1、(上一次上一次课课)光刻光刻：三要素（光刻胶、光刻模板、对准曝光机）三要素（光刻胶、光刻模板、对准曝光机）五步骤（基片前处理、匀胶、前烤、对准曝光五步骤（基片前处理、匀胶、前烤、对准曝光、后烤、除胶）、后烤、除胶）蚀刻之前的等离子体清胶微系统的重要材料微系统的重要材料硅衬底的补充说明硅衬底的补充说明晶体晶体结构：近似面心立方结构：近似面心立方晶格晶格（实际（实际FCCA+FCCB,晶胞晶胞含含8+6+4个原子、个原子、晶格常数晶格常数0.543nm)；密勒指数：设初基胞（面心立方）置于密勒指数：设初基胞（面心立方）置于xyz坐标系中，平行于坐标系中，平行于坐标平面的为（坐标平面的为（100）晶
2、面族、平行于某一坐标轴的对角线平面）晶面族、平行于某一坐标轴的对角线平面为（为（110）晶面族、与三个轴都等节距相交的平面为）晶面族、与三个轴都等节距相交的平面为(111)晶面族；晶面族；表现出力学常数、加工特性等方面的各项异性；表现出力学常数、加工特性等方面的各项异性；机电特性：薄膜状态弹性极好；导电性在机电特性：薄膜状态弹性极好；导电性在10-3-108之间可调；之间可调；硅压电电阻硅压电电阻压阻现象：固体在受到应力作用时其压阻现象：固体在受到应力作用时其电阻率电阻率发生的变化发生的变化的现象。的现象。P型或型或N型硅都具有优良的压阻效应（型硅都具有优良的压阻效应（1954年年Smith发
3、现）。发现）。硅晶体各向异性的事实使得电阻率硅晶体各向异性的事实使得电阻率-应变变化关系变得比应变变化关系变得比较复杂较复杂R=其中其中，R=RxxRyyRzzRxyRxzRyzT代表与应力分量代表与应力分量=xx yy zz xy xz yzT相对应的无限小立方体压阻单元的电相对应的无限小立方体压阻单元的电阻率变化。在应力分量的六个独立分量中，三个是正应阻率变化。在应力分量的六个独立分量中，三个是正应力分量，三个是切应力分量。力分量，三个是切应力分量。 为压阻系数矩阵。为压阻系数矩阵。111212000121112000121211000000440000004400000044 =式中仅出
4、现了式中仅出现了 11、 12和和 44三个独立系数。展开为等式如下三个独立系数。展开为等式如下Rxx=11xx+ 12(yy+ zz)Ryy=11yy+ 12(xx+ zz)Rzz=11zz+ 12(xx+ yy)Rxy=44xy； Rxz=44xz ； Ryz=44yz与正应力分量与正应力分量有关有关与切应力分量与切应力分量有关有关三个系数的实际值与三个系数的实际值与与压阻元件方向和晶与压阻元件方向和晶体晶格的夹角有关体晶格的夹角有关室温下室温下100取向取向P型和型和N型硅电阻率和压阻系数参见表型硅电阻率和压阻系数参见表7-8。这是在三维结构中压阻的描述。这是在三维结构中压阻的描述。在在
5、MEMS中，主要以薄带状压阻形式。因此只要考虑中，主要以薄带状压阻形式。因此只要考虑x、y两两个方向的平面应力。对于个方向的平面应力。对于p型硅，最大压阻系数为型硅，最大压阻系数为 44=138x10-11/Pa,对于对于n型硅型硅 11=102x10-11/Pa。因此一般采用。因此一般采用P型材料作压型材料作压阻。平面压阻的典型形式和各个方向的压阻系数见图阻。平面压阻的典型形式和各个方向的压阻系数见图7-14和和表表7-9。压阻元件的电阻变化计算：压阻元件的电阻变化计算：R/R=LL+ TT包含纵向、横向压阻系包含纵向、横向压阻系数及尺寸变化因素数及尺寸变化因素对温度的依赖性强，具体见对温度
6、的依赖性强，具体见表表7-10。同一个元件在。同一个元件在120 时其压阻技术损失时其压阻技术损失27%看例题看例题7-3对温度的依赖性强，具体见对温度的依赖性强，具体见表表7-10。同一个元件在。同一个元件在120 时其压阻技术损失时其压阻技术损失27%P-(100)P-(111)N-(100)主平面主平面(110)主平面主平面(110)主平面主平面(110)主平面主平面(110)901354590N-(111)-硅化合物：硅化合物：物性特点、物性特点、MEMS中应用和制备方法中应用和制备方法二氧化硅（二氧化硅（SiO2)：作用：热和电的绝缘体（表作用：热和电的绝缘体（表7-1-电阻率电阻率
7、1016cm; 表表7-3-热导率热导率0.014w/cm)；作为硅刻蚀掩模（；作为硅刻蚀掩模（KOH中中200：1); 作为牺牲层。作为牺牲层。制备方法有：干、湿氧化、制备方法有：干、湿氧化、CVD、溅射。、溅射。碳化硅（碳化硅（SiC）：）：作用：耐高温器件作用：耐高温器件(高温下尺寸和化学性质稳定高温下尺寸和化学性质稳定,熔点熔点2300 ); 在在KOH、HF中刻蚀保护；中刻蚀保护；制备方法：制备方法：CVD、溅射等各种沉积技术。、溅射等各种沉积技术。氮化硅（氮化硅（Si3N4，力学力学/热学特性比热学特性比SiO2好好)作用：扩散、离子注入掩模（阻挡水及金属离子扩散、）；深层刻蚀作用
8、：扩散、离子注入掩模（阻挡水及金属离子扩散、）；深层刻蚀掩模（超强抗腐蚀能力）；绝缘层；光波导；防止有毒流体侵入的密封掩模（超强抗腐蚀能力）；绝缘层；光波导；防止有毒流体侵入的密封材料。材料。CVD法制备。法制备。多晶硅多晶硅（力学（力学/热学特性各向同性热学特性各向同性) 作用：电阻、压阻、简易欧姆接触等广泛用途。作用：电阻、压阻、简易欧姆接触等广泛用途。 常用常用LPCVD法制备。法制备。微系统薄膜薄膜材料的制备方法内容:1 薄膜材料的物理汽相沉积-热蒸发2 离子溅射镀膜 3 高温扩散和离子注入4 薄膜材料的化学汽相沉积-CVD法溶胶凝胶。 薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方
