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1、(上一次上一次课)光刻光刻：三要素（光刻胶、光刻模板、对准曝光机）三要素（光刻胶、光刻模板、对准曝光机）五步骤（基片前处理、匀胶、前烤、对准曝光五步骤（基片前处理、匀胶、前烤、对准曝光、后烤、除胶）、后烤、除胶）蚀刻之前的等离子体清胶微系统的重要材料微系统的重要材料硅衬底的补充说明硅衬底的补充说明晶体晶体结构：近似面心立方结构：近似面心立方晶格晶格（实际（实际FCCA+FCCB,晶胞晶胞含含8+6+4个原子、个原子、晶格常数晶格常数0.543nm)；密勒指数：设初基胞（面心立方）置于密勒指数：设初基胞（面心立方）置于xyz坐标系中，平行于坐标系中，平行于坐标平面的为（坐标平面的为（100）晶面
2、族、平行于某一坐标轴的对角线平面）晶面族、平行于某一坐标轴的对角线平面为（为（110）晶面族、与三个轴都等节距相交的平面为）晶面族、与三个轴都等节距相交的平面为(111)晶面族；晶面族；表现出力学常数、加工特性等方面的各项异性；表现出力学常数、加工特性等方面的各项异性；机电特性：薄膜状态弹性极好；导电性在机电特性：薄膜状态弹性极好；导电性在10-3-108之间可调；之间可调；硅压电电阻硅压电电阻压阻现象：压阻现象：固体在受到应力作用时其固体在受到应力作用时其电阻率电阻率发生的变化发生的变化的现象。的现象。P型或型或N型硅都具有优良的压阻效应（型硅都具有优良的压阻效应（1954年年Smith发现
3、）。发现）。硅晶体各向异性的事实使得电阻率硅晶体各向异性的事实使得电阻率-应变变化关系变得比应变变化关系变得比较复杂较复杂R=其中其中，R=RxxRyyRzzRxyRxzRyzT代表与应力分量代表与应力分量=xxyyzzxyxzyzT相对应的无限小立方体压阻单元的电相对应的无限小立方体压阻单元的电阻率变化。在应力分量的六个独立分量中，三个是正应阻率变化。在应力分量的六个独立分量中，三个是正应力分量，三个是切应力分量。力分量，三个是切应力分量。 为压阻系数矩阵。为压阻系数矩阵。111212000121112000121211000000440000004400000044 =式中仅出现了式中仅出
4、现了 11、 12和和 44三个独立系数。展开为等式如下三个独立系数。展开为等式如下Rxx=11xx+ 12(yy+ zz)Ryy=11yy+ 12(xx+ zz)Rzz=11zz+ 12(xx+ yy)Rxy=44xy； Rxz=44xz ； Ryz=44yz与正应力分量与正应力分量有关有关与切应力分量与切应力分量有关有关三个系数的实际值与三个系数的实际值与与压阻元件方向和晶与压阻元件方向和晶体晶格的夹角有关体晶格的夹角有关室温下室温下100取向取向P型和型和N型硅电阻率和压阻系数参见表型硅电阻率和压阻系数参见表7-8。这是在三维结构中压阻的描述。这是在三维结构中压阻的描述。在在MEMS中，
5、主要以薄带状压阻形式。因此只要考虑中，主要以薄带状压阻形式。因此只要考虑x、y两两个方向的平面应力。对于个方向的平面应力。对于p型硅，最大压阻系数为型硅，最大压阻系数为 44=138x10-11/Pa,对于对于n型硅型硅 11=102x10-11/Pa。因此一般采用。因此一般采用P型材料作压型材料作压阻。平面压阻的典型形式和各个方向的压阻系数见图阻。平面压阻的典型形式和各个方向的压阻系数见图7-14和和表表7-9。压阻元件的电阻变化计算：压阻元件的电阻变化计算：R/R=LL+ TT包含纵向、横向压阻系包含纵向、横向压阻系数及尺寸变化因素数及尺寸变化因素对温度的依赖性强，具体见对温度的依赖性强，
6、具体见表表7-10。同一个元件在。同一个元件在120时其压阻技术损失时其压阻技术损失27%看例题看例题7-3对温度的依赖性强，具体见对温度的依赖性强，具体见表表7-10。同一个元件在。同一个元件在120时其压阻技术损失时其压阻技术损失27%P-(100)P-(111)N-(100)主平面主平面(110)主平面主平面(110)主平面主平面(110)主平面主平面(110)901354590N-(111)-硅化合物：硅化合物：物性特点、物性特点、MEMS中应用和制备方法中应用和制备方法二氧化硅（二氧化硅（SiO2)：作用：热和电的绝缘体（作用：热和电的绝缘体（表表7-1-电阻率电阻率1016cm;表
7、表7-3-热导率热导率0.014w/cm)；作为硅刻蚀掩模（；作为硅刻蚀掩模（KOH中中200：1);作为牺牲层。作为牺牲层。制备方法有：干、湿氧化、制备方法有：干、湿氧化、CVD、溅射。、溅射。碳化硅（碳化硅（SiC）：）：作用：耐高温器件作用：耐高温器件(高温下尺寸和化学性质稳定高温下尺寸和化学性质稳定,熔点熔点2300);在在KOH、HF中刻蚀保护；中刻蚀保护；制备方法：制备方法：CVD、溅射等各种沉积技术。、溅射等各种沉积技术。氮化硅（氮化硅（Si3N4，力学力学/热学特性比热学特性比SiO2好好)作用：扩散、离子注入掩模（阻挡水及金属离子扩散、）；深层刻蚀掩作用：扩散、离子注入掩模（
8、阻挡水及金属离子扩散、）；深层刻蚀掩模（超强抗腐蚀能力）；绝缘层；光波导；防止有毒流体侵入的密封材模（超强抗腐蚀能力）；绝缘层；光波导；防止有毒流体侵入的密封材料。料。CVD法制备。法制备。多晶硅多晶硅（力学力学/热学特性各向同性热学特性各向同性)作用：电阻、压阻、简易欧姆接触等广泛用途。作用：电阻、压阻、简易欧姆接触等广泛用途。常用常用LPCVD法制备。法制备。微系统薄膜薄膜材料的制备方法内容:1 薄膜材料的物理汽相沉积-热蒸发2 离子溅射镀膜 3 高温扩散和离子注入4 薄膜材料的化学汽相沉积-CVD法溶胶凝胶。薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在体薄膜材料是相对于体材料而
9、言的，是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。薄膜材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料组合。材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料组合。薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的原因分支，至少有以下三个方面的原因 1现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众
