PVD基础知识
PVD基础介绍
磁控溅射镀模型
下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模型）：
图一 Sputter溅镀模型
图中的母球代表被电离后的气体分子，而 红色各球则代表将被溅射的靶材 （AL，AZO等）
图二则代表溅镀后被溅射出的原子、分子等的运动情形；即当被加速的离子与
表面撞击后，通过能量与动量转移过程（如图三），低能离子碰撞靶时，不能从固体 表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁
第四部分：点检及保养
日常点检（4h/次）
1、在工艺自动时，记录“靶室真空度” 2、空跑白玻后，靶高功率溅射时，记录“低速”、“靶电压”、“靶电流”、 “靶功率”、“氩气流量”、“靶消耗”、“累计芯片数”
3、出料时，用万用表测量芯片半成品膜面电阻，测量点在电流边中间位置，点 间距大于1200mm。SPL1800PVD产线有专门的测电阻装置，无需人工测量。
第三部分：操作规范
一、开机规范
1、开启前，检查水电气是否正常供应
2、开启分子泵及腔室循环水，先逆时针打开总回水阀， 然后逆时针打开总进水阀，调节进水压力值为0.250.3MPa左右，然后用同样方法开启靶子循环水路，压力 值同分子泵一样；
3、开启压缩空气总进气阀，通过二联件上的空气压力调 节器设定进气压力为0.55MPa左右，开启氩气进气阀， 设定压力值为3Bar左右 ； 4、打开电控柜总电源开关，开启控制电脑，打开控制软 件，进入控制界面；
铝膜，导电率仅次于 银和铜，反射可见光 和紫外光；
掺铝氧化锌膜， 可见光透射率高，红 外光反射率高，电阻 率低，是一种透明导 电材料。 （如掺2%wt氧化 铝的AZO对可见光区平 均透过率86% ，红外 反射率大于80% ）
3、控制系统（让PVD实现自动化控制） • 控制系统是整个装置的灵魂，控制整个系统的工作， 包括软件操作系统、数据采集系统、数据分析系统和 执行传输系统等组成 • 数据收集系统：片位、流量（水气）、真空压力、电 机转速、阀位、
《PVD知识讲座》课件
PVD与模切的比较
PVD可在复杂表面进行均匀涂 层，而模切的涂层难以达到相 同的精度。
PVD与电镀的比较
PVD制备的薄膜摩擦系数低、 精度高，而电镀可能存在镀膜 不均匀和环境污染的问题。
五、PVD技术的发展趋势
1
新材料的开发
随着材料科学的进步，新材料的开发为PVD技术提供了更广阔的应用领域。
隔热涂层
PVD制备的隔热涂层可有效减少能量损失、保 持温度稳定，广泛应用于建筑、太阳能等领域。
光学薄膜
PVD可生产高质量的光学薄膜，用于制造镜片、 滤光片和激光器等光学器件。
电子器件
PVD可制备致密的金属薄膜和导电层，广泛应 用于集成电路和显示器等电子器件。
四、PVD与其他表面处理技术的比较
PVD与CVD的比较
2
技术革新的突破
不断推动PVD技术改进和创新，提高薄膜的质量、厚度控制和沉积效率。
3
应用领域的拓展
PVD的瓶颈及解决方案
工艺稳定性
某些PVD工艺可能存在材料溅射不均匀、沉积速率波动等问题，需要进一步研究和改善。
生产成本
PVD设备和材料的成本较高，需要采取成本控制和优化生产流程的方法。
1
工艺流程介绍
2
PVD工艺包括蒸发、溅射和离子镀等步骤，
每个步骤都起到特定的作用。
3
基本原理
PVD利用高能粒子将材料从固体的源上揸 化，形成薄膜颗粒，并将其沉积在基材上。
设备及材料要求
PVD设备通常包括真空腔体、蒸发源和溅 射靶材等组成部分。
三、PVD的应用案例
表面硬化处理
PVD可用于提高材料硬度、耐磨性和耐腐蚀性， 增强产品的寿命和性能。
物理气相沉积(PVD)PPT
(4)
② 凝结速Na：
——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。 Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关
设：a. 忽略碰撞，直线运动；
点源,球面发射： N AN e cos a 2
b.
