物理气相沉积技术PPT课件
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物理气相沉积PPT课件
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。进一步的原子（分子）淀积使上述岛状的团 （晶核）不断扩大，直至展延成连续的薄膜。
Stranski-Krastanov Mode
Layer Plus Island Growth
衬底
( 2D-3D )
PVD所需实验条件
►高真空 (HV) ►高纯材料 ►清洁和光滑的衬底表面 ►提供能量的电源
PVD的通用实验配置
衬底
真空室 反应气体管道
充气管道
Plume
厚度监控仪 靶材
真空泵
一、蒸发镀膜
提高薄膜纯度的方法： –降低残余气体分压,提高真空度； –提高基片温度,提高沉积速率；
二、溅射镀膜
溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来的带电离子进行加速，使其获得一 定的动能后，轰击靶电极，将靶电极的原子溅射出来，沉积到衬底形成薄膜的方法。
辉光放电
溅射沉积薄膜原理
Al膜
阳
避免金属 真空 原子氧化
7、薄膜的纯度：
蒸发源纯度的影响： 加热器、坩埚、支撑材料等的污染： 残余气体的影响：
Substrate
残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间
生长材料的分子 残留气体分子
Pressure (Torr) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
第七章气相沉积技术ppt课件
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
定义：等离子体是指存在的时间和
空间均超过某一临界值的电离气体
产生途径——宇宙、天体、上层气
体、放射线及同位素、X射线、粒子 加速器、反应堆、场致电离、冲击波、 燃烧、激光、真空紫外光、发电等， 在气相沉积中广泛采用的是气体放电 产生等离子体。
等离子体特征
让 优
秀
成 为
一
种
惯
离子镀膜的应用
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
①首先，离子镀是各种刀具的保护神。可 以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化 钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆 等多种硬质膜。 ②其次，离子镀技术还是美化人民生活的 得力工具。从我们手上带的手表表壳、表 带，到手机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我 们衣服上的扣子、领带夹，腰上别的钥匙 扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰 作。颜色也是多种多样。 ③离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、 润滑及电子工业的集成电路等中。
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
化学气相沉积
什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？
外延
让 优
秀
成 为
一
种
习
外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向 相同的同类单晶体（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）。
外延分为——气相外延、液相外延和分子束外延
气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过 程。
有基体支撑：依附于固体表面并得到 其支撑而存在，并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料
手机贴膜
手机贴膜
塑料膜
让 优
物理气相沉积(PVD)PPT课件.
§8.2 物理汽相沉积（PVD）
物理气相沉积
—— Physical Vapor Deposition 缩写为： PVD； 通常用于沉积薄膜和涂层 沉积膜层厚度：10-1nm～mm； 一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到 各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以 及它们的相关工业工程。 包括 蒸发沉积（蒸镀）、溅射沉积（溅射） 和离子镀等。
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝； 2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难；
3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应； 一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图 8.2.4所示。 特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。 还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热；
（2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免 材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
（2）封闭体系内的P—T关系：
Lv dP dT TV
（1）
∵
V V汽 V固、 液
1 V汽 RT， P
∴
积分：
dP PLV dT RT 2
LV 1 ln p A R T
（2）
物理气相沉积
—— Physical Vapor Deposition 缩写为： PVD； 通常用于沉积薄膜和涂层 沉积膜层厚度：10-1nm～mm； 一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到 各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以 及它们的相关工业工程。 包括 蒸发沉积（蒸镀）、溅射沉积（溅射） 和离子镀等。
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝； 2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难；
3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应； 一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图 8.2.4所示。 特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。 还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热；
（2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免 材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
（2）封闭体系内的P—T关系：
Lv dP dT TV
（1）
∵
V V汽 V固、 液
