜制备领域具有广泛应用。
PECVD的工作原理
PECVD的工作原理引言概述：PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、显示器件等领域。
本文将详细介绍PECVD的工作原理，包括原理概述、工作过程、薄膜生长机理、应用领域以及未来发展方向。
一、原理概述：1.1 电浆（Plasma）的生成：PECVD利用高频电场或射频电场作用下的气体放电，产生等离子体。
通过加热、电离和激发气体分子，形成高能态的离子和电子，从而激活反应气体，促使薄膜沉积反应的进行。
1.2 化学气相反应：PECVD通过将反应气体引入等离子体区域，使其与激活的离子和电子进行化学反应。
反应气体中的原子、分子或离子在表面发生吸附、解离、再组合等反应，生成所需的薄膜材料。
1.3 薄膜沉积：反应气体中的反应产物在基片表面沉积，形成均匀、致密的薄膜。
PECVD可以控制沉积速率、薄膜厚度、成分等参数，实现对薄膜性质的调控。
二、工作过程：2.1 真空系统：PECVD工作需要在较低的气压下进行，通常使用真空系统将反应室抽取至高真空状态。
真空系统包括抽气系统、气体进出系统和真空度检测系统。
2.2 气体供给系统：PECVD需要提供反应气体，通常包括载气、前驱体和稀释气体。
载气用于稀释前驱体，稀释气体用于调节反应气体的浓度。
2.3 等离子体生成和控制：通过高频电源或射频电源提供能量，产生等离子体。
同时，通过电极结构和电源参数的调节，可以控制等离子体的密度、温度和化学活性。
三、薄膜生长机理：3.1 吸附：反应气体中的原子、分子或离子在基片表面吸附。
3.2 解离：吸附的反应气体在等离子体的作用下发生解离，形成活性物种。
3.3 反应：活性物种在基片表面发生化学反应，生成所需的薄膜材料。
四、应用领域：4.1 半导体器件：PECVD广泛应用于半导体器件的制备，如硅基薄膜晶体管、光电二极管等。
4.2 光电子器件：PECVD可用于制备光学薄膜、光纤、太阳能电池等光电子器件。
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。
fib deposition的原理
fib deposition的原理Fib沉积原理引言：Fib沉积是一种常见的表面修饰技术，用于制备具有特殊性能的薄膜材料。
它基于化学气相沉积（CVD）技术，通过控制气相反应条件和沉积表面的特性，实现对薄膜沉积过程的精确控制。
本文将介绍Fib沉积的原理及其应用。
一、Fib沉积的原理Fib沉积是一种气相沉积技术，通过在反应室中将气体加热至高温，使其发生化学反应，生成所需的沉积物。
与传统的CVD技术相比，Fib沉积具有更高的沉积速率和更好的沉积控制能力。
Fib沉积的原理基于气相反应的热力学和动力学过程。
在反应室中，气体通过加热到高温后，发生化学反应生成沉积物，并在衬底表面沉积形成薄膜。
Fib沉积可以通过控制反应气体的流量、温度和压力等参数，以及衬底表面的特性，来调控沉积过程中的沉积速率、晶体结构和化学组成等性质。
二、Fib沉积的应用1. 薄膜材料制备Fib沉积可用于制备各种具有特殊性能的薄膜材料，如金属薄膜、氮化物薄膜、碳化物薄膜等。
通过调控沉积过程中的气相反应条件和沉积表面的特性，可以实现对薄膜的厚度、晶体结构和化学组成等性质的精确控制，从而得到具有特定功能的薄膜材料。
2. 光学薄膜制备Fib沉积还可用于制备光学薄膜，如反射镜、透镜等。
通过控制沉积过程中的反应气体和沉积表面的特性，可以实现对薄膜的折射率、透过率和反射率等光学性能的调控，从而满足不同光学器件的需求。
3. 纳米材料制备Fib沉积还可用于制备纳米材料，如纳米颗粒、纳米线等。
通过调控沉积过程中的反应气体和沉积表面的特性，可以控制纳米材料的形貌、尺寸和结构等性质。
这些纳米材料具有较大的比表面积和尺寸效应，可应用于催化、传感和能源等领域。
4. 生物医学应用Fib沉积还可用于制备生物医学材料，如生物传感器、药物释放系统等。
通过调控沉积过程中的反应气体和沉积表面的特性，可以实现对材料的生物相容性、生物活性和药物释放性能等的调控，从而满足生物医学应用的需求。
cvd原理
cvd原理CVD原理CVD（化学气相沉积）是一种常用于薄膜制备的技术，其原理是通过化学反应在固体表面上沉积出所需的物质。
CVD技术在材料科学和工程领域有广泛的应用，可以制备各种功能性薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
本文将介绍CVD的基本原理及其在薄膜制备中的应用。
CVD的基本原理是利用气相反应将气体中的原子或分子沉积到固体表面，形成薄膜。
CVD过程通常包括以下几个步骤：气体输送、反应、沉积和副反应等。
首先，将反应气体通过输送系统输送到反应室中，反应室中通常包含有固体衬底，待沉积的物质就沉积在固体表面上。
在反应室中，反应气体发生化学反应，产生的反应产物在固体表面进行沉积。
同时，反应气体中可能存在一些副反应，生成一些不需要的产物，这些产物可能会对薄膜的质量产生影响。
CVD技术在薄膜制备中有广泛的应用。
首先，CVD可以制备金属薄膜。
金属薄膜在电子器件中具有重要的应用，如集成电路、太阳能电池等。
通过选择适当的金属有机化合物和反应条件，可以在固体表面上沉积出均匀、致密的金属薄膜。
其次，CVD还可以制备氧化物薄膜。
氧化物薄膜在光电子器件和传感器等领域中具有重要的应用。
通过选择适当的氧化物前体和反应条件，可以在固体表面上沉积出具有特定结构和性质的氧化物薄膜。
此外，CVD还可以制备氮化物薄膜、硫化物薄膜等。
CVD技术具有许多优点。
首先，CVD可以在较低的温度下进行，从而避免了材料的热降解或相变等问题。
其次，CVD可以实现对薄膜的精确控制，包括薄膜的厚度、成分、结构等。
通过调节反应气体的组成和反应条件，可以得到具有不同特性的薄膜。
此外，CVD可以实现对大面积薄膜的均匀沉积，适用于工业生产。
最后，CVD技术还可以实现多层薄膜的沉积，从而实现对薄膜性能的进一步调控。
然而，CVD技术也存在一些挑战。
首先，CVD技术的反应过程比较复杂，需要对反应机理和反应动力学等进行深入研究。
其次，CVD技术需要严格控制反应气体的流量、压力和温度等参数，以获得高质量的薄膜。
PECVD的工作原理
PECVD的工作原理PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、显示器件等领域。
