物理气相沉积课件

1、5.0 物理气相沉积5.1、真空蒸发法5.2、蒸发源5.3、气体辉光放电5.4、溅射第五章 物理气相沉积 5.0.1 物理气相沉积5.0.2 薄膜生长5.0.3 真空的获得5.0 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition)PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:1、所生长的材料以物理方式由固体转化为气体；2、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底；3、蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。5.0.1 物理气相沉积(PVD)PVD的物理原理块状材料 (靶材)扩散、吸附、凝结成薄膜物质输运能量输运能量衬底残留气体对薄膜生长的影响生长材料的分子残留气体的分子残留气体在衬底上形

2、成一单原子层所需时间Pressure (Torr)Time 10-40.02 s 10-50.2 s 10-62 s 10-720 s 10-83 min 10-935 min 10-106 hr 10-113 daysSubstratePVD的一般特性物理吸附比外延生长速率快很多 衬底与薄膜材料，可异质生长厚度范围:典型薄膜：nm m也可以生长更厚的膜PVD生长条件高真空高纯材料清洁和光滑的衬底表面提供能量的能源5.0.2 薄膜生长超薄膜： 10 nm薄膜： 50 nm1 m中间范围：1 m 10 m厚膜： 10 m 100 m单晶薄膜：外延生长GaAs薄膜多晶薄膜： ZnO,ITO无序薄膜

3、：a-Si,SiO2按厚度:按结构: 薄膜分类 在薄膜生长过程中，由于衬底与薄膜的晶格失配度和表面能与界面能不同，其生长模式也不同。薄膜生长三种生长模式晶格匹配体系的二维层状(平面)生长Frank-van der Merwe (FVDM) ModeLayer by Layer ( 2D )衬底衬底衬底大晶格失配和较小界面能材料体系由层状过渡到岛状生长Stranski-Krastanov (SK) ModeLayer Plus Island Growth( 2D-3D )大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长Volmer-Weber (VW) ModeIsland Growth ( 3D )

4、5.0.3 真空的获得 n 气体分子的密度 v 平均速度常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）活塞式真空泵旋片式真空泵水环式真空泵罗茨真空泵涡轮分子泵水蒸气喷射泵油扩散泵油蒸气喷射泵分子筛吸附泵溅射离子泵钛升华泵锆铝吸气剂泵低温泵11051.310211056.710-111052.71031.31031.31.31.310-511051.310-11.310-21.310-71.3101.310-211051.310-11.310-31.310-91.310-21.310-91.3101.310-111.31.310-111105110511051.

5、31031.311051.310d时，蒸发物质分子才能无阻挡地、直线达到衬底的表面。一般蒸发源到衬底距离d在30cm左右，要求真空室气体压强为10-210-4Pa，这时的平均自由程与蒸发源到基片的距离相比要大得多。衬底到蒸发源的距离d 薄膜厚度的均匀性同蒸发源的形状有很大的关系。对于点蒸发源，基片平行放置在蒸发源的正上方，则膜厚分布为： 其中d0表示点源到基片垂直点的膜厚，h为垂直距离，l为基片点距离垂直点的距离，M为总蒸发质量，为物质的密度。薄膜厚度的均匀性对于微小平面蒸发源，有 利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：单源蒸发法、多源同时蒸发法和多源顺序蒸发法。多组分薄膜的蒸发方法 电阻加

6、热蒸发用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料升高温度，熔解并蒸发材料5.2 蒸发源加热方式加热丝、舟或坩埚衬底架钟罩真空泵厚度监控仪充气管道反应气体管道衬底Plume常用电阻加热源加热丝加热舟坩埚 盒状源（Knudsen Cell） 电子束蒸发源用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料材料置于冷却的坩埚内只有小块区域被电子束轰击，坩埚内部形成一个虚的“坩埚”不与坩埚材料交叉污染，清洁。电子束蒸发源蒸发坩埚与材料衬底真空室真空泵厚度监控仪充气管道反应气体管道Plume电子枪E-GunCrucibleSubstrate fixture 脉冲激光源蒸发用高能

