PVD和CVD無機(jī)薄膜沉積方式大全

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Physical Vapor Deposition (PVD)

Physical Vapor Deposition (PVD) 亦稱為物理氣象沉淀技術(shù)。該技術(shù)在真空條件下，通過先將材料源（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)。

PVD 沉積流程可以粗略的被分為鍍料的汽化、鍍料的遷移和鍍料的沉積三個(gè)部分。

PVD 沉積過程

根據(jù)工藝的不同，PVD 可以進(jìn)一步分為真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍膜、離子鍍膜和分子束外延等。

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真空蒸鍍(Vacuum Evaporation)

真空蒸鍍(Vacuum Evaporation)是指在真空條件下，使金屬、金屬合金或化合物蒸發(fā)，然后沉積在基體表面上的工藝。

比較常用的蒸發(fā)方法為電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱或用電子束、激光束以及離子束高能轟擊鍍料等。

VE 簡要設(shè)備原理圖

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濺射鍍膜(Vacuum Sputtering)

濺射鍍膜(Vacuum Sputtering)基本原理是充氬(Ar)氣的真空條件下，使氬氣進(jìn)行輝光放電，這時(shí)氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar+)，氬離子在電場(chǎng)力的作用下加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會(huì)被濺射出來而沉積到工件表面。

根據(jù)采用電流的不同，該工藝可以進(jìn)一步分為采用直流輝光放電的直流(Qc)濺射、采用射頻(RF)輝光放電的射頻濺射以及磁控(M)輝光放電引起的稱磁控濺射。

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電弧等離子體鍍膜

電弧等離子體鍍膜基本原理是在真空條件下，用引弧針引弧, 使真空金壁(陽極)和鍍材(陰極)之間進(jìn)行弧光放電，陰極表面快速移動(dòng)著多個(gè)陰極弧斑，不斷迅速蒸發(fā)，使之電離成以鍍料為主要成分的電弧等離子體，并能迅速將鍍料沉積于基體。因?yàn)橛卸嗷“?，所以也稱多弧蒸發(fā)離化過程。

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離子鍍

離子鍍基本原理是在真空條件下，采用某種等離子體電離技術(shù)，使鍍料原子部分電離成離子，同時(shí)產(chǎn)生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負(fù)偏壓。這樣在深度負(fù)偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。

PVD技術(shù)不僅能用于金屬膜和合金膜的沉積，還可以用于沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體和聚合物膜等材料。

在顯示屏生產(chǎn)中，真空蒸鍍PVD技術(shù)被用于沉積活潑的金屬電極和在用FMM工藝的AMOLED中沉積小分子的HIL/HTL/EML/ETL/EIL 等，而磁控濺射PVD技術(shù)被用于Al、Cr、Ta、Mo等金屬上以及像素電極的透明ITO上。

磁控濺射與其他鍍膜方式比較

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Chemical Vapor Evaporation (CVD)

Chemical Vapor Evaporation (CVD) 為化學(xué)氣象沉積，是指高溫下的氣相反應(yīng)。例如，金屬鹵化物、有機(jī)金屬、碳?xì)浠衔锏鹊臒岱纸?，氫還原或使它的混合氣體在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以析出金屬、氧化物、碳化物等無機(jī)材料的方法。

該工藝主要是指在較高溫度下的氣相反應(yīng)，并廣泛用于耐熱物質(zhì)圖層、高純度金屬的制作和半導(dǎo)體薄膜制作中。

CVD 工藝主要包括五種基本的化學(xué)反應(yīng)過程，如：

丨高溫分解

丨光分解

丨還原反應(yīng)

丨氧化反應(yīng)

丨氧化還原反應(yīng)

CVD 反應(yīng)物質(zhì)源根據(jù)其常態(tài)下相態(tài)的不同，又可以進(jìn)一步可以為：

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氣態(tài)物質(zhì)源

在室溫下呈氣態(tài)的物質(zhì)(H2、N2、CH4 和Ar 等)。采用氣態(tài)物質(zhì)源時(shí)，因?yàn)橹恍枰昧髁坑?jì)來控制反應(yīng)氣體的流量，而不要控制溫度，大大簡化了涂層設(shè)備系統(tǒng)。