10、多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路就可以完成。一块集成电路就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段术手段。2器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能，并使之器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能，并使之更强化更强化，而且随着器件，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许件将显示出许多全新的物理现象多全新的物理现象。薄
11、膜技术作为器件微型化的关键技术，是制。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。备这类具有新型功能器件的有效手段。3每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥各种不同的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势，每种成分的优势，避免单一材料的局限性避免单一材料的局限性返回物物理理气气相相沉沉积积(PVD:PhysicalVaporDeposition)指指的的是是利利用用某某些些
12、物物理理的的过过程程，如如物物质质的的热热蒸蒸发发或或在在受受到到粒粒子子束束轰轰击击时时表表面面原原子子的的溅溅射射等等现现象象，实实现现物物质质从从源源物物质质到到薄薄膜膜物物质质的的可可控控的的原原子子转转移移过过程程。这这种种薄薄膜膜制制备备方方法相对于化学气相沉积方法而言，具有以下几个特点法相对于化学气相沉积方法而言，具有以下几个特点 -要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；-源物质要经过物理过程进入气相源物质要经过物理过程进入气相;-需要相对较低的气体压力环境需要相对较低的气体压力环境;-在气相中及衬底表面不发生化学反应
13、。在气相中及衬底表面不发生化学反应。物物理理气气相相沉沉积积中中最最为为基基本本的的方方法法就就是是蒸蒸发发法法和和溅溅射射法法。在在薄薄膜膜沉沉积积技技术术发发展展的的最最初初阶阶段段，由由于于蒸蒸发发法法相相对对于于溅溅射射法法具具有有一一些些明明显显的的优优点点，包包括括较较高高的的沉沉积积速速度度，相相对对较较高高的的真真空空度度，以以及及由由此此导导致致的的较较高高的的薄薄膜膜质质量量等等，因因此此蒸蒸发发法法受受到到了了相相对对较较大大的的重重视视。但但是是另另一一方方面面，溅溅射射法法也也具具有有自自己己的的一一些些优优势势，包包括括在在沉沉积积多多元元合合金金薄薄膜膜时时化化学
14、学成成分分容容易易控控制制，沉沉积积层层对对于于衬衬底底的的附附着着力力较较好好等等。同同时时，现现代代技技术术对对于于合合金金薄薄膜膜材材料料的的需需求求也也促促进进了了各各种种高高速速溅溅射射方方法法以以及及高高纯纯靶靶材材，高高纯纯气气体体制制备备技技术术的的发发展展，这这些些都都使使溅溅射射法法制制备备的的薄薄膜膜的的质质量量得得到到了了很很大大的的改改善善。如如今今，不不仅仅上上述述两两种种物物理理气气相相沉沉积积方方法法已已经经大大量量应应用用于于各各个个技技术术领领域域之之中中，而而且且为为了了充充分分利利用用这这两两种种方方法法各各自自个个特特点点，还还开开发发了了许许多多介介
15、于于上上述述两两种种方方法法之之间的性的薄膜沉积技术。间的性的薄膜沉积技术。物质的热蒸发物质的热蒸发(ThermalEvaporation)-物质的蒸发速度物质的蒸发速度在在一一定定的的温温度度下下，每每种种液液体体或或固固体体物物质质都都具具有有特特定定的的平平衡衡蒸蒸汽汽压压。只只有有当当环环境境中中被被蒸蒸发发物物质质的的分分压压降降低低到到了了它它的的平平衡衡蒸蒸汽汽压压以以下下时时，才才可可能能有有物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为 为为0-1之间的系数；之间的系数；pe和和ph分别是该物质的平衡蒸汽压和实际分压分别是
16、该物质的平衡蒸汽压和实际分压;NA、M、R、T分别为分别为Avogatro常数、原子质量、气体常数和绝对温度；由于常数、原子质量、气体常数和绝对温度；由于物质的物质的平衡蒸汽压平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快随着温度的上升增加很快(呈指数关系呈指数关系)，因而对物质，因而对物质蒸发速度影响最大的因素使蒸发源的温度。以下是三种常用热蒸发方法蒸发速度影响最大的因素使蒸发源的温度。以下是三种常用热蒸发方法A电阻式热蒸发电阻式热蒸发;B电子束热蒸发电子束热蒸发;C激光蒸发激光蒸发;-薄膜均匀性返回返回-元素的平衡蒸汽压元素的平衡蒸汽压Clausius-Clapeyron方程指出，物质的平衡蒸汽压方程指
17、出，物质的平衡蒸汽压p随温度的变化率可以随温度的变化率可以定量的表达为定量的表达为其中其中H为蒸发过程中为蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化单位摩尔物质的热焓变化，它随温度的不同而，它随温度的不同而不同，而不同，而V为相应过程中物质体积的变化。由于在蒸发时，汽相的为相应过程中物质体积的变化。由于在蒸发时，汽相的体积显著的大于相应的液相或固相，故体积显著的大于相应的液相或固相，故V近似等于汽相体积近似等于汽相体积V。运运用理想气体状态方程则有用理想气体状态方程则有:作为近似，可以利用物质在该温度的汽化热作为近似，可以利用物质在该温度的汽化热He来代替来代替H，从而得从而得到物质蒸汽压的近似表达时到
18、物质蒸汽压的近似表达时(B为相应的系数为相应的系数)根据物质的蒸发特性，根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式又被分物质的蒸发模式又被分为二种模式为二种模式 一是一是物质在固态情况下，物质在固态情况下，即使是温度达到其熔点即使是温度达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低时，其平衡蒸汽压也低于于10-1Pa。在这种情况下在这种情况下，要想利用蒸发方法进，要想利用蒸发方法进行物理汽相沉积，就需行物理汽相沉积，就需要将温度提高到其熔点要将温度提高到其熔点以上。大多数金属的蒸以上。大多数金属的蒸发属于这种情况。发属于这种情况。二是二是如如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等，在熔点附近的温等，在熔点附近的温度下，固相的