A r
4r
(1/cm2· s)
(5)
小型圆平面源：
AN e cos cos Nd r 2
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。 合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
N A C A PA N B C B PB
MB MA
(14)
a. Te与材料性质有关； b. Te与蒸发速率有关， 蒸发速率↘， Te ↘； c. Te与表面粗糙度有关， 表面粗糙度大， Te↗。
Te低一些好！ 特点：可精确控制膜厚， 获得高洁净度的膜层！
图 8.2.9 蒸发速率和基片温度对 Ge （111） 基片上所镀Ge膜结构的影响
二、溅射镀膜
1.概述
图8.2.10 辉光放电
3. 溅射机理——两种假说 （1）Hippel理论（1926提出） 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴 极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理 （Stark,1909，Langmuir, Henschk）
(I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅 射； (Ⅲ)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量 1 mv 2 有关，也与轰击离子的质量有关 ( ,动能转移 )； 2 (Ⅳ)离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入 到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个 方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这 种现象可用“聚焦碰撞”解释。
PVD基础知识
溅射镀膜
18
溅射镀膜
二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动， 路程足够长，与气体分子碰撞的机会大大增加，使 原子电离的机会增加，可大大提高溅射产额，使沉 积速率提高一个数量级。 磁场使气体的离化率大大提高，使系统在比较低的 溅射电压和低气压下也能维持放电。高密度等离子 体被磁场约束在靶面附近，不与基片接触。电离产 生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等 离子体的轰击。电子被封闭在等离子体中，只有在 其能量耗尽以后才能脱离靶面落在阳极(基片)上， 这是基片升温低、低损伤小的主要原因。
在存在反应气体的情况下，靶材上溅射出来 的原子会和反应气体反应生成化合物（如氧 化物，氮化物）而沉积在基片上，这种溅射 称为反应溅射。
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离子镀
离子镀是一种利用等离子体进行蒸镀的方法。 其原理是将低压气体引入真空蒸镀装置内， 外加一电场使气体电离产生等离子体，在等 离子体区内由于碰撞作用发生电荷交换，结 果使蒸发粒子部分离化。由于蒸发粒子中含 有许多离子，在电场中被加速，从而提高了 膜基结合力和薄膜的致密性。 产生等离子体的方法有直流放电法、射频放 电法等多种。
物理气相沉积技术
PVD (Physical Vapor Deposition) 物理气相沉积 包括：真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜
PVD过程的三个阶段： 1. 气相物质的产生 2. 气相物质的输运 3. 气相物质的沉积
1
物理气相沉积技术
1.气相物质的产生
一种方法是使源物质加热蒸发，这种方法称为蒸发 镀膜 另一种方法是用具有一定能量的粒子轰击源物质靶， 从靶上溅出源物质原子，称为溅射镀膜 还有一种方法是用激光照射靶，利用热效应使靶材 物质蒸发并等离子体化，称为脉冲激光沉积。
《PVD基础知识》课件
PVD技术原理
PV D 技术基于蒸发和溅射现象，通过在真空环境中提供能量来使材料转变为 气态。这些气态粒子会沉积到基底表面上形成薄膜。
PVD工艺流程
PV D 工艺流程包括前处理、沉积、冷却和后处理等步骤。其中，前处理用于 清洁和活化基底表面，沉积阶段形成所需薄膜结构。
PVD材料和应用
金属薄膜
金属薄膜具有良好的导电性和热传导性，常 用于电子器件、光学涂层和装饰性涂层等领 域。
多层薄膜
通过堆叠不同材料的薄膜，可以实现特定功 能，如光学滤波器、光学镀膜、阻隔材料和 生物材料。
陶瓷薄膜
陶瓷薄膜具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，常 用于刀具涂层、摩擦材料和陶瓷电子器件。
其他应用
PV D 还广泛应用于汽车、航空航天、医疗设 备、半导体和光伏等领域，提供材料改性、 保护和装饰的解决方案。
PVD优点与限制