1 V汽 RT， P
∴
积分：
dP PLV dT RT 2
LV 1 ln p A R T
（2）
第七章 气相沉积技术精品PPT课件
目前 CVD能够制备的硬质膜种类达几十种，并能制 备三层以上的多层膜和梯度膜。
2020/10/13
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80 年 代 气 相 沉 积 发 展 的 主 要 特 征 是 PVD 沉 积技术进一步完善并扩大应用范围。 等离子激活气相化学沉积（PCVD）技术的 产生，基础研究开始起步并日益受到重视。 1978年，Hazle，Wood和Iondnis首次报道 了用PVCD沉积TiC，发现沉积温度可降至 500℃。
然而，沉积理论落后于沉积技术的现象已在很 大程度上影响了此项技术的进一步发展，例如 镀层质量的测试及评定方法；膜基体系和膜基 间的相互关系的研究；
这些研究将为新材料新工艺转化为生产力提供 有效的基本数据，为进一步发展新材料奠定理 论基础。
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气相沉积发展史
气相沉积硬质镀层的发展可追溯到上上个世 纪 末 ， 德 国 的 Erlwein等 利 用 化 学 气 相 沉 积 （简称CVD），在氢气的参与下，用挥发性 的金属化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯 丝上形成TiC。
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在1963年D．M．Mattox已提出了离子镀 技术，并于 1967年取得了美国专利。
时隔两年，美国的IBM公司研制出射频溅 射法。这两种技术与蒸镀构成了PVD的 三大系列。
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进人70年代，PVD技术的崛起与CVD技术的提高， 使得表面镀层技术进人了全面的发展阶段。 1972年美国加州大学Bunshan发明了活性反应蒸 镀技术。 1973年前苏联又推出了多弧离子镀；与此同时， 日本的村山洋一发明了射频离子镀。一年之后。 日本的小宫泽治将空心阴极放电技术用于离子镀 形成了目前广泛应用的空心阴极离子镀。
气相沉积PPT课件
蒸镀的膜层其残余应力为拉应力，而离子轰击产生压应力，可以抵消一 部分拉应力。离子轰击可以提高镀料原子在膜层表面的迁移率，这 有利于获得致密的膜层。
如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这 时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀了。离 子渗镀的离子能量为1000eV左右。
射频溅射：
射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上， ,一个周期内 ，每个电极交替称为阴极和阳极，正离子和电子交替轰击靶 子。
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。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。
缺点：是大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。
磁控溅射 ：
磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前 已在工业生产中实际应用。
磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级 ，它具有高速、低温、低损伤等优点：
高速是指沉积速率快； 低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。
磁控溅射原理：
在阴极靶面上建立一个平行的磁场，使靶放 出的高速电子转向，从而减小了电子冲 击基板发热的影响，在133Pa的低压下， 基本温度在100℃就可成膜。
多弧离子镀
多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在 固体的阴极靶材上直接蒸发金属， 电流可达 105-107A/cm2，使金属蒸 发并由于电弧放电中电子的冲击使 蒸发到弧柱的金属电离成等离子状 态，并在负压的基体上沉积。
化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反应溅射。许多化合物 是导电材料，其电导率有的甚至与金属材料相当，这时可以 采用化合物靶进行直流溅射。对于绝缘材料化合物，则只能 采用射频溅射。
如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这 时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀了。离 子渗镀的离子能量为1000eV左右。
射频溅射：
射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上， ,一个周期内 ，每个电极交替称为阴极和阳极，正离子和电子交替轰击靶 子。
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。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。
缺点：是大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。
磁控溅射 ：
磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前 已在工业生产中实际应用。
磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级 ，它具有高速、低温、低损伤等优点：
高速是指沉积速率快； 低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。
磁控溅射原理：
在阴极靶面上建立一个平行的磁场，使靶放 出的高速电子转向，从而减小了电子冲 击基板发热的影响，在133Pa的低压下， 基本温度在100℃就可成膜。
多弧离子镀
多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在 固体的阴极靶材上直接蒸发金属， 电流可达 105-107A/cm2，使金属蒸 发并由于电弧放电中电子的冲击使 蒸发到弧柱的金属电离成等离子状 态，并在负压的基体上沉积。
化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反应溅射。许多化合物 是导电材料，其电导率有的甚至与金属材料相当，这时可以 采用化合物靶进行直流溅射。对于绝缘材料化合物，则只能 采用射频溅射。
第8章 气相沉积PPT课件
Co-Cr-Al系合金
Co-Cr-Al-Y系合金
机材料、航空航天器件
耐蚀 润滑 装饰
Al，Zn，Cd，Ta，Ti
Au，Ag，Pb，Cu-Au， Pb-Sn，MoS2
Au，Ag，Ti，Al，TiN， TiC
普通钢、结构钢、不锈钢
飞机、船舶、汽车、管材、 一般结构件
高温合金、轴承钢
喷气发动机轴承、航空航 天及高温旋转器件
12.11.2020
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二极溅射装置
12.11.2020
四极溅射装置
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磁控溅射
12.11.2020