19、平衡蒸汽度下，固相的平衡蒸汽压已经相对较高。这时压已经相对较高。这时可以直接利用由固态物可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的质的升华，实现物质的汽相沉积。汽相沉积。真空蒸发装置真空蒸发装置:真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的电阻加热蒸真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。在蒸发沉积装置中，镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下几种最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下几种:A)电阻式加热电阻式加热这是
20、应用的较多的一种蒸发加热方法。对于电阻材料的要求这是应用的较多的一种蒸发加热方法。对于电阻材料的要求 耐高温、高温下蒸耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率汽压低、不与被蒸发物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。所。所以一般是难熔金属以一般是难熔金属 W、Mo和和Ta等等将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源。在融化以后、被将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源。在融化以后、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、
21、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。显然，钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起不浸润，被钨丝螺旋所支撑。显然，钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。到支撑被加热物质的作用。电阻蒸发器的图电阻蒸发器的图。对于钨丝不能加热的物质，如一些材。对于钨丝不能加热的物质，如一些材料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也可以用料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也可以用难熔金属制成的升华用专用容器，这时不仅要考虑加热和支撑，还要考虑被加热物难熔金属制成的升华用专用容器，这时不仅要考虑加热和支撑，还要考虑被加热物质放气时的物
22、质飞溅。质放气时的物质飞溅。应用各种材料，如高熔点氧化物、高温裂解应用各种材料，如高熔点氧化物、高温裂解BN、石墨、难熔金属等制成的坩埚石墨、难熔金属等制成的坩埚也可以作为蒸发器。这时加热由二种方式，即传统的电阻加热法和高频加热法，前也可以作为蒸发器。这时加热由二种方式，即传统的电阻加热法和高频加热法，前者依靠者依靠缠于坩埚外缠于坩埚外的电阻丝加热，而后者用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线的电阻丝加热，而后者用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。显然，
23、后者要求被加热物或坩埚由一定的导电性。显然，后者要求被加热物或坩埚由一定的导电性。返回返回坩埚式蒸发器结构(袒加热器)电子束加热装置结构(热灯丝释出电子)返回电阻蒸发器外形返回B电子束加热装置电子束加热装置电阻加热方法的局限性电阻加热方法的局限性 坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，电阻加热法的加热功率或温度也受到一定的限制。因此不适用于高纯或难电阻加热法的加热功率或温度也受到一定的限制。因此不适用于高纯或难容物质的蒸发。而电子束蒸发正好克服了电阻加热方法的上述不足，因而容物质的蒸发。而电子束蒸发正好克服了电阻加热方法的上述不足，因而成为蒸发法高速沉
24、积高纯物质薄膜的主要的加热手段。成为蒸发法高速沉积高纯物质薄膜的主要的加热手段。在电子束加热装置中，被加热的物质被放置在水冷的坩埚中，电子束在电子束加热装置中，被加热的物质被放置在水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩埚的冷却作用下仍处于只轰击到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩埚的冷却作用下仍处于很低的温度，即它实际上成了蒸发物质的坩埚材料。因此电子束蒸发可以很低的温度，即它实际上成了蒸发物质的坩埚材料。因此电子束蒸发可以做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得可以同时或分
25、别对多种不同材料进行蒸发。使得可以同时或分别对多种不同材料进行蒸发。如图如图，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电场的加速，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电场的加速，并经过横向部置的磁场线圈偏转并经过横向部置的磁场线圈偏转270度后到达被轰击的坩埚处，这样的部度后到达被轰击的坩埚处，这样的部置可以避免灯丝材料对于沉积过程可能造成的污染。置可以避免灯丝材料对于沉积过程可能造成的污染。电子束蒸发的缺点是电子束能量的绝大部分被坩埚的水冷系统带走，电子束蒸发的缺点是电子束能量的绝大部分被坩埚的水冷系统带走，因而热效率低。因而热效率低。返回C激光蒸发镀膜激光蒸发镀膜(laserabl
26、ation)装置装置使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般显著高于其它的蒸发方法。显著高于其它的蒸发方法。(传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能
27、量低，只相当于健合能的数十分之一，传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一，LA法和溅射镀法和溅射镀膜法在这方面有优势膜法在这方面有优势)在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束激光束引入真空室引入真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材激光加热方法特别适
