【康沃真空網(wǎng)】薄膜沉積是半導(dǎo)體制造工藝中的一個(gè)非常重要的技術(shù)，其是一連串涉及原子的吸附、吸附原子在表面擴(kuò)散及在適當(dāng)?shù)奈恢孟戮劢Y(jié)，以漸漸形成薄膜并成長(zhǎng)的過(guò)程。在一個(gè)新晶圓投資建設(shè)中，晶圓廠80%的投資用于購(gòu)買(mǎi)設(shè)備。其中，薄膜沉積設(shè)備是晶圓制造的核心步驟之一，占據(jù)著約25%的比重。
薄膜沉積工藝主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩類(lèi)。物理氣相沉積(PhysicalVapourDeposition，PVD)技術(shù)指在真空條件下，采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過(guò)低壓氣體（或等離子體）過(guò)程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。物理氣相沉積原理可大致分為蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍，具體又包含有MBE等各種鍍膜技術(shù)。發(fā)展到目前，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。
隨著技術(shù)的發(fā)展，PVD技術(shù)也不斷推陳出新，出現(xiàn)了很多針對(duì)某幾種用途的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，在此特為大家盤(pán)點(diǎn)介紹各種PVD技術(shù)。
真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)
真空蒸發(fā)(VacuumEvaporation)鍍膜是在真空條件下，用蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)物質(zhì)，使之升華，蒸發(fā)粒子流直接射向基片，并在基片上沉積形成固態(tài)薄膜，或加熱蒸發(fā)鍍膜材料的真空鍍膜方法。其物理過(guò)程為：采用幾種能源方式轉(zhuǎn)換成熱能，加熱鍍料使之蒸發(fā)或升華，成為具有一定能量(0.1~0.3eV)的氣態(tài)粒子(原子、分子或原子團(tuán))；離開(kāi)鍍料表面，具有相當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度的氣態(tài)粒子以基本上無(wú)碰撞的直線飛行輸運(yùn)到基體表面；到達(dá)基體表面的氣態(tài)粒子凝聚形核生長(zhǎng)成固相薄膜；組成薄膜的原子重組排列或產(chǎn)生化學(xué)鍵合。
該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低；可以制備多種材料的薄膜；沉積速率較快。然而，它也存在一些局限性，比如鍍膜的均勻性可能不夠理想，對(duì)于一些高熔點(diǎn)材料的蒸發(fā)較為困難。
在實(shí)際應(yīng)用中，真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)常用于光學(xué)鍍膜，如眼鏡鏡片、照相機(jī)鏡頭等，以提高其光學(xué)性能。同時(shí)，它也在電子、裝飾等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
電子束蒸鍍技術(shù)
電子束蒸鍍（ElectronBeamEvaporation）是物理氣相沉積的一種。與傳統(tǒng)蒸鍍方式不同，電子束蒸鍍利用電磁場(chǎng)的配合可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)利用高能電子轟擊坩堝內(nèi)靶材，使之融化進(jìn)而沉積在基片上。電子束蒸鍍常用來(lái)制備Al、CO、Ni、Fe的合金或氧化物膜，SiO2、ZrO2膜，抗腐蝕和耐高溫氧化膜。
電子束蒸鍍與利用電阻進(jìn)行蒸鍍最大的優(yōu)勢(shì)在于：可以為待蒸發(fā)的物質(zhì)提供更高的熱量，因此蒸鍍的速率也更快；電子束定位準(zhǔn)確，可以避免坩堝材料的蒸發(fā)和污染。但是由于蒸鍍過(guò)程中需要持續(xù)水冷，對(duì)能量的利用率不高；而且由于高能電子可能帶來(lái)的二次電子可能使殘余的氣體分子電離，也有可能帶來(lái)污染。此外，大多數(shù)的化合物薄膜在被高能電子轟擊時(shí)會(huì)發(fā)生分解，這影響了薄膜的成分和結(jié)構(gòu)。
電子束鍍膜技術(shù)在半導(dǎo)體制造、航天航空等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。例如，在半導(dǎo)體器件中，通過(guò)電子束鍍膜可以制備高質(zhì)量的金屬電極和絕緣層。
濺射鍍膜技術(shù)
濺射鍍膜技術(shù)是用離子轟擊靶材表面，把靶材的原子被擊出的現(xiàn)象稱(chēng)為濺射。濺射產(chǎn)生的原子沉積在基體表面成膜稱(chēng)為濺射鍍膜。通常是利用氣體放電產(chǎn)生氣體電離，其正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶體，擊出陰極靶體原子或分子，飛向被鍍基體表面沉積成薄膜。