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3、阴极溅射的特点
与真空蒸镀法相比，特点： ① 结合力高； ② 容易得到高熔点物质的膜； ③ 可以在较大面积上得到均一的薄膜； ④ 容易控制膜的组成； ⑤ 可以长时间地连续运转； ⑥ 有良好的再现性； ⑦ 几乎可制造一切物质的薄膜。
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不足：真空蒸镀时，蒸发粒子动能为0.1～1.0EV， 膜对基体的附着力较弱。
改进结合力措施：
① 在基板背面设置一个加热器，加热基板，使基 板保持适当的温度，既净化基板，又使膜和基体 之间形成一薄的扩散层，增大附着力；
② 对于蒸镀像Au这样附着力弱的金属，可以先 蒸镀像Cr、Al等结合力高的薄膜作底层。
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电子束加热蒸镀
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（3）高频感应加热
原理：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。
特点：得到的膜层纯净而且不受带电粒子 的损害。
应用：主要用于铝的大量蒸发。
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（4）激光蒸镀法
气相沉积技术ppt课件
气相沉积技术
一 气相沉积技术概述
二 物理气相沉积 三 化学气相沉积
四 小结
CZOPE
1
一、气相沉积技术概述
气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜的技术， 利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多 层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。
气相沉积技术
物理气相沉积 (PVD)
化学气相沉积 (CVD)
18
18
3.2 化学气相沉积模式及原理过程
CZOPE
19
CVD过程
CZOPE
20
20
化学气相沉积原理
Vaporization and transport of precursor molecules into reactor Diffusion of precursor molecules to surface Adsorption of precursor molecules to surface Decomposition of precursor molecules on surface and incorporation into solid films Recombination of molecular byproducts and desorption into gas phase
CZOPE
3
二、物理气相沉积
物理气相沉积（ Physical Vapor Deposition ，PVD)指的是利 用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物 理表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄膜的可控的原 子转移过程。 PVD 法已广泛用于机械、航空 、电子、轻工和 光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、 装饰、润滑、压电和超导等各种镀层，已成为国内外近20年来 争相发展和采用的先进技术之一。 主要分类： ----蒸发（热化、电子束、RF） ----溅射（RF、DC 、磁控） ----其它方法（脉冲激光沉积、分子束延展、离子镀）
一 气相沉积技术概述
二 物理气相沉积 三 化学气相沉积
四 小结
CZOPE
1
一、气相沉积技术概述
气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜的技术， 利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多 层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。
气相沉积技术
物理气相沉积 (PVD)
化学气相沉积 (CVD)
18
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3.2 化学气相沉积模式及原理过程
CZOPE
19
CVD过程
CZOPE
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化学气相沉积原理
Vaporization and transport of precursor molecules into reactor Diffusion of precursor molecules to surface Adsorption of precursor molecules to surface Decomposition of precursor molecules on surface and incorporation into solid films Recombination of molecular byproducts and desorption into gas phase
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二、物理气相沉积
物理气相沉积（ Physical Vapor Deposition ，PVD)指的是利 用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物 理表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄膜的可控的原 子转移过程。 PVD 法已广泛用于机械、航空 、电子、轻工和 光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、 装饰、润滑、压电和超导等各种镀层，已成为国内外近20年来 争相发展和采用的先进技术之一。 主要分类： ----蒸发（热化、电子束、RF） ----溅射（RF、DC 、磁控） ----其它方法（脉冲激光沉积、分子束延展、离子镀）
第十章 气相沉积技术 ppt课件
c. 混合生长型：最初的一、两个单原子层沉积之 后，再以形核和长大的方式进行，一般在清洁 金属表面沉积金属时容易产生。
PPT课件
8
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9
(1) 从蒸发源射出蒸发气流和基片碰撞，一部分被反射，一部分被吸附。 (2) 吸附原子在基片表面发生表面扩散，沉积原子碰撞后形成簇团，还会
有部分吸附原子在表面停留一段时间后，会发生再蒸发。
PPT课件
12
根据分子动力学，有个公式确定真空度 Pr, 使得从蒸发源出来的原子大部分不与 残余气体发生碰撞而直接到达基片。
Pr=13/L
其中L是基片到蒸发源的的距离。为了保 证成膜质量，最好在比起始真空度低1~2 个数量级的环境中进行镀膜。
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2)基材表面状态
基材表面状态，包括清洁度、温度、表面晶体结 构都会影响蒸镀过程。 (a) 表面清洁度：油膜、乙醇类物质会污染且使
第十章 气相沉积技术
气相沉积技术是目前发展最迅速、应用非常广 泛的一种表面成膜技术
气相沉积技术是世界性的研究热点，它的发展 代表一个国家在材料、物理、化学方面的研究 水平.
