第八章气相沉积技术1

1、第八章 气相沉积技术气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。8.1 物理气相沉积过程及特点 物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其电离成离子，直接沉积到基片（工件）表面形成固态薄膜的方法。 PVD主要包括蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜技术。PVD的物理原理块状材料 (靶材)薄膜薄膜物质输运物质输运能量输运能量输运能量衬底以气态方式进行以气态方式进行气态气态8.1.1 物理气相沉积基本过程“物理气相沉积物理气相沉积” 通常指满足下面三个步骤通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术的一类薄

2、膜生长技术:1.所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体2.生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底3.蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜 1、气相物质的产生 1）使镀料加热蒸发，沉积到基片上，称为蒸发镀膜；2）用具有一定能量的离子轰击靶材（镀料），从靶材上击出的镀料原子沉积到基片上，称为溅射镀膜。 2、气相物质的输送 气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为了避免与气体碰撞妨碍气相镀料到达基片。在高真空度的情况下，镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀料源直线前进到达基片；在低真空度

3、时，镀料原子会与残余气体分子发生碰撞而绕射，但只要不过于降低镀膜速度，还是允许的；若真空度过低，镀料原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，则镀膜过程无法进行。 3、气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。镀料原子在沉积时，还可能与其他活性气体分子发生化学反应而形成化合物膜，称为反应镀。在镀料原子凝聚成膜的过程中，也可以同时用具有一定能量的离子轰击膜层，目的是改变膜层的结构和性能，这种镀膜技术称为离子镀。8.1.2 物理气相沉积的特点 1）镀膜材料来源广泛 2）沉积温度低 3）膜层附着力强：膜层厚度均匀而致密，膜层纯度高。 4）工艺过程易于控制：主要通

4、过电参数控制。 5）真空条件下沉积：无有害气体排出，对环境无污染。8.2 真空蒸发镀膜 真空蒸发镀膜简称蒸镀，在10-310-4Pa的真空条件下，用蒸发器加热镀膜材料，使其气化并向基片输送，在基片上冷凝形成固态薄膜的方法。相对后来发展起来的溅射镀膜及离子镀膜，其设备简单，沉积速度快，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产。8.2.1 蒸发镀膜基本原理 1、蒸发镀膜过程 镀料的蒸发过程是其液体或固态间的非平衡过程；镀料蒸气在真空中的迁移过程，则可看成气体分子的运动过程；而镀料在基片表面的凝聚过程，则是气体分子与固体表面碰撞、吸附和形核长大的过程。 2、成膜机理 真空蒸镀时，薄膜的生长有三种基本

5、类型：核生长型、单层生长型和混合生长型。核生长型是蒸发原子在基片表面上形核并生长、合并成膜的过程，大多数薄膜沉积属于这种类型；单层生长型是在基片表面以单分子层均匀覆盖，逐层沉积形成膜层；混合生长型是在最初的一两个单原子层沉积之后，再以形核与长大的方式进行，一般在清洁的金属表面上沉积金属时容易产生。单层生长型衬底衬底衬底混合生长型核生长型薄膜生长类型 核生长型薄膜的形成过程，认为可分以下五个步骤： 1）从蒸发源射出的蒸发粒子和基片碰撞，一部分产生反射和再蒸发，大部分在基片表面被吸附； 2）吸附原子在基片表面上发生表面扩散，沉积原子之间产生二维碰撞，形成原子簇团。 3）原子簇团和表面扩散原子相互碰

6、撞，或吸附单原子，或放出单原子，这种过程反复进行，当原子数超过某一临界值时就变成稳定晶核。 4）稳定晶核通过捕获表面扩散原子或靠入射原子的直接碰撞而长大。 5）稳定晶核继续生长，和临近的稳定核合并，进而变成连续膜。SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子团簇原子团簇岛岛薄膜薄膜热运动热运动8.2.2 蒸发源 1、电阻加热蒸发源 将高熔点金属做成适当形状的蒸发源，其上装有镀料，接通电源后镀料蒸发，这便是电阻加热蒸发源。 电阻蒸发源的结构简单，成本低廉，操作方便，应用广泛。 电阻蒸发源材料的基本要求 高熔点，低蒸气压，不与镀料发生反应，具有一定

