《薄膜的制备》课件.ppt

材料合成与制备材料合成与制备李亚伟李亚伟 赵雷赵雷 无机非金属材料系无机非金属材料系11/1/2021/01:00:43/07:25:222第四章第四章 薄膜的制备薄膜的制备p薄膜制备是一门迅速发展的材料技术，薄膜的制备薄膜制备是一门迅速发展的材料技术，薄膜的制备方法综合了物理、化学、材料科学以及高技术手段。方法综合了物理、化学、材料科学以及高技术手段。p薄膜的应用前景十分广泛。半导体器件，电路连接，薄膜的应用前景十分广泛。半导体器件，电路连接，电极，光电子器件，半导体激光器电极，光电子器件，半导体激光器，光学镀膜，光学镀膜Preparation of Composite Materials/01:00:433薄膜科学的研究内容薄膜科学的研究内容薄膜生长理论和薄膜生长理论和薄膜制备技术薄膜制备技术；薄膜的结构、成分和微观状态；薄膜的结构、成分和微观状态；薄膜的宏观特性及其应用。薄膜的宏观特性及其应用。薄薄膜膜研研究究是是以以薄薄膜膜制制备备为为起起点点的的,因因此此,薄薄膜膜生生长长理理论论和和薄薄膜膜制制备备技技术术是是薄薄膜膜材材料料研研究究的基础。的基础。/01:00:434表面相表面相 气固界面气固界面 薄膜生长的本质是气体薄膜生长的本质是气体-固体相变固体相变气气固固液液气气固固/01:00:435基本概念基本概念v表面成核表面成核 coscos =-”/01:00:436v宏观观点宏观观点薄薄膜膜的的生生长长模模式式取取决决于于吸吸附附质质的的表表面面自自由由能能和和界界面面自自由由能能是是否否大大于于基基体体的的表表面面自自由能由能基本概念基本概念/01:00:437基本概念基本概念微观观点微观观点 Adatom diffusion h=exp(Eb/kT)Large scale Long time scale Temperature effects Bond energy Diffusion barrier/01:00:438基本概念基本概念/01:00:439基本概念基本概念生长机制生长机制MorphologiesofAu/Au(001)filmsatvariousincidentenergy/01:00:44104.1 4.1 所用基片及其处理方法所用基片及其处理方法p薄膜涂层本身不能单独作为一种材料来使用，薄膜涂层本身不能单独作为一种材料来使用，它必须与基片结合在一起来发挥它的作用。它必须与基片结合在一起来发挥它的作用。p4.1.1 4.1.1 基片类型基片类型p玻璃基片、陶瓷基片、单晶基片、金属基玻璃基片、陶瓷基片、单晶基片、金属基片等。片等。/01:00:4411玻璃基片玻璃基片（1 1）p玻璃是一种透明的具有平滑表面的稳定性材料，可以在小于玻璃是一种透明的具有平滑表面的稳定性材料，可以在小于500C 500C 的温度下使用。玻璃的热性质和化学性质随其成分不同而的温度下使用。玻璃的热性质和化学性质随其成分不同而有明显变化。有明显变化。/01:00:4412p石英玻璃在化学耐久性、耐热性和耐热冲击性石英玻璃在化学耐久性、耐热性和耐热冲击性方面都是最优异的。方面都是最优异的。p普通玻璃板和显微镜镜片玻璃是碱石灰系玻璃，普通玻璃板和显微镜镜片玻璃是碱石灰系玻璃，容易熔化和成型，但其膨胀系数大。容易熔化和成型，但其膨胀系数大。p可以将普通玻璃板中的可以将普通玻璃板中的NaNa2 2O O 置换成置换成B B2 2O O3 3，以减，以减小其膨胀系数。小其膨胀系数。p硅酸盐玻璃就是这种成分代换的典型产品。硅酸盐玻璃就是这种成分代换的典型产品。玻璃基片玻璃基片（2 2）/01:00:4413陶瓷基片陶瓷基片（1 1）p(1)(1)氧化铝基片氧化铝基片 G氧化铝是很好的耐热材料，具有优异的机械强氧化铝是很好的耐热材料，具有优异的机械强度，而且，其介电性能随其纯度提高而改善。度，而且，其介电性能随其纯度提高而改善。G基片必备的通孔、凹孔和装配各种电子器件、基片必备的通孔、凹孔和装配各种电子器件、接头所用的孔穴等在成型时可同时自动加工出接头所用的孔穴等在成型时可同时自动加工出来。来。G外形尺寸在烧结后可以调整，而孔穴间距在烧外形尺寸在烧结后可以调整，而孔穴间距在烧结后无法调整，所以要控制、减少烧结时收缩结后无法调整，所以要控制、减少烧结时收缩偏差量。偏差量。/01:00:4414p(2)(2)多层陶瓷基片多层陶瓷基片 G为缩短大规模集成电路组装件的延迟时间，在为缩短大规模集成电路组装件的延迟时间，在陶瓷基片上高密度集成大规模集成电路的许多陶瓷基片上高密度集成大规模集成电路的许多芯片，芯片间的布线配置于陶瓷基片内部和陶芯片，芯片间的布线配置于陶瓷基片内部和陶瓷片上部。