其優(yōu)點(diǎn)包括：可制備各種材料的薄膜，包括金屬、合金、化合物等；膜層與基底的結(jié)合力較好；鍍膜的均勻性較高。缺點(diǎn)是沉積速率相對(duì)較慢。
濺射鍍膜技術(shù)在許多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，如微電子、太陽(yáng)能電池等。它可以制備具有良好導(dǎo)電性和耐腐蝕性的金屬薄膜，以及具有特殊功能的化合物薄膜。
射頻濺射技術(shù)
射頻濺射是濺射鍍膜技術(shù)的一種。用交流電源代替直流電源就構(gòu)成了交流濺射系統(tǒng)，由于常用的交流電源的頻率在射頻段，如13.56MHz，所以稱(chēng)為射頻濺鍍。
在直流射頻裝置中，如果使用絕緣材料靶，轟擊靶面的正離子會(huì)在靶面上累積，使其帶正電，靶電位從而上升，使得電極間的電場(chǎng)逐漸變小，直至輝光放電熄滅和濺射停止。所以直流濺射裝置不能用來(lái)濺射沉積絕緣介質(zhì)薄膜。
射頻濺射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠?yàn)R射導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等各種材料，具有廣泛的適用性。這使得它在電子器件、光學(xué)薄膜等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在制造半導(dǎo)體器件時(shí)，射頻濺射可以用來(lái)沉積絕緣層或金屬電極等。
然而，射頻濺射也存在一些挑戰(zhàn)。例如，它對(duì)設(shè)備的要求較高，需要精確的射頻電源控制和良好的真空環(huán)境。同時(shí)，鍍膜的速率相對(duì)較慢，這在一些大規(guī)模生產(chǎn)中可能會(huì)受到一定限制。
磁控濺射技術(shù)
磁控濺射技術(shù)屬于PVD（物理氣相沉積）技術(shù)的一種，是制備薄膜材料的重要方法之一。它是利用帶電荷的粒子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向被濺射的物質(zhì)制成的靶電極（陰極），并將靶材原子濺射出來(lái)使其沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)到襯底并在襯底上沉積成膜的方法。磁控濺射設(shè)備使得鍍膜厚度及均勻性可控，且制備的薄膜致密性好、粘結(jié)力強(qiáng)及純凈度高。該技術(shù)已經(jīng)成為制備各種功能薄膜的重要手段。
這種技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)在于其高沉積速率和良好的膜層均勻性。磁場(chǎng)的作用使得離子的運(yùn)動(dòng)軌跡更加集中，從而大大增強(qiáng)了濺射效果。此外，磁控濺射還可以制備各種復(fù)雜材料的薄膜，包括金屬、合金、化合物等。
磁控濺射在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如平板顯示器、太陽(yáng)能電池、裝飾鍍膜等。它為這些產(chǎn)業(yè)提供了高質(zhì)量、高性能的薄膜解決方案。
離子鍍膜技術(shù)
離子鍍是在真空蒸發(fā)鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種鍍膜新技術(shù)，將各種氣體放電方式引入到氣相沉積領(lǐng)域，整個(gè)氣相沉積過(guò)程都是在等離子體中進(jìn)行，其中包括磁控濺射離子鍍、反應(yīng)離子鍍、空心陰極放電離子鍍（空心陰極蒸鍍法）、多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍）等。離子鍍大大提高了膜層粒子能量，可以獲得更優(yōu)異性能的膜層，擴(kuò)大了“薄膜”的應(yīng)用領(lǐng)域。是一項(xiàng)發(fā)展迅速、受人青睞的新技術(shù)。
廣義來(lái)講，離子鍍膜的特點(diǎn)是：鍍膜時(shí)，工件（基片）帶負(fù)偏壓，工件始終受高能離子的轟擊。形成膜層的膜基結(jié)合力好、膜層的繞鍍性好、膜層組織可控參數(shù)多、膜層粒子總體能量高，容易進(jìn)行反應(yīng)沉積，可以在較低溫度下獲得化合物膜層。
一方面，離子的轟擊可以清潔基底表面，提高膜層與基底的結(jié)合力。另一方面，通過(guò)調(diào)整離子的能量和角度等參數(shù)，可以精確控制膜層的結(jié)構(gòu)和性能。離子鍍膜技術(shù)能夠制備出硬度高、耐磨性好的薄膜，常用于刀具、模具等領(lǐng)域，以延長(zhǎng)其使用壽命。
同時(shí)，離子鍍膜技術(shù)也在光學(xué)、電子等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為各種器件的性能提升提供了支持。
多弧離子鍍(MAIP)
多弧離子鍍是離子鍍膜技術(shù)中的一個(gè)重要分支。它利用電弧放電在靶材上產(chǎn)生高溫等離子體，實(shí)現(xiàn)快速的材料蒸發(fā)和沉積。