9、法，在体薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。薄膜材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料组合。材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料组合。 薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的原因分支，至少有以下三个方面的原因 1 现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打
10、破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路就可以完成。一块集成电路就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段术手段。 2 器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能，并使之器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能，并使之更强化更强化，而且随着器件，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许件将显示
11、出许多全新的物理现象多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。备这类具有新型功能器件的有效手段。 3 每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥各种不同的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势，每种成分的优势，避免单一材料的局限性避免单一材料的局限性 返回 物理气相沉积物理气相沉积(PVD: Physical Vapo
12、r Deposition)指的是利用某些物指的是利用某些物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时表面原子的溅射等理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜物质的可控的原子转移过程。这种薄现象，实现物质从源物质到薄膜物质的可控的原子转移过程。这种薄膜制备方法相对于化学气相沉积方法而言，具有以下几个特点膜制备方法相对于化学气相沉积方法而言，具有以下几个特点 -要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质； -源物质要经过物理过程进入气相源物质要经过物理过程进入气相; -需要相对较低的气体压力环
13、境需要相对较低的气体压力环境; -在气相中及衬底表面不发生化学反应。在气相中及衬底表面不发生化学反应。 物理气相沉积中最为基本的方法就是物理气相沉积中最为基本的方法就是蒸发法蒸发法和溅射法。在薄膜沉和溅射法。在薄膜沉积技术发展的最初阶段，由于蒸发法相对于溅射法具有一些明显的优积技术发展的最初阶段，由于蒸发法相对于溅射法具有一些明显的优点，包括较点，包括较高的沉积速度高的沉积速度，相对较高的真空度相对较高的真空度，以及由此导致的较高，以及由此导致的较高的薄膜质量等，因此蒸发法受到了相对较大的重视。但是另一方面，的薄膜质量等，因此蒸发法受到了相对较大的重视。但是另一方面，溅射法也具有自己的一些优势
14、，包括在沉积多元合金薄膜时化学溅射法也具有自己的一些优势，包括在沉积多元合金薄膜时化学成分成分容易控制容易控制，沉积层对于衬底的，沉积层对于衬底的附着力较好附着力较好等。同时，现代技术对于合等。同时，现代技术对于合金薄膜材料的需求也促进了各种高速溅射方法以及高纯靶材，高纯气金薄膜材料的需求也促进了各种高速溅射方法以及高纯靶材，高纯气体制备技术的发展，这些都使溅射法制备的薄膜的质量得到了很大的体制备技术的发展，这些都使溅射法制备的薄膜的质量得到了很大的改善。如今，不仅上述两种物理气相沉积方法已经大量应用于各个技改善。如今，不仅上述两种物理气相沉积方法已经大量应用于各个技术领域之中，而且为了充分利
15、用这两种方法各自个特点，还开发了许术领域之中，而且为了充分利用这两种方法各自个特点，还开发了许多介于上述两种方法之间的性的薄膜沉积技术。多介于上述两种方法之间的性的薄膜沉积技术。物质的热蒸发物质的热蒸发 ( (Thermal Evaporation)Thermal Evaporation)-物质的蒸发速度物质的蒸发速度 在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。只在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。只有当环境中被蒸发物质的分压降低到了它的平衡蒸汽压以下时，才可能有有当环境中被蒸发物质的分压降低到了它的平衡蒸汽压以下时，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面的
