薄膜技術(shù)中PVD和CVD的區(qū)別詳解

1、LOGO薄膜制備薄膜制備 張洋洋張洋洋 薄膜制備工藝包括：薄膜制備方法的選擇，基體材料的選擇及表面處理，薄膜制備條件的選擇和薄膜結(jié)構(gòu)、性能與工藝參數(shù)的關(guān)系等。LOGO物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVDPVD）化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 （ CVDCVD）薄膜制備物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）PVDPVD 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD)PVD)指的是利用某種物理的指的是利用某種物理的過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時物過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時物理表面原子的濺射現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)從原物質(zhì)到薄理表面原子的濺射現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)從原物質(zhì)到薄膜的可控的原子轉(zhuǎn)移過程。膜的可控的原子

2、轉(zhuǎn)移過程。 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）PVDPVD 這種薄膜制備方法相對于下面還要介紹的化這種薄膜制備方法相對于下面還要介紹的化學(xué)氣相沉積方法而言，具有以下學(xué)氣相沉積方法而言，具有以下幾幾個特點(diǎn)個特點(diǎn): 1.需要使用需要使用固態(tài)固態(tài)的或者的或者熔化態(tài)熔化態(tài)的物質(zhì)作為沉積過的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)。程的源物質(zhì)。 2.源物質(zhì)要經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相。源物質(zhì)要經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相。 3.需要相對較低的氣體壓力環(huán)境。需要相對較低的氣體壓力環(huán)境。 4.在氣相中及襯底表面并在氣相中及襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積法過程的三個階段：1，從

3、原材料中發(fā)射出粒子；2，粒子運(yùn)輸?shù)交?，粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大、成膜。 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）PVDPVD 物理氣相沉積技術(shù)中最為基本的兩種方法就物理氣相沉積技術(shù)中最為基本的兩種方法就是是蒸發(fā)法蒸發(fā)法和和濺射法，濺射法，另外還有離子束和離子助等另外還有離子束和離子助等等方法。等方法。 蒸發(fā)法相對濺射法具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，包蒸發(fā)法相對濺射法具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括較高的沉積速度，相對較高的真空度，以及由括較高的沉積速度，相對較高的真空度，以及由此導(dǎo)致的較高的薄膜質(zhì)址等此導(dǎo)致的較高的薄膜質(zhì)址等。 濺射法也具有自己的一些優(yōu)勢，包括在沉積濺射法也具有自己的一些優(yōu)勢，包括在沉積多

4、元合金薄膜時化學(xué)成分容易控制，沉積層對襯多元合金薄膜時化學(xué)成分容易控制，沉積層對襯底的附著力較好等。底的附著力較好等。 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）真空蒸鍍真空蒸鍍 在真空蒸鍍技術(shù)中，人們只需要產(chǎn)生在真空蒸鍍技術(shù)中，人們只需要產(chǎn)生一個真空環(huán)境。在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)一個真空環(huán)境。在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必需的蒸物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必需的蒸氣壓。在適當(dāng)?shù)臏囟认拢舭l(fā)粒子在基片氣壓。在適當(dāng)?shù)臏囟认拢舭l(fā)粒子在基片上凝結(jié)，這樣即可實現(xiàn)真空蒸鍍薄膜沉積。上凝結(jié)，這樣即可實現(xiàn)真空蒸鍍薄膜沉積。真空蒸鍍真空蒸鍍 裝置： 真空系統(tǒng) 蒸發(fā)系統(tǒng) 基片支撐 擋板 監(jiān)控系統(tǒng)

5、真空蒸鍍真空蒸鍍 大量材料皆可以在真空中蒸發(fā)，最終大量材料皆可以在真空中蒸發(fā)，最終在基片上凝結(jié)以形成薄膜。真空蒸發(fā)沉積在基片上凝結(jié)以形成薄膜。真空蒸發(fā)沉積過程由三個步驟組成過程由三個步驟組成:蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相；蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相；在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運(yùn)在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運(yùn);蒸發(fā)粒子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、長大、蒸發(fā)粒子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜。成膜。真空蒸鍍真空蒸鍍蒸發(fā)源分類蒸發(fā)源分類（一）電阻加熱蒸發(fā)（一）電阻加熱蒸發(fā)（二）電子束加熱蒸發(fā)（二）電子束加熱蒸發(fā)（三）電弧加熱蒸發(fā)（三）電弧加熱蒸發(fā)（四）激光加熱蒸發(fā)（四）激光加熱蒸發(fā)真空蒸鍍真空蒸