瓷片上部。G若将这些布线多层化、高密度化，则布线长度若将这些布线多层化、高密度化，则布线长度变短，延迟时间也会缩短。变短，延迟时间也会缩短。G基片上的多层布线常采用叠层法，包括厚膜叠基片上的多层布线常采用叠层法，包括厚膜叠层印刷法或薄膜叠层法。层印刷法或薄膜叠层法。陶瓷基片陶瓷基片（2 2）/01:00:4415p(3)(3)镁橄榄石基片镁橄榄石基片 p镁橄榄石镁橄榄石(2MgOSiO(2MgOSiO2 2)具有高频下介电损耗小、具有高频下介电损耗小、绝缘电阻大的特性，易获得光洁表面，可以作绝缘电阻大的特性，易获得光洁表面，可以作为金属薄膜电阻、碳膜电阻和缠绕电阻的基片为金属薄膜电阻、碳膜电阻和缠绕电阻的基片或芯体，还可以作为晶体管基极和集成电路基或芯体，还可以作为晶体管基极和集成电路基片；片；p其介电常数比氧化铝小，因此信号传送的延迟其介电常数比氧化铝小，因此信号传送的延迟时间短。时间短。p其膨胀系数接近玻璃板和大多数金属，且随其其膨胀系数接近玻璃板和大多数金属，且随其组成发生变化，因此它不同于氧化铝，很容易组成发生变化，因此它不同于氧化铝，很容易选择匹配的气密封接材料。选择匹配的气密封接材料。陶瓷基片（陶瓷基片（3 3）/01:00:4416p(4)(4)碳化硅基片碳化硅基片 G高导热绝缘碳化硅是兼有高热导率数高导热绝缘碳化硅是兼有高热导率数(25C W(25C W(mC)(mC)和高电阻率和高电阻率(25C(25C 下为下为013Wcm)013Wcm)的优的优异材料。另外，其抗弯强度和弹性系数大，热膨异材料。另外，其抗弯强度和弹性系数大，热膨胀系数胀系数2525400C 400C 条件下为条件下为3.73.71010-6-6CC，因，因而适于装载大型元件。而适于装载大型元件。G缺点：碳化硅的介电常数较大约为缺点：碳化硅的介电常数较大约为4040，由于信号，由于信号延迟时间正比于介电常数的平方根，因此碳化硅延迟时间正比于介电常数的平方根，因此碳化硅信号延迟时间为氧化铝的二倍。信号延迟时间为氧化铝的二倍。G可以用可以用CuCu、Ni Ni 使碳化硅金属化，开发出许多应使碳化硅金属化，开发出许多应用领域，如集成电路基片和封装等。用领域，如集成电路基片和封装等。陶瓷基片（陶瓷基片（4 4）/01:00:4417p单晶体基片对外延生长膜的形成起着重要作单晶体基片对外延生长膜的形成起着重要作用。用。p需要很好地了解单晶体基片的热性质。基片需要很好地了解单晶体基片的热性质。基片晶体由于各向异性会产生裂纹，基片与薄膜晶体由于各向异性会产生裂纹，基片与薄膜间的热膨胀系数相差很大时，会在薄膜内残间的热膨胀系数相差很大时，会在薄膜内残留大的应力，这样使薄膜的耐用性显著下降。留大的应力，这样使薄膜的耐用性显著下降。单晶体基片（单晶体基片（1 1）/01:00:4418单晶体基片（单晶体基片（2 2）/01:00:4419p在金属基片上制备薄膜的目的在于获得保护在金属基片上制备薄膜的目的在于获得保护性和功能性薄膜，以及装饰性薄膜。性和功能性薄膜，以及装饰性薄膜。p采用的金属基片的种类也日益多样化，作为采用的金属基片的种类也日益多样化，作为基片的金属材料包括黑色金属、有色金属、基片的金属材料包括黑色金属、有色金属、电磁材料、原子反应堆用材料、烧结材料、电磁材料、原子反应堆用材料、烧结材料、非晶态合金和复合材料等。非晶态合金和复合材料等。p了解金属的典型物理性质和力学性质。了解金属的典型物理性质和力学性质。金属基片金属基片/01:00:44204.1.2 4.1.2 基片的清洗基片的清洗p薄膜基片的清洗方法应根据薄膜生长方法和薄膜基片的清洗方法应根据薄膜生长方法和薄膜使用目的而定。这是因为基片的表面状薄膜使用目的而定。这是因为基片的表面状态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。物理性质。p基片清洗方法一般分为去除基片表面上基片清洗方法一般分为去除基片表面上物理物理附着的污物的清洗方法附着的污物的清洗方法和去除和去除化学附着的污化学附着的污物的清洗方法物的清洗方法。p要使基片表面仅由基片物质构成，对于半导要使基片表面仅由基片物质构成，对于半导体基片，则需要采用反复的体基片，则需要采用反复的离子轰击离子轰击和和热处热处理理方法，也可以采用方法，也可以采用真空解理法真空解理法。/01:00:4421p使用洗涤剂的清洗方法使用洗涤剂的清洗方法A去除基片表面油脂成分等的清洗方法去除基片表面油脂成分等的清洗方法.A首先在煮沸的洗涤剂中将基片浸泡首先在煮沸的洗涤剂中将基片浸泡10min 左右，随左右，随后用流动水充分冲洗，再在乙醇中浸泡之后用干燥后用流动水充分冲洗，再在乙醇中浸泡之后用干燥机快速烘干。