多弧離子鍍與一般的離子鍍有著很大的區(qū)別。多弧離子鍍采用的是弧光放電，而并不是傳統(tǒng)離子鍍的輝光放電進(jìn)行沉積。簡(jiǎn)單的說(shuō)，多弧離子鍍的原理就是把陰極靶作為蒸發(fā)源，通過(guò)靶與陽(yáng)極殼體之間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)，從而在空間中形成等離子體，對(duì)基體進(jìn)行沉積。此外，它還可以制備出高硬度、高耐腐蝕性的膜層，在機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
分子束外延（MBE）
分子束外延（MBE）是新發(fā)展起來(lái)的外延制膜方法，是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。
該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：使用的襯底溫度低，膜層生長(zhǎng)速率慢，束流強(qiáng)度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子顯微結(jié)構(gòu)材料。
分子束外延不僅可用來(lái)制備現(xiàn)有的大部分器件，而且也可以制備許多新器件，包括其它方法難以實(shí)現(xiàn)的，如借助原子尺度膜厚控制而制備的超晶格結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管和多量子阱型激光二極管等。我們?cè)诠?chē)上看到的車(chē)站預(yù)告板，在體育場(chǎng)看到的超大顯示屏，其發(fā)光元件就是由分子束外延制造的。
脈沖激光沉積（PLD）
脈沖激光沉積（PulsedLaserDeposition，PLD），也被稱(chēng)為脈沖激光燒蝕（pulsedlaserablation，PLA），是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來(lái)的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。
由脈沖激光沉積技術(shù)的原理、特點(diǎn)可知，它是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぶ苽浼夹g(shù)。隨著輔助設(shè)備和工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，將在半導(dǎo)體薄膜、超晶格、超導(dǎo)、生物涂層等功能薄膜的制備方面發(fā)揮重要的作用；并能加快薄膜生長(zhǎng)機(jī)理的研究和提高薄膜的應(yīng)用水平，加速材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的研究進(jìn)程。同時(shí)也為新型薄膜的制備提供了一種行之有效的方法。
激光分子束外延（L-MBE）
激光分子束外延技術(shù)（L-MBE）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型薄膜制備技術(shù)，是將分子束外延技術(shù)與脈沖激光沉積技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在分子束外延條件下激光蒸發(fā)鍍膜的技術(shù)。
它具有更高的沉積精度和對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的控制能力。通過(guò)激光的精確調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的精細(xì)控制，從而制備出具有特定性能的薄膜。
在納米材料、量子器件等前沿領(lǐng)域，激光分子束外延技術(shù)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
近年來(lái)，薄膜技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展突飛猛進(jìn)，成果顯著，在原有基礎(chǔ)上，相繼出現(xiàn)了離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)、電火花沉積技術(shù)、電子束物理氣相沉積技術(shù)和多層噴射沉積技術(shù)等。這些鍍膜技術(shù)各有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它們相互補(bǔ)充、共同發(fā)展，為現(xiàn)代科技的進(jìn)步提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。從日常生活中的各種電子產(chǎn)品到高端的科研設(shè)備，都離不開(kāi)這些鍍膜技術(shù)的支持。
隨著科技的不斷進(jìn)步，相信這些技術(shù)將繼續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展，為我們帶來(lái)更多的驚喜和突破。未來(lái)，它們有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)向更高水平邁進(jìn)。