发展历史非常短，气相沉积技术是70年代以后 发展起来的，尤其是80年代以后得到迅猛的发 展
目前已经成为微电子工业和信息工业的基础工 艺，很多的器件都是采用气相沉积技术制备的。
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3.影响蒸镀过程的状态与参数 1) 真空度；高真空的目的有两个：一是，在真空的
条件下，金属或非金属材料的蒸发比在大气条 件下要容易得多。所需要的沸腾蒸发温度大幅 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2400℃才能达到沸腾而大量蒸发，但在 1.3mPa压强下，只要加热到847℃就可以大量蒸 发。大多数材料都有在真空下易于蒸发的特性。 二是，在真空条件下，可以减少蒸汽原子和气 体原子的碰撞，使它们到达基材表面后有足够 的能量进行扩散，形成致密的高纯膜，提高成 膜质量。否则，蒸汽原子与气体原子发生碰撞 后会损失能量，到达基材后易形成粗大的岛状 晶核，使组织粗大，表面粗糙，质量下降。所 以一般真空蒸镀的真空度要达到10-2-10-4Pa.
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9
(1) 从蒸发源射出蒸发气流和基片碰撞，一部分被反射，一部分被吸附。 (2) 吸附原子在基片表面发生表面扩散，沉积原子碰撞后形成簇团，还会
有部分吸附原子在表面停留一段时间后，会发生再蒸发。
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12
根据分子动力学，有个公式确定真空度 Pr, 使得从蒸发源出来的原子大部分不与 残余气体发生碰撞而直接到达基片。
Pr=13/L
其中L是基片到蒸发源的的距离。为了保 证成膜质量，最好在比起始真空度低1~2 个数量级的环境中进行镀膜。
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2)基材表面状态
基材表面状态，包括清洁度、温度、表面晶体结 构都会影响蒸镀过程。 (a) 表面清洁度：油膜、乙醇类物质会污染且使
第十章 气相沉积技术
气相沉积技术是目前发展最迅速、应用非常广 泛的一种表面成膜技术
气相沉积技术是世界性的研究热点，它的发展 代表一个国家在材料、物理、化学方面的研究 水平.
发展历史非常短，气相沉积技术是70年代以后 发展起来的，尤其是80年代以后得到迅猛的发 展
目前已经成为微电子工业和信息工业的基础工 艺，很多的器件都是采用气相沉积技术制备的。
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3.影响蒸镀过程的状态与参数 1) 真空度；高真空的目的有两个：一是，在真空的
条件下，金属或非金属材料的蒸发比在大气条 件下要容易得多。所需要的沸腾蒸发温度大幅 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2400℃才能达到沸腾而大量蒸发，但在 1.3mPa压强下，只要加热到847℃就可以大量蒸 发。大多数材料都有在真空下易于蒸发的特性。 二是，在真空条件下，可以减少蒸汽原子和气 体原子的碰撞，使它们到达基材表面后有足够 的能量进行扩散，形成致密的高纯膜，提高成 膜质量。否则，蒸汽原子与气体原子发生碰撞 后会损失能量，到达基材后易形成粗大的岛状 晶核，使组织粗大，表面粗糙，质量下降。所 以一般真空蒸镀的真空度要达到10-2-10-4Pa.