7、的机械强度，易于加工成形。 2、电子束蒸发源 将镀料放入水冷铜坩埚中，用电子束直接轰击镀料表面使其蒸发，称为电子束蒸发源。 按电子束的轨迹不同，有直射式、环形枪和e型电子枪。 电子束加热蒸发源的优点是能量密度高，克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制备高熔点和高纯度的薄膜材料。 电子是由隐蔽在坩埚下面的热阴极发射出来的，这样可以避免阴极灯丝被坩埚中喷出的镀料液滴沾污而形成低熔点合金，这种合金容易使灯丝烧断。由灯丝发射的电子经610kV的高压加速后进入偏转磁铁，被偏转270之后轰击镀料。由于镀料装在水冷铜坩埚内，只有被电子轰击的部位局部熔化，所以不存在坩埚被污染的问题。8.2.3 合金膜和

8、化合物膜的制备 1、合金膜的镀制 1）瞬间蒸发法：又称闪蒸法。是将合金做成粉末或者细的颗粒，再一粒一粒地放入高温蒸发源中，使之一瞬间完全蒸发，这样可获得与镀膜材料相同的薄膜。 2）双蒸发源蒸发法：采用两个蒸发源，分别蒸发两个组成，并分别控制它们的蒸发速率，即可得到所需成分的合金。 2、化合物膜的镀制 化合物膜通常是指金属元素与氧、碳、氮、硼、硫等非金属的化合物所构成的膜层。 1）直接蒸镀法：主要适于那些蒸发时组成不发生变化的化合物。 2）反应蒸镀法：是在充满活性气体的条件下蒸发固体材料，使之在基片上进行反应获得化合物薄膜的方法。8.2.4 真空蒸镀工艺 一般，非连续蒸镀的工艺流程为：镀前准备抽

9、真空离子轰击烘烤预热蒸发取件镀后处理检测成品。1.镀前准备包括工件清洗、蒸发源制作和清洗、真空室和工件架清洗、安装蒸发源、膜料清洗和放置、装工件等。2.基片和膜料预处理 蒸镀室抽真空至103102Pa，加热基片以去除水分，并使基片（工件）表面吸附的气体脱附、排出真空室，目的是提高镀膜室真空度、膜层纯度和膜基结合力。再接通蒸发源，加热膜料，先输入较低功率，使膜料脱水、脱气。然后输入较大功率，将膜料迅速加热到蒸发温度。蒸发源材料要求具有高熔点、低蒸气压、在蒸发温度下不会与膜料发生化学反应或互溶，以及定的机械强度。3.蒸镀 蒸镀时，除了应保持适当的基片温度、膜料蒸发温度外，沉积气压（镀膜室的真空度）

10、也是一个非常重要的参数，它决定了蒸镀空间气体分子运动的平均自由程和一定蒸发距离（源物质到基板表面）内蒸气与粒子之间的碰撞次数。4.取件 达到要求的膜层厚度以后，用挡板盖住蒸发源并停止加热，继续在真空条件下冷却至100左右，方可停止抽气。然后导入空气，取出镀件。主要是为了防止薄膜、剩余膜料及电阻、蒸发源等被氧化。5.后处理 对质地较软和易氧化变色的薄膜如铝膜，需要涂敷面漆加以保护。8.3 溅射镀膜 溅射镀膜是指在真空室中，利用高荷能粒子（通常是由电场加速的正离子）轰击材料表面，通过粒子的动量传递打出材料中的原子及其他粒子，并使其沉积在基体上形成薄膜的技术。 溅射镀膜可实现大面积、快速地沉积各种功

11、能薄膜，并且镀膜密度高，附着性好。 溅射镀膜有两种： 一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。 离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。 另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基片上。 8.3.1溅射镀膜原理及特点 1、溅射现象 当荷能粒子轰击固体表面时，固体表面的原子、分子与这些高能粒子交换动能，从而由固体表面飞溅出来，这种现象称为溅射。+Al靶Al膜2、溅射沉积薄膜原理、溅射沉积薄膜原理阳阳阴阴避免金属原子氧化