1 优点
2 限制
PV D 技术具有高质量、高纯度、均匀性好，PV D 技术也存在薄膜厚度限制、工 艺复杂性和高成本等限制，需要综合考虑 应用需求。
应用案例分析
1
电子器件
通过在芯片上制备金属互连线和隔离
光学涂层
2
层的PV D 技术，实现高集成度和小尺 寸。
常见PVD设备
物理溅射
物理溅射是常见的PV D 技术， 适用于金属、合金和陶瓷薄膜 的制备，如溅射离子镀 （Sputter IAD ）。
热蒸发
热蒸发是将材料加热到蒸发温 度，通过自由蒸发和电子束蒸 发等方式形成薄膜，常用于有 机发光二极管（OLED ）。
离子镀
离子镀采用离子激发技术，可 以改善薄膜附着力和密实性， 常用于装饰涂层和硬质涂层的 制备。
将光学滤波器和增透镀膜应用于摄像
PVD知识整理
帕邢（Paschen）曲线
溅镀
溅射沉积的方法
反应溅射溅射
在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，溅射出来的靶材料与反应气体形成化合
物（氮化物、碳化物、氧化物）
反应溅射特征
➢靶中毒：反应气体与靶反应，在靶表面形成化合物。
➢沉积膜的成分不同于靶材。
➢化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体。
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸镀
➢真空室存在两种粒子：蒸发物质的原子或分 子；残余气体分子。 ➢由气体分子运动论可求出在热平衡下，单位时间通过单位面积的气体分 子数，即为气体分子对基片的碰撞率
➢蒸发分子的平均自由程为 （ d为碰撞截面）
蒸镀
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸发分子的碰撞百分数与实际行程对平均自由程之比如图。当平均自由程等于源 之比如 图。当平均自由程等于源- -基距时，有63％的蒸发分子受到碰撞，如果自由程增加 10倍， 撞几率减小到9％。因此，只有在平均自由程源- -基距大得多，才有效减少渡越中的碰撞。
Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高。 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加。 溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高
平均能量趋于恒定。
值时，
溅射沉积的方法 直流二极溅射
溅镀
辉光放电产生离子轰击靶材； 气压过低辉光放电难以维持（＜1Pa）； 溅射气压高（~10Pa）、沉积速率低； 工艺参数：电源功率、工作气体流量与压 强、基片温度、基片偏压。
溅镀
溅镀（Sputtering） 溅射的基本原理: ➢ 物质的溅射现象 溅射：荷能粒子与固体（靶材）表面相互作用过程中，发生能量和动量 的转移，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子 的溅射。 溅射是轰击粒子与固体原子之间能量和动量转移的结果 溅射镀膜：应用溅射现象将靶材原子溅射出来并沉积到基片上形成薄膜 的技术。 ➢ 溅射参数 ✓ 溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射 离子的种类关系不大、与靶材有关。 ✓ 溅射产额 ✓ 溅射离子速度和能量
时代芯存半导体科普系列——物理气相沉积（PVD）介绍
时代芯存半导体科普系列——物理气相沉积（PVD）介绍薄膜所用的成膜方式, 可分为PVD与CVD两种，物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, 简称PVD) :是指气体(或电浆)透过物理反应的方式, 生成固态薄膜的技术。
传统上的PVD可分为蒸镀、溅镀、离子镀。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, 简称CVD) :是指利用反应物(通常为气体)产生化学反应, 生成固态薄膜的技术。
PVD 一般沉积金属膜层（例如：AL、AlCu、Ti、TiN等），CVD一般沉积介电材料(例如：SiN、SiO2等)。
薄膜沉积一般可分为5个步骤：1.孕核 / 成核；2.晶粒成长；3.晶粒聚集；4.细缝填补；5薄膜成长。
溅镀的原理: 靶材（如：AlCu、Ti等），加热器或静电夹用于放置晶圆和加热晶圆；直流电源产生等离子体，提供直流电压去吸引氩离子撞击靶材；射频偏压（可选），产生偏压电压吸引金属离子；遮挡板用于保护腔体壁不被沉积到；真空腔体保持一定压力。
PVD最大的限制是填洞能力较差，容易产生悬突，在洞口转角的地方，由于薄膜沉积的角度广，容易造成突出的现象，悬突的形成会导致洞口封口，在却在洞中形成空洞。
PVD沉积技术，为改善填孔能力，由传统溅射升级为准直器和长腔距两种类型，之后发展为IMP（Ionized Metal Plasma）。
