第8章_气相沉积技术

1、第第8章章 气相沉积技术气相沉积技术8.1 薄膜及其制备方法8.2 真空蒸发镀膜 8.3 溅射镀膜8.4 离子镀8.5 化学气相沉积8.6 分子束外延制膜法思考题思考题l气相沉积薄膜形成的主要步骤是什么？lPVD的基本镀膜技术有哪几种？其原理分别是什么？lCVD和PVD有什么不同处？l什么是分子束外延制膜法？它与真空蒸镀法相比有哪些改进？8.1 薄膜及其制备方法l薄膜的定义薄膜的定义 利用特殊的制备技术在工件（或基体）表面沉积厚度为100nm至数微米的膜层，称为薄膜。8.1 薄膜及其制备方法l薄膜材料的特点薄膜材料的特点：同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材

2、料的物性会受到薄膜厚度的影响；由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大。在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能也影响较大。8.1 薄膜及其制备方法在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着力问题，以及内应力的问题。 薄膜技术可以将各种不同材料灵活地复合在一起，容易实现多层膜。许多情况下，材料功能的发挥和作用发生在材料的表面，所以，材料的特性主要是取决于材料的表面性质，使用功能薄膜材料不仅保护资源而且降低成本，尤其是在需要使用有毒或贵重材料时，可以在别的基体上镀一层有

3、毒或贵重薄膜材料，减少公害。8.1 薄膜及其制备方法l薄膜形成的主要步骤薄膜形成的主要步骤原子或分子撞击到固体表面；原子或分子被固体表面原子吸附或直接反射回空间；被吸附粒子在固体表面发生迁移、扩散、碰撞，形成原子簇团；稳定核长大成小岛，临近的岛合并形成连续膜；稳定核捕获表面扩散原子或靠入射原子的直接碰撞而长大。8.1 薄膜及其制备方法l薄膜的生长模式薄膜的生长模式(a)岛状生长(b)层状生长(c)层状-岛状生长 8.1 薄膜及其制备方法成核阶段 小岛阶段 网络阶段 沟道逐渐被填充8.1 薄膜及其制备方法l薄膜的分类薄膜的分类金属、合金、陶瓷、半导体、化合物、塑料及其他高分子材料等；多晶、单晶、

4、非晶、超晶格、外延等；光学、电子、装饰、防护、力学。8.1 薄膜及其制备方法l薄膜制备过程薄膜制备过程 通过特殊方法，将一种材料（薄膜材料）转移到另一种材料（基底）的表面，形成和基底牢固结合的薄膜的过程。 8.1 薄膜及其制备方法l物理气相沉积物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。l化学气相沉积化学气相沉积:把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。8.2 真空蒸发镀膜 l真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀

5、料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称为真空蒸发镀膜，简称蒸镀。 8.2 真空蒸发镀膜l蒸发镀膜的物理过程蒸发镀膜的物理过程 采用蒸发形式把被淀积的材料由凝聚态转变为气态；蒸发粒子在蒸发源与基片之间的输运；蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜。8.2 真空蒸发镀膜 图8-2 同时蒸发和瞬间蒸发示意图8.2 真空蒸发镀膜8.2 真空蒸发镀膜l真空蒸发设备真空蒸发设备真空镀膜室真空抽气系统8.2 真空蒸发镀膜l蒸发源：蒸发源：加热待蒸发材料并使之挥发的器具。电阻加热电子束加热激光蒸镀高频感应加热 8.2 真空蒸发镀膜l电阻加热法电阻加热法：让大电流通过蒸发源，加热待镀材料，使其蒸发的简单易行

6、的方法。 图8-3 电阻加热蒸发源图8-4 电阻蒸发源的真空蒸镀示意图 1-镀膜室 2-工件 3-金属蒸气流线 4-电极蒸发源 5-电极 6-电极密封绝缘件 7-排气系统 8-交流电源8.2 真空蒸发镀膜l电阻加热蒸发源的特点电阻加热蒸发源的特点优点：结构简单，使用方便，造价低廉；缺点：蒸发源材料会成为杂质污染膜料；加热所能达到的最高温度有限；加热器的寿命也较短。8.2 真空蒸发镀膜l电子束加热电子束加热 用高能电子束直接轰击蒸发物质的表面，使其蒸发。 8.2 真空蒸发镀膜l电子束加热蒸发源的特点电子束加热蒸发源的特点优点：对高、低熔点的膜料都能适用；避免了坩埚材料对膜料的玷污。缺点：化合物部

7、分分解和电离，将对薄膜的结构和物理性能产生影响；体积较大，需要调整地部分也较多。8.2 真空蒸发镀膜l激光蒸镀法激光蒸镀法 采用激光照射在膜料表面，使其加热蒸发。 8.2 真空蒸发镀膜l激光蒸发源的特点激光蒸发源的特点优点：能蒸发任何高熔点材料；简化了真空室内部的空间布置；能实现化合物的蒸发沉积，保证膜的成分；缺点：制作大功率连续式激光器的成本较高。8.2 真空蒸发镀膜l高频感应加热高频感应加热 在高频感应线圈中放入氧化铝和石墨坩埚，蒸镀的材料置于坩锅中，通过高频交流电使材料感应加热而蒸发。8.2 真空蒸发镀膜l高频感应加热的特点：高频感应加热的特点：优点：蒸发速率大；蒸发源温度均匀稳定，不易

