薄膜技术中PVD和CVD的区别详解

薄膜制备 张洋洋 1 薄膜制备工艺包括 薄膜制备方法的选择 基体材料的选择及表面处理 薄膜制备条件的选择和薄膜结构 性能与工艺参数的关系等 2 物理气相沉积 PVD 薄膜制备 3 物理气相沉积 PVD PVD物理气相沉积 PVD 指的是利用某种物理的过程 如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物理表面原子的溅射现象 实现物质从原物质到薄膜的可控的原子转移过程 4 物理气相沉积 PVD PVD这种薄膜制备方法相对于下面还要介绍的化学气相沉积方法而言 具有以下几个特点 1 需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过程的源物质 2 源物质要经过物理过程进入气相 3 需要相对较低的气体压力环境 4 在气相中及衬底表面并不发生化学反应 5 物理气相沉积 PVD 物理气相沉积法过程的三个阶段 1 从原材料中发射出粒子 2 粒子运输到基片 3 粒子在基片上凝结 成核 长大 成膜 6 物理气相沉积 PVD PVD物理气相沉积技术中最为基本的两种方法就是蒸发法和溅射法 另外还有离子束和离子助等等方法 蒸发法相对溅射法具有一些明显的优点 包括较高的沉积速度 相对较高的真空度 以及由此导致的较高的薄膜质址等 溅射法也具有自己的一些优势 包括在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制 沉积层对衬底的附着力较好等 7 物理气相沉积 PVD 真空蒸镀在真空蒸镀技术中 人们只需要产生一个真空环境 在真空环境下 给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压 在适当的温度下 蒸发粒子在基片上凝结 这样即可实现真空蒸镀薄膜沉积 8 真空蒸镀 装置 真空系统蒸发系统基片支撑挡板监控系统 9 真空蒸镀 大量材料皆可以在真空中蒸发 最终在基片上凝结以形成薄膜 真空蒸发沉积过程由三个步骤组成 蒸发源材料由凝聚相转变成气相 在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运 蒸发粒子到达基片后凝结 成核 长大 成膜 10 真空蒸镀 蒸发源分类 一 电阻加热蒸发 二 电子束加热蒸发 三 电弧加热蒸发 四 激光加热蒸发 11 真空蒸镀 真空蒸发的影响因素1 物质的蒸发速度2 元素的蒸汽压3 薄膜沉积的均匀性4 薄膜沉积的纯度 12 真空蒸镀 薄膜沉积的纯度蒸发源的纯度 加热装置 坩埚可能造成的污染 真空系统中的残留气体 13 溅射法 溅射法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动能 并且会沿着一定的方向射向衬底 从而实现在衬底上薄膜的沉积 14 溅射法 直流溅射沉积装置 真空系统中 靶材是需要溅射的材料 它作为阴极 相对于作为阳极的衬底加有数千伏的电压 在对系统预抽真空以后 充入适当压力的惰性气体 15 溅射法 溅射法分类 1 直流溅射 2 高频溅射 3 磁控溅射 4 反应溅射 5 离子镀 16 溅射法 溅射法的优缺点 优点 薄膜在基片上的附着力强 膜层纯度高 可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物 缺点 需要制备专用膜料 靶利用率低 17 薄膜的化学气相沉积 CVD CVD技术被称化学气相沉积 CVD 顾名思义 利用气态的先驱反应物 通过原子 分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术 特别值得一提的是 在高质量的半导体晶体外延技术以及各种绝缘材料薄膜的制备中大量使用了化学气相沉积技术 比如 在MOS场效应管中 应用化学气相方法沉积的薄膜就包括多晶Si SiO2 SiN等 18 薄膜的化学气相沉积 CVD CVD所涉及的化学反应类型1 热解反应2 还原反应3 氧化反应4 化合反应5 歧化反应6 可逆反应 19 薄膜的化学气相沉积 CVD CVD化学气相沉积装置一般来讲 CVD装置往往包括以下几个基本部分 1 反应气体和载气的供给和计量装置 2 必要的加热和冷却系统 3 反应产物气体的排出装置 20 薄膜的化学气相沉积 CVD CVD化学气相沉积装置 21 薄膜的化学气相沉积 CVD 1 反应体系成分2 气体的组成3 压力4 温度 影响CVD薄膜的主要参数 22 薄膜的化学气相沉积 CVD 最基本的CVD