表面处理技术概论第5章气相沉积技术
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气相沉积技术
温度对化学反应的速率和程度有重要影响 ，同时也影响固态薄膜的结晶度和结构。
反应气体流量
基材温度
反应气体流量对化学反应的速率和产物有 直接影响，适当调整气体流量可以提高薄 膜的质量和性能。
基材温度对固态薄膜的附着力和结晶度有 重要影响，适当提高基材温度可以提高薄 膜的附着力和致密性。
03
气相沉积技术分类
化学气相沉积（CVD）是一种利用化学反应将气态物质转化为固体薄膜的工艺。
CVD技术通过将反应气体在一定温度和压力下进行化学反应，生成固态薄膜沉积在 基材表面。
CVD技术适用于制备各种高性能材料，如金刚石、类金刚石碳、碳化硅和氮化硅等。
物理化学气相沉积
物理化学气相沉积（PCVD）结合了物理气相沉积和 化学气相沉积的原理，通过物理和化学两种方式共同
未来应用前景与挑战
应用前景
气相沉积技术在许多领域都有广泛的应用前景，如半导体、新能源、生物医疗、环保等。随着技术的不断进步和 应用领域的拓展，气相沉积技术有望在未来发挥更加重要的作用。
挑战
尽管气相沉积技术具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战，如设备成本、技术成熟度、生产效率和环保问题 等。因此，在未来的发展中，需要加强技术研发和产业合作，推动气相沉积技术的广泛应用和可持续发展。
复合材料
通过气相沉积技术将两种或多种材料复合在一起， 形成具有优异性能的复合材料。
光学薄膜制备
高反射膜
利用气相沉积技术制备高反射膜，用于反射激光、增强光学器件的 反射率。
增透膜
通过气相沉积技术制备增透膜，减少光学器件表面的反射，提高光 的透过率。
滤光片
气相沉积技术可制备各种光学滤光片，用于光谱分析、激光控制等领 域。
气相沉积技术
表面处理技术概论-气相沉积技术
0
第五章 气相沉积技术
5.1.1 真空蒸发沉积
• 真空蒸发沉积薄膜具有简单便利、操作容易、成 膜速率快、效率高等特点，是薄膜制备中最为常 用的方法之一。
• 这一技术的缺点是形成的薄膜与基片结合较差， 工艺重复性不好。
• 在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环 境。在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量 以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发 薄膜沉积。
第五章 气相沉积技术
分类 名称
真空蒸 电阻蒸发沉积 发沉积 电子枪蒸发沉积
激光蒸发沉积
溅 二极型离子沉积 射 三极型离子沉积 沉 射频溅射沉积 积 磁控溅射沉积
离子束溅射沉积
离 空心阴极离子沉积 子 活性反应离子沉积 沉 热丝阴极离子沉积 积 阴极电弧离子沉积
外延 沉积
分子束外延沉积 液相外延沉积 热壁外延沉积
第五章 气相沉积技术
5.1.4 溅射沉积
• 利用带有电荷的离子在电场中加速后具有 一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的 靶电极。在离子能量合适的情况下，入射 的离子将在与靶电极表面的原子的碰撞过 程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的 原子带有一定的动能，并且会沿着一定的 方向射向基材，从而实现在基材表面上的 沉积。
• 在溅射化合物时，这里以Ar离子轰击GaAs 为例。这种情况下，溅射出来的原子与分 子中有99%是Ga或者As的中性单原子，剩 下的才是中性GaAs分子。
第五章 气相沉积技术 ⑶ 溅射沉积装置
• 直流溅射一般只能用于靶材为良导体的溅 射。
直流溅射沉积装置的示意图
第五章 气相沉积技术
• 直流溅射又被称为阴极溅射或二级溅射。 相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较 大，原子的电离过程多发生在距离靶材很 远的地方，因而离子运动至靶材处的概率 较小。同时，低压下电子的自由程较长， 电子在阳极上消失的概率较大，而离子在 阳极上溅射的同时发出二次电子的概率又 由于气压较低而相对较小。这使得低压下 的原子电离成为离子的概率很低，在低于 1Pa的压力下甚至不易发生自发放电。这些 均导致低压条件下溅射速率很低。
气相沉积原理
气相沉积原理
气相沉积（Gas Phase Deposition）是一种用于合成薄膜的技术，其原理是将气体或蒸汽沉积在基底表面上生成薄膜。
该技术通常适用于需要高纯度和均匀性的薄膜材料制备。
在气相沉积中，薄膜的合成过程分为两个阶段：气体源的转化和固体相的形成。
首先，气体源被转化成反应物，在高温和高压的条件下，通过化学反应或热分解产生反应物。
这些反应物可以是气体、液体或固体的形式。
接下来，反应物将被输送到基底的表面，并发生固相沉积的过程。
在此过程中，反应物分子会逐个附着到基底表面上，形成一个连续的薄膜。
在气相沉积中，有几种常见的技术，包括化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）。
这些技术之间的
差异在于反应物的形式和反应的机理。
化学气相沉积通常使用气体反应物，通过化学反应在表面上生成薄膜。
这种方法可以实现对薄膜成分和结构的精确控制。
而物理气相沉积则使用固体反应物，通过蒸发或溅射的方式将固体转化为薄膜。
这种方法主要依赖于物理过程，如固体的汽化和热扩散。
无论是化学气相沉积还是物理气相沉积，都需要精确控制反应条件和基底表面的处理，以确保薄膜的均匀性和质量。
总之，气相沉积是一种重要的薄膜制备技术，可以用于制备多种材料的薄膜。
通过控制反应条件和处理基底表面，可以实现对薄膜的成分和结构的精确控制，具有广泛的应用潜力。
第五章 气相沉积法
Ni(CO)4 Ni + 4CO
140-240℃
36
3.2 MOCVD的优点： ① 沉积温度低：
减少了自污染，提高了薄膜纯度；对衬底取向要求低；
② 沉积速率易于控制：
沉积过程不存在刻蚀反应；
③ 制备广； ④ 反应装置容易设计：
生长温度范围较宽，易于控制，可大批量生产；
37
3.3 MOCVD的主要缺点：
输运反应通式：源物质为A，输运剂为B
源区 T2
沉积区 T1
A(s) xB( g )
ABx (g )
将待沉积物作为源物质（无挥发性物质），借助
适当的气体介质（输运剂），在高温区反应形成 气态化合物；
气态化合物经化学迁移或物理输运到低温沉积区，