物理气相沉积技术 ppt课件
• 溅射电压1000V，靶电流密度1.0mA/cm2，薄膜沉 积速率低于0.5μm/min。
38Biblioteka 实现了对绝缘材料的溅射• 在采用高频率电源产生放电后，两级间的 电位进行高频变化。当靶材处于负半周时， 正离子对靶面进行轰击引起溅射，与此同 时靶材表面会有正电荷的积累。当靶材处 于正半周时，由于电子对靶的轰击，中和 了积累在靶面上的正电荷，为下个周期的 溅射创造了条件。在一个周期内正离子和 电子可以交替轰击靶面，从而实现对绝缘 材料的溅射。由于在一个周期内对靶材既 39
1.溅射的概念
• 具有一定能量的入射离子在对固体表面进行轰击 时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将 发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原 子溅射出来，这种现象称为溅射。
• 溅射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。 用于轰击靶材的荷能粒子可以使电子、离子、中 性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需 动能，故大多采用离子作为轰击粒子，则该离子 又称为入射离子。
• 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和 分解等过程）.
• 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、 复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）.
• 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜.
6
PVD的物理原理
气态
衬底
薄膜
以气态方式进行 物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
7
三.物理气相沉积技术的分类
4
一.物理气相沉积技术的概念
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)技术：表示在真空条件下，采用物理 方法，将材料源－固体或液体表面气化成 气体原子、分子或部分电离成离子，并通 过低压气体（或等离子体）过程，在基体 表面沉积具有特殊功能薄膜的技术。
38Biblioteka 实现了对绝缘材料的溅射• 在采用高频率电源产生放电后，两级间的 电位进行高频变化。当靶材处于负半周时， 正离子对靶面进行轰击引起溅射，与此同 时靶材表面会有正电荷的积累。当靶材处 于正半周时，由于电子对靶的轰击，中和 了积累在靶面上的正电荷，为下个周期的 溅射创造了条件。在一个周期内正离子和 电子可以交替轰击靶面，从而实现对绝缘 材料的溅射。由于在一个周期内对靶材既 39
1.溅射的概念
• 具有一定能量的入射离子在对固体表面进行轰击 时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将 发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原 子溅射出来，这种现象称为溅射。
• 溅射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。 用于轰击靶材的荷能粒子可以使电子、离子、中 性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需 动能，故大多采用离子作为轰击粒子，则该离子 又称为入射离子。
• 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和 分解等过程）.
• 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、 复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）.
• 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜.
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PVD的物理原理
气态
衬底
薄膜
以气态方式进行 物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
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三.物理气相沉积技术的分类
4
一.物理气相沉积技术的概念
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)技术：表示在真空条件下，采用物理 方法，将材料源－固体或液体表面气化成 气体原子、分子或部分电离成离子，并通 过低压气体（或等离子体）过程，在基体 表面沉积具有特殊功能薄膜的技术。
表面处理第十二讲气相沉积(共16张PPT)
4、CVD装置及工艺应用：
）成膜机理 表面温度（低利于凝聚成膜，但结合力不高。
2 3）影响蒸镀过程的状态与参数：
二、化学气相沉积（CVD） 二、化学气相沉积（CVD） （1）真空度：一般为10-2~10-4Pa； 二、化学气相沉积（CVD） 表面处理第十二讲气相沉积 概念：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。 一、物理气相沉积（PVD） （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 2）反应物供给及配比：要选择常温下是气态的物质或具有高蒸气压的液体或固体。 由于溅射沉积到基材表面的粒子能量比蒸发时高50倍，对基材表面有清洗和升温作用，所以镀膜附着力较大。 二、化学气相沉积（CVD） 缺点是需要在较高温度下反应，基材温度高，沉积速率较低（每小时几微米到几百微米），基材难以进行局部沉积，参加沉积反应的气源和反应 后的余气有一定的毒性。 基材表面晶体结构（单晶体则镀膜也长成单晶体）； 氩离子高速轰击基材并溅射清洗活化其表面，然后接通交流电，加热蒸发蒸发源中的膜料，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离 ，成为正离子，高速打在基材表面。 （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 把待镀膜材料置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基材或工件 表面，并冷凝成薄膜的过程。 1、概念：把一种或几种含有构成薄膜元素的单质气体或化合物通入放置有基材的反应室，借助气相作用或在基材上的化学反应生成所希望的薄膜 。