28、用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材料，比如近年来研究较多的高温超导材料料，比如近年来研究较多的高温超导材料YBa2Cu3O7等。这种方法也存等。这种方法也存在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。返回Laser Ablation薄膜沉积装置(or Laser deposition可避免EB蒸发的对衬底X-ray损伤)准分子激光(KrF、248nm、2-5J/cm2)返回薄膜沉积的厚度均匀性薄膜沉积的厚度均匀性在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑膜厚在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这
29、时考虑膜厚均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是最容均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是最容易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被认为易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被认为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为Ae的小球面的小球面上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量Me为为其中其中T为单位面积的蒸发速率，为单位面积的蒸发速率，dAe为蒸发源表面单元，为蒸发源表面单元，t为时间。在上述为时间。在
30、上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源dAs上沉上沉积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为度为 其中其中为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度，为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度，r是蒸发源于衬底之间的距是蒸发源于衬底之间的距离。由此可以进一步求出物质的质量沉积速度和厚度沉积速度。离。由此可以进一步求出物质
31、的质量沉积速度和厚度沉积速度。显然，薄膜的显然，薄膜的沉积速度与距离平方成反比沉积速度与距离平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的，并与衬底和蒸发源之间的方向角有关。当方向角有关。当=0，r较小时沉积速率较大。较小时沉积速率较大。沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的面积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源面积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸计算得出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点
32、蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。均匀性对策之一均匀性对策之一:在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图所在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处在同示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处在同一圆周上时，有一圆周上时，有cos=cos=0.5r/r0,其中其中r0为相应圆周的半径。这时为相应圆周的半径。这时即使离蒸发源较远的衬即使离蒸发源较远的衬底处于较为有利的空间底处于较为有利的空间角度，而较近
33、的衬底处角度，而较近的衬底处于不利的角度位置，因于不利的角度位置，因而使得薄膜的沉积厚度而使得薄膜的沉积厚度变得与角度无关。利用变得与角度无关。利用衬底转动还可以进一步衬底转动还可以进一步改进蒸发沉积厚度的均改进蒸发沉积厚度的均匀性。匀性。均匀性对策之二均匀性对策之二:当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至有一些较大效应可能破
34、坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有的部位没有的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状地掩膜，物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状地掩膜，从而实现薄膜地选择性沉积。从而实现薄膜地选择性沉积。物质物质最低蒸发最低蒸发温度温度(C)蒸发源状态蒸发源状态坩埚材料坩埚材料电子束蒸发时沉电子束蒸发时沉积速率积速率nm/sAl1010熔融态熔融态BN2Cr1157升华升华W1.5Cu1017熔融态熔融态石墨，石墨，Al2O35Ge1
35、167熔融态熔融态石墨石墨2.5Au1132熔融态熔融态BN,Al2O33Fe1180熔融态熔融态Al2O35Pb497熔融态熔融态Al2O33Mg327升华升华石墨石墨10Mo2117熔融态熔融态-4Pt1747熔融态熔融态石墨石墨2Si1337熔融态熔融态B2O31.5常用常用MEMS物质的蒸发工艺特性物质的蒸发工艺特性返回离子溅射镀膜离子溅射镀膜(sputteringdeposition)另外一种常用薄膜物理汽相沉积方法，它利用带有电荷的离子另外一种常用薄膜物理汽相沉积方法，它利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电在电场中加速后具有一定动能的特点，将