在基片上通过逆反应使源物质重新分解出来。
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温度梯度 2.5℃/cm
7
一、化学气相沉积发展
古人类在取暖或烧 烤时在岩洞壁或岩 石上的黑色碳层 20世纪50年 代主要用于 道具涂层 20世纪6070年代用于 集成电路
近年来PECVD、 LCVD等高速发展
80年代低压CVD 成膜技术成为研 究热潮
二、CVD基本原理 1. 化学气相沉积的定义
利用气态物质通过化学反应在基材表面形成固态沉
低温区 T1=T2-13.5℃
高温区 T2=850~860℃
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三、化学气相沉积的特点
优点
可制作金属、非金属薄膜； 生长温度可低于材料的熔点； 纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好； 易实现掺杂； 结构控制
21
缺点
参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易
爆或有毒；
反应温度太高（尽管低于物质的熔点）；
气相沉积技术
真空蒸发镀膜是在真空环境中把镀膜材料加热熔化后蒸发(或升 华)，使大量原子、分子离开熔体表面，凝结在被镀工件表面上来形 成镀膜的。
为了提高蒸发原子与工件的附着力，可对工件进行适当加热。 蒸发镀膜是真空镀膜技术中发展最早、应用最广的一种，其设备简 单，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产，所以其应用也 十分广泛。卷筒式蒸发镀膜装置如图4-25所示。
表层晶格原子也可能以原子团的形式一起被溅
射出来。另外入射的离子还会造成材料内部结
构的一些变化，如产生空位、间隙原子等辐照
损伤。入射的粒子经过多次碰撞，能量耗尽后，
就会在一定的深度停留下来，成为一种杂质原
子，即“注入”。离子轰击还会造成受轰击材
料的发热，同时对膜沉积过程中的晶核形成和
生长过程也有明显的影响，从而影响镀层的结
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2.溅射镀膜 如图4-26所示，当离子轰击表面时，会产生许多有趣的现象，如通过
非弹性碰撞，材料表面会发射出二次电子和光子，有的入射粒子被反弹。 入射离子还可以在其路程上撞出若干个离位原子，这些离位原子又可以撞 出更多的离位原子，就像树杈一样杂乱无章地发展着，成为碰撞级联。一 部分被撞出的原子，方向合适时，就会穿过晶格空隙，最后从材料表面逸 出，就像被溅起的水花一样，成为被溅射原子。
构和性能。
图4-26 离子轰击表面所引起的各种效应
2020年12月29日星期二
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3.离子镀膜技术 1）离子镀膜的原理
离子镀膜技术是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发 物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把 蒸发物质或其反应物沉积在基体上，如图4-27所示。
2020年12月29日星期二
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2020年12月29日星期二
为了提高蒸发原子与工件的附着力，可对工件进行适当加热。 蒸发镀膜是真空镀膜技术中发展最早、应用最广的一种，其设备简 单，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产，所以其应用也 十分广泛。卷筒式蒸发镀膜装置如图4-25所示。
表层晶格原子也可能以原子团的形式一起被溅
射出来。另外入射的离子还会造成材料内部结
构的一些变化，如产生空位、间隙原子等辐照
损伤。入射的粒子经过多次碰撞，能量耗尽后，
就会在一定的深度停留下来，成为一种杂质原
子，即“注入”。离子轰击还会造成受轰击材
料的发热，同时对膜沉积过程中的晶核形成和
生长过程也有明显的影响，从而影响镀层的结
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2.溅射镀膜 如图4-26所示，当离子轰击表面时，会产生许多有趣的现象，如通过
非弹性碰撞，材料表面会发射出二次电子和光子，有的入射粒子被反弹。 入射离子还可以在其路程上撞出若干个离位原子，这些离位原子又可以撞 出更多的离位原子，就像树杈一样杂乱无章地发展着，成为碰撞级联。一 部分被撞出的原子，方向合适时，就会穿过晶格空隙，最后从材料表面逸 出，就像被溅起的水花一样，成为被溅射原子。
构和性能。
图4-26 离子轰击表面所引起的各种效应
2020年12月29日星期二
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3.离子镀膜技术 1）离子镀膜的原理
离子镀膜技术是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发 物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把 蒸发物质或其反应物沉积在基体上，如图4-27所示。
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2020年12月29日星期二
5-气相沉积
蒸镀合金膜
镀制TiC是在蒸镀Ti的同时，向真空室通 入乙炔气，于是基片上发生以下反应而得到 TiC膜层。
2Ti＋C2H2 → 2TiC十H2
分子束外延技术
以蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备，经过 10余年开发，近年来已制备出各种Ⅲ-V族化合物的半导体 器件。
外延是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体 （同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单 晶体（异质外延）。
气相沉积概述
负偏压
靶
plasma
基片
物理 气相沉积
反应性气体 CH4
基片
化学 气相沉积
CVD VS PVD
The main difference is the resulting step profile of the deposited film.