7、聚焦激光束轰击靶材，可蒸发高熔点材料蒸发只发生在光斑周围的局部区域蒸发材料受热气化，直接从固体转化为等离子体能轰击出来大尺寸的颗粒光束渗透深度小 100 A, 蒸发只发生在靶材表面脉冲激光源蒸发真空泵Plume靶材衬底真空室厚度监控仪充气管道反应气体管道激光束 高频感应源蒸发通过高频电磁场感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，直至蒸发材料气化蒸发。蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成。特点是： (1)蒸发速率大，可采用较大坩埚，增加蒸发表面； (2)蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象； (3)温度控制精度高，操作比较简单； (4)大功率高频电源，价格昂贵，且需要进行屏蔽，防止外界的电磁干

8、扰。5.3 气体辉光放电溅射：一定能量的入射离子对固体表面进行轰击，在与表面原子碰撞过程中发生能量和动量的转移，将固体表面的原子溅射出来，称这种现象为溅射。实际溅射时，一般是被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以也称为阴极溅射。辉光放电：溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离子都是来源于气体放电，只是不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。5.3.1 直流辉光放电在一圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极，里面充以气压约为几Pa到几十Pa的气体，在电极上加上直流电压，平板电极间的电压V与电流I的关系如图。(1)无光放电区 在一般情况下，气体基本处于中性状态

9、，只有极少量的原子受到高能宇宙射线的激发而电离。 当有外场时，电离产生的离子和电子作定向运动，运动速度随电压的增加而加快，因此电流也从零逐渐增加。 当电极之间的电压足够大时，带电粒子的运动速度达到饱和，再增加电压，到达电极的电子和离子数目不变，电流也不随之增加。 由于电离量很少，宏观上表现出的电流很微弱，且不稳定，一般仅有10-16-l0-14A，取决于气体中的电离分子数。 这个区域导电而不发光，称为无光放电区，如图中的ab段所示。 当电极间的电压继续升高时，电子的运动速度加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞，而会使气体分子电离，产生正离子和电子(作用)，同时正离子对阴极的碰撞也将

10、产生二次电子(作用) 。 新产生的电子和原有的电子继续被电场加速，在碰撞过程中有更多的气体分子被电离，使离子和电子数目雪崩式的增加，放电电流也就迅速增大，在伏安曲线上便出现汤生放电区，如的bc段所示。 在汤生放电区，电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制而呈一常数。 无光放电和汤生放电，都是以存在自然电离源为前提，这种放电方式又称为非自持放电。(2)汤生放电上节课内容小结真空真空的划分：低真空、高真空、超高真空 气体分子密度、气体压力、平均自由程真空系统：真空室、真空泵、真空测量规真空泵：低真空泵：机械泵、低温吸附泵 高真空泵：扩散泵、涡轮分子泵、 超高真空泵：离子泵、Ti升华泵真空规管：低真

11、空规管：热偶规、pirani规 高真空规管：离子规上节课内容小结真空蒸发和溅射是物理气相淀积技术中最基本的两种方法。蒸发的优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。蒸发法缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。溅射法特点：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制；沉积的薄膜与衬底附着性好。上节课内容小结饱和蒸气压：真空室中，在一定环境温度T下，固体（或液体）与其蒸气达到相平衡时气体的压力。 同一物质，温度升高，饱和蒸气压增大 ； 不同物质，饱和蒸气压大，说明该物质容易蒸发。点源，膜厚分布为： 薄膜厚度的均匀性：同蒸发源的形状有很大的关系。对于微小平面蒸发源，有 上节

12、课内容小结 电阻加热蒸发：欧姆热，最简单、常用蒸发源加热方式 电子束蒸发源：高能聚集电子束，微区，虚坩埚避免交叉污染 脉冲激光源蒸发：高能聚集激光束，高熔点材料，局部区域， 入射深度小，蒸发只发生在靶材表面 高频感应源蒸发：蒸发速率大，温度均匀，价格贵，需屏蔽(3)辉光放电在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。放电的着火点 c点，放电区只是阴极边缘和不规则处前期辉光放电 cd段，电流增加而电压下降，产生负阻现象，这是因为气体被击穿，气体内阻将随着电离度的增加而显著下降。正常辉光放电区 de段，电流的增加与电压无关，只与阴极上产生辉光的表面积有关。在这个