3、应用：在电子、机械等工业领域有广泛应用，特别用于 氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄 膜的沉积。分常压和低压（数百至数十Pa）CVD。后者镀
膜均匀性好，针孔较少，反应气体利用率高。
）成膜机理 表面温度（低利于凝聚成膜，但结合力不高。
2 3）影响蒸镀过程的状态与参数：
二、化学气相沉积（CVD） 二、化学气相沉积（CVD） （1）真空度：一般为10-2~10-4Pa； 二、化学气相沉积（CVD） 表面处理第十二讲气相沉积 概念：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。 一、物理气相沉积（PVD） （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 2）反应物供给及配比：要选择常温下是气态的物质或具有高蒸气压的液体或固体。 由于溅射沉积到基材表面的粒子能量比蒸发时高50倍，对基材表面有清洗和升温作用，所以镀膜附着力较大。 二、化学气相沉积（CVD） 缺点是需要在较高温度下反应，基材温度高，沉积速率较低（每小时几微米到几百微米），基材难以进行局部沉积，参加沉积反应的气源和反应 后的余气有一定的毒性。 基材表面晶体结构（单晶体则镀膜也长成单晶体）； 氩离子高速轰击基材并溅射清洗活化其表面，然后接通交流电，加热蒸发蒸发源中的膜料，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离 ，成为正离子，高速打在基材表面。 （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 把待镀膜材料置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基材或工件 表面，并冷凝成薄膜的过程。 1、概念：把一种或几种含有构成薄膜元素的单质气体或化合物通入放置有基材的反应室，借助气相作用或在基材上的化学反应生成所希望的薄膜 。
3、应用：在电子、机械等工业领域有广泛应用，特别用于 氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄 膜的沉积。分常压和低压（数百至数十Pa）CVD。后者镀
膜均匀性好，针孔较少，反应气体利用率高。
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激光熔融蒸发
• 高功率激光束作为热源蒸发待蒸镀材料， 激光光束通过真空室窗口打到待蒸发材料 使之蒸发，最后沉积在基片上.
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• 激光熔融蒸发特点：
➢ 激光清洁、加热温度高，避免坩埚和热源 材料的污染；
➢ 可获高功率密度激光束，蒸发速率高，易 控制；
➢ 容易实现同时或顺序多源蒸发；
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18
五.溅射镀膜
蒸发，如WW、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O3 等。
➢被蒸发材料可置于水冷坩锅中 →避免容器
材料蒸发、及其与蒸.发材料反应
15
• 电子束蒸发源的缺点
➢电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的 二次电子会使 蒸发原子和残余气体分子电 离 → 影响膜层质量。可选择电子枪加以解 决
➢电子束蒸镀装置结构复杂、价格昂贵 ．
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13
电子束蒸发
• 用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 • 电子束加热原理:是基于电子在电场作用下,
获得动能轰击处于阳极的蒸发材料,使蒸发 材料加热气化.
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14
• 电子束蒸发源的优点
➢电子束轰击热源的束流密度高，能获得远
比电阻加热源更大的能量密度 。达到104∼
109 W/cm2 的功率密度，熔点3000℃的材料
.
3
二.物理气相沉积技术的基本过程
• 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和 分解等过程）.
• 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、 复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）.
• 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜.
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4
PVD的物理原理
气态
衬底
薄膜
以气态方式进行 物质输运 能量输运
能量
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11
• 电阻加热蒸发特点：
➢ 结构简单、成本低廉、操作方便；
➢ 支撑坩埚及材料与蒸发物反应；
➢ 难以获得足够高温蒸发介电材料（Al2O3、 TiO2）；
➢ 蒸发率低；
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12
电子束蒸发
• 热电子由灯丝发射后，被加速阳极加速， 获得 动能轰击到处于阳极的蒸发材料上， 使蒸发材 料加热气化，而实现蒸发镀膜
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19
溅射沉积薄膜原理
Al膜
阳
避免金属 真空 原子氧化
Ar气
+++
+ Ar+
+
+
AAll靶靶
阴
.
20
• 溅射与热蒸发在本质上不同，热蒸发是由能量转 化引起的，溅射含有动量转换，所以溅射出的原 子有方向性。利用这种现象制备薄膜的方法称为 溅射法。
• 在实际进行溅射时，通常是利用被电场加速的正 离子轰击欲被溅射的靶电极(阴极)，并从阴极靶溅 射出原子，所以又称为阴极溅射。
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热运动 原子团簇
岛 薄膜 8
根据加热原理（或加热方式）分有： 电阻加热蒸发、电子束蒸发、激光 熔融蒸发、射频加热蒸发
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9
电阻加热蒸发
• 热蒸发是在真空状况下，将所要蒸镀的材 料 利用电阻加热达到熔化温度，使原子蒸 发， 到达并附着在基板表面上的一种镀膜 技术
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10
• 将用高熔点金属(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.
块状材料 (靶材)
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5
三.物理气相沉积技术的分类
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6
四.蒸发镀膜
• 概念：将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸发的原 子或原子团在温度较低的基板上凝结，形成薄膜。
• 基本思想：将材料置于某种容器内,升高温度， 熔解并蒸发材料
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7
Substrate
Substrate Substrate Substrate Substrate
粒子速度达到饱和，电流达. 到饱和值。
23
• 2).汤生放电区：U↑→E↑→V↑,电子与中性分子
之间的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而使得气
体分子电离，产生正离子和电子。
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24
• 电子与中性分子之间 的碰撞使得气体分子 电离，产生正离子和 电子，新产生的电子 和原有电子被电场加 速，使得更多气体分 子电离，电子和离子 数目雪崩式增加，放 电电流迅速增大。
• ③可重复性好，膜厚可控，同时可以在大面积基 片上获得均匀薄膜。
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29
• ④在溅射过程中溅射出的原子将从溅射过程中获 得很大的动能(5~10eV,蒸发过程中原子获得动能为 0.1~0.2eV)。由于能量的增加，可以改善台阶覆盖 性以及薄膜与衬底的粘附性，且由于溅射来自平 面源(蒸发来自点源)则能从各个角度覆盖硅片表面， 台阶覆盖度进一步优化。
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21
Hale Waihona Puke • 溅射现象是在辉光放电中观察到的。在辉 光放电过程中离子对阴极的轰击，可以使 得阴极的物质飞溅出来。
• 即射向固体表面的离子都是来源于气体放 电。
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22
• 1).无光放电区：一般情况，气体原子基本处于中
性。无外电场下，带电粒子和气体分子，无规则
运动；有外电场下，定向运动，U↑→V↑→I↑,当
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27
• 4).反常辉光放电：I ↑,U ↑,发光仍为辉光(异于正常)，增大至f点，不 稳定，I ↑,U ↓，放电系统马上会过渡到电弧放电区。
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28
2.溅射镀膜的特点(相比较真空蒸发)
• ①任何物质均可溅射，尤其是高熔点(淀积难熔金 属)、低蒸汽压元素和化合物。只要是固体物质都 可以作为靶材。
• ②溅射镀膜密度高(高能量原子)，膜层纯度较高 (避免真空镀膜时的坩埚污染现象)。
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25
• 2).汤生放电区：这时，放电电流迅速增加，但是电压变 化不大。
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26
• 3).辉光放电：在汤生放电之后，气体发生电击穿现象，I↑，U↓
• 继续增大电流，放电就会进入正常辉光放电区，显然电流的增大与 电压无关。
• 正常辉光放电时的电流密度比较小，所以溅射不选在这个区，而选
在反常辉光放电区。
1.溅射的概念
• 具有一定能量的入射离子在对固体表面进行轰击 时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将 发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原 子溅射出来，这种现象称为溅射。
• 溅射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。 用于轰击靶材的荷能粒子可以使电子、离子、中 性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需 动能，故大多采用离子作为轰击粒子，则该离子 又称为入射离子。
物理气相沉积技术 （Physical Vapor Deposition, PVD)
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1
• 1.物理气相沉积技术的概念 • 2.物理气相沉积的基本过程 • 3.物理气相沉积技术的分类 ★4.蒸发镀膜 ※5.溅射镀膜 ★6.离子镀
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2
一.物理气相沉积技术的概念
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)技术：表示在真空条件下，采用物理 方法，将材料源－固体或液体表面气化成 气体原子、分子或部分电离成离子，并通 过低压气体（或等离子体）过程，在基体 表面沉积具有特殊功能薄膜的技术。