本文将详细介绍PECVD的工作原理。
1. PECVD的基本原理PECVD是在低压条件下，通过高频电场激发等离子体，使气体中的原子或者份子发生化学反应，从而在基底表面沉积出所需的薄膜。
其基本工作原理如下：1.1 等离子体的产生PECVD的关键是产生等离子体。
通常使用高频电源产生高频电场，将气体置于两个电极之间的反应室中。
当高频电场加在气体上时，气体份子会发生电离，产生正离子、电子和自由基等等离子体。
1.2 化学反应等离子体中的正离子、电子和自由基等活性粒子与气体中的前驱物份子发生碰撞，引起化学反应。
这些反应产生的中间产物在基底表面沉积形成薄膜。
1.3 沉积薄膜沉积薄膜的化学反应过程主要包括气相反应和表面反应。
气相反应是指等离子体中的活性粒子与气体中的前驱物份子发生碰撞生成中间产物。
而表面反应是指中间产物在基底表面沉积形成薄膜。
2. PECVD的工艺参数PECVD的工艺参数对薄膜的性质有着重要影响。
常见的工艺参数包括：2.1 气体流量气体流量是指在PECVD过程中，进入反应室的气体的体积流量。
不同的气体流量会影响沉积速率、薄膜质量等。
2.2 反应室压力反应室压力是指PECVD反应室内的气体压力。
压力的选择要根据具体的薄膜材料和设备要求来确定。
2.3 气体组分气体组分是指PECVD反应室内的气体成份。
不同的气体组分会影响薄膜的化学成份和性质。
2.4 RF功率RF功率是指高频电源供给的功率。
功率的大小会影响等离子体的强度和活性粒子的数量。
2.5 反应温度反应温度是指PECVD反应室内的温度。
温度的选择要根据具体的薄膜材料和设备要求来确定。
3. PECVD的应用PECVD广泛应用于半导体、光电子、显示器件等领域。
常见的应用包括：3.1 薄膜沉积PECVD可用于沉积多种功能性薄膜，如氮化硅膜、二氧化硅膜、氮化硅氧膜等。
pvd原理
pvd原理
PVD（Physical Vapor Deposition）是一种利用物理原理进行薄膜沉积技术。
其实现原理可以大致分为下面几个步骤：
1. 向真空管内捕获源材料：将需要进行沉积的源材料在真空管中进行
激发，以便转换为用于沉积的原子（分子）状态。
2. 产生高速离子流：将小分子状态的源材料放入真空管中，利用高能
量激励元素，生成高速原子离子流。
3. 将原子离子流定向放在基体表面：通过磁场、电场等控制，使原子
离子流定向放置于基体表面，并逐渐向基体表面上形成薄膜。
4. 完成薄膜沉积：薄膜沉积时，被沉积材料的原子离子流定向放置于
基体表面，原子离子的路径与其他源材料的原子非常相近，于是形成
不间断的稳定层，形成薄膜沉积。
5. 生成最终的薄膜：薄膜沉积完成后，把最终沉积出来的薄膜从真空
管中移到操作台上，使最终的薄膜形成。
PVD技术具有精度高、各向异性指数低、易于控制厚度的优点，因此，它在微电子、电子仪器、汽车、航空航天等行业得到了广泛的应用。
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加热器：电阻 丝或电子束
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集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
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一、真空蒸发淀积薄膜的物
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
log
Pv
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
b）阴极加1－10 kV负高压， 产生辉光放电，形成等离子体
c）正离子被加速至数百-数千 伏，撞击在靶材上，将靶材中 原子剥离
d）这些原子形成蒸汽并自由 地穿过等离子体区到达硅表面
e）溅射淀积时反应腔里压力 在10 mtorr左右。在引入放电 气体前，真空室base pressure 要达高真空（10－6 torr以上）
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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集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
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集成电路工艺原理
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集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
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溅射的优点：
✓对某些元素淀积速率很慢 ✓合金和化合物很难采用 ✓台阶覆盖差 ✓目前大生产很少采用
✓台阶覆盖比蒸发好
✓辐射缺陷远少于电 子束蒸发
✓制备复合材料和合 金性能较好
✓可以淀积介质材料
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集成电路工艺原理
第八章 薄膜淀积原理 (下)
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溅射Sputtering - 溅射淀积Sputter deposition
(b) 在真空系统中的输运过程
(c) 气相分子在衬底上吸附、成核和 生长
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集成电路工艺原理
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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 ℃。
利用高能粒子（通常是由电场加速的正 离子如Ar+）撞击固体表面，使表面离子 （原子或分子）逸出的现象
溅射的种类:
✓直流溅射 ✓射频溅射 ✓反应溅射 ✓磁控溅射 ✓准直溅射 ✓ ……….