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液態(tài)物質(zhì)源

在室溫下成液態(tài)的反應(yīng)物質(zhì)，比如TiCl4、CH3CN、SiCl4和BCl3等。在采用液態(tài)物質(zhì)源源時(shí)通過控制載氣和加熱溫度來控制液態(tài)物質(zhì)源進(jìn)入沉積室的量。

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固態(tài)物質(zhì)源

在室溫下為固態(tài)的物質(zhì)，比如AlCl、NbCl5、TaCl5、 ZrCl5 和HfCl4 等。因?yàn)樵擃愇镔|(zhì)需要在較高的溫度下才能升華出需要的蒸汽量，則在使用該類工藝時(shí)需要對(duì)加熱溫度和在載氣量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

可用CVD 成膜的材料和氣體源

根據(jù)工藝溫度、壓力和原理的不同，CVD又可以再進(jìn)一步被細(xì)分為多個(gè)子項(xiàng)。因?yàn)樵贔DP 生產(chǎn)中玻璃耐溫性有限，則在Display生產(chǎn)中主要采取的是PECVD工藝去制作含Si層, 比如a-Si、SiO2 和SiNx。

Display制造中幾種CVD技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

PECVD原理是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體。而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。

為了使化學(xué)反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)行，利用了等離子體的活性來促進(jìn)反應(yīng)，因而這種CVD稱為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)。

在Display的制作中，PECVD主要用于制作a-Si的成膜、柵極絕緣膜和保護(hù)膜。

PECVD 成膜機(jī)理

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SiNx 絕緣膜

通過SiH4、N2和NH3混合氣體作為反應(yīng)氣體，通過輝光放電生成等離子在襯底上成膜。

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Si:H

SiH4氣體在反應(yīng)腔體中通過輝光放電，經(jīng)過一些列初級(jí)和次級(jí)反應(yīng)生成離子和子活性團(tuán)等較為復(fù)雜的反應(yīng)產(chǎn)物，最終生產(chǎn)a-Si:H薄膜沉積在基板上，其中直接參與成膜生長的是一些中性產(chǎn)物，比如SiHn(n:0~3)。

在薄膜生長時(shí)，如果采取1 次成膜工藝，則在薄膜生長過程中的缺陷會(huì)沿著成膜方向不斷生長，從而暴露在表面。

同時(shí)因?yàn)榈退俪赡さ娜毕荼雀咚俪赡と毕萆?，所以為了在Bottom Gate機(jī)構(gòu)中得到致密的a-Si:H薄膜(假設(shè)2000?)可以通過先低速生長300?，再高速生長1700?，其中300?作為TFT溝道(部分由第一步產(chǎn)生的缺陷會(huì)被第二步覆蓋掉)。兩步成膜法亦可以用于絕緣層的制作。

幾種PECVD 制備的薄膜

TFT-array 各層膜氣體

AKT 15K PECVD 設(shè)備簡明圖

Atomic Layer Deposition (ALD)

ALD (Atomic Layer Deposition) 可以算為CVD的一種，是將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)器，并在沉積基底上化學(xué)吸附并反應(yīng)以生產(chǎn)二元化合物薄膜的方法。

該過程與一般的CVD過程類似，但是在ALD中原子層沉積的表面反應(yīng)存在自限制性，即化學(xué)吸附自限制(CS)和順次反應(yīng)自限制(RS)，新一層原子膜的化學(xué)反應(yīng)是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只沉積一層原子。

除去自限制外，在ALD制程中還需要讓母體材料在反應(yīng)到一定程度后分離以控制反應(yīng)程度和最終成膜厚度。

在分離時(shí)，通過突然充入大量的分離氣體(Ar or N2)以除去腔體中過量的反應(yīng)母體和反應(yīng)所產(chǎn)生的副產(chǎn)物。由此保證薄膜能有序且定量地在基底上沉淀。

適用于ALD 制作的薄膜

與其他無機(jī)成膜方式相比,ALD 的優(yōu)點(diǎn)是：

丨成膜均勻性好；

丨薄膜密度高

丨臺(tái)階覆蓋性好

丨可以實(shí)現(xiàn)低溫沉積(T: 50℃~500 ℃)

但是其較低的沉積速率限制了其在工業(yè)流水線生產(chǎn)上廣泛的運(yùn)用。在Display 生產(chǎn)中其可以用于沉積致密的Al3O2薄膜，并結(jié)合其他功能層實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的封裝。

審核編輯 ：李倩