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1、7.薄膜制备技术薄膜制备技术7.1薄膜材料基础薄膜材料基础7.1.1薄膜的概念与分类薄膜的概念与分类1.薄膜材料的概念薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料料) )的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。 简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。二维材料。1科学教育2. 2. 薄膜分类薄膜分类（1 1
2、）物态）物态（2 2）结晶态：）结晶态：（3 3）化学角度）化学角度2科学教育（4 4）组成）组成（5 5）物性）物性q厚度，决定薄膜性能、质量厚度，决定薄膜性能、质量q通常，膜厚通常，膜厚 as）同同质外延质外延（ae=as）张应变张应变（aeThestrainedfilmsaid:“Wearealltiredenough,pleasegiveusabreak!”Oh,itismorecomfortablenow,althoughafewofourcolleaguesarestillsufferingthepressure.应变能释放出现应变能释放出现刃位错刃位错Thesinglesaid:
3、“ItisOK,myeffortistomakeallofyouhappy!”21科学教育 Strainalterd spacings,whilealtervalues22科学教育原原 理理： 在超高真空条件下，在超高真空条件下，将各组成元素的分子束将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式流以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适喷射到衬底表面，在适当的温度下外延沉积成当的温度下外延沉积成膜。膜。 目前目前MBEMBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量子点，及格、量子点，及3-53-5族化合物的半导体器件。族化合物的半导体器件。应应 用用2
4、3科学教育7 7） 脉冲激光沉积脉冲激光沉积(PLD)(PLD) 利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材，使靶的局部在瞬间受高温汽利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材，使靶的局部在瞬间受高温汽化，在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化，并沉化，在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化，并沉积到衬底的一种制膜方法。积到衬底的一种制膜方法。 24科学教育2. 2. 蒸镀用途蒸镀用途q适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的导电膜、光学镜头用增透膜。导电膜、光学镜头用增透膜。q蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。q镀纯金属时速度快，镀纯
5、金属时速度快，90%为铝膜。为铝膜。q铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。行金属化后刻蚀出导线。25科学教育7.2.3 7.2.3 溅射镀膜（溅射镀膜（sputtering depositionsputtering deposition）1. 1. 工艺原理工艺原理溅射镀膜：溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。26科学教育1. 1. 工艺原理工艺原理溅射镀膜有两类溅射镀膜有两类离子束由