A PVD film deposits straight down onto the
例如铝，在正常情况下(0.1MPa)必须加热到 2400℃才能蒸发，而在10-3Pa的真空下只要加热到 847℃就可以大量蒸发。
大多数金属是先达到熔点后从液相中蒸发，某些 材料如铁、镉、锌、铬、硅等可以从固态升华到气 态。
基本原理
真空蒸发蒸镀常用的真空度为1×10-2Pa~2×10-4Pa
真空度如果不高，镀膜材料会受到残余气体的污 染，蒸发原子、分子在向工件沉积过程中，将与残 余气体分子频繁碰撞冷却，在空间凝聚成小的团粒 落到工件及真空室壁，尤其是动能小的粒子将使镀 膜组织松散，表面粗糙。
多姿多彩的 气相沉积技术
气相沉积概述
气相沉积技术可分为物理气相沉积和化学气 相沉积技术，包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、 离子镀膜、化学气相沉积、等离子体化学气相 沉积等多种方法。
气相沉积技术
①反应气体向工件表面扩散并被吸附； ②吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应； ③生成物质点聚集成晶体并增大； ④表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相； ⑤沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。
物理气相沉积
物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)。使这些气相原子或分子在 一定条件下沉积在工件表面上的工艺。物理气相沉积可分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀互类。与CVD相比，PVD 法的主要优点是处理温度较低，沉积速度较快，无公害等，因而有很高的实用价值。它的不足之处是沉积层与工 件的结合力很小，镀层的均匀性稍差。此外它的设备造价高，操作维护的技术要求也较高。
涂层的特点
①涂层具有很高的硬度、低的摩擦系数和自润滑性能，所以耐磨损性能良好。 ②涂层具有很高的熔点、化学稳定性好，基体金属在涂层中的溶解度小，摩擦系数较低，因而具有很好的抗 黏着磨损能力。使用中发生冷焊和咬合的倾向也很小，而且TiN比TiC更好。 ③涂层具有较强的耐蚀能力。 ④涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力。
③方法的复合。较先进的气相沉积工艺多是各种单一PVD，CVD方法的复合。它们不仅采用各种新型的加热源， 而且充分运用各种化学反应高频电磁(脉冲、射频、微波等)及等离子体等效应来激活沉积粒子。如反应蒸镀、反 应溅射、离子束溅射、多种等离子体激发的CVD等。
化学气相沉积
化学气相沉积(简称CVD)是利用气态物质在一定温度下于固体表面进行化学反应，并在其表面上生成固态沉 积膜的过程。其过程如下：
气相沉积技术
利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分
01 应用
目录
02 发展前景
03 化学气相沉积
04 物理气相沉积
物理气相沉积
物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)。使这些气相原子或分子在 一定条件下沉积在工件表面上的工艺。物理气相沉积可分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀互类。与CVD相比，PVD 法的主要优点是处理温度较低，沉积速度较快，无公害等，因而有很高的实用价值。它的不足之处是沉积层与工 件的结合力很小，镀层的均匀性稍差。此外它的设备造价高，操作维护的技术要求也较高。
涂层的特点
①涂层具有很高的硬度、低的摩擦系数和自润滑性能，所以耐磨损性能良好。 ②涂层具有很高的熔点、化学稳定性好，基体金属在涂层中的溶解度小，摩擦系数较低，因而具有很好的抗 黏着磨损能力。使用中发生冷焊和咬合的倾向也很小，而且TiN比TiC更好。 ③涂层具有较强的耐蚀能力。 ④涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力。
③方法的复合。较先进的气相沉积工艺多是各种单一PVD，CVD方法的复合。它们不仅采用各种新型的加热源， 而且充分运用各种化学反应高频电磁(脉冲、射频、微波等)及等离子体等效应来激活沉积粒子。如反应蒸镀、反 应溅射、离子束溅射、多种等离子体激发的CVD等。
化学气相沉积
化学气相沉积(简称CVD)是利用气态物质在一定温度下于固体表面进行化学反应，并在其表面上生成固态沉 积膜的过程。其过程如下：
气相沉积技术
利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分
01 应用
目录
02 发展前景
03 化学气相沉积
04 物理气相沉积
本科表面工程第5章 气相沉积技术
2. 真空度 ①高真空→高纯薄膜；原子碰撞几率↓，能耗↓ →结合力↑ ②低真空→因碰撞原子能量低，易 形成低能原子团→薄膜组织粗大， 致密度↓，表面粗糙度↑
3. 蒸发源与基体表面的距离 近水楼台先得月 均镀能力不强→通过工件旋转弥补
四、蒸镀设备简介
1. 电阻加热法 原理：
电阻丝直接加热镀膜材料 （或蒸发器皿加热、或通过 坩埚加热镀膜材料）→蒸发 →沉积。 优点：设备简单 缺点： ① 坩埚污染或灯丝污染 ② 蒸发温度小于1500C，不 能用于高熔点成膜材料。 ③ 加热蒸发速度慢
⑵ 离化：
镀膜材料被加热蒸发，反应气 体（N）和蒸发粒子在等离子体 中部分离化（10-20%）。 ⑶ 沉积
在蒸发沉积的基础上，在工件 上加负偏压，吸引高能离子轰击 并沉积成膜。
⑷ 特点：
结合力高
沉积速率不太高→因离化率只 有10-20%。
2. 多弧离子镀
⑴ 蒸发离化 a 引弧→一触即离 b 弧光斑点高速游动在靶面 c 斑点在靶面上形成瞬间微熔池 d 因温度极高，熔料瞬间喷发并 大部离化，形成等离子体。 e 工作气体（N）亦被离化。
团(cluster)。 ③当原子数超过某一临界
值时就变为稳定核。 2. 长大
①稳定核通过捕获入射原 子的直接碰撞而长大。
⑤继续生长，和临近的稳 定核合并，进而变成连续膜。
三、影响蒸镀薄膜质量的因素
1. 基体表面状态 ① 表面清洁度→不洁表面会使膜基结合力↓ ② 基体温度 →T↑,有利于膜基结合力↓ ↘ ↘T↓，有利于膜的凝聚成核 → 矛盾 ③ 晶体结构 →膜基晶体结构相近，有利于薄膜的形核长大。
二、CVD的主要工艺参数
1. 温度：T↑，反应速度↑ ↘ 2. 压力：P ↑, 反应速度↑ →需高温、高压→最大问题 3. 反应物配比：如Ti、N，Si、O要匹配 三、CVD设备（以镀TiN涂层为例）
3. 蒸发源与基体表面的距离 近水楼台先得月 均镀能力不强→通过工件旋转弥补
四、蒸镀设备简介
1. 电阻加热法 原理：
电阻丝直接加热镀膜材料 （或蒸发器皿加热、或通过 坩埚加热镀膜材料）→蒸发 →沉积。 优点：设备简单 缺点： ① 坩埚污染或灯丝污染 ② 蒸发温度小于1500C，不 能用于高熔点成膜材料。 ③ 加热蒸发速度慢
⑵ 离化：
镀膜材料被加热蒸发，反应气 体（N）和蒸发粒子在等离子体 中部分离化（10-20%）。 ⑶ 沉积
在蒸发沉积的基础上，在工件 上加负偏压，吸引高能离子轰击 并沉积成膜。
⑷ 特点：
结合力高
沉积速率不太高→因离化率只 有10-20%。
2. 多弧离子镀