16、物质的净蒸发速率应为物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为 MRTppNheA2)(为为0-10-1之间的系数；之间的系数；p pe e和和p ph h分别是该物质的平衡蒸汽压和实际分压分别是该物质的平衡蒸汽压和实际分压; ;NNA A、MM、R R、T T分别为分别为AvogatroAvogatro常数、原子质量、气体常数和绝对温度；由常数、原子质量、气体常数和绝对温度；由于物质的于物质的平衡蒸汽压平衡蒸汽压 随着温度的上升增加很快随着温度的上升增加很快( (呈指数关系呈指数关系) )，因而对物，因而对物质蒸发速度影响最大的因素使蒸发源的温度。以下是三种常用热蒸发方质蒸发速度影响
17、最大的因素使蒸发源的温度。以下是三种常用热蒸发方法法A A 电阻式热蒸发电阻式热蒸发; ;B B 电子束热蒸发电子束热蒸发; ;C C 激光蒸发激光蒸发; ;-薄膜均匀性返回返回-元素的平衡蒸汽压元素的平衡蒸汽压Clausius-ClapeyronClausius-Clapeyron方程指出，物质的平衡蒸汽压方程指出，物质的平衡蒸汽压p p随温度的变化率可随温度的变化率可以定量的表达为以定量的表达为VTHdTdp其中其中H为蒸发过程中为蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化单位摩尔物质的热焓变化，它随温度的不同而，它随温度的不同而不同，而不同，而V为相应过程中物质体积的变化。由于在蒸发时，汽相的为相
18、应过程中物质体积的变化。由于在蒸发时，汽相的体积显著的大于相应的液相或固相，故体积显著的大于相应的液相或固相，故 V近似等于汽相体积近似等于汽相体积V。运运用理想气体状态方程则有用理想气体状态方程则有:2RTHPdTdp作为近似，可以利用物质在该温度的汽化热作为近似，可以利用物质在该温度的汽化热 He来代替来代替 H，从而得从而得到物质蒸汽压的近似表达时到物质蒸汽压的近似表达时 (B为相应的系数为相应的系数)RTHeBep根据物质的蒸发特性，根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式又被分物质的蒸发模式又被分为二种模式为二种模式 一是一是物质在固态情况下，物质在固态情况下，即使是温度达到其熔点即使是温
19、度达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低时，其平衡蒸汽压也低于于10-1Pa。在这种情况下，在这种情况下，要想利用蒸发方法进行要想利用蒸发方法进行物理汽相沉积，就需要物理汽相沉积，就需要将温度提高到其熔点以将温度提高到其熔点以上。大多数金属的蒸发上。大多数金属的蒸发属于这种情况。属于这种情况。二是二是如如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等，在熔点附近的温等，在熔点附近的温度下，固相的平衡蒸汽度下，固相的平衡蒸汽压已经相对较高。这时压已经相对较高。这时可以直接利用由固态物可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的质的升华，实现物质的汽相沉积。汽相沉积。真空蒸发装置真空蒸发装置: 真空蒸发所使用的设备根据目的不
20、同可能有很大的差别，从简单的电阻加热蒸真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。在蒸发沉积装置中，镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下几种最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下几种:A)电阻式加热电阻式加热 这是应用的较多的一种蒸发加热方法。对于电阻材料的要求这是应用的较多的一种蒸发加热方法。对于电阻材料的要求 耐高温、高温下耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率蒸汽压低、不与被蒸发物
21、发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。所以一般是难熔金属所以一般是难熔金属 W、Mo和和Ta等等 将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源。在融化以后、被将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源。在融化以后、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。显然，钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起不浸润，被钨丝螺旋所支撑。显然，钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。到支撑被加热物质的作用。电阻蒸发器的图电阻
22、蒸发器的图。对于钨丝不能加热的物质，如一些材。对于钨丝不能加热的物质，如一些材料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也可以用料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也可以用难熔金属制成的升华用专用容器，这时不仅要考虑加热和支撑，还要考虑被加热物难熔金属制成的升华用专用容器，这时不仅要考虑加热和支撑，还要考虑被加热物质放气时的物质飞溅。质放气时的物质飞溅。 应用各种材料，如高熔点氧化物、高温裂解应用各种材料，如高熔点氧化物、高温裂解BN、石墨、难熔金属等制成的坩埚石墨、难熔金属等制成的坩埚也可以作为蒸发器。这时加热由二种方式，即传统的电阻加热法和