机快速烘干。A基片经洗涤剂清洗以后，为防止人手油脂附着在基基片经洗涤剂清洗以后，为防止人手油脂附着在基片上，需用竹镊子等工具夹持。简便的清洗方法是片上，需用竹镊子等工具夹持。简便的清洗方法是将纱布用洗涤液浸透，再用纱布充分擦洗基片表面，将纱布用洗涤液浸透，再用纱布充分擦洗基片表面，随后如上所述对基片进行干燥处理。随后如上所述对基片进行干燥处理。基片的清洗基片的清洗(1)(1)/01:00:4422p使用化学药品和溶剂的清洗方法使用化学药品和溶剂的清洗方法A清洗半导体表面时多用强碱溶液。清洗半导体表面时多用强碱溶液。A在用丙酮等溶液清洗时，一般多采用前面所述的清在用丙酮等溶液清洗时，一般多采用前面所述的清洗顺序。洗顺序。A另外，还可用溶剂蒸气对基片表面进行脱脂清洗，另外，还可用溶剂蒸气对基片表面进行脱脂清洗，采用异丙醇溶剂能极有效地进行这种清洗。采用异丙醇溶剂能极有效地进行这种清洗。基片的清洗基片的清洗(2)(2)/01:00:4423p超声波清洗方法超声波清洗方法A超声波清洗方法是利用超声波在液体介质中传播时超声波清洗方法是利用超声波在液体介质中传播时产生的空穴现象对基片表面进行清洗。产生的空穴现象对基片表面进行清洗。A针对不同的清洗目的，一般多采用溶剂、洗涤液和针对不同的清洗目的，一般多采用溶剂、洗涤液和蒸馏水等作为液体清洗介质，或者将这些液体适当蒸馏水等作为液体清洗介质，或者将这些液体适当组合成液体清洗介质。组合成液体清洗介质。基片的清洗基片的清洗(3)(3)/01:00:4424p离子轰击清洗方法离子轰击清洗方法A离子轰击清洗方法是用加速的正离子撞击基片表面，离子轰击清洗方法是用加速的正离子撞击基片表面，把表面上的污染物和吸附物质清除掉。把表面上的污染物和吸附物质清除掉。A这种方法被认为是一种极好的清洗方法。这种方法被认为是一种极好的清洗方法。A该法是在抽真空至该法是在抽真空至10104pa的试样制作室中，对的试样制作室中，对位于基片前面的电极施加电压位于基片前面的电极施加电压5001000V，引起低，引起低能量的辉光放电。能量的辉光放电。A但要注意，高能量离子会使基片表面产生溅射，会但要注意，高能量离子会使基片表面产生溅射，会使存在于制作室内的油蒸气发生部分分解，生成分使存在于制作室内的油蒸气发生部分分解，生成分解产物，反而使基片表面受到污染。解产物，反而使基片表面受到污染。基片的清洗基片的清洗(4)(4)/01:00:4425p烘烤清洗方法烘烤清洗方法p如果基片具有热稳定性，则在尽量高的真空中把基如果基片具有热稳定性，则在尽量高的真空中把基片加热至片加热至300C 左右就会有效除去基片表面上的水左右就会有效除去基片表面上的水分子等吸附物质。分子等吸附物质。p这时在真空排气系统中最好不使用油，因为它会造这时在真空排气系统中最好不使用油，因为它会造成油分解产物吸附在基片表面上成油分解产物吸附在基片表面上。基片的清洗基片的清洗(5)(5)/01:00:4426p基材种类不同，表面清洗和处理方法也不一样。基材种类不同，表面清洗和处理方法也不一样。p例例:玻璃基材玻璃基材清洗清洗C用水刷洗，可以去掉玻璃表面的尘土和可溶性以及易脱落的用水刷洗，可以去掉玻璃表面的尘土和可溶性以及易脱落的不溶性杂物；不溶性杂物；C必要时将玻璃放在热必要时将玻璃放在热(T=70C)(T=70C)的铬酸洗液的铬酸洗液(由等体积的浓由等体积的浓H H2 2SOSO4 4 和饱和的和饱和的K K2 2CrCr2 2O O7 7 溶液配制溶液配制)中清洗，由于铬酸洗液具有中清洗，由于铬酸洗液具有强氧化性，可以除掉油污和有机物以及其它杂质。有时还要用强氧化性，可以除掉油污和有机物以及其它杂质。有时还要用NHNH4 4F F 溶液或溶液或HF HF 稀溶液浸泡玻璃，使之发生化学反应产生新的稀溶液浸泡玻璃，使之发生化学反应产生新的玻璃表面；玻璃表面；C用水洗去铬酸洗液或氟化物溶液；用水洗去铬酸洗液或氟化物溶液；C洗干净的玻璃洗干净的玻璃(洁净的玻璃板竖放时，应该任何一处都无油洁净的玻璃板竖放时，应该任何一处都无油花或水珠花或水珠)再用去离子水洗涤；再用去离子水洗涤；C有时还要用无水乙醇清洗。有时还要用无水乙醇清洗。基片的清洗基片的清洗(6)(6)/01:00:4427p基片表面长时间保持清洁是非常困难的。为使清洁基片表面长时间保持清洁是非常困难的。为使清洁表面能连续保持几小时，要求表面能连续保持几小时，要求10-710-8 Pa 的高真的高真空条件。空条件。p清洁处理被污染表面的典型方法是在高真空条件下清洁处理被污染表面的典型方法是在高真空条件下对基片加热脱气。