⑴ 蒸发离化 a 引弧→一触即离 b 弧光斑点高速游动在靶面 c 斑点在靶面上形成瞬间微熔池 d 因温度极高，熔料瞬间喷发并 大部离化，形成等离子体。 e 工作气体（N）亦被离化。
团(cluster)。 ③当原子数超过某一临界
值时就变为稳定核。 2. 长大
①稳定核通过捕获入射原 子的直接碰撞而长大。
⑤继续生长，和临近的稳 定核合并，进而变成连续膜。
三、影响蒸镀薄膜质量的因素
1. 基体表面状态 ① 表面清洁度→不洁表面会使膜基结合力↓ ② 基体温度 →T↑,有利于膜基结合力↓ ↘ ↘T↓，有利于膜的凝聚成核 → 矛盾 ③ 晶体结构 →膜基晶体结构相近，有利于薄膜的形核长大。
二、CVD的主要工艺参数
1. 温度：T↑，反应速度↑ ↘ 2. 压力：P ↑, 反应速度↑ →需高温、高压→最大问题 3. 反应物配比：如Ti、N，Si、O要匹配 三、CVD设备（以镀TiN涂层为例）
表面工程学各章要点
性能比较
单盐电解液 优点
成分简单，成本较低； 阴极电流效率很高； 废水处理方便； 可以使用较大的阴极电流密度。
络盐电解液 优点
阴极极化性能强，而且主要表现 为电化学极化，所以镀层结晶细致， 镀液分散能力好，氰化物电镀液是 典型的例子。
问题和对策
简单金属离子还原反应的交换电 流密度较大，阴极极化性能一般比 较小(镍，铁，钴例外)，因此，镀 层结晶较粗，镀液分散能力和覆盖 能力也较差，仅适用于形状比较简 单的工件。 选择适当的添加剂，可以使镀层 结晶得到明显细化，还可获取光亮 镀层。镀液分散能力和覆盖能力可 以改善。
附加盐的作用
增加溶液的导电性
如：硫酸盐镀镍电解液（主盐为 NiSO4）中加入Na2SO4 或 MgSO4， 酸性镀铜电解液（主盐为 CuSO4）中加入 H2SO4。
提高阴极极化作用
多数附加盐都有较小的提高阴极极化作用，从而使镀层结晶细化。对 此作用的解释是：由于金属离子（如上面所说的Na+离子）的存在及向阴 极的迁移，使阴极附近放电金属离子的浓度降低。
电镀液组成
1. 单盐溶液→SnSO4 ↘CuSO4 溶液中是简单金属离子Sn2+和Cu2+ 。 问题：→需要高的过电位，镀层质量不好→粗糙 2. 络和物溶液→金属离子与络和剂形成络和离子，如[Zn(NH3)4]2+ 络和后溶液的平衡电位向负方向移动，有利于电沉积进行。 如：ψZn2+/Zn=－0.736v ψ [Zn(NH3)4]2+ /Zn=－0.1.26v 但是，关于络和离子的本质与沉积机理至今仍不清楚 白猫黑猫→技术 3. 导电盐→不参加反应，↑溶液导电能力，↓槽端电压。如Na2SO4。 4. 缓冲剂→在弱酸、弱碱溶液中加入，可自行调节PH值，↑溶液稳定性。 5. 阳极活化剂→活化阳极，提高离子供给能力。 6. 添加剂→各种各样，视目的而定。 如：光亮剂、整平剂、润湿剂、细化晶粒剂等等。
物理气相沉积技术
物理气相沉积技术
物理气相沉积技术（PVD）是一种表面处理技术，它利用原子或分子沉积在物体表面上以改变其性质和外观。
PVD技术包括磁控溅射、电弧放电、激光蒸发和离子束沉积等方法。
其中最常用的是磁控溅射。
磁控溅射利用磁场和电场控制离子在靶材表面的碰撞，使表面原子或分子被溅射并沉积到基底上。
这种技术可以制备多种材料，如金属、合金、陶瓷、半导体、光学薄膜等，并具有优异的物理和化学性质。
PVD技术广泛应用于电子、光电、机械、航空航天、医疗和环保等领域。
PVD技术具有以下优点：1）沉积过程中无需添加化学物质，无毒无害，环保安全；2）可以控制沉积速率、成膜厚度和成膜均匀性；3）沉积后的薄膜具有高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性、高温稳定性等优点；4）可以在复杂形状的物体表面进行沉积，如3D打印件表面的涂层，具有重要应用价值。
但是，PVD技术也存在一些限制：1）成本高，设备和操作费用较高；2）沉积速率较慢，不利于大规模生产；3）对于某些材料如聚合物，PVD技术难以应用。
综上所述，PVD技术是一种重要的表面处理技术，具有广泛应用前景。
随着技术的不断发展，PVD技术将继续在各个领域发挥重要作用。
- 1 -。
第五章-气相沉积技术(新)
3 离子镀
3.4 离子镀的特点 ① 离子镀可在较低的温度下进行（成膜温度低） ② 结合力好 ③ 绕镀性好 ④ 沉积速率高
沉积速率一般为1~50μm/min 溅射一般为0.01~0.5μm/min 真空蒸镀为0.1~5μm/min ⑤ 无环境污染
物理气相沉积的三种基本方法比较
分
沉积 粒子 能量
沉积 速率 μm/min
7
原材料被加热至蒸发温度时蒸发成气相； 气相的原材料原子与惰性气体的原子（或分子）碰
撞，迅速降低能量而骤然冷却； 骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱和，
有利于成核； 形成原子簇，然后继续生长成纳米微晶 在收集器上收集
★ 特点 ① 涂层形成是不受物理变化定律控制的凝固过程，
是一种非平衡过程。 ② 工艺过程对基体材料的影响很小，因此可以在
螺旋丝状加热器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 防止掉落，它的优点是可以从各个方 向发射蒸汽。
箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润 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 发。
1.真空蒸发镀膜
（2）电子束蒸发源
将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中，直接用电子束加热法，称 为电子束加热法。
32离子轰击的作用对界面的影响?物理混合沉积溅射伪扩散层?增强扩散?改变成核方式?溅射效应优先除去结合松散的原子?改善覆盖度32离子轰击的作用对薄膜的生长?降低薄膜内应力?增加反应程度和速度3离子镀34离子镀的特点离子镀可在较低的温度下进行成膜温度低结合力好绕镀性好沉积速率高沉积速率一般为150mmin溅射一般为00105mmin真空蒸镀为015mmin无环境污染物理气相沉积的三种基本方法比较分类真空蒸镀溅射镀膜离子镀沉积粒子能量中性原子01ev1ev1ev10ev01ev1ev此外还有高能中性原子入射离子数百数千电子伏特沉积速率mmin01500105磁控溅射可接近真空蒸镀150膜层特点密度低温时密度较小但表面平滑密度大密度大气孔低温时多气孔少但混入溅射气体较多无气孔但膜层缺陷较多
5.2 气相沉积法
5.2 气相沉积法 2023最新整理收集 do something
气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜 的技术，它是利用气相中发生的物理、化学反应在 材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所 需的各种优异性能。 例：用TiN、TiC等超硬镀层涂敷刀具、模具等表 面，由于化学稳定性好，摩擦系数小，具有优良的 耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高 刀具、模具等的工作特性，又可以提高寿命，一般 可使刀具寿命提高3-10倍。
岛 薄膜
成膜机理
真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定形膜，经历 成核和成膜两个过程。
• 蒸发的原子（或分子）碰撞到基片时，或是永久附着在 基片上，或是吸附后再蒸发而离开基片，其中有一部分 直接从基片表面反射回去。
