引言

微纳加工技术作为现代微电子、光电子、MEMS（微机电系统）等领域的基础工艺，其核心环节之一就是薄膜沉积技术。薄膜沉积是指在基底材料表面生长或覆盖一层厚度从几个纳米到几微米的薄膜材料的过程。随着器件尺寸不断缩小、性能要求不断提高，薄膜沉积技术在微纳加工中的重要性日益凸显。本文将系统介绍微纳加工中常见的薄膜沉积技术，分析其原理、特点及应用场景。

一、物理气相沉积（PVD）技术

物理气相沉积是通过物理方法使源材料气化后在基片表面凝结形成薄膜的技术，主要包括蒸发沉积和溅射沉积两大类。

1. 热蒸发沉积

热蒸发是较早开发的薄膜沉积技术之一，其原理是通过加热使源材料蒸发，蒸汽在基片表面冷凝形成薄膜。根据加热方式不同，可分为电阻加热蒸发、电子束蒸发和感应加热蒸发等。

电子束蒸发利用高能电子束轰击源材料局部区域使其蒸发，避免了坩埚污染，适合高熔点材料（如W、Mo等）的沉积。热蒸发技术设备简单、成膜速率高，但薄膜致密度较低，台阶覆盖性差，主要用于对薄膜质量要求不高的场合。

2. 溅射沉积

溅射沉积利用高能粒子（通常为Ar+）轰击靶材，使靶材原子被击出并沉积在基片表面。根据激发方式可分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射等。

磁控溅射通过在靶材表面施加磁场约束电子运动，提高离化效率，具有沉积速率高、基片温度低、薄膜致密等优点。反应溅射则通过在溅射气体中混入反应气体（如N2、O2等），实现化合物薄膜（如TiN、SiO2等）的沉积。溅射技术已成为微纳加工中应用广泛的PVD方法，可用于沉积金属、合金、氧化物等多种材料。

二、化学气相沉积（CVD）技术

化学气相沉积是通过气相前驱体在基片表面发生化学反应形成固态薄膜的技术。CVD技术具有台阶覆盖性好、薄膜组分可控等优势。

1. 常压CVD（APCVD）与低压CVD（LPCVD）

APCVD在常压下进行，设备简单但薄膜均匀性较差。LPCVD在低压（0.1-10Torr）下工作，反应物扩散增强，可获得均匀性更好的薄膜，是沉积多晶硅、氮化硅等微纳器件关键材料的常用方法。

2. 等离子体增强CVD（PECVD）

PECVD利用等离子体活化反应气体，显著降低沉积温度（可低至200-300℃），使其能与CMOS工艺兼容。通过调节射频功率、气压等参数可调控薄膜应力，在微纳加工中广泛用于SiO2、SiNx等介质层的沉积。

3. 原子层沉积（ALD）

ALD是一种自限制的表面反应工艺，通过交替通入不同前驱体实现单原子层级别的控制。虽然生长速率较慢，但具有很好的三维共形性、均匀性和厚度控制精度，特别适合高深宽比结构（如DRAM电容、3D NAND等）的薄膜沉积。新兴的ALD技术还包括空间ALD（Spatial ALD）等变体，可显著提高沉积速率。

三、外延生长技术

外延生长是指在单晶衬底上延续其晶格结构生长单晶薄膜的过程，对于高性能半导体器件至关重要。

1. 分子束外延（MBE）

MBE在真空环境下进行，通过精确控制分子束流强度和时间，可实现原子级平整的界面和精确的组分控制，广泛用于III-V族化合物半导体、量子阱、超晶格等低维结构的生长。

2. 金属有机CVD（MOCVD）

MOCVD利用金属有机化合物作为前驱体，生长温度介于MBE和常规CVD之间，适合大规模生产。通过调节V/III比等参数可控制薄膜结晶质量，是GaN基LED、HEMT等光电子器件的主流外延技术。

四、薄膜沉积技术的发展趋势

随着器件特征尺寸进入纳米尺度，薄膜沉积技术面临新的挑战和发展机遇：

低温沉积工艺：为减少热预算，避免已形成结构的损伤，低温沉积技术（如等离子体辅助ALD）日益重要。

新型材料沉积：二维材料（如石墨烯、TMDs）、高k介质、铁电材料等新型功能材料的可控沉积成为研究热点。

大面积均匀性：显示面板、光伏等领域对大尺寸基板（如G10.5代线）上薄膜均匀性提出更高要求，推动了线性源溅射、卷对卷沉积等技术的发展。

智能化控制：结合原位监测（如椭偏仪、石英晶体微天平）和人工智能算法，实现沉积过程的实时优化与缺陷检测。

结语

微纳加工中的薄膜沉积技术已发展出丰富的方法体系，各种技术各有优势与适用场景。在实际生产中，往往需要根据材料特性、器件结构、工艺兼容性等要求选择合适的沉积方法。未来，随着新材料、新结构的不断涌现，薄膜沉积技术将继续向原子级精确控制、低温高效、大面积均匀等方向发展，为微纳器件性能提升和功能创新提供坚实支撑。