准直器（Collimator） PVD原理是在靶材和圆片之间加一个六角孔状的准直器，用于筛除掉从靶材溅射下来的较大入射角金属材料，准直器腔体沉积速率较慢，PM周期较短。
长距PVD原理是增大晶圆到靶材的距（传统溅射一般为190mm,长距溅射为240mm）,筛除掉从靶材溅射下来的较大入射角金属材料，长距腔体沉积速率较慢，均匀性较差，PM周期短。
IMP（Ionized Metal Plasma） RF线圈用于电离金属原子，使其变成金属离子，RF BIAS 在晶圆表面形成负偏压吸引金属离子垂直的进入孔内，提高底部台阶覆盖。
物理气相沉积(PVD)
片上成膜。
物理气相沉积(PVD)
（3）特点：
优点： a. 使用范围宽，原则上任何物质均可溅 c.可制备掺杂膜、氧化物膜和超高纯膜等。
缺点： a.设备复杂，沉积参数控制较难； b.沉积速率低，约0.01～0.5m/min， 蒸镀： 0. 1～5m/min
① 蒸发速率Ne：
——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位面 积上射出的平均原子数。
N e1 4n
P
2m
3.51 13202 P （1/cm2·s）
kT
MT
(3)
成立条件：S<几个cm2，且P<1Pa 质量蒸发速率G：
——单位时间内，从单位面积上蒸发的质量。
G C m N eC N M 0N e5 .8 3 3 1 0 (g 2 /cP m2·M s) /T
（3）影响因素
1）基底取向及污染问题
基底取向‖单晶膜取向，应力小；
解理面新鲜，可减小污染，但有时也需要引入一点缺陷;
2）外延温度 Te —— 制备单晶膜的临界温度
Te ——提供分子扩散的能量，
是外延生长难易程度的指标。
a. Te与材料性质有关；
b. Te与蒸发速率有关，
蒸发速率↘， Te ↘；
c. Te与表面粗糙度有关，
4）净化处理：对真空系统——烘烤；对基片——加热去污。
物理气相沉积(PVD)
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。
合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
PVD基础介绍
• 磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复 杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶 原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中 某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅 射出来。
磁场作用
• 以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹 ，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子 的能量。因此，使正离子对靶材轰击磁控溅射工作原理所引起 的靶材溅射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，又只 能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“ 低温”，“高速”两大特点的道理。
磁控溅射原理
• 电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰 撞，使其电离产生出Ar离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar 在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶 材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片 上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E （电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动 轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形 式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束 缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大 量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数 的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电 场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递 给基片的能量很小，致使基片温升较低。
• 腔室介绍
