物理气相沉积(PVD)

1、 缩写为：缩写为：；u通常用于沉积薄膜和涂层通常用于沉积薄膜和涂层 沉积沉积；u一类一类的成膜技术，从装饰涂层到的成膜技术，从装饰涂层到各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以及它们的相关工业工程。及它们的相关工业工程。（）、（）和和等。等。 1.衬底加热器；衬底加热器；2.衬底；衬底；3. 原料；原料；4.料舟料舟，沉积，沉积；制制，可用于，可用于；可可，可对薄，可对薄膜生长过程和生长膜生长过程和生长。 膜膜，还可，还可；，膜与基片的，膜与基片的。( (淀积材料的淀积材料的) )：SVSV；蒸发源蒸发源基片上；基片上； VS VS ；淀积粒子在基片上重

2、新排列或键合淀积粒子在基片上重新排列或键合。积分：积分： VTLdTdPv RT，PVVVV、1 汽汽液液固固汽汽2RTPLdTdPV TRLApV1ln （1）（2）图图8.2.2 几种材料的蒸气压几种材料的蒸气压温度曲线温度曲线 热平衡条件下，热平衡条件下，。 （1/cm2s） 成立条件：成立条件：S几个几个cm2，且，且P1PaMTPmkTPnNe2210513. 3241 (3)205.833 10/eeMGCmNCNPM TN (g/cm2s) (4) 与系统的与系统的有关有关 设：设：a. 忽略碰撞，直线运动；忽略碰撞，直线运动； b. rA 24cosrANNea (1/cm2s

3、) (5) 2coscosrANNed (1/cm2s) (6) 、为蒸气入射方向分别与蒸发为蒸气入射方向分别与蒸发表面和接收表面法向的夹角表面和接收表面法向的夹角 。图图8.2.3 、 角的意义角的意义时间内，蒸发材料的总量：时间内，蒸发材料的总量：m =ANe，密度：密度： 膜厚：膜厚： 令：令： ， 在在x=0处：处：cos =cos =122coscos44aeNANmtrr 2coscosrmt （7）（8）22/coscosxhhrh 204hmt 20hmt (点源点源) (9) (面源面源) (10) (9) 代入代入(7)，可得，可得 ： 3302222cos44cosrht

4、rhhmrmt 2/320)/(1 hxtt沉积沉积 ：(点源点源) (11) 220)/(1 hxtt(面源面源) (12) t0可以测量，可以测量，x,t,t2） cos 小，小，；，膜生长速率，膜生长速率低，质量不好；低，质量不好；3）膜质）膜质蒸发材料和蒸发材料和、；4）净化处理：对）净化处理：对；对；对。gggggTMPN 2210513. 3 (13)KPPArTMMTPPNNggggdg coscos2(14) （ g）l 由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成沉积膜的成分与母体不同（沉积膜的成分与母体不同（），薄膜本

5、身成分也随厚），薄膜本身成分也随厚度而变化（度而变化（）。）。 设：设：物质含物质含A，B成分，成分，MA、MB，PA、PB， 则由则由（3）式，得）式，得 ：ABBABABAMMPPCCNN (14)1），使之有利于凝聚而不是分凝；，使之有利于凝聚而不是分凝；2）选用几个蒸发源，）选用几个蒸发源，但控制困难；，但控制困难；3）氧化物，可采用）氧化物，可采用，引入活性气体。，引入活性气体。 ：在所需蒸发温度下：在所需蒸发温度下，；l 一般采用一般采用如钨、钽、钼等材质，常作成如钨、钽、钼等材质，常作成，如图，如图8.2.4所示。所示。；。图图8.2. 4 各种电阻加热蒸发源各种电阻加热蒸发源要

6、求熔融的蒸发料能要求熔融的蒸发料能够浸润螺丝或者有足够的表面张力以够浸润螺丝或者有足够的表面张力以防止掉落，它的优点是可以从各个方防止掉落，它的优点是可以从各个方向发射蒸气。向发射蒸气。的优点是可蒸发不浸润的优点是可蒸发不浸润加热器的材料，效率较高（相当于小加热器的材料，效率较高（相当于小型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸发。发。图图8.2.5 电子束加热蒸发源电子束加热蒸发源电子束加热蒸发源由：电子束加热蒸发源由：、（膜料）组成。（膜料）组成。（1）可以）可以；（2）装蒸发料的）装蒸发料的，从而，从而 材料与容器的材料与容器的和容器材料的和容器材料的；（3），例