6、特制的离子源产生离子束由特制的离子源产生离子源结构复杂，价格昂贵离子源结构复杂，价格昂贵用于分析技术和制取特殊薄膜用于分析技术和制取特殊薄膜在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜。基片表面成膜。1)离子束溅射：离子束溅射：离子束溅射：离子束溅射：气体放电溅射气体放电溅射27科学教育离子束与磁控溅射联合镀膜设备离子束与磁控溅射联合镀膜设备28科学教育利用低压气体放电现象，产生等离子体，产生的正离子，利用低压气体放电现象，产生等离子体，产生的正离子，被电场加速为高能粒子，撞击固体（靶）表面进行能量和被电场加速为高能粒子，撞击
7、固体（靶）表面进行能量和动量交换后，将被轰击固体表面的原子或分子溅射出来，动量交换后，将被轰击固体表面的原子或分子溅射出来，沉积在衬底材料上成膜的过程。沉积在衬底材料上成膜的过程。2)气体放电溅射气体放电溅射+-29科学教育1)整个过程仅进行动量转换，无相变整个过程仅进行动量转换，无相变2)沉积粒子能量大，沉积过程带有清洗作用，薄膜附沉积粒子能量大，沉积过程带有清洗作用，薄膜附着性好着性好3)薄膜密度高，杂质少薄膜密度高，杂质少4)膜厚可控性、重现性好膜厚可控性、重现性好5)可制备大面积薄膜可制备大面积薄膜6)设备复杂，沉积速率低。设备复杂，沉积速率低。2. 2. 工艺特点工艺特点30科学教育
8、离子束与磁控溅射联合镀膜设备离子束与磁控溅射联合镀膜设备31科学教育3. 3. 溅射的物理基础溅射的物理基础辉光放电辉光放电 溅射镀膜基于高能粒子轰击靶材时的溅射效应。溅射镀膜基于高能粒子轰击靶材时的溅射效应。整个溅射整个溅射过程是建立在过程是建立在辉光放电辉光放电的基础上，使气体放电产生正离子，的基础上，使气体放电产生正离子，并被加速后轰击靶材的离子离开靶，沉积成膜的过程。并被加速后轰击靶材的离子离开靶，沉积成膜的过程。 不同的溅射技术采用不同的溅射技术采用不同的辉光放电方式不同的辉光放电方式，包括：，包括：1)直流辉光放电直流辉光放电直流溅射直流溅射2)射频辉光放电射频辉光放电射频溅射射频
9、溅射3)磁场中的气体放电磁场中的气体放电磁控溅射磁控溅射32科学教育（1）直流辉光放电）直流辉光放电 指在两电极间加一定直流电压时，两电极间的指在两电极间加一定直流电压时，两电极间的稀薄气体稀薄气体（真空度约为（真空度约为13.3-133Pa13.3-133Pa）产生的放电现象。）产生的放电现象。33科学教育直流辉光放电的伏安特性曲线直流辉光放电的伏安特性曲线AB AB 无光放电区无光放电区BC BC 汤森放电区汤森放电区CD CD 过渡区过渡区DE DE 正常辉光放电区正常辉光放电区EF EF 异常辉光放电区异常辉光放电区FG FG 弧光放电区弧光放电区34科学教育（2）射频辉光放电）射频辉
10、光放电指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压，而在电极指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压，而在电极之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡从而获得之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡从而获得能量，并且与原子碰撞产生离子和更多的电子。能量，并且与原子碰撞产生离子和更多的电子。射频放电的频率范围射频放电的频率范围：1-30MHz，工业用频率为工业用频率为13.56MHz其特点是：其特点是：1)辉光放电空间产生的电子，获得足够的能量，足以产生辉光放电空间产生的电子，获得足够的能量，足以产生碰撞电离，减少对二次电子的依赖，降低击穿电压碰撞电离，减少对二次电子的依赖，降低击穿电压2)射频电压
11、能够通过任何类型的阻抗耦合进去，所以，电射频电压能够通过任何类型的阻抗耦合进去，所以，电极无需是导体，可以溅射任何材料极无需是导体，可以溅射任何材料35科学教育（3）电磁场中的气体放电）电磁场中的气体放电 在放电电场空间加上磁场，放电空间中的电子就要围在放电电场空间加上磁场，放电空间中的电子就要围绕磁力线作回旋运动，其回旋半径为绕磁力线作回旋运动，其回旋半径为eB/mveB/mv，磁场对放电，磁场对放电的影响效果，因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差的影响效果，因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差别。别。 36科学教育4.溅射特性参数溅射特性参数（1）溅射阈值）溅射阈值（2）溅射率）溅射率
