薄膜沉积是干什么的（薄膜沉积技术及原理）
薄膜沉积是干什么的（薄膜沉积技术及原理）Sputtering技术是指在充有Ar气的高真空腔体中，通过加高压，使得腔体中的Ar产生电离生成Ar 阳离子，在正向电场作用下，Ar 离子加速飞向阴极靶材并以较高能量轰击靶材表面，使靶材表面发生溅射。中性的靶材原子沉积在所需基片上进而形成需要沉积的薄膜。（2）磁控溅射（sputtering）EBE技术是在很高的真空环境下，将需要蒸发的材料（通常为金属）置于坩埚中，通过使用电子束，将所要进行蒸镀的材料进行直接加热至熔化温度，使蒸发材料气化到基底表面凝结沉积的薄膜沉积技术。电子束蒸发原理图工作原理：电子枪经灯丝加热后，可以发射出热电子，这些热电子通常具有初始的动能。在阳极和阴极之间的电场制约条件下，可以在一定的汇聚角度下形成电子束，再在磁场的作用下，由E x B的相互作用进行一定的偏转，到达坩埚内的蒸发材料表面，实现电-热能的转换。到达阳极时，电子束的能量可以达到10Kv以上，在电子束的轰击区
由于上一篇文章中【芯片制备技术（一） -- 薄膜沉积及发展】对薄膜沉积技术原理方面表述的太笼统，应小伙伴要求，将前文在技术原理上进行展开介绍。此篇文章为纯技术文，有建议或者不同看法的小伙伴欢迎评论区讨论呀。
前文讲过，集成电路产业微纳芯片加工工艺过程中根据沉积材料的不同，主要分为绝缘介质薄膜的淀积和导电材料薄膜的沉积。目前，业界较为主流的薄膜沉积技术大类上可划分为：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）、原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）
（一）物理气相沉积 PVDPVD可以分为热蒸发沉积（thermal evaporation）和等离子体溅射沉积（plasma sputtering deposition）。其中，根据蒸发方式的不同，热蒸发沉积又可以细分为电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发、激光束蒸发沉积等。根据等离子体产生的方法不同，等离子体溅射沉积也可以细分为直流（DC）溅射、射频（AF）溅射和磁控溅射（sputtering）方式的沉积。微纳芯片加工业界中主要用于金属薄膜的沉积。这里主要以业界常用的电子束蒸发沉积和磁控溅射沉积为例进行阐述。
（1）电子束蒸发 （Electron Beam Evaporation，EBE）
EBE技术是在很高的真空环境下，将需要蒸发的材料（通常为金属）置于坩埚中，通过使用电子束，将所要进行蒸镀的材料进行直接加热至熔化温度，使蒸发材料气化到基底表面凝结沉积的薄膜沉积技术。
电子束蒸发原理图
工作原理：电子枪经灯丝加热后，可以发射出热电子，这些热电子通常具有初始的动能。在阳极和阴极之间的电场制约条件下，可以在一定的汇聚角度下形成电子束，再在磁场的作用下，由E x B的相互作用进行一定的偏转，到达坩埚内的蒸发材料表面，实现电-热能的转换。到达阳极时，电子束的能量可以达到10Kv以上，在电子束的轰击区域，蒸发材料的表面温度可以达到3000~6000 °C，从而使得相应的蒸发材料达到蒸发温度而气化。气化后的蒸发材料直接在基底表面冷凝沉积，达到镀膜的要求。
（2）磁控溅射（sputtering）
Sputtering技术是指在充有Ar气的高真空腔体中，通过加高压，使得腔体中的Ar产生电离生成Ar 阳离子，在正向电场作用下，Ar 离子加速飞向阴极靶材并以较高能量轰击靶材表面，使靶材表面发生溅射。中性的靶材原子沉积在所需基片上进而形成需要沉积的薄膜。
磁控溅射原理图