36、离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜动能，并且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜沉积。在这个过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的沉积。在这个过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。因而需要对气体放电这一物理现象有所了辉光放电过程密切相关。因而需要对气体放电这一物理现象有所
37、了解。这也是离子刻蚀的基础。解。这也是离子刻蚀的基础。1)辉光放电与辉光放电与等离子体等离子体2)物质的物质的溅射现象溅射现象3)溅射沉积溅射沉积装置装置辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体溅射的基本过程溅射的基本过程(以以DC作用下的溅射为例作用下的溅射为例)。在下图的真空系统中，靶材是需要溅射。在下图的真空系统中，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。阳极可以为接地的，也可以的材料，它作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。阳极可以为接地的，也可以处于浮动电位或处于一定的正负电位。在对系统预抽真空之后，充入适当压力的惰性气体，处于浮动电位或处于一定的正负电
38、位。在对系统预抽真空之后，充入适当压力的惰性气体，例如例如Ar作为气体放电的载体，压力一般处于作为气体放电的载体，压力一般处于10-1-10Pa的范围内。在正负电极高压的作用的范围内。在正负电极高压的作用下，极间的气体原子被大量电离。电离过程使下，极间的气体原子被大量电离。电离过程使Ar原子变成原子变成Ar+离子和可以独立运动的电子，离子和可以独立运动的电子，其中电子飞向阳极其中电子飞向阳极，而带正电的而带正电的Ar+离子则在高离子则在高压电场的作用下高速飞向作压电场的作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放处其能量。的撞击过程中释放处其能量。离子高速撞
39、击的结果之一就离子高速撞击的结果之一就是相当多的原子获得高能量，是相当多的原子获得高能量，使其可以脱离靶材而飞向衬使其可以脱离靶材而飞向衬底。底。相对而言，溅射过程比相对而言，溅射过程比蒸发过程要复杂得多，其定蒸发过程要复杂得多，其定量描述也要困难得多。量描述也要困难得多。辉光放电的物理基础辉光放电的物理基础如如图图示直流气体放电系统，电极之间由电动势示直流气体放电系统，电极之间由电动势E的直流电源提供电压的直流电源提供电压V和电流和电流I，并以电阻并以电阻R作为限流电阻。系统中各电参数之间的关系作为限流电阻。系统中各电参数之间的关系V=E-IR使真空容器中使真空容器中Ar的压力保持为的压力保
40、持为1Pa，并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时电极之间几乎没有电流流过。因为这时气体原子大多处于中性状态，只有极时电极之间几乎没有电流流过。因为这时气体原子大多处于中性状态，只有极少数的原子受到高能宇宙射线的激发产生电离，他们在电场的作用下作定向运少数的原子受到高能宇宙射线的激发产生电离，他们在电场的作用下作定向运动，在宏观上表现出很微弱的电流，如图曲线的动，在宏观上表现出很微弱的电流，如图曲线的开始阶段开始阶段。随着电压的升高，。随着电压的升高，电离粒子的运动也随之加快，即放电电流随电压增加而增加。当这部分电离粒电离粒子的运动也随之加快，即放电电流随电
41、压增加而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而升高，即电流达到一个子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而升高，即电流达到一个饱和值饱和值，它取决于气体中原来已经电离的原子数。当电压继续升高时，离子与阴极之间它取决于气体中原来已经电离的原子数。当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加，电子的碰撞开始导致气体分子电离，路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加，电子的碰撞开始导致气体分子电离，同时离子对阴极的碰撞也将产
42、生二次电子发射，这些均导致产生新的离子与电同时离子对阴极的碰撞也将产生二次电子发射，这些均导致产生新的离子与电子，即碰撞过程导致离子与电子数目呈雪崩式的增加。这时，随着放电电流的子，即碰撞过程导致离子与电子数目呈雪崩式的增加。这时，随着放电电流的增加，电压变化不大。这种放电过程叫增加，电压变化不大。这种放电过程叫Townsenddischarge。在汤生放电的后在汤生放电的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑，因此这一阶段被称为出现一些跳跃的电晕光斑，因此这一阶段被称为电
43、晕放电电晕放电(Coronadischarge)；辉光放电辉光放电(续续)在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象(Breakdown)。电路的电路的电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。这时由于气体已经被击穿，电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。这时由于气体已经被击穿，因而气体的内阻将随着电离度的增加而显著下降，放电区由原来的只集因而气体的内阻将随着电离度的增加而显著下降，放电区由原来的只集中与阴极边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段，导电离中与阴极边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段，导电离子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也
44、足够高，因此会产生明显的子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也足够高，因此会产生明显的辉光。辉光。(正常辉光正常辉光放电区放电区)电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，辉光亮度电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，辉光亮度提高，电流增加的同时电压也开始上升。这时由于放电已扩展至整个电提高，电流增加的同时电压也开始上升。这时由于放电已扩展至整个电极区域以后，再增加电流就需要相应地提高外电压。极区域以后，再增加电流就需要相应地提高外电压。(异常辉光放电区异常辉光放电区)。异常辉光放电区是一般溅射方法常采用地放电形式。异常辉光放电区是一般溅射方法常采用地放电形式。随着电流的继