• 粘附在基片表面的原子（或分子）由于热运动可沿表面 移动，如碰上其它原子便积聚成团。这种团最易于发生 在基片表面应力高的地方，或在晶体衬底的解理阶梯上， 因为这使吸附原子的自由能最小。这就是成核过程。
Heat decomposition
金属有机化合物与氢化物体系的热分解
Ga(CH3)3 AsH3 630-675℃ GaAs 3CH4 Zn(C2H5)2 H2Se 725750℃ ZnSe 2C2H6
广泛用于制备化合物半导体薄膜。
33
氢还原反应 ---利用氢气将一些元素从其卤化物中还原出来
例如二氧化硅可采用下面几个反应： SiCl4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2Cl2 (g) SiH4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2H2 (g)
SiCl4 (g) 2CO2 (g) 2H2 (g) SiO2 (s) 4HCl(g) 2CO(g)
Chapter5 Preparation of Materials
气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜 的技术，它是利用气相中发生的物理、化学反应在 材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所 需的各种优异性能。 例：用TiN、TiC等超硬镀层涂敷刀具、模具等表 面，由于化学稳定性好，摩擦系数小，具有优良的 耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高 刀具、模具等的工作特性，又可以提高寿命，一般 可使刀具寿命提高3-10倍。
岛 薄膜
成膜机理
真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定形膜，经历 成核和成膜两个过程。
• 蒸发的原子（或分子）碰撞到基片时，或是永久附着在 基片上，或是吸附后再蒸发而离开基片，其中有一部分 直接从基片表面反射回去。
• 粘附在基片表面的原子（或分子）由于热运动可沿表面 移动，如碰上其它原子便积聚成团。这种团最易于发生 在基片表面应力高的地方，或在晶体衬底的解理阶梯上， 因为这使吸附原子的自由能最小。这就是成核过程。
Heat decomposition
金属有机化合物与氢化物体系的热分解
Ga(CH3)3 AsH3 630-675℃ GaAs 3CH4 Zn(C2H5)2 H2Se 725750℃ ZnSe 2C2H6
广泛用于制备化合物半导体薄膜。
33
氢还原反应 ---利用氢气将一些元素从其卤化物中还原出来
例如二氧化硅可采用下面几个反应： SiCl4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2Cl2 (g) SiH4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2H2 (g)
SiCl4 (g) 2CO2 (g) 2H2 (g) SiO2 (s) 4HCl(g) 2CO(g)
Chapter5 Preparation of Materials
6现代表面技术-气相沉积技术-物理气相沉积
①气相沉积是在密封系统的真空条件下进行的，除常压化学
气相沉积( NPCVD)系统的压强约为一个大气压外，都是负
压。沉积气氛在真空室内反应，原料转化率高，可节省贵重 材料资源。
②一般说来，气相沉积可降低来自空气等的污染，所得到的 沉积膜或材料纯度高。例如，CVD法在蓝宝石基片上沉积αAl2O3单晶材料时，其杂质含量仅为30~ 34 mg/kg，远小于
气相沉积层的结构
气相沉积膜大多是晶体结构，沉积膜组织与沉积条件有 关 基片温度 表面状态 真空度 ...... 基片温度是决定膜组织的主要因素之一，基片温度高 ，蒸气原子的动能大，克服表面扩散激活能的几率增多，容 易发生结晶，并且膜中缺陷少，内应力小。基片温度高于膜 材熔点0.5Tm时，吸附原子扩散能力强，沉积膜得到再结晶 的等轴晶。基片温度较低，高于0.3Tm时，吸附原子扩散能 力较强，晶粒细化，得到致密的细柱状晶。基片温度低于 0.3Tm时，吸附原子难于扩散，容易形成岛状晶核，生成锥 状晶、粗柱状晶。基片温度过低将抑制结晶过程，发生非晶 态化转变，形成非晶态膜。
气相沉积的过程
气相沉积基体过程包括三个走骤： 提供气相镀料；
蒸发镀膜: 使镀料加热蒸发； 溅射镀膜: 用具有一定能量的离子轰击，从靶材上击出镀料原子。
镀料向所镀制的工件（或基片）输送 （在真空中进行，这主要是为了避免过多气体碰撞）
高真空度时（真空度为 10-2Pa）： 镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀源直线前进至基 片； 低真空度时（如真空度为 10Pa）： 则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 镀膜速率，还是允许的。 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。
电刷镀
气相沉积( NPCVD)系统的压强约为一个大气压外，都是负
压。沉积气氛在真空室内反应，原料转化率高，可节省贵重 材料资源。
②一般说来，气相沉积可降低来自空气等的污染，所得到的 沉积膜或材料纯度高。例如，CVD法在蓝宝石基片上沉积αAl2O3单晶材料时，其杂质含量仅为30~ 34 mg/kg，远小于
气相沉积层的结构
气相沉积膜大多是晶体结构，沉积膜组织与沉积条件有 关 基片温度 表面状态 真空度 ...... 基片温度是决定膜组织的主要因素之一，基片温度高 ，蒸气原子的动能大，克服表面扩散激活能的几率增多，容 易发生结晶，并且膜中缺陷少，内应力小。基片温度高于膜 材熔点0.5Tm时，吸附原子扩散能力强，沉积膜得到再结晶 的等轴晶。基片温度较低，高于0.3Tm时，吸附原子扩散能 力较强，晶粒细化，得到致密的细柱状晶。基片温度低于 0.3Tm时，吸附原子难于扩散，容易形成岛状晶核，生成锥 状晶、粗柱状晶。基片温度过低将抑制结晶过程，发生非晶 态化转变，形成非晶态膜。
气相沉积的过程
气相沉积基体过程包括三个走骤： 提供气相镀料；
蒸发镀膜: 使镀料加热蒸发； 溅射镀膜: 用具有一定能量的离子轰击，从靶材上击出镀料原子。
镀料向所镀制的工件（或基片）输送 （在真空中进行，这主要是为了避免过多气体碰撞）
高真空度时（真空度为 10-2Pa）： 镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀源直线前进至基 片； 低真空度时（如真空度为 10Pa）： 则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 镀膜速率，还是允许的。 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。
电刷镀
第五章 气相沉积技术
物理气相沉积：物理气相沉积：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分 子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。可分为真空蒸镀技术(Vapor Evaporation)、真空溅射(Vapor Sputtering)、离子镀(Ion Plating)和分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)等。