6、鍍真空蒸發(fā)的影響因素真空蒸發(fā)的影響因素1.1.物質(zhì)的蒸發(fā)速度物質(zhì)的蒸發(fā)速度2.2.元素的蒸汽壓元素的蒸汽壓3.3.薄膜沉積的均勻性薄膜沉積的均勻性4.4.薄膜沉積的純度薄膜沉積的純度真空蒸鍍真空蒸鍍薄膜沉積的純度薄膜沉積的純度 蒸發(fā)源的純度；蒸發(fā)源的純度； 加熱裝置、坩堝可能造成的污染；加熱裝置、坩堝可能造成的污染； 真空系統(tǒng)中的殘留氣體。真空系統(tǒng)中的殘留氣體。濺射法濺射法 濺射法利用帶有電荷的離子在電濺射法利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點(diǎn)，將場中加速后具有一定動能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的離子引向欲被濺射的靶電極靶電極。在離子。在離子能量合適的情況下，入射的離子將在能量合

7、適的情況下，入射的離子將在與靶表面的原子的與靶表面的原子的碰撞碰撞過程中使后者過程中使后者濺射出來。這些被濺射出來的原子將濺射出來。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動能，并且會沿著一定的帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，從而實現(xiàn)在襯底上薄方向射向襯底，從而實現(xiàn)在襯底上薄膜的沉積。膜的沉積。濺射法濺射法直流濺射沉積裝置直流濺射沉積裝置 真空系統(tǒng)中，靶真空系統(tǒng)中，靶材是需要濺射的材料，材是需要濺射的材料，它作為陰極。相對于它作為陰極。相對于作為陽極的襯底加有作為陽極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。在對數(shù)千伏的電壓。在對系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，充入適當(dāng)壓力的惰性充入適當(dāng)壓力的惰性氣體

8、。氣體。濺射法濺射法濺射法分類濺射法分類(1)直流濺射直流濺射;(2)高頻濺射高頻濺射;(3)磁控濺射；磁控濺射；(4)反應(yīng)濺射；反應(yīng)濺射；(5)離子鍍。離子鍍。濺射法濺射法濺射法的優(yōu)缺點(diǎn)：濺射法的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 薄膜在基片上的附著力強(qiáng)，膜層純度薄膜在基片上的附著力強(qiáng)，膜層純度 高，可同時濺射多種不同成分的合金膜或高，可同時濺射多種不同成分的合金膜或 化合物。化合物。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需要制備專用膜料，靶利用率低：需要制備專用膜料，靶利用率低 薄膜的化學(xué)氣相沉積薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD)CVDCVD 技術(shù)被稱化學(xué)氣相沉積技術(shù)被稱化學(xué)氣相沉積(CVD)顧名思義，利顧名思義，利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通

9、過原子、分子間用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。 特別值得一提的是，在高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶特別值得一提的是，在高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶體外延技術(shù)以及各種絕緣材料薄膜的制備體外延技術(shù)以及各種絕緣材料薄膜的制備中大量使用了化學(xué)氣相沉積技術(shù)。比如，中大量使用了化學(xué)氣相沉積技術(shù)。比如，在在MOS場效應(yīng)管中，應(yīng)用化學(xué)氣相方法沉場效應(yīng)管中，應(yīng)用化學(xué)氣相方法沉積的薄膜就包括多晶積的薄膜就包括多晶Si、 SiO2、SiN等。等。薄膜的化學(xué)氣相沉積薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD)CVDCVD所涉及的化學(xué)反應(yīng)類型所涉及的化學(xué)反應(yīng)類型 1.1.熱解反應(yīng)熱解反應(yīng)

10、2. 2.還原反應(yīng)還原反應(yīng) 3.3.氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) 4.4.化合反應(yīng)化合反應(yīng) 5.5.歧化反應(yīng)歧化反應(yīng) 6.6.可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)薄膜的化學(xué)氣相沉積薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD)CVD化學(xué)氣相沉積裝置化學(xué)氣相沉積裝置 一般來講，一般來講，CVD裝置往往包括以下幾裝置往往包括以下幾個基本部分個基本部分: (1)反應(yīng)氣體和載氣的供給和計量裝置反應(yīng)氣體和載氣的供給和計量裝置; (2)必要的加熱和冷卻系統(tǒng)必要的加熱和冷卻系統(tǒng); (3)反應(yīng)產(chǎn)物氣體的排出裝置。反應(yīng)產(chǎn)物氣體的排出裝置。薄膜的化學(xué)氣相沉積薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD)CVD化學(xué)氣相沉積裝置化學(xué)氣相沉積裝置薄膜的化學(xué)氣相沉積薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD) 1.反應(yīng)體系成分反應(yīng)體系成分 2.氣體的組成氣體的組成 3.壓力壓力 4.溫度溫度影響影響CVDCVD薄膜