45、续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流剧烈随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流剧烈增加。这时，放电现象进入增加。这时，放电现象进入电弧电弧放电区。放电区。返回1返回2溅射现象溅射现象:溅射仅是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。每一种物溅射仅是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。每一种物理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固体表面相互作用过程不同，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸体表面相互作用过程不同，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸如离子注入如离子注入(
46、离子能量离子能量1000keV)、离子的芦瑟福背散射离子的芦瑟福背散射(1MeV)等。等。溅射产额溅射产额溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量和动量溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量和动量转移，从而最终将表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被转移，从而最终将表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被溅射出来的原子数与入射原子数之比，它是衡量溅射效率的一个溅射出来的原子数与入射原子数之比，它是衡量溅射效率的一个参数。它与入射离子参数。它与入射离子能量能量、物质种类、和入射角等因素有关。、物质种类、和入射角等因素有关。只有当入射离子能量超只有当入射离子能量超过一定的阀
47、值以后、才过一定的阀值以后、才会出现被溅射物表面溅会出现被溅射物表面溅射。每一种物质的溅射射。每一种物质的溅射阀值与入射离子的种类阀值与入射离子的种类关系不大、但是与被溅关系不大、但是与被溅射物质的升华热有一定射物质的升华热有一定的比例关系。的比例关系。随着入射离子能量的增随着入射离子能量的增加、溅射产额先是提高、加、溅射产额先是提高、其后能量达到其后能量达到10kev左左右时趋于平缓。其后、右时趋于平缓。其后、当离子能量继续增加时当离子能量继续增加时溅射产额反而下降当溅射产额反而下降当入射离子能量达到入射离子能量达到100kev左右时发生注入左右时发生注入溅射沉积装置溅射沉积装置:主要有以下
48、四种溅射方法主要有以下四种溅射方法 (1)直流溅射直流溅射；(2)射频溅射射频溅射；(3)磁控溅射磁控溅射；(4)反应溅射反应溅射。在在直直流流溅溅射射过过程程中中，常常用用Ar作作为为工工作作气气体体。工工作作气气压压是是一一个个重重要要的的参参数数，它对溅射速率以及薄膜质量都具有很大影响。它对溅射速率以及薄膜质量都具有很大影响。在在相相对对较较低低的的气气压压条条件件下下，阴阴极极鞘鞘层层厚厚度度较较大大，原原子子的的电电离离过过程程多多发发生生在在距距离离靶靶材材很很远远的的地地方方，因因而而离离子子运运动动至至靶靶材材处处的的几几率率较较小小。同同时时，低低压压下下电电子子的的自自由由
49、程程较较长长，电电子子在在阳阳极极上上消消失失的的几几率率较较大大，而而离离子子在在阳阳极极上上溅溅射射的的同同时时发发射射出出二二次次电电子子的的几几率率又又由由于于气气体体较较低低而而相相对对较较小小。这这使使得得低低压压下下的的原原子子电电离离成成为为离离子子的的几几率率很很低低，在在低低于于1Pa的的压压力力下下甚甚至至不不易易发发生生自自持持放放电电。这这些些均均导导致致低压条件下溅射速率很低。低压条件下溅射速率很低。随随着着气气体体压压力力的的升升高高，电电子子的的平平均均自自由由程程减减小小，原原子子的的电电离离几几率率增增加加，溅溅射电流增加，溅射速率提高。射电流增加，溅射速率
50、提高。但但当当气气体体压压力力过过高高时时，溅溅射射出出来来的的靶靶材材原原子子在在飞飞向向衬衬底底的的过过程程中中将将会会受受到到过过多多的的散散射射，因因而而其其沉沉积积到到衬衬底底上上的的几几率率反反而而下下降降。因因此此随随着着气气压压的的变变化化，溅溅射射沉沉积积的的速速率率会会出出现现一一个个极极值值，如如图图所所示示。一一般般来来讲讲，沉沉积积速速度度与与溅溅射射功功率率（或溅射电流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。（或溅射电流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。图图3.10溅射沉积速度与工作气压间的关系溅射沉积速度与工作气压间的关系溅射气压较低时，入射到衬
51、底表面的原子没有经过多次碰撞，因而能量较高，溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过多次碰撞，因而能量较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度。溅射气压的这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度。溅射气压的提高使得入射的原子能量降低，不利于薄膜组织的致密化。提高使得入射的原子能量降低，不利于薄膜组织的致密化。直流溅射直流溅射射频溅射使使用用直直流流溅溅射射方方法法可可以以很很方方便便地地溅溅射射沉沉积积各各类类金金属属薄薄膜膜，但但这这一一方方法法的的前前提提之之一一是是靶靶材材应应具具有有较较好好的的导导电电性性。由由于于一一定定的的溅溅射射速速率率