7、如：钨（，例如：钨（Tm=3380）、钼）、钼(Tm=2610)和钽（和钽（Tm=3000）等耐热金属材料。）等耐热金属材料。（1）装置复杂；）装置复杂；（2）蒸发蒸发；（3）被电子束被电子束。 会产生分馏，会产生分馏，例如：例如：镀镀A4B1 膜，已知：膜，已知： 控制镀料成分：控制镀料成分：A1B25, 保证：保证： A4B1膜料成分膜料成分 若：一次性加料，若：一次性加料，A消耗快；消耗快； 连续加料，保证熔池料为连续加料，保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为从而膜料成分为A4B1；1:100:00 BAPP1:425:100: BAPP多数会分解多数会分解例如：例如：A12O3

8、Al、AlO、(AlO)2、Al2O、O和和O2 等，等， 解决解决镀膜速率快，可多块同镀，操作方便，参数易于控镀膜速率快，可多块同镀，操作方便，参数易于控制，可适时监控成膜过程，但膜与基片的结合强度不高，制，可适时监控成膜过程，但膜与基片的结合强度不高，还存在分馏问题。还存在分馏问题。222H2TiCHC2Ti (15)Molecular Beam Epitaxy,缩写为缩写为 是指是指位向相同的同类位向相同的同类（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）系的异类单晶体（异质外延）。 外延技术，外延技术， 分为分为 可可获得

9、获得同质同质异质异质图图8.2.6 分子束外延装置分子束外延装置 图图8.2.7 分子束外延装置中分子束外延装置中镀料原子的行程镀料原子的行程 图图8.2.8 普通蒸镀装置中普通蒸镀装置中镀料原子的行程镀料原子的行程 基底取向基底取向单晶膜取向，应力小；单晶膜取向，应力小； 解理面新鲜，可减小污染，但有时也需要引入一点缺陷解理面新鲜，可减小污染，但有时也需要引入一点缺陷; ; a. 与与有关有关 b. Te与蒸发速率有关，与蒸发速率有关， c. Te与表面粗糙度有关，与表面粗糙度有关，图图8.2.9 蒸发速率和基片温度对蒸发速率和基片温度对Ge（111） 基片上所镀基片上所镀Ge膜结构的影响膜

10、结构的影响 : 1870年，年，：1930年以后。年以后。让让（发射出粒子），再沉积到基（发射出粒子），再沉积到基 片上成膜；片上成膜；用用，将靶材原子打出来，再沉积到基，将靶材原子打出来，再沉积到基 片上成膜。片上成膜。，原则上任何物质均可溅射，尤其是高，原则上任何物质均可溅射，尤其是高 Tm、低分解压的材料；、低分解压的材料；，膜密度高，无气孔，附着性好；，膜密度高，无气孔，附着性好；，约，约0.010.5 m/min， 蒸镀：蒸镀： 0. 15 m/min 图图8.2.10 辉光放电辉光放电； 10Pa一一1Pa；数百伏的电压。；数百伏的电压。放电产生的等离子体中的放电产生的等离子体中的

11、不仅不仅能打出靶面原子（溅射材料），而且能打出靶面原子（溅射材料），而且，二次电子，二次电子，又，又两种假说 (I)(I) 溅射出的溅射出的(II)(II)轰击离子轰击离子一个一个，低于这个能量，不能产生溅，低于这个能量，不能产生溅射；射；()(), ,既既有关，也与轰击离子的有关，也与轰击离子的()()离子离子, ,可能是因为离子深入可能是因为离子深入到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故；到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故；()()溅射原子出射的溅射原子出射的 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这种现象可用种现象可