23、高频加热法，前也可以作为蒸发器。这时加热由二种方式，即传统的电阻加热法和高频加热法，前者依靠者依靠缠于坩埚外缠于坩埚外的电阻丝加热，而后者用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线的电阻丝加热，而后者用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。显然，后者要求被加热物或坩埚由一定的导电性。显然，后者要求被加热物或坩埚由一定的导电性。返回返回坩埚式蒸发器结构(袒加热器)电子束加热装置结构(热灯丝释出电子)返回电阻蒸发器外形返回B 电子束加热装置电子束加热装置 电阻加热方
24、法的局限性电阻加热方法的局限性 坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，电阻加热法的加热功率或温度也受到一定的限制。因此不适用于高纯或难电阻加热法的加热功率或温度也受到一定的限制。因此不适用于高纯或难容物质的蒸发。而电子束蒸发正好克服了电阻加热方法的上述不足，因而容物质的蒸发。而电子束蒸发正好克服了电阻加热方法的上述不足，因而成为蒸发法高速沉积高纯物质薄膜的主要的加热手段。成为蒸发法高速沉积高纯物质薄膜的主要的加热手段。 在电子束加热装置中，被加热的物质被放置在水冷的坩埚中，电子束在电子束加热装置中，被加热的物质被放置在水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很
25、小的一部分，而其余的大部分在坩埚的冷却作用下仍处于只轰击到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩埚的冷却作用下仍处于很低的温度，即它实际上成了蒸发物质的坩埚材料。因此电子束蒸发可以很低的温度，即它实际上成了蒸发物质的坩埚材料。因此电子束蒸发可以做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得可以同时或分别对多种不同材料进行蒸发。使得可以同时或分别对多种不同材料进行蒸发。 如图如图，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电场的加速，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电场的加速，并经过横向部置的磁场线圈偏
26、转并经过横向部置的磁场线圈偏转270度后到达被轰击的坩埚处，这样的部度后到达被轰击的坩埚处，这样的部置可以避免灯丝材料对于沉积过程可能造成的污染。置可以避免灯丝材料对于沉积过程可能造成的污染。 电子束蒸发的缺点是电子束能量的绝大部分被坩埚的水冷系统带走，电子束蒸发的缺点是电子束能量的绝大部分被坩埚的水冷系统带走，因而热效率低。因而热效率低。返回C 激光蒸发镀膜激光蒸发镀膜(laser ablation)装置装置 使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸积法。
27、显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般显著高于其它的蒸发方法。显著高于其它的蒸发方法。(传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一，传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一，LA法和溅射镀法和溅射镀膜法在这方面有优势膜法在这方面有优势) 在激光加热方法中，需要采用特殊
28、的窗口材料将在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束激光束引入真空室引入真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。 激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材料，比如近年来研究较多的高温超导材料料，比如近年来研究较多的高温超导材料YBa2Cu3O7等。这种方法也存等。这种方法也存在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜
29、的均匀性的问题。在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。返回Laser Ablation薄膜沉积装置(or Laser deposition可避免EB蒸发的对衬底X-ray损伤)准分子激光(KrF、248nm、2-5J/cm2)返回薄膜沉积的厚度均匀性薄膜沉积的厚度均匀性 在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑膜厚在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑膜厚均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是最容均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是最容易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被认为易