几乎已被淘汰
高频感应加热法
原理： 利用高频感应直接加热镀膜 材料→蒸发→沉积 优点： ①无灯丝污染， ②得到的膜层纯净且不受 带电粒子的损害。 缺点： ①尽管加热速度比电阻法 快，但仍不足够快。 ②不能对坩埚进行去气 ③温度仍不足够高
电子束加热法
原理： 电子束对坩埚内材料直接加热→ 蒸发→沉积。 优点：①电极结构简单，电源设备小， 便于应用。 ②加热快，无坩埚污染。 ③偏转装置可避免灯丝与蒸发 流接触产生电弧。同时避免灯丝被 污染。 ④能量集中，温度高，因此这 种蒸发源对高、低熔点的膜料都能 适用，尤其适合蒸发熔点高达 2000C左右的氧化物。 缺点：设备复杂，投资大
水汽可与金属膜反应，生成氧化物而释放出氢；或与 热源(如钨丝)作用，生成氢和一种氧化物。
减少残余气体及水汽的影响、提高膜层的纯度的方法
真 空 蒸 发 镀 膜 原 理 及 其 基 本 过 程
(1) 烘烤。使钟罩内壁、内部夹具、基片等器件上吸附的气
体解吸出来，由真空泵排除。这对镀制要求较高的膜层是极为 重要的。
沸腾蒸发温度大幅度下降，熔化蒸发过程大大缩短，蒸发效率 提高。以金属铝为例，在一个大气压条件下，铝要加热到2400C 才 能 达 到 沸腾 而 大 量 蒸发 ， 但 在 1.3mPa 压 强 下 ， 只 要 加热到 847C就可以大量蒸发。
一般材料都有这种在真空下易于蒸发的特性。
气相沉积原理
气相沉积原理气相沉积（CVD）是一种常见的薄膜制备技术，广泛应用于半导体、光电子、材料科学等领域。
它通过在气相中使化学物质发生化学反应，从而在基底表面沉积出所需的薄膜。
气相沉积技术具有高效、均匀、多样化等优点，因此备受关注。
气相沉积的原理主要包括气相传质、表面反应和沉积过程三个方面。
首先，气相传质是指反应气体在反应室中传输和扩散的过程。
在传输过程中，气体分子与基底表面发生碰撞并吸附，为后续的表面反应提供物质基础。
其次，表面反应是指吸附在基底表面的气体分子在一定条件下发生化学反应，生成固体产物。
这一步骤决定了沉积薄膜的化学成分和结构特征。
最后，沉积过程是指固体产物在基底表面上沉积成薄膜的过程。
在这一过程中，需要控制沉积速率、均匀性和结晶度，以获得所需的薄膜性能。
气相沉积原理的实现需要考虑多种因素，包括反应气体的选择、反应温度、压力、基底表面状态等。
首先，反应气体的选择对沉积薄膜的性质有重要影响。
不同的气体组合会导致不同的化学反应路径和产物特性。
其次，反应温度和压力是影响气相沉积反应速率和产物结构的重要参数。
适当的反应温度和压力可以促进表面反应的进行，并控制沉积速率和均匀性。
最后，基底表面的状态对沉积薄膜的质量和结晶度有显著影响。
良好的表面状态可以提供良好的吸附条件，有利于沉积物的均匀性和结晶度。
在实际应用中，气相沉积技术可以通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等不同方式实现。
CVD是利用化学反应在基底表面上沉积出所需的薄膜，而PVD则是利用物理手段将固体材料蒸发或溅射到基底表面形成薄膜。
两种方法各有优劣，根据具体需求选择合适的技术路线。
总的来说，气相沉积原理是一种重要的薄膜制备技术，其在半导体、光电子、材料科学等领域有着广泛的应用前景。
通过深入理解气相沉积的原理和影响因素，可以更好地控制薄膜的质量和性能，推动相关领域的科学研究和工程应用。
气相沉积技术梗概
一、气相沉积技术气相沉积技术分为化学气相沉积与物理气相沉积制备具有各种物理化学性能和物理化学性能（高硬度、高耐热、高热导、高耐蚀、抗氧化、绝缘等）涂层，金属、合金涂层，多种多样的化合物、非金属、半导体、陶瓷和有机物的单层或多层结构上。
1.化学气相沉积热分解反应、金属还原反应、化学输送反应、氧化反应、分解反应、等离子激发反应、光激发（包括激光）反应厚度和质量均匀，反应温度低，涂层和基体结合强度高，工艺装备简单——面积大，形状复杂的工件2.物理气相沉积真空、热蒸发、辉光放电-溅射等力学性能，尺寸精度，纯度高，无废气——精密元件，集成电路，光电器件二、集成电路组成1．有源器件（晶体管）双极晶体管结构示意图a）抛面图b）顶视图P型硅片衬底为基础，n阱、源区、漏区、介质层、多晶硅、n阱与衬底的两线以及金属互联线——多层结构2．无源器件（如电阻电容）电容器件的结构图a)多晶硅-扩散b）多晶硅-多晶硅c）多晶硅-金属CMOS工艺中电容被加工成“多晶硅-扩散”、“多晶硅-多晶硅”、“多晶硅-金属”结构三、制备集成电路中的气相沉积技术综述(化学、物理、分类、例子)一个简单的例子：硅片衬底，硅片导电——沉积绝缘层或热生长一层二氧化硅防止相邻电阻间漏电，沉积导电层，光刻，金属线需跨过电阻——沉积另一层绝缘层，沉积金属互连层。
一个电阻集成电路的制作工艺流程复杂集成电路的多层连线结构包括化学气相沉积和金属溅射等（物理气相沉积），所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作。
多晶硅（互连导电层）：化学气相沉积，SiH4、H2等气体，600-950℃，杂质气体参杂降低电阻率。
绝缘物质（保护层）（SiO2、Si3N4）：在Si衬底上沉积或热生长一层SiO2绝缘层。
金属埋层（电极导线）（铝、铜等及其合金）：CVD、PCVD、真空蒸发技术、磁控溅射、射频溅射，s枪——中心阳极能有效捕集逃逸的二次电子，使基片免受高能电子的轰击而破坏。
CVD集成多腔工艺设备和工艺腔示意图具体技术：PVDCVDCVD的应用多晶硅：二氧化硅：氮化硅：金属：CVD在后段工艺中的应用：HPCVD：外延气相沉积具体应用：（1）双阱工艺：n阱和p阱的形成外延生长：硅片到达扩散区之前已经有了一个薄的外延层。
电子教案与课件：表面处理技术概论 第5章气相沉积技术
是形成新相表面能的增加。 气相沉积的必要条件是沉积物质的过饱和蒸汽压，过饱和度是气相沉积的动力，遵
守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变，形 成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。
5.2 气相沉积基础-分类
物理气相沉积（PVD）是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸发、溅 射 、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、等离 子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在基体 上沉积为固相薄膜的过程。
5.3 蒸发镀膜-过程
气相物质的产生：包括固相或液相转变为气相的相变过程（固相或液相→气相） ，每种物质在不同的温度有不同的饱和蒸气压。
气相物质在蒸发源与基片之间的输运：此过程中汽化原子或分子与残余气体分子 发生碰撞的次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及蒸发源---基片的距离。
气相物质的沉积：蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜（气相→固相相变过程） 。
5.2 气相沉积基础-分类
化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等 各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反 应形成固态沉积物的技术。