52、就就需需要要一一定定的的工工作作电电流流，因因此此要要用用直直流流溅溅射射方方法法溅溅射射导导电电性性较较差差的的非非金金属属靶靶材材的的话话，就就需需要要大大幅幅度度地地提提高高直直流流溅溅射射装装置置电电源源的的电电压压。显显然然，对对于于导导电电性性很很差差的的非非金金属属材材料料的的溅溅射射，我我们们需需要一种新的溅射方法。要一种新的溅射方法。射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。设想在图射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。设想在图3.1中设备的两电极之间接上交流电源时的情况。当交流电源的频率低于中设备的两电极之间接上交流电源时的情况。当交流电源的
53、频率低于50kHz时，时，气体放电的情况与直流时候的相比没有什么根本的改变，气体中的离子仍可及时气体放电的情况与直流时候的相比没有什么根本的改变，气体中的离子仍可及时到达阴极完成放电过程。唯一的差别只是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电到达阴极完成放电过程。唯一的差别只是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换。这种电位极性的不断变化导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。位互相调换。这种电位极性的不断变化导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。当当频频率率超超过过50kHz以以后后，放放电电过过程程开开始始出出现现以以下下两两个个变变化化。第第一一，在在两两极极之之间间不不断断振振荡荡运运动
54、动的的电电子子将将可可从从高高频频电电场场中中获获得得足足够够的的能能量量并并使使得得气气体体分分子子电电离离，而而由由电电极极过过程程产产生生的的二二次次电电子子对对于于维维持持放放电电的的重重要要性性相相对对下下降降。第第二二，高高频频电电场场可可以以经经由由其其他他阻阻抗抗形形式式耦耦合合进进入入沉沉积积室室，而而不不必必再再要要求求电电极极一一定定要要是是导导电电体体。因因此，采用高频电源将使溅射过程摆脱靶材导电性的限制。此，采用高频电源将使溅射过程摆脱靶材导电性的限制。一一般般来来说说，在在溅溅射射中中使使用用的的高高频频电电源源频频率率已已属属于于射射频频范范围围，其其频频率率区区
55、间间为为530MHz。国国际际上上通通常常采采用用的的射射频频频频率率多多为为美美国国联联邦邦通通讯讯委委员员会会（FCC）建建议议的的13.56MHz。使得射频方法可以被用来产生溅射效应的另一个原因是它可以在靶材上产生使得射频方法可以被用来产生溅射效应的另一个原因是它可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，这自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。上上述述电电极极自自发发产产生生负负偏偏压压的的过过程程与与所所用用的的靶靶材材是是否否是是导导体
56、体或或绝绝缘缘体体无无关关。但但是是，对对于于靶靶材材是是金金属属的的情情况况，电电源源须须经经电电容容C耦耦合合至至靶靶材材，以以隔隔绝绝电荷流通的路径并形成自偏压。电荷流通的路径并形成自偏压。另另外外，由由于于射射频频电电压压周周期期性性地地改改变变每每个个电电极极的的电电位位，因因而而每每个个电电极极都都可可能能因因自自偏偏压压效效应应而而受受到到离离子子轰轰击击。解解决决这这一一问问题题的的办办法法在在于于加加大大非非溅溅射射极极的的极极面面面面积积，从从而而降降低低该该极极的的自自偏偏压压鞘鞘层层电电压压。实实际际的的做做法法常常常常是是将将样样品品台台，真真空空室室器器壁壁与与地地
57、电电极极并并联联在在一一起起，形形成成一一个个面面积积很很大大的的电电极极。在在这这种种情情况况下下，我我们们可可以以将将两两个个电电极极及及其其中中间间的的等等离离子子体体看看做做是是两两个个电电容容的的串串联联，其其中中靶靶电电极极与与等等离离子子体体间间的的电电容容因因靶靶面面积积小小而而较较小小，另另一一电电极极与与等等离离子子体体间间的的电电容容因因电电极极面面积积大大而而较较大大。这这样样一一来来，由由于于鞘鞘层层电电压压降降V与电极面积与电极面积A的四次方成反比，即的四次方成反比，即其中，角标其中，角标c和和d分别表示电极是经过电容分别表示电极是经过电容C或是直接耦合至射频电源。
58、因或是直接耦合至射频电源。因此，面积较小的靶电极受到较高的自偏压，而另一极的自偏压很小，其此，面积较小的靶电极受到较高的自偏压，而另一极的自偏压很小，其最终效果就如同图最终效果就如同图3.4所示的那样。这时衬底及真空室壁受到的离子轰击所示的那样。这时衬底及真空室壁受到的离子轰击和产生的溅射效应也将很小和产生的溅射效应也将很小。磁控溅射磁控溅射溅射沉积方法具有两个缺点：第一，溅射方法沉积薄膜的沉积速度溅射沉积方法具有两个缺点：第一，溅射方法沉积薄膜的沉积速度较低；第二，溅射所需的工作气压较高，这两者的综合效果是气体分子较低；第二，溅射所需的工作气压较高，这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的
59、可能性提高。因而，磁控溅射技术作为一种沉积速度对薄膜产生污染的可能性提高。因而，磁控溅射技术作为一种沉积速度较高，工作气体压力较低的溅射技术具有其独特的优越性。较高，工作气体压力较低的溅射技术具有其独特的优越性。我们知道，速度为我们知道，速度为v的电子在电场的电子在电场E和磁感应强度为和磁感应强度为B的磁场中将受的磁场中将受到洛仑兹力的作用：到洛仑兹力的作用：F=-q(E+vB)其中其中q为电子电量。当电场与磁场同时存在的时候，若为电子电量。当电场与磁场同时存在的时候，若E、v、B三者相互三者相互平行，则电子的轨迹仍是一条直线；但若平行，则电子的轨迹仍是一条直线；但若v具有与具有与B垂直的分量
60、的话，电垂直的分量的话，电子的运动轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲子的运动轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。高溅射的效率和沉积的速率。一般磁控溅射的靶材与磁场的布置形式如图一般磁控溅射的靶材与磁场的布置形式如图3.12所示。这种磁场设所示。这种磁场设置的特点是在靶材部分表面上方使磁场