30、进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被认为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为Ae的小球面的小球面上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量Me为为TAetTdAedtMe其中其中T为单位面积的蒸发速率，为单位面积的蒸发速率，dAe为蒸发源表面单元，为蒸发源表面单元，t为时间。在上述为时间。在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底
31、单位面积源到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源dAs上沉上沉积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为度为 24cosrMedAsdMs其中其中为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度，为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度，r是蒸发源于衬底之间的距是蒸发源于衬底之间的距离。由此可以进一步求出物质的质量沉积速度和厚度沉积速度。离。由此可以进一步求出物质的质量沉积速度和厚度沉积速度。 显然，薄膜的显然，薄膜的沉积速度与距离平方成反比沉积速度与距离平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的，并与衬底和蒸发源
32、之间的方向角有关。当方向角有关。当=0，r较小时沉积速率较大。较小时沉积速率较大。 沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的面积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源面积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸计算得出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。均匀性对策之一均匀性对策之一:在同时需要沉积的样品数
33、较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处在同一圆周上时，有在同一圆周上时，有cos=cos=0.5r/r0, 其中其中r0为相应圆周的半径。这时为相应圆周的半径。这时204 rMedAsdMs即使离蒸发源较远的衬即使离蒸发源较远的衬底处于较为有利的空间底处于较为有利的空间角度，而较近的衬底处角度，而较近的衬底处于不利的角度位置，因于不利的角度位置，因而使得薄膜的沉积厚度而使得薄膜的沉积厚度变得与
34、角度无关。利用变得与角度无关。利用衬底转动还可以进一步衬底转动还可以进一步改进蒸发沉积厚度的均改进蒸发沉积厚度的均匀性。匀性。均匀性对策之二均匀性对策之二:当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至有一些较大效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有的部位
35、没有的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状地掩膜，物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状地掩膜，从而实现薄膜地选择性沉积。从而实现薄膜地选择性沉积。物质物质最低蒸发最低蒸发温度温度(C)蒸发源状态蒸发源状态坩埚材料坩埚材料电子束蒸发时沉电子束蒸发时沉积速率积速率nm/sAl1010熔融态熔融态BN2Cr1157升华升华W1.5Cu1017熔融态熔融态石墨，石墨，Al2O35Ge1167熔融态熔融态石墨石墨2.5Au1132熔融态熔融态BN, Al2O33Fe1180熔融态熔融态Al2O35P
36、b497熔融态熔融态Al2O33Mg327升华升华石墨石墨10Mo2117熔融态熔融态-4Pt1747熔融态熔融态石墨石墨2Si1337熔融态熔融态B2O31.5常用常用MEMS物质的蒸发工艺特性物质的蒸发工艺特性返回离子溅射镀膜离子溅射镀膜(sputtering deposition) 另外一种常用薄膜物理汽相沉积方法，它利用带有电荷的离子另外一种常用薄膜物理汽相沉积方法，它利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的极。在离子能量合适的情况下，
37、入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜动能，并且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜沉积。在这个过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的沉积。在这个过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。因而需要对气体放电这一物理现象有所了辉光放电过程密切相关。因而需要对气体放电这一物理现象有所了解。这也是离子刻蚀的基础。解。这也是离子刻蚀的基础。1)辉光放电与辉光放电与等离子体等离子体2)物质的物质
