几种薄膜淀积技术
几种主要薄膜淀积技术简介摘要：从薄膜淀积的现象被发现到现在，对薄膜淀积理论的研究一直在进行，薄膜制造技术作为材料制备的新技术而得到广泛的应用。本文介绍几种主要的薄膜淀积的技术，薄膜的形成机理，影响薄膜的主要因素以及优缺点。关键词：薄膜淀积 制备技术 CVD PVD Abstract：From the phenomenon of the film depositing is found to now , research has been in progress，the film manufacturing technique widely used as technology and materials prepared. This paper mainly introduces several major film deposition technology, the formation mechanism and main factors of affecting, advantages and disadvantages.Key words: Thinfilm depositing; preparation technology; CVD; PVD 一 引言自从1857年第一次观察到薄膜淀积的现象到现在，薄膜制造技术得到广泛的应用。这门新技术不仅涉及到物理学、化学、结晶学、表面科学和固体物开学等基础学科，还和真空、冶金和化工等技术领域密切相关。薄膜制备过程是将一种材料（薄膜材料）转移到另一种材料（基底）的表面，形成和基底牢固结合的薄膜的过程。根据成膜方法的基本原理，可以将其分为物理汽相淀积，化学汽相淀积和其他一些等。二 物理汽相淀积法（PVD）物理气相沉积（Physical Vapor Deposition)是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到衬底表面上的过程，该过程一般是在真空状态下实现。它是一种近乎万能的薄膜技术，应用PVD技术可以制备化合物、金属、合金等薄膜，主要可以分为蒸发淀积、溅射淀积。蒸发淀积基本原理：在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出，利用蒸发的物理现象实现源内原子或分子的运输从而在衬底上生长薄膜的方法。利用蒸发的物理现象实现源内原子或分子的运输，因而需要高的真空，蒸发淀积中应用比较广泛的热蒸发和电子束蒸发。电子束蒸发和热蒸发主要是加热方式不同，热蒸发的特点是工艺简单、成本低，由于热蒸发的受自身的加热方式限制，很难达到很高的温度，因此不适合制备难熔金属和一些高熔点的化合物，同时因为热蒸发是通过加热坩埚来加热坩埚内的金属，而坩埚在高温下会也会存在蒸发现象，所以热蒸发的最大的缺点是淀积过程中容易引入污染。电子束蒸发最大的优点是几乎不引入污染。因为其加热方式是电子束直接轰击金属，同时电子束蒸发可以制备更多种类的薄膜，唯一的缺点是在淀积过程中会有X射线产生。总结蒸发淀积优点：设备简单、操作容易、薄膜纯度高、成膜速率快；缺点：薄膜与衬底附着力小、台阶覆盖差。而残余气体压强、蒸发源的平衡蒸气、压源蒸发速率、淀积速率、蒸发源的温度、衬底位置、衬底温度等则成为影响薄膜质量的主要因素。溅射可以分为直流溅射、直流磁控溅射、射频溅射。溅射主要利用惰性气体的辉光放电现象产生离子，用高压加速离子轰击靶材产生加速的靶材原子从而淀积在衬底表面，溅射技术的最大优点是理论上它可以制备任何真空薄膜，同时在台阶覆盖和均匀性上要优于蒸发淀积。方法优点缺点真空蒸镀工艺简便，纯度高，通过掩膜易于形成所需要的图形蒸镀化合物时由于热分解现象难以控制组分比，低蒸气压物质难以成膜溅射镀膜附着性能好，易于保持化合物、合金的组分比需要溅射靶，靶材需要精制，而且利用率低，不便于采用掩膜沉积三 化学汽相淀积法（CVD）化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition) 是指以单独的或综合的利用热能、等离子体放电、紫外光照射等形式的能量，使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。利用化学气相淀积可以制备，从金属薄膜也可以制备无机薄膜。化学气相淀积种类很多，主要有：常压CVD（APCVD），低压CVD（LPCVD）、等离子体增强型CVD（PECVD）、金属氧化物CVD（MOCVD）等。按淀积过程中发生化学的种类不同可以分为热解法、氧化法、还原法、水解法、混合反应等。CVD制备的薄膜最大的特点是致密性好、高效率、良好的台阶覆、孔盖能力、可以实现厚膜淀积、以及相对PCV的低成本；缺点是淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等。APCVD的特点是不需要很好的真空度、淀积速度非常快、反应受温度影响不大，淀积速度主要受反应气体的输运速度的影响。LPCVD的特点是其良好的扩散性（宏观表现为台阶覆盖能力），反应速度主要受淀积温度的影响比较大，另外温度梯度对淀积的薄膜性能（晶粒大小、应力等）有很大的影响。PECVD最大的特点是反应温度低（200400）和良好的台阶覆盖能力，可以应用在Al等低熔点金属薄膜上淀积，主要缺点是淀积过程引入的粘污；温度、射频、压力等都是影响PECVD工艺的重要因素。MOCVD的主要优点是反应温度低，广泛应用在化合物半导体制备上。优点缺点应用APCVD反应器简单反应温度低沉积速率快台阶覆盖差均匀性差颗粒污染严重低温氧化层LPCVD均匀性优台阶覆盖优产量大生长温度高沉积速率低氧化硅氮化硅多晶硅、钨硅等PECVD生长温度低沉积速率快应力可控制针孔密度较高存在颗粒污染差的化学配比氧化硅氮化硅非晶硅四 电镀法（plating）电镀技术也有学者称它为水溶液薄膜淀积技术，主要因为金属离子是通过各种溶液到达被淀积衬底的表面从而形成薄膜。电镀技术的主要优点是它是一种极其廉价的薄膜制备技术，另外可以利用电镀技术制备合金、和厘米级的厚膜和复杂的图形、电镀薄膜具有良好的应力特性，缺点电镀技术由于受到自身淀积原理的限制，一般需要在衬底有一层薄的金属层做种子（所谓的seed），因此这在一定程度上限制了衬底的种类。五 热氧化法（thermal Oxidation）热氧化法是一种完全不同于真空薄膜淀积的薄膜制备方法，其主要过程：（1）氧化剂（O2/H2O）以气态形式到达硅片表面（2）氧化剂在固态介质（SiO2）中扩散到Si（3）氧化剂和Si发生反应。从上面过程中可以看出热氧化法制备薄膜的过程中存在一个反应物在固态介质中输运的过程，因此其反应机理完全不同于前面提到的真空淀积法，对于反应物在SiO2中输运的过程存在一些争论，有的学者认为是Si原子透过SiO2运动到表面和O原子发生反应形成SiO2，也有的学者认为是氧原子透过SiO2和下面的Si发生化学反应形成SiO2，近年来建立在后一种假设的Grove and deal模型逐渐被大家所接受15。热氧化法制备的薄膜比其他方法制备的薄膜都要致密。热氧化法可以分为干法氧化和湿法氧化，反应温度为9001200，干法氧化的到的薄膜要比湿法氧化的薄膜致密。参考文献：薄膜技术顾培夫 浙江大学出版社 1990现代光学薄膜技术唐晋发,顾培夫等 浙江大学出版社 2006