对基片加热脱气。p在基片不允许加热的情况下，在要求快速清洁处理在基片不允许加热的情况下，在要求快速清洁处理或要求修饰基片时，采用或要求修饰基片时，采用离子辐照、等离子体辐照离子辐照、等离子体辐照和电子辐射方法和电子辐射方法处理基片表面通常能收到较好的效处理基片表面通常能收到较好的效果。果。4.1.3 4.1.3 基片的表面处理基片的表面处理/01:00:4428基片的表面处理辐照（基片的表面处理辐照（1 1）p(1)(1)离子辐照离子辐照 p离子辐照一般采用氩气，把在离子辐照一般采用氩气，把在0.1l00Pa 压力下生压力下生成的氩离子加速到成的氩离子加速到2001000eV 的能量，当它辐照的能量，当它辐照到固体表面时，固体吸附的原子、分子和固体自身到固体表面时，固体吸附的原子、分子和固体自身的原子会从固体表面放出，而且多数的辐照离子进的原子会从固体表面放出，而且多数的辐照离子进入基片被捕获。入基片被捕获。p2001000eV能量远大于溅射阈值能量，溅射阈值能量远大于溅射阈值能量，溅射阈值能量对不同原子稍有不同，但最大为能量对不同原子稍有不同，但最大为35eV。/01:00:4429p(2)(2)等离子体辐照等离子体辐照 p对玻璃和塑料等绝缘性基片用离子辐照，有时会使对玻璃和塑料等绝缘性基片用离子辐照，有时会使其表面带电，防碍表面处理。用等离子体辐照可有其表面带电，防碍表面处理。用等离子体辐照可有效处理表面。效处理表面。p最简单的等离子体辐照方法是：对最简单的等离子体辐照方法是：对0.1l00Pa 的氩的氩气采用氖灯变压器，借助于几百几千伏的电压下气采用氖灯变压器，借助于几百几千伏的电压下产生的辉光放电对基片表面进行处理。产生的辉光放电对基片表面进行处理。p采用射频放电电源，用电容耦合或电感耦合方式对采用射频放电电源，用电容耦合或电感耦合方式对真空容器提供电能，使之形成放电等离子体，或用真空容器提供电能，使之形成放电等离子体，或用波导管将微波功率供给放电容器，使之形成放电等波导管将微波功率供给放电容器，使之形成放电等离子体。离子体。基片的表面处理辐照（基片的表面处理辐照（2 2）/01:00:4430p(3)(3)电子辐照电子辐照 p当固体受到电子辐照时，则电子进入固体表面较深当固体受到电子辐照时，则电子进入固体表面较深处，电子具有的大部分能量以热能形式传给固体，处，电子具有的大部分能量以热能形式传给固体，使表面层放出原子。使表面层放出原子。p被加速的电子进入固体表面的深度在电子能量小于被加速的电子进入固体表面的深度在电子能量小于几百几百kev 时正比于加速电压。时正比于加速电压。p表面的电子辐照一般采用表面的电子辐照一般采用l0keV 以上的电子以上的电子。基片的表面处理辐照（基片的表面处理辐照（3 3）/01:00:4431p薄膜的结构和性质很容易受到作为薄膜衬底的基片薄膜的结构和性质很容易受到作为薄膜衬底的基片状态的影响，因此对基片提出如下要求：状态的影响，因此对基片提出如下要求：E应加工成无损伤和无凹凸不平的光滑表面；应加工成无损伤和无凹凸不平的光滑表面；E不得存在含有裂纹和应力的加工变质层；不得存在含有裂纹和应力的加工变质层；E不得被污物膜覆盖，应留出基片的构成原子。不得被污物膜覆盖，应留出基片的构成原子。p研磨和刻蚀研磨和刻蚀就成为基片表面加工处理的重要技术。就成为基片表面加工处理的重要技术。基片的表面处理研磨、刻蚀基片的表面处理研磨、刻蚀/01:00:4432各种基片的研磨方法各种基片的研磨方法基片的表面处理研磨（基片的表面处理研磨（1 1）/01:00:4433基片的表面处理研磨（基片的表面处理研磨（1 1）p粗面研磨粗面研磨 p研磨时使用平均粒径为研磨时使用平均粒径为1mm至几十微米的粗磨料和铸至几十微米的粗磨料和铸铁等硬质研磨工具。铁等硬质研磨工具。p由于磨料是分散于水等研磨加工液体中使用的，所以由于磨料是分散于水等研磨加工液体中使用的，所以磨料相对基片产生滚动并使基片产生连续划痕。磨料相对基片产生滚动并使基片产生连续划痕。p基片是脆性的硬质材料时，磨料产生的微小碎粒使基基片是脆性的硬质材料时，磨料产生的微小碎粒使基片生成切屑；片生成切屑；p基片为金属材料时由微小切削作用使基片受到研磨。基片为金属材料时由微小切削作用使基片受到研磨。/01:00:4434基片的表面处理研磨（基片的表面处理研磨（2 2）p镜面抛光镜面抛光 p抛光处理时使用悬浮于水中的粒径小于抛光处理时使用悬浮于水中的粒径小于1mm 的磨的磨料和软质抛光用具。料和软质抛光用具。