12、（3）溅射粒子的状态、能量、速度）溅射粒子的状态、能量、速度（4）溅射粒子的角分布）溅射粒子的角分布37科学教育4.溅射特性参数溅射特性参数（1 1）溅射阈值：）溅射阈值： 使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量，低于使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量，低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为该值不能发生溅射。大多数金属该值为101020ev20ev。 （2 2）溅射率：）溅射率： 正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出的粒子数，又称出的粒子数，又称溅射产额或溅射系数，溅射产额或溅射系数，S S。S=Ns/NiN Ni i- -
13、入射到靶表面的粒子数入射到靶表面的粒子数N Ns s- -从靶表面溅射出来的粒子数从靶表面溅射出来的粒子数定义定义38科学教育39科学教育影响因素影响因素入射离子能量入射离子能量40科学教育靶材种类靶材种类入射离子种类入射离子种类溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。一般规律：一般规律：溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大CuCu、AgAg、Au Au 较大较大C C、SiSi、TiTi、V V、TaTa、W W等等 较小较小溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射
14、率越高。溅射率越高。溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子壳层填满的元素具有最大的溅射率。壳层填满的元素具有最大的溅射率。惰性气体的溅射率最高。惰性气体的溅射率最高。41科学教育入射角入射角入射角入射角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角溅射温度溅射温度靶材靶材42科学教育（3 3）溅射出的粒子）溅射出的粒子 从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子能量和速度。粒子能量和速度。溅射粒子的状态与入射离子的能量有关溅射粒子
15、的状态与入射离子的能量有关溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子的方向性有关，溅射粒子的方向性有关，其能量可比蒸发原子的能量其能量可比蒸发原子的能量大大1 12 2个数量级。个数量级。（4 4）溅射粒子的角分布）溅射粒子的角分布 溅射原子的角度分布符合溅射原子的角度分布符合KnudsenKnudsen的余弦定律。也与入射的余弦定律。也与入射原子的方向性、晶体结构等有关。原子的方向性、晶体结构等有关。43科学教育4. 4. 几种典型的溅射镀膜方法几种典型的溅射镀膜方法（1）直流溅射镀膜）直流溅射镀膜靶材为阴极靶材为阴极基片置于阳极基片
16、置于阳极极间电压极间电压1-2KV1-2KV真空度真空度1-1-几百几百PaPa放电气体：放电气体：ArAr只适用于导体只适用于导体+-44科学教育也称等离子弧柱溅射，在热也称等离子弧柱溅射，在热阴极和辅助阳极之间形成低阴极和辅助阳极之间形成低电压、大电流的等离子体弧电压、大电流的等离子体弧柱，大量电子碰撞气体电离，柱，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。产生大量离子。45科学教育（2）射频溅射镀膜）射频溅射镀膜q适用于导体、半导适用于导体、半导体、绝缘体体、绝缘体 射频是无线电波发射范围的频率，为避免干扰电台工作，射频是无线电波发射范围的频率，为避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为溅射专用频