进出片室：完成大气与低真空的分离，进片室有加热 （镀氧化锌膜膜衬底温度需达100多度） 隔离室：完成低真空和高真空的隔离，隔离室1有加 热 缓冲室：传动高低速转换，缓冲室1有加热 溅射室：溅射的场所
物理气相沉积基本知识
物理气相沉积(PVD)技术第一节概述物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。
，并向着环保型、清洁型趋势发展。
20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面达到越来越为广泛的应用。
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态原子、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某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。
如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。
磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。
电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。
离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。
PVD简介
PVD简介1. PVD的含义—PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写，中文意思是“物理气相沉积”，是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。
2. PVD镀膜和PVD镀膜机—PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。
对应于PVD技术的三个分类，相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。
近十多年来，真空离子镀膜技术的发展是最快的，它已经成为当今最先进的表面处理方式之一。
我们通常所说的PVD镀膜，指的就是真空离子镀膜；通常所说的PVD镀膜机，指的也就是真空离子镀膜机。
3. PVD镀膜技术的原理—PVD镀膜（离子镀膜）技术，其具体原理是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
4. PVD镀膜膜层的特点—采用PVD镀膜技术镀出的膜层，具有高硬度、高耐磨性（低摩擦系数）、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点，膜层的寿命更长；同时膜层能够大幅度提高工件的外观装饰性能。
5. PVD镀膜能够镀出的膜层种类—PVD镀膜技术是一种能够真正获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法，它能够制备各种单一金属膜（如铝、钛、锆、铬等),氮化物膜（TiN、ZrN、CrN、TiAlN）和碳化物膜（TiC、TiCN),以及氧化物膜（如TiO等)。
6. PVD镀膜膜层的厚度—PVD镀膜膜层的厚度为微米级，厚度较薄，一般为0.3μm ～5μm，其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.3μm ～1μm ，因此可以在几乎不影响工件原来尺寸的情况下提高工件表面的各种物理性能和化学性能，镀后不须再加工。
7. PVD镀膜能够镀出的膜层的颜色种类—PVD镀膜目前能够做出的膜层的颜色有深金黄色，浅金黄色，咖啡色，古铜色，灰色，黑色，灰黑色，七彩色等。
PVD(Sputter)介绍
PVD（Sputter）介绍
PVD（Sputter）介绍
因此，在辉光放电过程中，薄膜沉积时 会伴有各种颜色的光出现，同时，根据所使 用的气体不同，其辉光的颜色也不尽相同。
PVD（Sputter）介绍
2、电浆放电系统种类：电浆放电系统可分为以下几种— —热电阻式、电子束式、直流溅射、射频溅射、离子溅射、 镭射剥镀、分子束磊晶系统、冷阴极电弧电浆沉积； 3、溅镀的模型：图2中的母球代表被电离后的气体分子， 而红色各球则代表将被溅镀之靶材（Si、ITO&Ti等），图3则 代表溅镀后被溅射出的原子、分子等的运动情形；即当被加 速的离子与表面撞击后，通过能量与动量转移过程（如图4）， 低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是 把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁式 碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。同时，碰 撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结果晶体表 面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果这个能 量大于原子的结合能，原子就从固体表面从各个方向溅射出 来；