p在采用氧化铈和氧化铁等磨料和沥青抛光用具的光在采用氧化铈和氧化铁等磨料和沥青抛光用具的光学抛光加工中，可以把玻璃基片加工成表面最大平学抛光加工中，可以把玻璃基片加工成表面最大平面度面度Rmax小于小于10nm 的高质量镜面。将磨料以弹塑的高质量镜面。将磨料以弹塑性状态保持于抛光工具面上，借助磨料完成抛光加性状态保持于抛光工具面上，借助磨料完成抛光加工。工。/01:00:4435p机械机械化学抛光化学抛光pmm 左右的磨料，以胶质状态存在于弱碱性的水溶液中。左右的磨料，以胶质状态存在于弱碱性的水溶液中。p研磨的作用主要是用磨料去除在硅片上生成的水合物膜，研磨的作用主要是用磨料去除在硅片上生成的水合物膜，而不是由磨料直接切削基片。硅片研磨面被加工成镜面，而不是由磨料直接切削基片。硅片研磨面被加工成镜面，其最大高度其最大高度Rmax 为为12nm，几乎不存在加工变质层。，几乎不存在加工变质层。这种精加工也适于研磨其它化合物半导体和表面波元件这种精加工也适于研磨其它化合物半导体和表面波元件的基片。具有机械的基片。具有机械-化学反应作用的研磨法可把蓝宝石化学反应作用的研磨法可把蓝宝石基片加工成镜面。基片加工成镜面。p基本原理基本原理:采用软质采用软质SiO2 磨料和玻璃板工具进行干式研磨料和玻璃板工具进行干式研磨，在磨料和蓝宝石之间生成容易去除的软质反应物。磨，在磨料和蓝宝石之间生成容易去除的软质反应物。基片的表面处理研磨基片的表面处理研磨（2 2）/01:00:4436p金相抛光金相抛光方法的特点是以毛毡等纤维作为抛光用具。当方法的特点是以毛毡等纤维作为抛光用具。当对平面度等几何形状精度没有特别严格要求时，金相抛对平面度等几何形状精度没有特别严格要求时，金相抛光可用作简易镜面研磨。光可用作简易镜面研磨。p化学研磨和电解研磨化学研磨和电解研磨适合半导体基片和金属基片的加工，适合半导体基片和金属基片的加工，它是将基片和研磨用具放于无磨料的研磨液中进行相互它是将基片和研磨用具放于无磨料的研磨液中进行相互对研的一种方法。电解研磨需特殊装置使基片成为正极对研的一种方法。电解研磨需特殊装置使基片成为正极的电路。借助基片和研磨用具之间的对磨工艺可以去除的电路。借助基片和研磨用具之间的对磨工艺可以去除基片凸起部分，得到的光洁镜面优于溶液浸馈的刻蚀加基片凸起部分，得到的光洁镜面优于溶液浸馈的刻蚀加工工。基片的表面处理研磨（基片的表面处理研磨（2 2）/01:00:4437研磨、抛光用磨料研磨、抛光用磨料/01:00:4438p刻蚀加工可得到光洁镜面。刻蚀加工时从外部输入刻蚀加工可得到光洁镜面。刻蚀加工时从外部输入的能量很小，因而可认为几乎不产生加工变质层。的能量很小，因而可认为几乎不产生加工变质层。p在制作基片中通常采用以下工艺：在制作基片中通常采用以下工艺：p为缩短镜面研磨时间，应清除加工缺陷和平整凹为缩短镜面研磨时间，应清除加工缺陷和平整凹凸不平处；凸不平处；p在镜面研磨过程中检查试样缺陷；在镜面研磨过程中检查试样缺陷；p镜面研磨后进行清洁处理；镜面研磨后进行清洁处理；p用镜面刻蚀加工和薄片刻蚀加工代替镜面研磨。用镜面刻蚀加工和薄片刻蚀加工代替镜面研磨。基片的表面处理刻蚀（基片的表面处理刻蚀（1 1）/01:00:4439p在硅片制作过程中，在研磨与抛光之间的清洁工艺中使在硅片制作过程中，在研磨与抛光之间的清洁工艺中使用用HF-HNO3 溶液进行刻蚀加工，几乎可以完全去除研溶液进行刻蚀加工，几乎可以完全去除研磨中产生的加工变质层，使表面的凹凸不平得以减小。磨中产生的加工变质层，使表面的凹凸不平得以减小。这时硅片整个表面具有呈现凸面结构的趋向，因此必须这时硅片整个表面具有呈现凸面结构的趋向，因此必须注意溶液搅拌、温度和成分的控制等，以达到均匀刻蚀注意溶液搅拌、温度和成分的控制等，以达到均匀刻蚀加工。加工。p研磨后，清洗待制膜的基片应使用略具有刻蚀作用的药研磨后，清洗待制膜的基片应使用略具有刻蚀作用的药品。如，对硅片使用浓度为百分之几的品。如，对硅片使用浓度为百分之几的HF 溶液可去除溶液可去除自然氧化膜。另外为去除研磨中使用的粘接剂等有机材自然氧化膜。另外为去除研磨中使用的粘接剂等有机材料层，可采用具有强氧化性的料层，可采用具有强氧化性的H2SO4-H2O2 溶液。溶液。基片的表面处理刻蚀（基片的表面处理刻蚀（2 2）/01:00:4440薄膜生长方法薄膜生长方法 Methods of Thin Film Growth物理气相沉积物理气相沉积 化学气相沉积化学气相沉积/01:00:4441 物理气相沉积物理气相沉积(PVD)(PVD)指的是利用某种物理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的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜的可控的原子转移过程。