17、率规定为13.56MHz13.56MHz。q缺缺点点大功率射频电源造价大功率射频电源造价昂贵昂贵具有人身防护问题具有人身防护问题不适宜工业生产应用不适宜工业生产应用46科学教育（3）磁控溅射镀膜）磁控溅射镀膜与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。等离子束缚在靶表面等离子束缚在靶表面电子作旋进运动，使原电子作旋进运动，使原子电离机会增加，能量耗子电离机会增加，能量耗尽后落在阳极，基片温升尽后落在阳极，基片温升低、损伤小低、损伤小磁场之作用：磁场
18、之作用：47科学教育48科学教育49科学教育50科学教育（4）离子束溅射）离子束溅射 采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子，原理见下图。采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子，原理见下图。目前已有直径目前已有直径10cm10cm的宽束离子源用于溅射镀膜。的宽束离子源用于溅射镀膜。优点优点：轰击离子的能量和轰击离子的能量和束流密度独立可控，束流密度独立可控，基片不直接接触等基片不直接接触等离子体，有利于控离子体，有利于控制膜层质量。制膜层质量。缺点缺点：速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难51科学教育4.溅射镀膜的用途溅射镀膜的用途q采用采用CrCr
19、、Cr-CrNCr-CrN等合金靶，在等合金靶，在N N2 2、CHCH4 4等气氛中进行反应溅射镀膜，等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀可以在各种工件上镀CrCr（425-840HV425-840HV）、）、CrCCrC、CrNCrN（1000-3500HV1000-3500HV），），可代替电镀可代替电镀CrCr。q用用TiCTiC、TiNTiN等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小、化学等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小、化学稳定性好，具优良的耐磨、耐热、抗氧化、抗冲蚀，在提高其工件稳定性好，具优良的耐磨、耐热、抗氧化、抗冲蚀，在提高其工件特性的同时，大幅度提高寿命
20、，一般可达特性的同时，大幅度提高寿命，一般可达3-103-10倍。倍。q用用TiCTiC、TiNTiN，AlAl2 2O O3 3具有良好的耐蚀性。具有良好的耐蚀性。q可制取优异的固体润滑膜可制取优异的固体润滑膜MoSMoS2 2. .q可制备聚四氟乙烯膜。可制备聚四氟乙烯膜。52科学教育7.2.4 7.2.4 离子成膜离子成膜1.离子镀及其原理：离子镀及其原理：真空蒸发与溅射结合的镀膜技术真空蒸发与溅射结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。行的镀膜技术。即
21、利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成膜。膜。53科学教育54科学教育 真空度真空度 放电气体种类与压强放电气体种类与压强 蒸发源物质供给速率与蒸汽流大小蒸发源物质供给速率与蒸汽流大小 衬底负偏压与离子电流衬底负偏压与离子电流 衬底温度衬底温度 衬底与蒸发源的相对距离。衬底与蒸发源的相对距离。 主要影响因素：主要影响因素：55科学教育真空
22、蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的沉积粒子所带的能量不同。基片上的沉积粒子所带的能量不同。真空蒸镀：热蒸镀原子约真空蒸镀：热蒸镀原子约0.2eV溅射：溅射原子约溅射：溅射原子约1-50eV离子镀：轰击离子约几百到几千离子镀：轰击离子约几百到几千eV离子镀的目的离子镀的目的：提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。56科学教育蒸镀和溅射都可以发展为离子镀。蒸镀和溅射都可以发展为离子镀。