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不同元素的平衡蒸气 压与温度的函数关系
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
2r 2 p
反比于气体压强
r为气体分子的半径
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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
Unequal area
V1
V1 V2
A2
m
V2
electrodes (left electrode smaller)
m=1~2（实验值）
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第八章 薄膜淀积原理 (下)
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一般将靶电极的面积设计得较小，电压主要降在靶电极，使溅射 在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值
硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可 预先清洁晶片或“溅射刻蚀”.
另外一种应用是偏压-溅射淀积（bias-sputter deposition）， 在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性
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3、反应溅射
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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。
而不同元素的
溅射产率 （yield） 相差不大 （0.1-3 per incident ion）
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1、直流（DC）溅射
只能溅射导电物质
a）阳极（anode）上放硅片， 阴极（cathode）是靶，真空 室作为放电二极管，通入放电 气体（如Ar）
物理气相淀积 （PVD）
蒸发（Evaporation）
溅射（Sputtering）
淀积金属薄膜
淀积金属、介 质等多种薄膜
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蒸发
真空状态 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
电子束蒸发（e－beam）
a) 电流通过螺旋状灯丝，使其达到白炽状态后
发射电子
电
b) 电子向阳极孔方向发射形成电子束，加速进 子
入均匀磁场 c) 电子在均匀磁场洛仑兹力作用下作圆周运动 d) 调节磁场强度控制电子束偏转半径，使电子
偏 转
束准确射到蒸发源
枪
e) 蒸发源熔融汽化，淀积到硅片表面
优点：
淀积膜纯度 高，钠离子 污染少
在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气， 可改变或控制溅射膜的特性。
如属在布低线温中下的可绝制缘作 层；SiOTxiN、、SiTNaxN等等钝导化电膜膜或或多扩 散阻挡层
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2、射频溅射 — 也可溅射介质
如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正 电荷积累。此时可以使用交流电源。
13.56 MHz
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RF溅射系统中稳态时的电压分布
当两边面积不等时， 面积小的电极一边 （电流密度大）有更 大电压降，并有关系:
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直流溅射系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）
阴极 阴极 辉光 暗区
(鞘区)
等离子体 阳极鞘区
✓等离子体中包含 同等数量的正氩 离子和电子以及 中性氩原子
✓大部分的电压降 在阴极暗区
✓氩离子轰击阴极 靶（如Al）, Al原 子被溅射出，通 过等离子区淀积 到阳极硅片上
可见蒸发的淀积速率和蒸发 材料、温度/蒸汽压、及淀积 腔的几何形状决定反应腔内 晶片的位置、方向有关。
点源
如坩锅正上方晶片比侧 向的晶片淀积得多。
小平面源
为了得到好的均匀性， 常将坩锅和晶片放在同 一球面
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加热器
电阻丝
a) 必须在蒸发温度提供所 需热量，但本身结构仍保 持稳定。熔点高于被蒸发 金属熔点 b) 不能与处于熔融状态的 蒸发料合金化或化合 c) 蒸气压很低 d) 易加工成形 例：难熔钨丝螺旋式蒸发 源
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溅
射
阴极暗区
中
的
主
要
过
程
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大面积溅射靶要较点源会提供更宽范围 的到达角（arrival angles）
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电子束蒸发系统
为了实现球形结构， 晶片放在一个行星 转动的半球罩内 — 有公转和自转。 淀积的均匀性可以得 到很大改善
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蒸发工艺中的一些问题:
层布线中的介质。
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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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集成电路工艺原理
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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。
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氮化硅的淀积方法