从源物质到薄膜的可控的原子转移过程。物理气相沉积物理气相沉积 Physical Vaporous Deposition/01:00:4442物理气相沉积技术物理气相沉积技术物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛的应用）方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛的应用于薄膜材料的制备。于薄膜材料的制备。其基本过程包括：其基本过程包括：1）气相物质的产生）气相物质的产生 2）气相物质的输运）气相物质的输运 3）气相物质的沉积。）气相物质的沉积。蒸发蒸发 溅射溅射高真空高真空凝聚凝聚/01:00:4443物理气相沉积技术物理气相沉积技术常用的方法包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射常用的方法包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。等。代表性技术代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜、蒸发镀膜、溅射镀膜、电弧离子镀膜、离子束辅助沉积、脉冲激电弧离子镀膜、离子束辅助沉积、脉冲激光沉积、离子束沉积、团簇沉积等。光沉积、离子束沉积、团簇沉积等。技术特点：技术特点：沉积温度低、工作气压比较低沉积温度低、工作气压比较低/01:00:44444.2 4.2 真空蒸镀法制备薄膜真空蒸镀法制备薄膜 薄膜的成膜技术发展至今，获得薄膜的方法很薄膜的成膜技术发展至今，获得薄膜的方法很多，但就其成膜原理来说，大致可分为两类多，但就其成膜原理来说，大致可分为两类:p(1)(1)以真空蒸镀为基础的物理镀膜方法；以真空蒸镀为基础的物理镀膜方法；p(2)(2)是基于成膜物质在基材表面上发生化学反是基于成膜物质在基材表面上发生化学反应的化学镀膜法。应的化学镀膜法。/01:00:4445真空蒸镀法真空蒸镀法p真空蒸镀真空蒸镀就是将需要就是将需要制成薄膜的物质放于制成薄膜的物质放于真空中进行蒸发或升真空中进行蒸发或升华，使之在基片表面华，使之在基片表面上析出。上析出。p真空蒸镀设备比较简真空蒸镀设备比较简单，即除了真空系统单，即除了真空系统以外，它由真空室蒸以外，它由真空室蒸发源、基片支撑架、发源、基片支撑架、挡板以及监控系统组挡板以及监控系统组成。许多物质都可以成。许多物质都可以用蒸镀方法制成薄膜。用蒸镀方法制成薄膜。真空蒸镀设备示意真空蒸镀设备示意/01:00:4446真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）p在密闭的容器内存在着物质在密闭的容器内存在着物质A A 的凝聚相的凝聚相(固固体或液体体或液体)及气相及气相A(g)A(g)时，气相的压力时，气相的压力(蒸蒸气压气压)P)P 是温度的函数。是温度的函数。p凝聚相和气相之间处于动平衡状态，即从凝凝聚相和气相之间处于动平衡状态，即从凝聚相表面不断向气相蒸发分子，也有相当数聚相表面不断向气相蒸发分子，也有相当数量的气相分子返回到凝聚相表面。量的气相分子返回到凝聚相表面。/01:00:4447p根据气体分子运动论，单位时间内气相分子根据气体分子运动论，单位时间内气相分子与单位面积器壁碰撞的分子数，即气体分子与单位面积器壁碰撞的分子数，即气体分子的流量的流量J J 为：为：真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）式中，式中，n n 为气体分子的密度；为气体分子的密度；V V 为分子的最可几速度；为分子的最可几速度；m m 为为气体分子的质量；气体分子的质量；k k是为玻尔兹曼常数，是为玻尔兹曼常数，k k1.33101.3310-23-23 J/K J/K；A A 为阿伏加德罗常数；为阿伏加德罗常数；R R 为普朗克常数；为普朗克常数；M M为分子量。为分子量。/01:00:4448p由于气相分子不断沉积于器壁及基片上，因此为保由于气相分子不断沉积于器壁及基片上，因此为保持二者的平衡，凝固相不断向气相蒸发，若蒸发元持二者的平衡，凝固相不断向气相蒸发，若蒸发元素的分子质量为素的分子质量为m m，则蒸发速度可用下式估算，则蒸发速度可用下式估算真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）/01:00:4449p从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中，从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中，还不断与真空中残留的气体分子相碰撞使蒸发分子还不断与真空中残留的气体分子相碰撞使蒸发分子失去定向运动的动能，而不能沉积于基片。