工作原理：在充入Ar气的腔体中，靶材处于阴极，衬底置于阳极。当两个电极间的电压比较小时，只有少量的离子和电子存在；当加大靶材阴极与衬底阳极之间的电压时，带电粒子会在所加持的电场力的作用下做加速运动，当与环境中的中性气体原子碰撞后，会产生更多数量的带点粒子。当电流达到一定的数量级时，电压的增加会产生所谓的“雪崩”现象，此时大量的离子轰击阴极靶材，击出了靶材阴极上的靶材原子和二次电子，二次电子会与富裕的中性原子发生散射碰撞，产生更多数量的离子，这些离子再次轰击阴极靶材，如此反复，形成等离子体辉光放电（俗称PVD中的起辉现象）。高能量的离子轰击阴极的靶材表面并溅射出靶材上的原子，进而沉积到阳极衬底表面，从而达到镀膜的目的。
（二）化学气相沉积 CVD化学气相沉积（chemical vapour deposition CVD）包括低压化学气相沉积（low pressure CVD LPCVD）、常压化学气相沉积（atmosphere pressure CVD APCVD）、等离子体增强化学气相沉积（plasma enhanced CVD PECVD），主要用于介质/绝缘材料薄膜的生长。
化学气相沉积原理图
化学气相沉积是利用加热或者光辐射等，将两种或者两种以上的前驱体（可以是固体，液体，气体以及组合）导入到同一个反应腔室中，两种前驱体在相应的温度下产生化学反应形成目标薄膜材料并沉积在衬底上的过程。
工作原理：
- 前驱体具有足够高的蒸汽压，在液态源和固体源中需要载气才能将前驱体载入反应腔
- 对于固态源，大部分都需要加热才能产生气相前驱体。
- 保持传输过程中的温度防止前驱体因为温度降低而液化或凝华在传输管道中。
- 反应前驱体向衬底表面扩散并吸附。
- 在所需温度下，两种或以上反应前躯体在衬底表面发生化学反应、成核、进而成膜。
- 衬底上薄膜的延展生长，厚度的增加，达到沉积目标薄膜。
CVD反应的分类及应用
（三）原子层沉积 ALD近年随着微纳芯片加工工艺过程中，先进技术节点不断缩小，器件制备过程中，薄膜的台阶覆盖性及薄膜均匀性要求均不断提高，原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）逐渐受到业界的广泛关注。ALD技术是由芬兰科学家最初提出的，当时将在平面显示器的多晶荧光材料ZnS:Mn 中得到应用，但由于所需薄膜的厚度很大，使用ALD方法的效率很慢而未受到业界的广泛关注。随着微电子及微纳技术的迅猛发展，器件的特征尺寸不断缩小、间隙填充的深宽比不断增加、材料的特征尺寸也降低到纳米量级，ALD技术优势变的越来越明显。
原子层沉积原理图
ALD技术的过程通常是在经过活性表面处理后的衬底上进行。其主要步骤概括为：
- 经过活性处理的衬底；
- 将反应前驱体A通过脉冲的形式通入反应室，使之与衬底表面发生化学吸附至饱和；
- 利用惰性气体吹扫清除过剩的反应前驱体A；
- 将反应前驱体B通过脉冲的形式通入反应室，和衬底上被吸附的反应前驱体A发生反应并达到饱和；
- 再次通过惰性气体吹扫清除过剩的反应前驱体B和反应副产物；
- 步骤(b)- (e)重复至沉积的薄膜到达所需厚度。
这样的一个循环完成后就可以得到单层的目标化合物。通过重复这样的ALD循环过程，实现目标化合物的逐层生长，进而对目标产物的沉积厚度进行精确的控制。
需要指出的是，ALD方法既可以沉积介质/绝缘薄膜，也可以进行金属薄膜的沉积，随着集成电路节点的不断缩减，ALD在微纳芯片加工中已经越来越不可或缺。
（四）各种薄膜沉积技术的特征比较
薄膜沉积方法比较
在微纳芯片加工工艺中，以上各种薄膜沉积方法的工业适用性都已经很好，但不同工艺步骤需要沉积不同的薄膜，不同的薄膜又对应不同的沉积方法，所以各种沉积方法其实各有其阶段优势。但无论是何种沉积方法，随着集成电路工艺节点的不断缩减，对各工艺阶段的要求一定越来越高，不断优化各沉积方法的工艺参数，是提升芯片良率的必要条件。
参考文献：
[1] Google Patents. 1977.
[2] Materials today 2014 17(5): 236-246.
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