8、产生飞溅现象；金属蒸发材料会产生热量；操作简单。缺点：必须采用抗热震性好、高温化学性能稳定的氮化硼坩埚；不能对坩埚进行去气，不易对输入功率进行微调，难以避免坩埚的污染；蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂、昂贵的高频发生器。8.3 溅射镀膜l溅射镀膜溅射镀膜 在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。8.3 溅射镀膜8.3 溅射镀膜图8-7 阴极溅射法原理图8.3 溅射镀膜l溅射镀膜的方式溅射镀膜的方式二极溅射三极（四极）溅射射频溅射磁控溅射反应溅射8.3 溅射镀膜l二极溅射二极溅射8.3 溅射镀膜l二级溅射装置的特点二级溅射装置的特点优点

9、：结构简单，控制方便；缺点：膜层有沾污；沉积速率低；使基片温升过高。8.3 溅射镀膜图8-8 四极溅射装置 l三级三级/四级溅射四级溅射特点：可实现低气压、低电压溅射，放电电流和轰击靶的离子能量可独立调节控制。8.3 溅射镀膜l射频溅射：射频溅射：在射频电源交变电场一个周期内正离子和电子可以交替轰击靶子；气体中的电子在被阳极收集之前，在射频电源交变电场作用下发生振荡，使更多气体电离为等离子体。 8.3 溅射镀膜l磁控溅射磁控溅射 图9-9 平面磁控溅射靶 8.3 溅射镀膜8.3 溅射镀膜l磁控溅射法的特点：磁控溅射法的特点：提高了溅射速率；降低了基片的温度。8.3 溅射镀膜l反应溅射反应溅射

10、在通入的气体中掺入易与靶材发生反应的气体，因而能沉积制得靶材的化合物膜。8.3 溅射镀膜l阴极溅射的特点：阴极溅射的特点：几乎可制造一切物质的薄膜；薄膜与基底的结合力高； 容易得到高熔点物质的膜；所获得的薄膜纯度高，致密性好；容易控制膜的组成；易实现连续化、自动化作业和规模化工业生产；装置较复杂，沉积速率较低，装卸靶不方便，靶的利用率不太高。8.4 离子镀l离子镀离子镀 在真空条件下，借助于一种惰性气体的辉光放电使气体或被蒸发物质部分离化，气体或被蒸发物质离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击的同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。 8.4 离子镀l离子镀原理离子镀原理 图8-9 离子镀原理1-绝

11、缘体 2-基体（阴极）3-高压电极 4-阴极暗区 5-真空罩 6-辉光区 7-蒸发源灯丝（阳极） 8-底板9-灯丝电源 10-高压电源8.4 离子镀8.4 离子镀l离子镀的特点离子镀的特点 结合力高；均镀能力好；被镀基体材料和镀层材料可广泛搭配；工艺无污染。表 主要物理气相沉积方法的特点的比较8.5 化学气相沉积l化学气相沉积法化学气相沉积法 在高温下，把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基片的反应室，使混和气体发生化学反应，并在基体上形成一层薄膜或镀层的方法。 8.5 化学气相沉积l化学反应类型化学反应类型 热分解反应还原反应 氧化反应水解反应氮化反应或氨解反应碳化反应歧

12、化反应合成反应基体反应等离子体激发反应光激发反应激光激发反应8.5 化学气相沉积l化学气相沉积的过程化学气相沉积的过程反应气体扩散至工件表面； 反应气体分子被基材表面吸附； 在基材表面产生化学反应，形核等； 在基片表面留下固体的反应产物薄膜。8.5 化学气相沉积lCVD装置装置反应室供气系统加热系统 8.5 化学气相沉积lCVD加热系统加热系统电阻加热感应加热热辐射加热8.5 化学气相沉积lCVD反应室类型反应室类型立式水平式钟罩式8.5 化学气相沉积8.5 化学气相沉积lPVD和和CVD两种工艺的对比两种工艺的对比 工艺温度 工件清洁度镀层覆盖性成本操作运行安全性8.6 分子束外延制膜法l外

13、延外延 一种制备单晶薄膜的新技术，在适当的衬底上，合适的条件下，沿衬底原来的结晶轴向生成一层晶格结构完整的新单晶层的制膜方法。8.6 分子束外延制膜法l外延法的分类外延法的分类气相外延法液相外延法分子束外延法8.6 分子束外延制膜法l分子束外延技术分子束外延技术 在清洁的超高真空环境下，使具有一定热能的两种或两种以上的分子束流喷射到被加热的衬底上，在衬底表面进行反应生成单晶薄膜的过程。 8.6 分子束外延制膜法l分子束外延装置分子束外延装置工作室分子束喷射源各种监控仪器真空排气系统 8.6 分子束外延制膜法 分子束外延生长分子束外延生长GaAs薄膜的原理图：薄膜的原理图：8.6 分子束外延制膜法l分子束外延法的优点：分子