物理气相沉积

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第二章 物理气相沉积

一、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition, PVD ）的第一类

1、电阻热蒸发（thermal vaporization ）

蒸发材料在真空室中被加热时，其原子或分子就会从表面逸出，这种现象叫热蒸发。

A 、饱和蒸气压P V

在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸汽压。

()

L G V V V T H

dT dP -∆=

∆H ：mol 汽化热，T ：绝对温度。

V G 、V L ：分别为汽相和液相mol 体积。

RT

H C P V ∆-

=ln R ：气体普适常数

T

B

A P V -

=ln 下图给出了以lgP V 和lgT 为坐标而绘制的各种元素的饱和蒸汽压曲线。

图2-1 某些元素的平衡蒸气压

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饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加。由上图1曲线知，

a. 达到正常薄膜蒸发速率所需的温度，即P V =1Pa 时温度；

b. 蒸发速率随温度变化的敏感性；

c. 蒸发形式：蒸发温度高于熔点，蒸发状态是熔化的，否则是升华。 下表是几种介质材料的蒸汽压与温度的关系

B 、蒸发粒子的速度和能量

C

T KT E M RT

m KT v kT

mv E m m 2500~1000 2

3

332122

===

=== 平均速度105cm/s ，eV E 2.0~1.0=

C 、蒸发速率和淀积速率

()[]

mkT P P dt

A dN h V e πα2/Re -=⋅= （个/米2

·秒）

dN ：蒸发粒子数，α e ：蒸发系数，A ：面积

P V ：饱和蒸汽压；P h ：液体静压，m ：原子量， K ：玻耳兹曼常数。 设α e =1， P h =0

mkT Pv π2/Re =

质量蒸发速率：

3

RT

M

P kT

m

P m R V

V

m ππ22Re ===（千克/米2·秒） 沉积速率：

m

kT r

A P R V d /2cos 2

ππρθ

⋅=

（米/秒）

U 型

旋螺形

篮形

舟

加盖舟

圆筒形

Jacques形

坩埚+辐射丝

“榴弹炮”

2、电子束加热法

电子的动能：

4

5

()s

km v kv u s cm u v U e mv E /106 ,10/1093.52

1

472⨯==⨯=⋅==

电子束的能量：

W=n ⋅e ⋅U=IU 热量：

Q=0.24Wt

A 、直式电子枪

图2-2 直枪（皮尔斯枪）结构示意图

B 、电磁偏转式电子枪： 环枪（电偏转）

e 形枪（磁偏转）

图2-3 环枪剖面图

图2-4 e枪结构示意图

3、激光蒸发

激光作为蒸发材料的一种热源。高能量的激光束透过真空室窗口，对蒸发材料进行加热，通过聚焦可使激光束功率密度提高到106w/cm2以上。

激光：红宝石激光器、钕玻璃激光器

钇铝石榴石激光，巨脉冲

CO2激光器：连续可调，大功率。

激光器在局部产生很高功率，物质吸收的能量。

E A（吸收）= E I（入射）–E T（透射）–E R（反射）–E S（散射）

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透射、反射、散射尽量小，损失小。

优点：可蒸发高熔点材料，非接触加热，热源在室外，无污染，简化真空室，适宜于超高真空下制取纯洁薄膜，较高蒸发速率。

缺点：费用费，并非所有材料均能适用。

图2-5 激光蒸发装置示意图

4、反应蒸发

图2-6 反应蒸发装置示意图

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在一定的反应气氛中蒸发金属或低价化合物，使之在淀积过程中发生化学反应而生成所需的高价化合物薄膜。

如：2Ti （激活蒸汽）+ N 2（激活氮气）= 2TiN

2SiO + O 2（激活氧气）= 2SiO 2

发生反应的地方：

1、蒸发源表面（尽可能避免），

2、蒸发源到基板的空间（概率很少），

3、基板表面（希望发生）。 氧入射率：

mkT

Po dt A dNo π222=

⋅ （分子/米2

·秒） m ：原子量，

T ：绝对温度， Po 2：氧分压（Pa ）

k ：玻尔兹曼常数， A ：基板表面积

()⎪

⎭⎫ ⎝⎛-⋅⋅--⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛RT Ea d dt dNo dt dNo exp 12

22θ

αθα入射吸附

A 、金属原子和氧分子入射到基板上。

B 、入射到基板上的金属原子或氧分子一部分被吸附，另一部分可能被反射或短暂停留后解吸，吸附能越小，或温度越高，解吸越快。

C 、吸附的金属原子或氧分子产生表面迁移，通过氧的离解，化学吸附发生化学反应，形成氧化物。

二、在PVD 中的第二大类 （一）溅射（sputtering ）

1、基本原理

荷能粒子轰击固体表面（靶材），而使固体原子或分子射出的现象称为溅射。

在溅射过程中，通过动量传递，95%的离子能量作为热量而被损耗，仅有5%的能量传递给二次发射的粒子。

溅射的中性粒子:二次电子:二次离子=100:10:1