若真空失去定向运动的动能，而不能沉积于基片。若真空中残留气体分子越多，即真空度越低，则实际沉积中残留气体分子越多，即真空度越低，则实际沉积于基片上的分子数越少。于基片上的分子数越少。真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）若蒸发源与基片间距离为若蒸发源与基片间距离为X，真空中残留的气体分子平，真空中残留的气体分子平均自由程为均自由程为L，则从蒸发源，则从蒸发源蒸发出的蒸发出的Ns 个分子到达基片个分子到达基片的分子数为的分子数为/01:00:4450p从蒸发源发出来的分子是否能全部达到基片，从蒸发源发出来的分子是否能全部达到基片，尚与真空中存在的残留气体有关。尚与真空中存在的残留气体有关。p一般为了保证有一般为了保证有80%80%90%90%的蒸发元素到达基的蒸发元素到达基片，则希望残留气体分子和蒸发元素气体分片，则希望残留气体分子和蒸发元素气体分子的混合气体的平均自由程是蒸发源至基片子的混合气体的平均自由程是蒸发源至基片距离的距离的510 510 倍。倍。真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）/01:00:4451p两种不同温度的混合气体分子的平均自由程的计算两种不同温度的混合气体分子的平均自由程的计算真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学）假设蒸发元素气体假设蒸发元素气体与残留气体的温度与残留气体的温度相同相同(T)，设蒸发气，设蒸发气体分子的半径为体分子的半径为r，残留气体分子半径残留气体分子半径为为r，残留气体的，残留气体的压力为压力为P 则根据气则根据气体运动论，其平均体运动论，其平均自由程自由程L若压力单位为若压力单位为PaPa，原子半径单位为原子半径单位为m m/01:00:4452p实际上可使用的蒸发源应具备以下三个条件：实际上可使用的蒸发源应具备以下三个条件：C为了能获得足够的蒸镀速度，要求蒸发源为了能获得足够的蒸镀速度，要求蒸发源能加热到材料的平衡蒸气压在能加热到材料的平衡蒸气压在1.33101.3310-2-2Pa Pa 的温度。的温度。C存放蒸发材料的小舟或坩埚，与蒸发材料存放蒸发材料的小舟或坩埚，与蒸发材料不发生任何化学反应。不发生任何化学反应。C能存放为蒸镀一定膜厚所需要的蒸镀材料。能存放为蒸镀一定膜厚所需要的蒸镀材料。真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源/01:00:4453p蒸发源的形状蒸发源的形状真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源(a)克努曾槽盒型克努曾槽盒型(b)自由蒸发源自由蒸发源(c)坩埚坩埚型型蒸发所得的膜厚的均匀性在很蒸发所得的膜厚的均匀性在很大程度上取决于蒸发源的形状大程度上取决于蒸发源的形状/01:00:4454p蒸发源类型蒸发源类型:点源和微小面源点源和微小面源真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源点源点源可以可以向各向各个方个方向蒸向蒸发发若在某段时间若在某段时间内蒸发的全部内蒸发的全部质量为质量为M M0 0，则，则在某规定方向在某规定方向的立体角的立体角d dw w内。内。蒸发的质量蒸发的质量/01:00:4455 若离蒸发源的距离为若离蒸发源的距离为r r，蒸发分子方向与基片，蒸发分子方向与基片表面法线的夹角为表面法线的夹角为，则基片上的单位面积附则基片上的单位面积附着量着量m md d真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源点源点源S S 为吸附系数，表示蒸发为吸附系数，表示蒸发后冲撞到基片上的分子，后冲撞到基片上的分子，不被反射而留在基片上的不被反射而留在基片上的比率比率(化学吸附比率化学吸附比率)。