23、例如，蒸镀时在基片上加上负偏压，即可产生辉光放电，例如，蒸镀时在基片上加上负偏压，即可产生辉光放电，数百数百eV能量的离子轰击基片，即为二极离子镀。见下图。能量的离子轰击基片，即为二极离子镀。见下图。57科学教育2 2 离子镀的类型和特点离子镀的类型和特点离子镀设备在真空、气体放电的情况下完成镀膜和离子轰击离子镀设备在真空、气体放电的情况下完成镀膜和离子轰击过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。放置工件的阴极等部分组成。（1）空心阴极离子镀空心阴极离子镀（HCD）国内外常见的设备类型如下国内外常见的
24、设备类型如下HCD法利用空心热阴极的弧光放法利用空心热阴极的弧光放电产生等离子体（空心钽管为阴电产生等离子体（空心钽管为阴极，辅助阳极）极，辅助阳极）镀料是阳极镀料是阳极弧光放电时，电子轰击阳极镀料，弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化而实现蒸镀使其熔化而实现蒸镀蒸镀时基片上加负偏压即可从等蒸镀时基片上加负偏压即可从等离子体中吸引离子体中吸引Ar离子向基片轰击，离子向基片轰击，实现离子镀实现离子镀58科学教育59科学教育（2）多弧离子镀）多弧离子镀原原理理：多弧离子镀是采用多弧离子镀是采用电弧放电电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图
25、所示。电弧的引燃直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃依靠引弧阳极与阴极的触发，依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电弧光放电仅仅在靶材表面的一仅仅在靶材表面的一个或几个密集的个或几个密集的弧斑弧斑处进行。处进行。60科学教育弧斑直径小于弧斑直径小于100um。弧斑电流密度弧斑电流密度105-107A/cm2温度温度8000-40000K弧斑喷出的物质包括电子、离子、原子和液滴。大弧斑喷出的物质包括电子、离子、原子和液滴。大部分为离子。部分为离子。特特点点：直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。可
26、根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。61科学教育62科学教育63科学教育（3）离子束辅助沉积）离子束辅助沉积低能的离子束低能的离子束1 1用于轰击靶用于轰击靶材，使靶材原子溅射并沉积材，使靶材原子溅射并沉积在基底上；在基底上；离子束离子束2 2起轰击（注入）作起轰击（注入）作用，同时，可在室温或近似用，同时，可在室温或近似室温下合成具有良好性能的室温下合成具有良好性能的 合金、化合物、特种膜层，合金、化合物、特种膜层，以满足对材料表面改性的需以满足对材料表面改性的需要。要。64科学教育4）离子镀的应用）离子镀的应用65科学教育66科学教育7.3 7.3 化学成膜化学成膜 有化学反应的使
27、用与参与，利用物质间的化学反应实现薄有化学反应的使用与参与，利用物质间的化学反应实现薄膜生长的方法。膜生长的方法。 化学气相沉积化学气相沉积(CVD (CVD Chemical Vapor Deposition ) Chemical Vapor Deposition )液相反应沉积液相反应沉积( (液相外延液相外延) )67科学教育7.3.1 7.3.1 化学气相沉积化学气相沉积q气相沉积的基本过程包括三个步骤：即提供气相镀料；镀气相沉积的基本过程包括三个步骤：即提供气相镀料；镀料向镀制的工件或基片输送；镀料沉积在基片上构成膜层料向镀制的工件或基片输送；镀料沉积在基片上构成膜层q气相沉积过程中