PVD（Sputter）介绍
一、Sputter（溅镀）定义及种类： 1、定义：所谓溅镀(Sputter)乃指物体以离子撞击时，被 溅射飞散出.具体过程:被电离之气体离子如Ar离子等受到阴 极加速快速与靶材表面撞击时，在靶材表面被电场所放出的 电子中和而呈中性，但仍保存其运动能量与植入靶材内部， 而靶材固体内部受此异离子植入而损伤其结晶，同时构成结 晶格的原子间相互重复碰撞，最终使表面的原子及分子被放 出至界外。如此原子大小的粒子从固体表面撞击分离而构成 离子，此称为溅镀（Sputter），又称电浆放电。如果将气体 加热至极高温或任其与高能量粒子相撞击，电子可由原分子 中释出，形成一带正负电粒子的集合体，称为电浆或等离子 体（Plasma）；
真空镀膜(PVD)工艺知识介绍
真空镀膜（PVD）工艺知识介绍简介真空镀膜（Physical Vapor Deposition，简称PVD）是一种常用于表面修饰和功能改善的工艺。
通过在真空环境中蒸发或溅射物质来形成薄膜，将薄膜沉积在基材上，以改变基材的性质和外观。
本文将介绍PVD工艺的原理、应用和优势。
PVD工艺原理在PVD工艺中，基材和目标材料被放置在真空环境中。
通过热蒸发或物理溅射的方式，目标材料从固态转化为气态。
这些气体分子会沉积在基材上，形成一层薄膜。
PVD工艺常用的方法有热蒸发和物理溅射。
热蒸发是将目标材料加热至其沸点以上，使其转化为气态，然后沉积在基材上。
而物理溅射则是通过向目标材料表面轰击高能粒子，将其击打下来沉积在基材上。
PVD工艺的应用PVD工艺在多个领域得到了广泛应用。
装饰性涂层PVD工艺可以制备具有不同颜色、质感和光泽度的涂层，用于装饰各种产品，如钟表、珠宝、手袋、饰品等。
常见的装饰性涂层有黄金色、玫瑰金色、银色和黑色等。
防腐蚀涂层PVD工艺可以形成陶瓷涂层、金属涂层或复合涂层，这些涂层具有良好的耐腐蚀性能，可保护基材免受化学腐蚀、氧化和磨损的影响。
这些涂层常用于汽车、航空航天、电子产品等领域。
功能性涂层PVD工艺还可以制备具有特殊功能的涂层，如光学涂层、导电涂层和磁性涂层。
光学涂层可用于改善光学性能，导电涂层可用于制作导电膜，磁性涂层可用于制造磁性材料。
PVD工艺的优势相比其他表面处理工艺，PVD工艺具有以下几个优势：高质量涂层PVD工艺可以制备高质量的涂层，具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损和耐腐蚀等特性。
这些特性使得PVD涂层在各种应用中表现出色。
环保节能PVD工艺不需要使用有机溶剂和其他有害化学物质，对环境友好。
同时，PVD 涂层具有较高的附着力和耐用性，可延长基材的使用寿命，减少资源消耗。
精密控制PVD工艺可以实现对涂层厚度、成分和结构的精确控制。
通过调整工艺参数，可以得到所需的涂层特性，以满足不同应用的需求。
PVD镀金基础知识
三、真空镀膜与PVD
真空镀膜技术，也称气相沉积技术。 包括物理气相沉积（PVD）和化学气 相沉积（CVD）两大类。 1、PVD：是指在真空条件下，采用低 电压、高电流的电弧放电技术，利 用气体放电使镀料（靶材）发生电 离，再使镀材气化成原子、分子直 接沉积到基体表面的方法。
2、PVD主要包括真空蒸发镀膜、真空溅 射镀膜和真空离子镀膜。我们通常说 所的PVD镀金，就是采用离子镀膜技 术。 大致分流的话，用副“架构图”会比 较直接的看清楚。
真空镀膜技术 （也称气相化学气相沉积 (CVD)
真空蒸发镀膜
真空溅射镀膜
真空离子镀膜
我们所说的PVD 处理就用它了！
3、离子镀原理:当真空室抽到10 -4Pa左右的真 空度以后，通过充气系统向室内通入氩气使 其室内压强达到1~10 -1 Pa,这时当基体相对 蒸发源加上负高压之后，基体与蒸发源之间 形成一个等离子区，处于高压的基体被等离 子包围，不断地受到等离子体中的离子冲击， 与此同时靶材蒸气粒子受到等离子体中正离 子的碰撞，其中一部分被电离成正离子，正 离子在负高压的作用下，被吸附到基体上成 膜。
3、真空条件下的镀膜与基体附着力 （结合力）好、强度高，所以镀出来 的膜层比湿式镀膜牢固性好。
4、干式镀膜不会产生废液，所以也不 会造成环境污染。
也就是说干式镀膜是以真空为基础，利 用物理或化学的方法，并且吸收了电子 束、分子束、离子束、等离子束、射频、 磁控等一系列新的技术，为科研及生产 提供镀层涂覆的新工艺、新技术。 • 说了半天，那么真空镀膜跟我们通常所 说的PVD镀金有什么关系呢？
多弧靶
靶材
离子镀膜设备
• 4、CVD：化学气相沉积，· · · · · · · · · • （此处省略400字，因为我们的产品 主要是PVD处理，所以CVD就不多讲 了，有兴趣的童鞋们，可以自己去找 相关资料学习。）
PVD基础知识精品名师资料
b、直流溅射室；
直流靶材的结构：直流靶材可以为Al靶、银靶或镍镉靶。