5.3 蒸发镀膜
定义 真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀简称蒸发镀，是在 真空条件下用蒸发器加热待蒸发物质，使其汽化并向 基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。 真空蒸发镀膜装置，一般由四部分组成: ✓ 真空室：用于放置镀件，进行镀膜的场所； ✓ 真空系统：机械泵、扩散泵、管道、阀门等； ✓ 蒸发系统：蒸发源，加热蒸发源的电气设备 ✓ 电气设备：真空测量系统，控制台等。
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。
守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变，形 成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。
5.2 气相沉积基础-分类
物理气相沉积（PVD）是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸发、溅 射 、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、等离 子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在基体 上沉积为固相薄膜的过程。
5.3 蒸发镀膜-过程
气相物质的产生：包括固相或液相转变为气相的相变过程（固相或液相→气相） ，每种物质在不同的温度有不同的饱和蒸气压。
气相物质在蒸发源与基片之间的输运：此过程中汽化原子或分子与残余气体分子 发生碰撞的次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及蒸发源---基片的距离。
气相物质的沉积：蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜（气相→固相相变过程） 。
5.2 气相沉积基础-分类
化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等 各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反 应形成固态沉积物的技术。
5.3 蒸发镀膜
定义 真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀简称蒸发镀，是在 真空条件下用蒸发器加热待蒸发物质，使其汽化并向 基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。 真空蒸发镀膜装置，一般由四部分组成: ✓ 真空室：用于放置镀件，进行镀膜的场所； ✓ 真空系统：机械泵、扩散泵、管道、阀门等； ✓ 蒸发系统：蒸发源，加热蒸发源的电气设备 ✓ 电气设备：真空测量系统，控制台等。
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。
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• 直流溅射又被称为阴极溅射或二级溅射。 相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较 大，原子的电离过程多发生在距离靶材很 远的地方，因而离子运动至靶材处的概率 较小。同时，低压下电子的自由程较长， 电子在阳极上消失的概率较大，而离子在 阳极上溅射的同时发出二次电子的概率又 由于气压较低而相对较小。这使得低压下 的原子电离成为离子的概率很低，在低于 1Pa的压力下甚至不易发生自发放电。这些 均导致低压条件下溅射速率很低。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
➢ 由于与盛装待蒸发材料的坩埚相接触的蒸发材料 在整个蒸发沉积过程保持固体状态不变，这样就 使待蒸发材料与坩埚发生反应的可能性减少到最 低。直接采用电子束加热使水冷坩埚中的材料蒸 发是电子束蒸发中常用的方法。
➢ 通过水冷，可以避免蒸发材料与坩埚壁的反应， 由此即可制备高纯度的薄膜。通过电子束加热， 任何材料都可以被蒸发，蒸发速率一般在每秒几 分之一埃到每秒数微米之间。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
溅射沉积和蒸发沉积在本质上是有区别的：蒸发沉 积是由能量转换引起的，而溅射沉积 是有 动量转换引起的，所以溅射的溅射出来的 原子是有方向性的。利用这种想象来沉积 物质制作薄膜的方法就是溅射沉积。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
⑴ 辉光放电和溅射现象
• 辉光放电 当容器内的压强在0.1-10Pa时， 在容器内装置的两电极加上电压而产生的 放电。就是正离子轰击阴极，从阴极发射 出次级电子，此电子在克鲁克斯暗区被强 电场加速后再冲撞气体原子，使其离化后 再被加速，然后再轰击阴极这样一个反复 进行过程。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 真空蒸发沉积的设备一般由沉积膜室、抽真空系 统、蒸发源、基材支架、基材加热系统和轰击电 极以及蒸发电源、加热电源、轰击电源、进气系 统等。
•真空蒸发沉积装置示意图 表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 在真空中为了蒸发待沉积的材料，需要容器来支 撑或盛装蒸发物，同时需要提供 蒸发热使蒸发物 达到足够高的温度以产生所需的蒸气压。
（2）源物质经过物理过程而进入气相, 在气相中及 在基材表面并不发生化学反应；
（3）需要相对较低的气体压力环境下沉积，沉积层 质量较高；
（4）物理气相沉积获得的沉积层较薄，厚度范围通 常为纳米微米数量级，属于薄膜范畴。因此，物 理气相沉积技术通常又称为薄膜技术，是其它表 面覆层技术所无法比拟的；
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
热弧放电 辉光放电 热弧放电 冷场致弧光放电
50～100
1000 100～120 50～200
1～10-1 1～10-2 1～10-1 1～10-1
20～40 5～15 20～40 60～90
－
0
10-3～10-4
0
－
0
1～10-1
0
－
0
1～10-1
0
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1.1 真空蒸发沉积
表面处理技术概论第5章 气相沉积技术
2020/12/6
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 气相沉积技术是通过气相材料或使材 料气化后沉积于固体材料或制品(基片) 表面并形成薄膜，从而使基片获得特 殊表面性能的一种新技术。近40年来， 气相沉积技术发展迅速，已在现代工 业中得到广泛应用并展示了更为广阔 的发展和应用前景。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
目录
• 5.1 物理气相沉积 • 5.2 化学气相沉积技术 • 5.3 气相沉积技术制备薄膜 • 思考题
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1 物理气相沉积