28、沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，因此，称为化学气相沉积（因此，称为化学气相沉积（CVD），否则，称为物理气相，否则，称为物理气相沉积（沉积（PVD）。）。qCVD与与PVD的不同处：沉积粒子来源于化合物的气相分的不同处：沉积粒子来源于化合物的气相分解反应解反应1.化学气相沉积的基本概念化学气相沉积的基本概念（1 1）原）原 理理68科学教育TiCl4+CH4TiC +4HCl +4HCl69科学教育（2 2） CVDCVD薄膜生长过程薄膜生长过程1)反应气体向衬底表面输运扩散；反应气体向衬底表面输运扩散；2)反应气体在衬底表面吸附；反应气体
29、在衬底表面吸附；3)衬底表面气体间的化学反应，生成固态和气态产物，衬底表面气体间的化学反应，生成固态和气态产物，固态生成物粒子经表面扩散成膜；固态生成物粒子经表面扩散成膜；4)气态生成物由内向外扩散和表面解吸；气态生成物由内向外扩散和表面解吸；5)气态生成物向表面区外的扩散和排放。气态生成物向表面区外的扩散和排放。70科学教育（3）CVD条件与影响因素条件与影响因素（1）CVD条件条件1)除沉积的薄膜外，反应生成物均须是气态除沉积的薄膜外，反应生成物均须是气态2)沉积薄膜的蒸汽压要足够低沉积薄膜的蒸汽压要足够低3)反应只在衬底及其附近进行反应只在衬底及其附近进行4)沉积温度下，衬底材料的蒸汽压
30、足够低沉积温度下，衬底材料的蒸汽压足够低5)衬底表面要有足够的反应气体供给衬底表面要有足够的反应气体供给（2）影响因素）影响因素沉积温度；反应气体配比；衬底沉积温度；反应气体配比；衬底71科学教育（4）分分类类72科学教育v通常通常CVDCVD的反应温度范围分为低温（的反应温度范围分为低温（200-500 200-500 ）、中）、中温（温（500-1000 500-1000 ）、高温（）、高温（1000-1300 1000-1300 ）；）；v中温中温CVDCVD的反应温度的反应温度500-800 500-800 ，通常通过金属有机化合，通常通过金属有机化合物在较低温度的分解来实现，也叫金属
31、有机化合物物在较低温度的分解来实现，也叫金属有机化合物CVDCVD（MOCVDMOCVD）；）；v等离子体增强等离子体增强CVDCVD（PCVDPCVD）、激光）、激光CVDCVD（LCVDLCVD）中化学反）中化学反应被激活可使温度降低。应被激活可使温度降低。73科学教育2. CVD2. CVD的化学反应和特点的化学反应和特点反应方式反应方式特点特点反应举例反应举例热分解反应热分解反应在简单的单温区炉中，在真在简单的单温区炉中，在真空或惰性气氛中加热衬底至空或惰性气氛中加热衬底至一定温度，通入反应气体，一定温度，通入反应气体，流经衬底表面的反应气在衬流经衬底表面的反应气在衬底表面分解，产生所
32、需的固底表面分解，产生所需的固态生成物沉积于衬底上形成态生成物沉积于衬底上形成薄膜。主要反应物材料有：薄膜。主要反应物材料有：金属有机化合物、氢化物，金属有机化合物、氢化物，金属卤化物，硼的氯化物、金属卤化物，硼的氯化物、氢化物，氢化物，族氢化物、氯化族氢化物、氯化物，物，族的羰基氢化物、族的羰基氢化物、氯化物及一些气态络合物、氯化物及一些气态络合物、化合物等。化合物等。SiH4SiSi + 2H + 2H2Ga(CH3)3+AsH3GaAs +CH4AlCl3.NH3AlN +3HCl700-1000630-675800-100074科学教育反应方式反应方式特点特点反应举例反应举例合成反应合
33、成反应由两种和两种以上气态反应由两种和两种以上气态反应物在热的衬底表面发生反应，物在热的衬底表面发生反应，生成且只生成一种固态生成生成且只生成一种固态生成物。它与热解相对。一般，物。它与热解相对。一般，涉及两种以上反应物的涉及两种以上反应物的CVD反应均可认为是合成反应，反应均可认为是合成反应，如氧化反应、还原反应。如氧化反应、还原反应。3SiCl4+4NH3SiSi3N N4 +12HCl +12HCl2TiCl4+N2+4H22TiN +8HCl氧化还原反应氧化还原反应氧化和还原两种反应的统称，氧化和还原两种反应的统称，在反应中涉及到元素化合价在反应中涉及到元素化合价的升降。一些热分解反应
