【康沃真空網(wǎng)】薄膜沉積是半導(dǎo)體制造工藝中的一個非常重要的技術(shù)，其是一連串涉及原子的吸附、吸附原子在表面擴散及在適當(dāng)?shù)奈恢孟戮劢Y(jié)，以漸漸形成薄膜并成長的過程。在一個新晶圓投資建設(shè)中，晶圓廠80%的投資用于購買設(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。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，并通過低壓氣體（或等離子體）過程，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)了很多針對某幾種用途的專門技術(shù)，在此特為大家盤點介紹各種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)；離開鍍料表面，具有相當(dāng)運動速度的氣態(tài)粒子以基本上無碰撞的直線飛行輸運到基體表面；到達基體表面的氣態(tài)粒子凝聚形核生長成固相薄膜；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：設(shè)備相對簡單，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，對于一些高熔點材料的蒸發(fā)較為困難。
在實際應(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、照相機鏡頭等，以提高其光學(xué)性能。同時，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的配合可以精準地實現(xiàn)利用高能電子轟擊坩堝內(nèi)靶材，使之融化進而沉積在基片上。電子束蒸鍍常用來制備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行蒸鍍最大的優(yōu)勢在于：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；電子束定位準確，可以避免坩堝材料的蒸發(fā)和污染。但是由于蒸鍍過程中需要持續(xù)水冷，對能量的利用率不高；而且由于高能電子可能帶來的二次電子可能使殘余的氣體分子電離，也有可能帶來污染。此外，大多數(shù)的化合物薄膜在被高能電子轟擊時會發(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)象稱為濺射。濺射產(chǎn)生的原子沉積在基體表面成膜稱為濺射鍍膜。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。缺點是沉積速率相對較慢。
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濺射沉積絕緣介質(zhì)薄膜。
射頻濺射技術(shù)的優(yōu)點在于它能夠濺射導(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，射頻濺射可以用來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，鍍膜的速率相對較慢，這在一些大規(guī)模生產(chǎn)中可能會受到一定限制。
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中加速后具有一定動能的特點，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使其沿著一定的方向運動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)勢在于其高沉積速率和良好的膜層均勻性。磁場的作用使得離子的運動軌跡更加集中，從而大大增強了濺射效果。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，整個氣相沉積過程都是在等離子體中進行，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，擴大了“薄膜”的應(yīng)用領(lǐng)域。是一項發(fā)展迅速、受人青睞的新技術(shù)。
廣義來講，離子鍍膜的特點是：鍍膜時，工件（基片）帶負偏壓，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，以延長其使用壽命。
同時，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行沉積。簡單的說，多弧離子鍍的原理就是把陰極靶作為蒸發(fā)源，通過靶與陽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，對基體進行沉積。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)展起來的外延制膜方法，是一種在晶體基片上生長高質(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，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。
該技術(shù)的優(yōu)點是：使用的襯底溫度低，膜層生長速率慢，束流強度易于精確控制，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原子層的單晶薄膜，以及交替生長不同組分、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。我們在公車上看到的車站預(yù)告板，在體育場看到的超大顯示屏，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），也被稱為脈沖激光燒蝕（pulsedlaserablation，PLA），是一種利用激光對物體進行轟擊，然后將轟擊出來的物質(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；并能加快薄膜生長機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)的研究進程。同時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）是近年來發(fā)展起來的一項新型薄膜制備技術(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薄膜結(jié)構(gòu)的控制能力。通過激光的精確調(diào)控，可以實現(xiàn)對薄膜生長過程的精細控制，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，薄膜技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展突飛猛進，成果顯著，在原有基礎(chǔ)上，相繼出現(xiàn)了離子束增強沉積技術(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)各有其獨特的特點和優(yōu)勢，它們相互補充、共同發(fā)展，為現(xiàn)代科技的進步提供了強大的動力。從日常生活中的各種電子產(chǎn)品到高端的科研設(shè)備，都離不開這些鍍膜技術(shù)的支持。
隨著科技的不斷進步，相信這些技術(shù)將繼續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展，為我們帶來更多的驚喜和突破。未來，它們有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，推動人類社會向更高水平邁進。