61、与电场方向相垂直，从而进一步置的特点是在靶材部分表面上方使磁场与电场方向相垂直，从而进一步将电子的轨迹限制到靶面附近，提高电子碰撞和电离的效率，而不让它将电子的轨迹限制到靶面附近，提高电子碰撞和电离的效率，而不让它去轰击作为阳极的衬底。实际的做法可将永久磁体或电磁线圈放置在靶去轰击作为阳极的衬底。实际的做法可将永久磁体或电磁线圈放置在靶的后方，从而造成磁力线先穿出靶面，然后变成与电场方向垂直，最终的后方，从而造成磁力线先穿出靶面，然后变成与电场方向垂直，最终返回靶面的分布，即如图中所示的磁力线方向那样。返回靶面的分布，即如图中所示的磁力线方向那样。在溅射过程中，由阴极发射出来的电子在电场的作用
62、下具有向在溅射过程中，由阴极发射出来的电子在电场的作用下具有向阳极运动的趋势。但是，在垂直磁场的作用下，它的运动轨迹被其阳极运动的趋势。但是，在垂直磁场的作用下，它的运动轨迹被其弯曲而重新返回靶面，就如同在电子束蒸发装置中电子束被磁场折弯曲而重新返回靶面，就如同在电子束蒸发装置中电子束被磁场折向盛有被蒸发物质的坩埚一样。向盛有被蒸发物质的坩埚一样。目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要原目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要原因是这种方法的沉积速率可以比其他溅射方法高出一个数量级。这因是这种方法的沉积速率可以比其他溅射方法高出一个数量级。这一方面要归结于在磁场中一方
63、面要归结于在磁场中电子的电离效率提高、另一方面还因为在电子的电离效率提高、另一方面还因为在较低气压下溅射原子被散射的概率减低。另外，由于磁场有效地提较低气压下溅射原子被散射的概率减低。另外，由于磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率、因而工作气压可以显著降低，即高了电子与气体分子的碰撞几率、因而工作气压可以显著降低，即可由可由1Pa降低至降低至10-1Pa。这一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方这一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面也将提高入射到衬底表面原子的能量，因而将可以在很大程度上面也将提高入射到衬底表面原子的能量，因而将可以在很大程度上改善薄膜的质量。改善薄膜的质量。化学气相沉积与物理
64、气相沉积(PVD)相联系但又截然不同的另一类薄膜沉积技术叫化学气相沉积(CVD)。顾名思义，CVD利用的是气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。一般来讲，CVD装置往往包含以下几个部分:1 反应气体和载体的供应和计量装置;2 必要的加热和冷却系统；3 反应物气体的排出装置。如同在物理气相沉积是的情景一样，针对不同的材料和使用目的，化学气相沉积装置可以有各种各样不同的形式。以下介绍几种常用的CVD装置1 高温和低温CVD2 低压CVD(LPCVD)3 等离子体增强CVD(PECVD)返回高温和低温CVD 薄膜制备最重要的二个物理量，一个是气相反应物的过饱和度，另一个
65、是沉积温度。两者相结合，确定了沉积过程的形核率、沉积速度和薄膜结构的完整性。通过调整上述两个参数，获得的沉积产物可以是单晶状态的、多晶态、甚至是非晶态的。 要想得到高纯度的单晶沉积，一般的条件是需要气相的过饱和度要低、沉积温度要高。相反的条件则促成多晶甚至非晶材料的生成。因而对于强调材料完整性的应用目的来说，多采用高温CVD系统，而对于强调材料的低温制备条件的应用来说，多使用低温CVD。 高温CVD系统被广泛应用于制备半导体外延薄膜，以保证材料的制备质量。这类系统可分为热壁和冷壁式两类，其中热壁式CVD的特点是使用外加热器将反应器壁加热到较高温度。冷壁式装置的特点是用感应式加热装置对具有一定导
66、电性的样品台从内部进行加热，而反应器壁由导电性较差的材料制成，且由冷却系统冷却至较低温度。样品在反应器中一般采倾斜放置，以加快气体流速，部分抵消气体通过反应室时的贫化现象。 在半导体工业中，低温CVD被用于各类绝缘介质膜，如SiO2和Si3N4等沉积；而高温CVD被用于半导体材料的外延和金属部件的耐磨涂层的制备。返回机械力学特性相关低压CVD(LPCVD)在显著 低于常压(常压0.1013MPa)的压力下工作的CVD属于低压CVD，根据分析，降低工作室的压力可以提高反应气体和反应产物通过边界层的扩散能力。同时，为了部分抵消压力降低的影响，可以提高反应气体在气体总量中的比例。由于与常压CVD相比
67、，低压CVD装置的工作压力常低至100Pa左右，因而导致反应气体的扩散系数提高约三个数量极。尽管由于压力降低衬底表面界面层的厚度有所增大，但是气体流速也可相应提高。因而总的结果是大大提高了薄膜的沉积速率。典型的低压CVD装置见图示，它与一般常压CVD相比的主要区别在于前者需要一套真空泵系统维持反应腔的工作压力。返回等离子体增强CVD 在低压化学气相沉积过程进行的同时，利用辉光放电等离子体对过程施加影响的技术叫等离子体增强CVD技术。在PECVD中，工作气压大约在5-500Pa的范围，电子和离子密度达到109-1012个/cm3，平均电子能量可达1-10eV。 PECVD方法区别与其它CVD方法
68、的特点在于等离子体的存在可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离的过程，促进反应活性基团的生成，因而显著降低了反应沉积的温度范围，使得某些原来需要在高温下进行的反应过程得以在低温下实现。 由于PECVD方法的主要应用领域是绝缘介质薄膜的低温沉积，因而其等离子体的产生方法多采用射频方法。射频电场可以采用二种不同的耦合方式，即电感耦合和电容耦合。图示为电容耦合的射频CVD的典型结构。在装置中，射频电压被加在相对安置的二个平行电极上，在其间通过反应气体并产生相应的等离子体。在等离子体各种活性基团的参与下，在衬底实现薄膜的沉积。例如由SiH4和NH3反应生成Si3N4的CVD过程，在常压CVD装置中是
69、在900度左右，在低压CVD装置中要在750度左右进行入，而应用PECVD装置可以在300度的低温条件下实现Si3N4介质膜的均匀大面积沉积。同时，由于工作在很低的气压条件下，提高了活性基团的扩散能力，因而薄膜的生长速度可以达到30nm/min. 电感耦合的PECVD如下图示，其中的高频线圈放置于反应容器之外，它产生的交变磁场在反应室内诱发交变感应电流，从而形成气体的无电极放电。也正是由于这种等离子体放电的无电极特性，通常认为可以避免电极放电可能带来的材料污染。下周上课时间，在工程学院计算机中心进下周上课时间，在工程学院计算机中心进行工艺模拟试验：行工艺模拟试验：氧化氧化、扩散扩散、离子注入离子注入