34、也的升降。一些热分解反应也属于此类属于此类SiHCl3+H2SiSi + 3HCl + 3HClSiH2Cl2SiSi + 2HCl + 2HCl水解反应水解反应以水汽与气态源物质反应，以水汽与气态源物质反应，生成固态氧化物生成固态氧化物SiCl4+2H2OSiOSiO2 +4HCl +4HCl形成氮化物形成氮化物3SiH4+4NH3SiSi3N N4 +12HCl +12HCl800-1000350-9001100-12001050 75科学教育反应方式反应方式特点特点反应举例反应举例形成碳化物形成碳化物TiCl4+CH4TiC +4HCl +4HCl歧化反应歧化反应元素在汽相中存在两种价态
35、，元素在汽相中存在两种价态，利用反应中价态的改变，实利用反应中价态的改变，实现物质的沉积现物质的沉积Si(s)+SiI4(g)2SiISiI2 2 3GaI+As22GaAs + GaI + GaI3 33GaCl 3GaCl 2Ga +GaCl3MO反应反应以金属有机化合物为原料，以金属有机化合物为原料，在较低沉积温度反应，制备在较低沉积温度反应，制备薄膜薄膜Ga(CH3)3+AsH3GaAs+3CH4 76科学教育反应方式反应方式特点特点反应举例反应举例化学输运反化学输运反应应以目标沉积物为源物质，某以目标沉积物为源物质，某种气体介质（输运剂）与其种气体介质（输运剂）与其在源区反应生成气态
36、化合物，在源区反应生成气态化合物，该化合物经载气携带或化学该化合物经载气携带或化学迁移输运到沉积区（该区温迁移输运到沉积区（该区温度与源区不同），并在衬底度与源区不同），并在衬底上发生逆反应，重新生成目上发生逆反应，重新生成目标物，在衬底上沉积。这一标物，在衬底上沉积。这一反应过程称为化学输运反应反应过程称为化学输运反应6GaAs(s)+6HCl(g)As4 +As2 +GaCl +3H2 等离子体激等离子体激发反应发反应SiH4+4/3N1/3Si3N4 光激发反应光激发反应SiH4+4/3NH31/3Si3N4 + 2H + 2H2T1T2h 77科学教育78科学教育79科学教育3.CVD
37、方法与装置方法与装置（1）流通式）流通式CVD组组成成q气体净化系统气体净化系统q气体测量与控制系统气体测量与控制系统q反应器反应器q尾气处理系统尾气处理系统q抽真空系统抽真空系统特特点点q反应气连续供应、气态产物连续排放，反应非平衡反应气连续供应、气态产物连续排放，反应非平衡q惰性气体为输运载气惰性气体为输运载气q反应气压一般为一大气压反应气压一般为一大气压80科学教育（2）封闭式）封闭式CVD在封闭环境进行反应，与外界无质量交换。在封闭环境进行反应，与外界无质量交换。特特点点q保持真空度、无需连续抽气，不易被外界污染保持真空度、无需连续抽气，不易被外界污染q可用于高蒸汽压物质的沉积可用于高
38、蒸汽压物质的沉积q材料生长率小、生产成本高材料生长率小、生产成本高81科学教育（3 3）常压）常压CVDCVDq反应器内压强近于大气压，其它条件与一般反应器内压强近于大气压，其它条件与一般CVDCVD相同。相同。q一般分流通式和封闭式两种反应器。一般分流通式和封闭式两种反应器。q多用于半导体集成电路制造多用于半导体集成电路制造82科学教育（4 4）低压）低压CVDCVDq工作气压工作气压10-1000Pa10-1000Pa。q一般分流通式和封闭式两种反应器。一般分流通式和封闭式两种反应器。q多用于半导体集成电路制造多用于半导体集成电路制造83科学教育（5 5）触媒）触媒CVDCVD（热丝（热丝
39、CVDCVD）vCatCVD反应器组成：反应器组成：供气系统、反应钟罩、热丝电极、真空抽气系统供气系统、反应钟罩、热丝电极、真空抽气系统v原原理理在一定真空度下，反应在一定真空度下，反应气体进入钟罩，流过热气体进入钟罩，流过热丝；丝；热丝释放的热电子使气热丝释放的热电子使气体原子由基态变为激发体原子由基态变为激发态或离化态或离化，并相互反应，并相互反应生成所需固态反应物，生成所需固态反应物，沉积于基底沉积于基底84科学教育触媒触媒CVDCVD的主要参数的主要参数1)热丝温度或热丝电流热丝温度或热丝电流2)热丝温场分布热丝温场分布3)热丝与衬底间的距离热丝与衬底间的距离4)反应气体及载气流量反应