/01:00:4456真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源微小微小面源面源克努曾盒的蒸发源可以克努曾盒的蒸发源可以看成微小面源看成微小面源小孔看作平面小孔看作平面假如在规定的时间内从这个小孔假如在规定的时间内从这个小孔蒸发的全部质量为蒸发的全部质量为M0M0，那么在与，那么在与这个小孔所在平面的法线构成这个小孔所在平面的法线构成角方向的立体角角方向的立体角dwdw中，蒸发的质中，蒸发的质量量/01:00:4457真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源微小微小面源面源若离蒸发源的距离为若离蒸发源的距离为r r，蒸发分，蒸发分子的方向与基片表面法线的夹子的方向与基片表面法线的夹角为角为q q，则基片上的单位面积上，则基片上的单位面积上附着的物质附着的物质m m，/01:00:4458p如果在大的基片上蒸镀，薄膜的厚度就要随位如果在大的基片上蒸镀，薄膜的厚度就要随位置而变化，若把若干个小的基片设置在蒸发源置而变化，若把若干个小的基片设置在蒸发源的周围来一次蒸镀制造多片薄膜，那就能知道的周围来一次蒸镀制造多片薄膜，那就能知道附着量将随着基片位置的不同而变化。对微小附着量将随着基片位置的不同而变化。对微小点源，其等厚膜面是离圆心的等距球面，即向点源，其等厚膜面是离圆心的等距球面，即向所有方向均匀蒸发，而微小面源只是单面蒸发，所有方向均匀蒸发，而微小面源只是单面蒸发，而且并不是所有方向上都均匀蒸发的。而且并不是所有方向上都均匀蒸发的。真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源/01:00:4459p蒸发源的加热方式蒸发源的加热方式:在真空中加热物质的方法，有电阻加热法、在真空中加热物质的方法，有电阻加热法、电子轰击法等等，此外还有高频感应的加热电子轰击法等等，此外还有高频感应的加热法，但由于高频感应加热法所需的设备庞大，法，但由于高频感应加热法所需的设备庞大，故很少采用。故很少采用。真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源/01:00:4460p(1)(1)电阻加热法电阻加热法 p把薄片状或线状的高熔点金属把薄片状或线状的高熔点金属(经常使用的经常使用的是钨、钼、钛是钨、钼、钛)做成适当形状的蒸发源，装做成适当形状的蒸发源，装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料，使其蒸发。料，使其蒸发。真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源蒸发源材料的熔点和蒸气压，蒸发源材料与薄蒸发源材料的熔点和蒸气压，蒸发源材料与薄膜材料的反应以及与薄膜材料之间的湿润性是膜材料的反应以及与薄膜材料之间的湿润性是选择蒸发源材料所需要考虑的问题。选择蒸发源材料所需要考虑的问题。/01:00:4461p(2)(2)电子轰击法电子轰击法p将电子集中轰击蒸发材料的一部分而进行加将电子集中轰击蒸发材料的一部分而进行加热的方法热的方法.真空蒸镀法蒸发源真空蒸镀法蒸发源(a)(a)棒状料棒状料 (b)(b)块或粉末状料块或粉末状料)/01:00:4462p薄膜物质是薄膜物质是单质单质时，只要使单质蒸发就能容易地制时，只要使单质蒸发就能容易地制作与这种物质具有相同成分的薄膜。作与这种物质具有相同成分的薄膜。p当要制作的薄膜物质是由当要制作的薄膜物质是由两种以上元素两种以上元素组成的化合组成的化合物时，仅仅使材料蒸发未必一定能制成与原物质具物时，仅仅使材料蒸发未必一定能制成与原物质具有同样成分的薄膜。有同样成分的薄膜。p在这种情况下，可以通过控制组成来制作化合物薄膜，如一氧化在这种情况下，可以通过控制组成来制作化合物薄膜，如一氧化硅硅(SiO)(SiO)，三氧化二硼，三氧化二硼(B2O3)(B2O3)是在蒸发过程中相对成分难以改变的是在蒸发过程中相对成分难以改变的物质，这些物质从蒸发源蒸发时，大部分是保持原物质分子状态物质，这些物质从蒸发源蒸发时，大部分是保持原物质分子状态蒸发的。蒸发的。p此外，氟化镁此外，氟化镁(MgF2)(MgF2)蒸发时，是以蒸发时，是以MgF2MgF2、(MgF2)(MgF2)：、：、(MgF2)(MgF2)，分，分子或分子团的形式从蒸发源蒸发出来的，这也就能形成成分基本子或分子团的形式从蒸发源蒸发出来的，这也就能形成成分基本不变的薄膜。不变的薄膜。真空蒸镀法化合物的蒸镀方法真空蒸镀法化合物的蒸镀方法/01:00:4463p反应蒸镀法反应蒸镀法p反应蒸镀法就是在充满活泼气体的气氛中蒸发固体材反应蒸镀法就是在充满活泼气体的气氛中蒸