38、的溅射现象溅射现象3)溅射沉积溅射沉积装置装置辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体 溅射的基本过程溅射的基本过程(以以DC作用下的溅射为例作用下的溅射为例)。在下图的真空系统中，靶材是需要溅射。在下图的真空系统中，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。阳极可以为接地的，也可的材料，它作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。阳极可以为接地的，也可以处于浮动电位或处于一定的正负电位。在对系统预抽真空之后，充入适当压力的惰性以处于浮动电位或处于一定的正负电位。在对系统预抽真空之后，充入适当压力的惰性气体，例如气体，例如Ar作为气体放电的载体，压力一般处于作为气体放电
39、的载体，压力一般处于10-1-10Pa的范围内。在正负电极高压的范围内。在正负电极高压的作用下，极间的气体原子被大量电离。电离过程使的作用下，极间的气体原子被大量电离。电离过程使Ar原子变成原子变成Ar+离子和可以独立运动离子和可以独立运动的电子，其中电子飞向阳极的电子，其中电子飞向阳极，而带正电的而带正电的Ar+离子则在高离子则在高压电场的作用下高速飞向作压电场的作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放处其能量。的撞击过程中释放处其能量。离子高速撞击的结果之一就离子高速撞击的结果之一就是相当多的原子获得高能量，是相当多的原子获得高能量，使其可以脱离靶材
40、而飞向衬使其可以脱离靶材而飞向衬底。底。 相对而言，溅射过程比相对而言，溅射过程比蒸发过程要复杂得多，其定蒸发过程要复杂得多，其定量描述也要困难得多。量描述也要困难得多。辉光放电的物理基础辉光放电的物理基础如如图图示直流气体放电系统，电极之间由电动势示直流气体放电系统，电极之间由电动势E的直流电源提供电压的直流电源提供电压V和电流和电流I，并以电阻并以电阻R作为限流电阻。系统中各电参数之间的关系作为限流电阻。系统中各电参数之间的关系V=E-IR使真空容器中使真空容器中Ar的压力保持为的压力保持为1Pa，并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时电极之间几乎没有电
41、流流过。因为这时气体原子大多处于中性状态，只有极时电极之间几乎没有电流流过。因为这时气体原子大多处于中性状态，只有极少数的原子受到高能宇宙射线的激发产生电离，他们在电场的作用下作定向运少数的原子受到高能宇宙射线的激发产生电离，他们在电场的作用下作定向运动，在宏观上表现出很微弱的电流，如图曲线的动，在宏观上表现出很微弱的电流，如图曲线的开始阶段开始阶段。随着电压的升高，。随着电压的升高，电离粒子的运动也随之加快，即放电电流随电压增加而增加。当这部分电离粒电离粒子的运动也随之加快，即放电电流随电压增加而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而升高，即电流达到一个子的速度达到饱和
42、时，电流不再随电压升高而升高，即电流达到一个饱和值饱和值，它取决于气体中原来已经电离的原子数。当电压继续升高时，离子与阴极之间它取决于气体中原来已经电离的原子数。当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加，电子的碰撞开始导致气体分子电离，路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加，电子的碰撞开始导致气体分子电离，同时离子对阴极的碰撞也将产生二次电子发射，这些均导致产生新的离子与电同时离子对阴极的碰撞也将产生二次电子发射，这些均导致产生新的离
43、子与电子，即碰撞过程导致离子与电子数目呈雪崩式的增加。这时，随着放电电流的子，即碰撞过程导致离子与电子数目呈雪崩式的增加。这时，随着放电电流的增加，电压变化不大。这种放电过程叫增加，电压变化不大。这种放电过程叫Townsend discharge。在汤生放电的后在汤生放电的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑，因此这一阶段被称为出现一些跳跃的电晕光斑，因此这一阶段被称为电晕放电电晕放电(Corona discharge)；辉光放电辉光放电(续续) 在汤生放电之后，气体突然
44、发生放电击穿现象在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象(Breakdown)。电路的电路的电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。这时由于气体已经被击穿，电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。这时由于气体已经被击穿，因而气体的内阻将随着电离度的增加而显著下降，放电区由原来的只集因而气体的内阻将随着电离度的增加而显著下降，放电区由原来的只集中与阴极边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段，导电离中与阴极边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段，导电离子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也足够高，因此会产生明显的子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也足够高，因此会产生明显的辉光。辉光。