• 5.1.1 真空蒸发沉积 • 5.1.2 电阻蒸发沉积 • 5.1.3 电子束蒸发沉积 • 5.1.4 溅射沉积 • 5.1.5 离子镀 • 5.1.6 外延沉积（生长）离子镀
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 一般来讲，沉积速度与溅射功率（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。
•溅射沉积速率与工作气压间的关系 表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很 多次碰撞，因而能量较高，这有利于提高沉积时原子的扩 散能力，提高沉积组织的致密程度。溅射气压的提高使得 入射的原子能量降低，不利于薄膜组织的致密化。
• 在溅射化合物时，这里以Ar离子轰击GaAs 为例。这种情况下，溅射出来的原子与分 子中有99%是Ga或者As的中性单原子，剩 下的才是中性GaAs分子。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
⑶ 溅射沉积装置
• 直流溅射一般只能用于靶材为良导体的溅 射。
•直流溅射沉积装置的示意
图
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
•电子束加热装置 表面处理技术概论第5章气相沉积技
术
5.1.4 溅射沉积
• 利用带有电荷的离子在电场中加速后具有 一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的 靶电极。在离子能量合适的情况下，入射 的离子将在与靶电极表面的原子的碰撞过 程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的 原子带有一定的动能，并且会沿着一定的 方向射向基材，从而实现在基材表面上的 沉积。
－
0
10-3～10-4
0
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辉光放电 辉光放电 射频放电 辉光放电 辉光放电
0 0～1000 100～200 100～200
0
1～3 1～10-1 10-1～10-2 10-1～10-2 10-1～10-3
0 10-1～10-2
15～30 10～20 50～85
• 通常所用的支撑材料为难 熔金属和氧化物。当选 择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸发物与支 撑材料之间可能发生的合金化和化学反应等问题。 支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。
• 重要的蒸发方法有电阻加热蒸发、闪烁蒸发、电 子束蒸发、激光熔融蒸发、弧光 蒸发、射频加热 蒸发等。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
•常见电阻式加热器表面处理技术概论第5章气相沉积技
术
电阻蒸发沉积的缺点：
• ①加热所能达到最高温度有限，加热器的 寿命也较短。
• ②坩埚的成本高 • ③蒸发率低； • ④加热时合金或化合物会分解
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1.3 电子束蒸发沉积
•电阻蒸发存在许多致命的缺点，如蒸发物与坩 埚发生反应；蒸发速率较低。 •为了克服这些缺点，可以通过电子轰击实现材 料的蒸发。 •在电子束蒸发技术中，一束电子通过5～10kV 的电场后被加速→最后聚焦到待蒸发材料的表 面→当电子束打到待蒸发材料表面时，电子会 迅速损失掉自己的能量→将能量传递给待蒸发 材料使其熔化并蒸发。 •也就是待蒸发材料的表面直接由撞击的电子束 加热，这与传统的加热方式形成鲜明的对照。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1 物理气相沉积
• 物理气相沉积是一种物理气相反应为生长法，是 利用某种物理过程，在低气压或真空等离子体放 电条件下，发生物质的热蒸发或受到粒子轰击时 物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从物 质缘在基体表面生长与基体性能明显不同薄膜 （涂层）的人为特定目的物质转移过程。
• 常用的电阻加热蒸发法是将待蒸发材料放 置在电阻加热装置中，通过电路中的电阻 加热给待沉积材料提供蒸发热使其汽化。 在这一方法中，经常使用的支撑加热材料 是难熔金属钨、铊、钼，这些金屑皆具有 高熔点、低蒸气压的特点。支撑加热材料 一般采用丝状或箔片形状，如图3－2所示。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
技术名称
热能来源 功率密度/W.cm-2 特点
•几种真空蒸发沉积技术的特点
电阻蒸发沉积 电子束蒸发沉积
高频感应加热蒸 发沉积
高熔点金属
高能电子束
高频感应加热
小
104
103
简单成 106 纯度高，不分馏
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1.2 电阻蒸发沉积
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
•辉光放电状态和不同位置处的电 位
•Ni的溅射率与入射离子种类和能量之间的关系
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
以下的几个溅射现象的特点可以用溅射率v来进行解释：
①假如用某种离子在某固定的电压下轰击各种物质， 那么就会发现v随元素周期表的族的变化而变化的； 反之，靶子种类一定，用不同种类的离子去轰击 靶子，那么，v也随元素周期表的族的变化而做周 期性的变化。
• 真空蒸发沉积薄膜具有简单便利、操作容易、成 膜速率快、效率高等特点，是薄膜制备中最为常 用的方法之一。
• 这一技术的缺点是形成的薄膜与基片结合较差， 工艺重复性不好。
• 在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环 境。在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量 以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发 薄膜沉积。
（8）物理气相沉积多是在辉光放电、弧光放电等低 温等离子体条件下进行的，沉积层粒子的整体活 性很大，容易与反应气体进行化合反应。可以在 较低温度下获得各种功能薄膜，同时，基材选用 范围很广，如可以是金属、陶瓷、玻璃或塑料等。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
分类 名称
真空蒸 电阻蒸发沉积 发沉积 电子枪蒸发沉积
④对于多晶靶，离子从斜的方向轰击表面时，v增大。 由溅射飞出的原子方向多和离子的正相反方向相 一致。
⑤被溅射出来的原子具有的能量要比由真空蒸发飞 出的原子所具有的能量（大约在0.1eV）大1~2个 数量级。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
⑵ 溅射原子、分子的形态
• 单体物质引起溅射时，通常，离子的加速 电压越高，被溅射出来的单原子就越少， 复合粒子就越多。通常把这种复合粒子称 为群。