12、真空Ar气Ar+Al膜与硅片之间的结合力比蒸发法要好Al靶 3、溅射速率 入射一个离子所溅射出的原子个数称为溅射率或溅射产额，单位是原子个数离子。溅射率越大，成膜速率越高。一般认为，溅射率主要与以下三个因素有关。（1）入射离子 溅射率与入射离子的能量、入射角、靶原子质量与入射离子质量之比、入射离子的种类等有关。轰击离子的质量越大，溅射率越大。轰击离子在元素周期表中所处的位置不同，溅射率不同。离子轰击所得的溅射率的峰值依次为氖、氩、氪、氙、汞，因此，生产中常以容易得到的氩离子作为溅射的气体离子源。 入射离子的能量降低时，溅射率会迅速下降；当低于某个值时，溅射率为零，这个能量值称为溅射的阈射能量。

13、对于大多数金属，溅射阈值在2040eV范围内。当轰击离子能量达到阈值后，随着轰击离子能量增加，溅射率先迅速增大，随后增大幅度逐渐变小，达到最大值后，呈下降趋势。 （2）靶材 溅射率与靶材的原子序数、靶材表面原子的结合状态、结晶取向、靶材的本质（是纯金属、合金或化合物）等有关。溅射率随靶材原子序数的变化呈周期性变化，靶材原子d壳层电子填满得愈多，溅射率愈大。即铜、银、金等最高，而钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨等则较低。（3）温度 在与升华能密切相关的某一温度内，溅射率几乎不随温度变化而变化。当温度超过这一范围时，溅射率迅速增加。 此外，随轰击离子入射角的增大，溅射率先增加后减少，直至为零，在入射角为

14、7080时，溅射率达到峰值。在低压时，溅射率与压力值无关。当溅射气体的压力较高时，溅射率则随压力增大而减小。 4、辉光放电辉光放电是在10210Pa真空度范围内，在两个电极之间加上高压时产生的放电现象，它是溅射过程中产生荷能离子的源。由于气体放电时的电离系数较高，因而了产生较强的激发、电离过程，所以可以看到辉光。 辉光放电产生的正离子撞击阴极，把阴极的原子或分子打出来，飞向基片，这就是一般的溅射法。如果施加的是交流电，并且频率增高到50kHz以上的射频，所产生的辉光放电称为射频辉光放电，射频辉光放电引起的溅射称为射频溅射，又叫RF溅射。 5、溅射镀膜的特点1.靶材广泛 任何材料都能溅射成膜，包

15、括高熔点、易分解的金属、合金或化合物膜层，是各类物理气相沉积方法中最容易控制合金膜组分的方法。2.阴极溅射 除离子束溅射外，其他溅射都在等离子体中进行，靶材（膜料、源物质）带负偏压。3.薄膜质量高 基板温度低，变形小，膜层受等离子体损伤较小。膜层厚度均匀，与基体结合强度高。4.成膜面积大 可进行较大面积镀膜，适宜镀膜玻璃等产品的自动化连续生产。5.绕射性差 膜层质量与靶材的相对位置有关，面对靶材方向的部位沉积的膜层质量较高。8.3.2 溅射镀膜方法 1、直流溅射 阴极上接15kV的直流负高压，阳极通常接地。 这种装置的最大优点是：结构简单，控制方便。 缺点有： 因工作压力较高膜层有沾污； 沉积

16、速率低不能镀10m以上的膜厚； 由于大量二次电子直接轰击基片使基片温升过高。 2、射频溅射 射频是指无线电波发射范围的频率 为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHk。 在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。射频溅射工作原理 射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上，似乎没有阴极与阳极之分了。 实际上射频溅射装置的两个电极不是对称的。放置基片的电极与机壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。 另一电极对于等离子体处于负电位，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。 其缺点：是大

17、功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。 3、磁控溅射 在阴极靶面上建立一个环状磁靶，以控制二次电子的运动，离子轰击靶面所产生的二次电子在阴极暗区被电场加速之后飞向阳极。 能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极（基片）上，这是基片温升低、损伤小的主要原因。 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等离子体的轰击。电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大增加。 4、反应溅射 反应溅射是指在金属靶材进行溅射镀膜的同时，向真空室内通入活性反应气体，使金属原子与反应气体在基片上发生化学反应，从而获得化合物膜。 反应溅射可采用直流二极溅射和射频溅射两种方法。8.3.3 合金膜和化合物