13、区域内，阴极的有效放电面积随电流增加而增大，而阴极有效放电区内的电流密度保持恒定。在这一阶段，导电的粒子数目大大增加，在碰撞过程中转移的能量也足够高，因此会产生明显的辉光，维持辉光放电的电压较低，而且不变。气体击穿之后，电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击使气体电离，即使不存在自然电离源，放电也将继续下去。这种放电方式又称为自持放电。 反常辉光放电 ef段，电流增大时，两个极板之间电压升高，而且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。e点时，辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，与阴极间距离缩短。此时要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更

14、大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。(4)反常辉光放电由于正常辉光放电时的电流密度仍然比较小，溅射区域一般选在反常辉光放电区。电弧放电 fg段：随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流急剧增加，这时的放电现象开始进入电弧放电阶段。(5)电弧放电在辉光放电时，整个放电管将呈现明暗相间的光层，从阴极至阳极之间，整个放电区域可以被划分八个发光强度不同的区域。暗区相当于离子和电子从电场获得能量的加速区，而辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。这种放电击穿之后具有一定导电能力的气体称为等离子体，是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混

15、合气体，而且正、负带电粒的数目相等，宏观上呈现电中性的物质存在形态。直流辉光放电的各种阴极形式在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁而离开放电空间，相对地减少了带电粒子的损失。在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量使气体分子电离，只要有较低的电场就可以维持放电。阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。而在直流放电中，离子对阴极碰撞所产生的二次电子发射对维持放电是不可忽略的。射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可是绝缘体。 5.3.2 射频辉光放电射频放电的激发源有两种：一种是用高频电场直接激发的，称为

16、E型放电；另一种是用高频磁场感应激发的，称为H型放电。 直流辉光放电是在直流稳定电场或低频交变电场作用下产生的气体放电现象。 在一定气压下，当阴阳极之间所加交变电压的频率在射频范围时，就会产生稳定的射频辉光放电其特点是：5.4 溅射离子对物体表面轰击时可能发生四种情况，如图。 溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。其中每种物理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。 利用不同能量离子与固体的作用过程，不仅可以实现对于物质原子的溅射，还可以实现离子注入、离子的卢瑟福背散射等现象。 溅射现象是在辉光放电中观察到的。溅射现象不仅能制备薄膜，而且可以对固态表面进行清洁处理，在等离子刻蚀中广

17、泛应用。 与蒸发法相比，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递。因此，溅射出的原子从溅射过程中获得很大的动能。 由于能量的增加，可以提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力、改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。5.4.1 溅射特性溅射率 入射离子能量对溅射率有很大的影响。 只有当入射离子的能量超过一定能量(溅射阈值)时，才能发生溅射，每种物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。 随着入射离子能量的增加，溅射率先是增加，其后是一个平缓区，当离子能量继续增加时，溅射率反而下降，此时发生了离子注入现象。溅射率与入射离子能量的关系 一方面，溅射率S依赖于入射离子的原子量，原子量越大，

18、则溅射率越高。 溅射率也与入射离子的原子序数有密切的关系，呈现出随离子的原子序数周期性变化关系，凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。 因此，惰性气体的溅射率最高，氩通常被选为工作气体，氩被选为工作气体的另一个原因是可以避免与靶材料起化学反应。溅射率与入射离子种类的关系5.4.2 溅射方法具体溅射方式较多：直流溅射 ( 导电材料 ) ；射频溅射( 可绝缘介质材料 )；磁控溅射：反应溅射(氧化物、氮化物) ；离子束溅射；偏压溅射等。直流溅射 直流溅射常用Ar气作为工作气体。 工作气压是一个重要的参数，它对溅射率以及薄膜的质量都有很大的影响。在较低的气压条件下，溅射率较低。随着气体压力的

19、升高，电子的平均自由程减少，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率提高。但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，因而其淀积到衬底上的几率反而下降。因此随着气压的变化，溅射淀积的速率会出现一个极值。此外，淀积速率与溅射功率(或溅射电流的平方)成正比、与靶材和衬底之间的间距成反比。 直流溅射方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。 射频溅射是一种能适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法。 在两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入淀积室，不必要求电极一定是导电体。 射频方法可以在靶材上产生自偏压效应即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。 在实际应用中，射频溅射的交流辉光放电是在l 3.56MHz下进行的。 射频溅射 在射频电场中电子的运动速度比离子的速度高很多，因而对于射频电极来说，它在正