45、(正常辉光正常辉光放电区放电区) 电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，辉光亮度电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，辉光亮度提高，电流增加的同时电压也开始上升。这时由于放电已扩展至整个电提高，电流增加的同时电压也开始上升。这时由于放电已扩展至整个电极区域以后，再增加电流就需要相应地提高外电压。极区域以后，再增加电流就需要相应地提高外电压。(异常辉光放电区异常辉光放电区)。异常辉光放电区是一般溅射方法常采用地放电形式。异常辉光放电区是一般溅射方法常采用地放电形式。 随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流剧烈随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降
46、，电流剧烈增加。这时，放电现象进入增加。这时，放电现象进入电弧电弧放电区。放电区。返回1返回2溅射现象溅射现象:溅射仅是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。每一种物溅射仅是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。每一种物理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固体表面相互作用过程不同，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸体表面相互作用过程不同，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸如离子注入如离子注入(离子能量离子能量1000keV)、离子的芦瑟福背散射离子的芦瑟福背散射(1MeV)等。等。溅射
47、产额溅射产额溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量和动量溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量和动量转移，从而最终将表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被转移，从而最终将表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被溅射出来的原子数与入射原子数之比，它是衡量溅射效率的一个溅射出来的原子数与入射原子数之比，它是衡量溅射效率的一个参数。它与入射离子参数。它与入射离子能量能量、物质种类、和入射角等因素有关。、物质种类、和入射角等因素有关。只有当入射离子能量超只有当入射离子能量超过一定的阀值以后、才过一定的阀值以后、才会出现被溅射物表面溅会出现被溅射物表面溅射。每一种物质的溅射射。
48、每一种物质的溅射阀值与入射离子的种类阀值与入射离子的种类关系不大、但是与被溅关系不大、但是与被溅射物质的升华热有一定射物质的升华热有一定的比例关系。的比例关系。随着入射离子能量的增随着入射离子能量的增加、溅射产额先是提高、加、溅射产额先是提高、其后能量达到其后能量达到10kev左左右时趋于平缓。其后、右时趋于平缓。其后、当离子能量继续增加时当离子能量继续增加时溅射产额反而下降当溅射产额反而下降当入射离子能量达到入射离子能量达到100kev左右时发生注左右时发生注入入溅射沉积装置溅射沉积装置:主要有以下四种溅射方法主要有以下四种溅射方法 (1)直流溅射直流溅射；(2) 射频溅射射频溅射；(3)磁
49、控溅射磁控溅射；(4)反应溅射反应溅射。 在直流溅射过程中，常用在直流溅射过程中，常用Ar作为工作气体。工作气压是一个重要的参数，作为工作气体。工作气压是一个重要的参数，它对溅射速率以及薄膜质量都具有很大影响。它对溅射速率以及薄膜质量都具有很大影响。 在相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较大，原子的电离过程多发生在在相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较大，原子的电离过程多发生在距离靶材很远的地方，因而离子运动至靶材处的几率较小。同时，低压下电距离靶材很远的地方，因而离子运动至靶材处的几率较小。同时，低压下电子的自由程较长，电子在阳极上消失的几率较大，而离子在阳极上溅射的同子的自由程较长，电子在
50、阳极上消失的几率较大，而离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气体较低而相对较小。这使得低压下的时发射出二次电子的几率又由于气体较低而相对较小。这使得低压下的原子原子电离成为离子的几率很低电离成为离子的几率很低，在低于，在低于1Pa的压力下甚至不易发生自持放电。这些的压力下甚至不易发生自持放电。这些均导致低压条件下溅射速率很低。均导致低压条件下溅射速率很低。 随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率提高。溅射电流增加，溅射速率提高。 但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬
