物理气相沉积技术PPT课件
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• 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。
.
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Baidu Nhomakorabea表面， 台阶覆盖度进一步优化。
.
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.
.
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
块状材料 (靶材)
.
5
三.物理气相沉积技术的分类
.
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
.
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。
.
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。
.
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。
.
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。
.
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
.
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
.
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.
.
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。
.
21
• 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。
.
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
.
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.
.
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
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 ．
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。
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16
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.
.
17
• 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；
.
18
五.溅射镀膜
物理气相沉积技术 （Physical Vapor Deposition, PVD)
.
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
.
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。
.
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；
.
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
.
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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• 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Baidu Nhomakorabea表面， 台阶覆盖度进一步优化。
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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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• 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
块状材料 (靶材)
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三.物理气相沉积技术的分类
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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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Substrate
Substrate Substrate Substrate Substrate
粒子速度达到饱和，电流达. 到饱和值。
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• 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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• 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。
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• 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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• 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。
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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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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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• 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.
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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
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• 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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• 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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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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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
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 ．
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。
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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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五.溅射镀膜
物理气相沉积技术 （Physical Vapor Deposition, PVD)
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• 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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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。
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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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• 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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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)。