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薄膜通常是指从几纳米到几微米的薄层材料，既可保持与体材料相同的基本物理化学性质，也可能具有与体材料制备方法及性能显著不同的特点。根据不同功能、不同物相结构，可选择不同薄膜制备工艺。
薄膜制备工艺按照成膜原理可分为两大类：PVD和CVD。其中，PVD技术具有工艺过程相对简单、对环境无污染、耗材少、薄膜均匀致密、与衬底结合力强等特点，常用的方法有热蒸发、电子束蒸发、分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）和磁控溅射。CVD技术具有组分与晶态易于控制、台阶覆盖特性好、参与沉积的前体反应物多，以及可选择性强等特点，主要分为PECVD、LPCVD、金属有机化合物化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）、ALD。各方法特点如下。
（1）热蒸发：在真空室中，加热置于坩埚中的蒸发材料，使其熔化、蒸发。操作方法简单易行，但不易准确控制薄膜厚度和均匀性，不适用于高熔点金属薄膜制备，常用于沉积Al、钛（Ti）、In等金属。
（2）电子束蒸发：电子束蒸发作为真空蒸发镀膜的主流技术，与电阻的固体传输电流不同，它是真空中输运的电子流，在其进入蒸发物时，瞬间直接转化为热运动能，减少能量损耗。常用于沉积包括难熔金属及氧化物在内的各种材料，例如铬（Cr）、Ti、Au、铂（Pt）、锗金合金（GeAu）、镍（Ni）、SiO 2 、二氧化钛（TiO 2 ）、二氧化锆（ZrO 2 ）等。
（3）MBE：通过高真空下将材料源加热产生的分子束直接沉积在衬底上，MBE能够实现单原子层或单分子层的精确控制，用于制备高质量的晶体薄膜。
（4）磁控溅射：磁控溅射技术将等离子体、真空、高纯气体、高纯材料等结合，是PVD领域中应用最为普遍的沉积技术。磁控溅射技术可在各种材料衬底上，沉积均匀性、致密性良好的不同类型薄膜，例如Ni、钽（Ta）、铁镓合金（FeGa）、B、Cr、Au、Si、铌（Nb）、氮化铌（NbN）等。
（5）PECVD：PECVD引入了等离子体，提高了反应前驱体的活性，可降低化学活性较低的化合物的反应温度。例如，以四乙氧基硅烷（tetraethyl orthosilicate，TEOS）前驱体和一氧化二氮（N 2 O）反应制备SiO 2 薄膜，普通CVD工艺需要700℃以上的衬底温度，而PECVD可将衬底温度降低至300～400℃。常用于沉积SiO 2 、Si 3 N 4 薄膜等。
（6）LPCVD：LPCVD是一种低压化学气相沉积法，多用于SiO 2 、Si 3 N 4 、多晶硅的沉积。工艺过程通常在炉管反应器中进行，需要较高的温度，具有薄膜纯度高、均匀性好、生产效率高等特点。
（7）MOCVD：利用金属有机前驱体和气相反应将薄膜沉积在衬底上。广泛应用于半导体器件制备，特别是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，如GaAs和InP等。MOCVD具有高度的沉积控制和薄膜均匀性，可实现多层结构的生长。
（8）ALD：其基本特点是周期性地将原子一层一层沉积在基片上，因此可在保证超薄膜厚度精确控制的同时，降低薄膜的缺陷密度。ALD多应用于氧化物、氮化物的化合物超薄膜沉积。
这些技术在沉积机理、适用性、高温或低温操作、沉积速率、设备成本以及目标薄膜的性能方面各有不同，需要根据特定应用的要求选择合适的技术。
几种常见沉积设备的照片如图3-1所示。
图3-1 几种常见的镀膜设备
（a）ALD（型号：R-200 Advanced）；（b）PECVD（型号：Plasmapro100PECVD180）；（c）电子束蒸发系统（型号：PVD200）；（d）磁控溅射仪（型号：PVD75）。
薄膜生长过程受到多种因素的影响，这些因素共同决定了薄膜的微观结构、形貌、厚度、成分以及宏观性能。理解并控制这些因素对于设计并制备出具有预期特性的薄膜至关重要。
（1）沉积方法：不同的沉积技术具有不同的能量传递机制、生长速率和生长环境，影响薄膜的结构和成分。
（2）衬底材料：衬底的材料类型（如金属、半导体、绝缘体等）及其与沉积材料间的化学相容性直接影响薄膜的成核和生长方式。
（3）衬底表面状况：衬底的表面粗糙度、清洁度、化学状态和晶格参数对薄膜的初始成核及后续生长行为有显著影响。预处理如清洗、加热和等离子体处理可显著改变薄膜的生长。
（4）沉积温度：沉积过程中衬底的温度影响薄膜生长的动力学过程。较高的温度有助于原子扩散和再结晶，可能导致薄膜致密和结晶性更好，但也可能引起某些不希望的相变或衬底损伤。
（5）沉积速率：沉积速率影响原子在衬底上的扩散时间和薄膜生长模式。快速沉积可能导致非平衡态结构，而慢速沉积更有助于获得平滑且紧密排列的膜层。
（6）环境气压和组成：在CVD、PVD或ALD等过程中，反应腔内的总压力以及反应气体的种类和比例对薄膜的成分、成核密度和生长速率有显著影响。
（7）其他因素
①离子/原子助长工艺：如离子辅助沉积（ion assisted deposition，IAD）可以改变薄膜的微观结构和生长动力学。
②外部能量源：例如激光、电子束或等离子体的使用可为薄膜生长提供额外的能量，促进原子移动和化学反应。
③薄膜与衬底间的晶格匹配程度：晶格失配度过大可能导致薄膜生长过程中产生应力，影响薄膜的结构稳定性。
④杂质和缺陷：杂质元素和衬底，以及薄膜内部的缺陷如位错、孔洞等也会影响薄膜的生长和最终性能。
通过精准地控制上述因素，可以精确调控薄膜的生长过程，制备出满足特定应用要求的薄膜材料。
由于薄膜沉积技术涉及多种材料、多种手段和多种参数，是一个复杂的体系，因此，接下来分别介绍集成电路工艺制造中涉及的几种常见的沉积技术，如磁控溅射沉积技术、电子束蒸发技术、LPCVD、PECVD、电感耦合等离子体化学气相沉积（inductively coupled plasma chemical vapour deposition，ICPCVD）和ALD的工作原理及实践操作规范。