40、气体及载气流量5)衬底温度衬底温度触媒触媒CVDCVD的特点的特点1)设备简单，操作简便设备简单，操作简便2)高的热丝温度有利于气体原子的的激发，反应局部高的热丝温度有利于气体原子的的激发，反应局部能量较高能量较高3)可通过流量计控制气体流量，从而控制反应速度可通过流量计控制气体流量，从而控制反应速度4)生长速度较快生长速度较快5)热丝在高温下会蒸发而造成薄膜的污染热丝在高温下会蒸发而造成薄膜的污染热丝热丝CVDCVD常用于金刚石、立方氮化硼等薄膜的合成常用于金刚石、立方氮化硼等薄膜的合成85科学教育（6 6）等离子体）等离子体CVDCVD（PECVDPECVD） 将等离子体引入将等离子体引入
41、CVDCVD技术。等离子体中的电子与分子原技术。等离子体中的电子与分子原子碰撞，可以使分子在低温下即成为激发态，实现原子间子碰撞，可以使分子在低温下即成为激发态，实现原子间在低温下的化合。在低温下的化合。原原理理等离子体对等离子体对CVD的作用的作用1)将反应气体激发为活性离子，降低反应所需温度将反应气体激发为活性离子，降低反应所需温度2)加速反应物的表面迁移率，提高成膜速率加速反应物的表面迁移率，提高成膜速率3)对衬底和膜层溅射清洗，强化薄膜附着力对衬底和膜层溅射清洗，强化薄膜附着力4)等离子中各粒子的碰撞、散射作用，膜厚均匀等离子中各粒子的碰撞、散射作用，膜厚均匀86科学教育 直流辉光放电
42、等离子体直流辉光放电等离子体CVDCVD87科学教育 rfCVD rfCVD 电容耦合型电容耦合型 感应耦合型感应耦合型88科学教育MWCVD89科学教育 ECRCVD （磁化微波等离子体）（磁化微波等离子体）90科学教育（7 7）MOCVDMOCVD用用、族元素的有机物（多为烷基化合物）和族元素的有机物（多为烷基化合物）和、族元素的氢化物为原料，以热分解的形式在衬底上进行气族元素的氢化物为原料，以热分解的形式在衬底上进行气相外延生长。相外延生长。（8 8）光）光CVDCVD91科学教育7.3.2 7.3.2 液相反应沉积液相反应沉积( (液相外延液相外延) )q概念：利用液相中进行的反应而沉
43、积薄膜的方法。概念：利用液相中进行的反应而沉积薄膜的方法。q主要方法：主要方法：液相外延技术液相外延技术化学镀化学镀电化学沉积电化学沉积溶胶溶胶-凝胶法凝胶法LB膜技术膜技术92科学教育液相外延技术液相外延技术在单晶衬底上生长外延层的成膜方法，主要技术有倾在单晶衬底上生长外延层的成膜方法，主要技术有倾斜法、浸渍法和滑动舟法。斜法、浸渍法和滑动舟法。在适当的电解液中，用在适当的电解液中，用Al、Ta、Ti、V等金属作阳极，等金属作阳极，石墨或金属本身作阴极。在直流电场作用下，阳极金属石墨或金属本身作阴极。在直流电场作用下，阳极金属表面会形成稳定的氧化物薄膜。其过程经历了金属的氧表面会形成稳定的氧
44、化物薄膜。其过程经历了金属的氧化、金属的溶解、氧化物的溶解过程。化、金属的溶解、氧化物的溶解过程。阳极氧化阳极氧化93科学教育化学镀化学镀电化学沉积电化学沉积利用在特定的电解液中的电解反应，在底板的衬底上利用在特定的电解液中的电解反应，在底板的衬底上进行镀膜的方法。络盐镀膜层密但价格贵、毒性大。进行镀膜的方法。络盐镀膜层密但价格贵、毒性大。利用还原剂在镀层物质的溶液中进行化学还原反应，利用还原剂在镀层物质的溶液中进行化学还原反应，并在衬底表面得到镀层的方法。并在衬底表面得到镀层的方法。无机材料或高分子聚合物溶解，制成均匀溶液，将干净无机材料或高分子聚合物溶解，制成均匀溶液，将干净的玻片或其它基
45、片插入溶液，或滴数滴溶液在基片上，用的玻片或其它基片插入溶液，或滴数滴溶液在基片上，用离心甩胶等方法敷于基体表面形成胶体膜，然后进行干燥离心甩胶等方法敷于基体表面形成胶体膜，然后进行干燥处理，除去溶剂制得固体薄膜。处理，除去溶剂制得固体薄膜。溶胶溶胶-凝胶法凝胶法94科学教育 利用有机分子的表面活性利用有机分子的表面活性( (存存在亲水基和憎水基在亲水基和憎水基) )，在液，在液- -气气界面形成分子定向排列的单层界面形成分子定向排列的单层分子膜，并将该膜层逐次转移分子膜，并将该膜层逐次转移到固体衬底表面，形成单层或到固体衬底表面，形成单层或多层类晶薄膜的方法。多层类晶薄膜的方法。LB膜技术膜技术95科学教育思考题 1.什么是物理气相沉积（PVD）成膜技术？主要有哪些工艺类型？分别简述其工艺原理并比较各自的优缺点及应用范围。2.什么是化学气相沉积(CVD)？请说明化学气相沉积基本过程。96科学教育