12、用“”解释。解释。221mv图图8.2.11 二极溅射装置示意图二极溅射装置示意图如图所示如图所示：放电气体压强放电气体压强 ；放电电压；放电电压；放电电流放电电流；： ；：； ， 常因局部放电引常因局部放电引起起； ； 70年代年代，在阴极溅射基础上发展起来，在阴极溅射基础上发展起来，电子碰撞使，电子碰撞使的弱点。的弱点。在阴极靶面上加一环行磁场，使在阴极靶面上加一环行磁场，使 , 控制二次电子运动轨迹，控制二次电子运动轨迹，电子运动方程：电子运动方程： 为一为一，电子在靶面上沿着垂直于，电子在靶面上沿着垂直于E、B的方向前进，电的方向前进，电子被束缚在一定的空间内，子被束缚在一定的空间内，

13、；同时，延长；同时，延长了电子路径，增加了同工作气体的碰撞几率，提高了原子的电离几率，了电子路径，增加了同工作气体的碰撞几率，提高了原子的电离几率，；，也使也使工作气压工作气压 0.1Pa0.1Pa，EB )(BEmedtd (16) ：双线源，应用广泛，大面积，：双线源，应用广泛，大面积， 连续镀膜；连续镀膜； ：小型磁控源，制靶简单：小型磁控源，制靶简单,科研用科研用磁控溅射的主要磁控溅射的主要： ，一般，一般。不存在分馏问题不存在分馏问题 AB合金合金与蒸镀不同；与蒸镀不同； ：直流溅射直流溅射 ：射频溅射射频溅射,13.56MHz通入反应气体，金属原子与气体反应通入反应气体，金属原子与

14、气体反应，沉积，沉积 例如例如, 通：通：N2+Ar(TiN), O2, C2H2 等。等。l腔内设腔内设，分，分别装有高纯的金属靶材；同别装有高纯的金属靶材；同时通入时通入O2和和Ar工作气氛，工作气氛，；l每一靶材的溅射速率每一靶材的溅射速率，因此可以较好地控制，因此可以较好地控制薄膜的组分；薄膜的组分；l利用这种方法已经成功地在利用这种方法已经成功地在蓝宝石衬底上制备了外延的蓝宝石衬底上制备了外延的PbTiO3、(Pb1-xLax)(Til-yZry)O3和和YBa2Cu3O7薄膜。薄膜。图图8.2.12 多靶直流磁控反应共多靶直流磁控反应共溅射装置示意图溅射装置示意图多功能三靶磁控溅射

15、仪多功能三靶磁控溅射仪采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子 图图8.2.13 离子束溅射示意图离子束溅射示意图 图图8.2.14 宽束离子源宽束离子源 a. 能够能够，基片，基片不接触等离子体，不接触等离子体，；b.，有利于，有利于膜膜层中层中气体的含量。气体的含量。 a.，0.1 m/min； b. 。 Mattox，1963年年 利用低压气体放电，使利用低压气体放电，使膜材原子电离，用这种带膜材原子电离，用这种带能离（粒）子轰击基片表能离（粒）子轰击基片表面而淀积成膜的技术，面而淀积成膜的技术，图图8.2.15 离子镀离子镀Ti 装置示意图装置示意图

16、例如：不锈钢基体上镀制：例如：不锈钢基体上镀制： 10 m的的Au膜膜 or 100 m的的Al膜膜 扭转扭转 34次次 25次次 ，断裂后不剥离。，断裂后不剥离。 ，可得清洁无污染表面；，可得清洁无污染表面； （0.3mA/cm2, 30min, 剥离数剥离数 m厚）厚） 一部分一部分还还 （515nm/KeV） 的离子能量：的离子能量：； 的离子能量为的离子能量为左右。左右。 （, Moley, 1972提出提出, 1979产品）产品）图图8.2.16 空心阴极孤光放电示意图空心阴极孤光放电示意图，； ：， 气体的物理吸附能气体的物理吸附能(0.10.5eV)， (l10eV)，因而还能，因而还能； 这样的离子能量还可以这样的离子能量还可以和和； ； 镀镀TiN膜的高速钢刀具可提高寿命膜的高速钢刀具可提高寿命3倍以上，甚至有倍以上，甚至有高达数十倍。高达数十倍。 ；：；：；：；：； 尽管弧斑的温度很高，但整个尽管弧斑的温度很高，但整个由于加以水冷，温度只由于加以水冷，温度只有有。可以认为是。可以认为是。 图图8.2.17 多孤离子镀装