Al靶冷却效果较好，比较常用； Ag靶电导率较大，镀出来的膜电阻较小，但是容易脱膜， 在镀过ZnO或功率小于5kw时不易脱膜。 NiCr靶电阻太大，比较不常用。 在低速和功率相同时，不同靶材的电阻如下： 靶材 电阻R（欧） Al 3 Ag 0.9 NiCr 90
6、工件传送系统
PVD 每个腔室都有一个电机，电机的转速由变频器控制 1、2、3、8、9、10室是高速传送。4、5、6、7室是低速传 送。调整高速度和低速度的参数，可以改变其大小。 7、冷却系统 PVD冷却系统由两种:水冷与风冷；风冷是讲热气流直接 通过管道排出去。 ①进出片室与溅射室的大组合泵属于水冷； ②隔离室两个小组合泵属于风冷。 ③靶材冷却时是与总冷却水管独立开来，靶材冷却时需要 较低的温度。
3、进气系统
PVD进气系统主要有：破空阀，Ar气、氧气门阀。 破空阀将外界空气放入真空腔室内部。 Ar气、氧气门阀主要用来在溅射室通入Ar气、氧气等正常 工艺所需气体。
4、真空测量系统：
PVD每个腔室都有一个真空硅，它有一个探针伸入到真空 室内，在中真空和高真空状态测量较准确，在低真空状态测 量较准确。 5、加热系统： PVD 进片室、隔离室、缓冲室都由碘钨灯或者钢管进行加 热的部件，加热主要是工艺需要。
一、气相沉积
气相沉积可以分为三类：
1、PVD
2、CVD
3、PECVD
｛ ｛ ｛
真空蒸镀 离子镀 溅射镀
常压CVD 低压CVD 光CVD 金属有机化合物热分解 射频PECVD 直流PECVD 射频直流PECVD
物理气相沉积
常用频率13.56 MHz；
靶材上形成自偏压效应； 沉积绝缘材料非常有效； 溅射电源电压有效降低； 适用金属、绝缘体、半导体薄膜 制备。 典型参数： 气压１Pa； 靶电压1000V； 靶电流密度1mA/cm2； 薄膜沉积0.5mm/min
磁控溅射 磁控溅射原理 在溅射装置中的靶材附近加入磁场，垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材 表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，增加电子运动的路径，提高电子 与气体分子的碰撞几率和电离过程。
蒸镀
激光加热蒸镀（PLD） 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。 激光加热蒸发特点：
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； 比较适用成分复杂的合金或化合物材料； 易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜性能。
合金化的影响：溅射导致合金表面成分的偏析
溅镀
溅射原子的能量和速度 能量呈麦克斯韦分布，最可几能量为几个eV左右。溅射原子能量与靶材、入射 离子种类和能量有关。
Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高。 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加。
溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高
射频溅射
交变电场中振荡的电子具有足够 高的能量产生离化碰撞，达到放电 自持； 溅射系统需要在电源与放电室之 间配备阻抗匹配网。
常用频率13.56 MHz；
靶材上形成自偏压效应； 沉积绝缘材料非常有效； 溅射电源电压有效降低； 适用金属、绝缘体、半导体薄膜 制备。 典型参数： 气压１Pa； 靶电压1000V； 靶电流密度1mA/cm2； 薄膜沉积0.5mm/min
零基础入门芯片制造行业---PVD
零基础入门芯片制造行业---PVDPVD1. Target (靶材)是什幺?答：在PVD中，靶材是用来提供镀膜（film）的金属材料.2. PVD 制程原理为何?答：在Target与wafer间加之高电位差，此时制程气体Ar在高位差下解离成Ar+，又因Ar+带正电被电场吸引而撞向Target，使target产生金属晶粒因重力作用而掉落至wafer形成film.此种工艺是 PVD.3. 半导体中一般金属导线材质为何?答：鵭线(W)/铝线(Al)/铜线(Cu)4. 在PVD工艺中可以得到那几种金属膜?答：铝(AL)，钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钴( Co).一般wafer进入 PVD机台,必须镀上钛/氮化钛/铝/钛/氮化钛.五层金属.钴的功用为金属硅化物 (silicide).5. 钛(Ti)的功用为何?答：降低金属接触阻值6. 氮化钛(TiN) 的功用为何?答：1.当作扩散阻障层(diffusion barrier layer)，阻障铝与氧化硅之间的扩散.2.当作粘着层(glue layer)，钨与氧化硅附着力不好，在二者之间加入氮化钛可以增加彼此的粘着力3. 当作反反射层(ARC layer), 为了在微影技术制程中为达到高的分辨率，所以需一层抗反射层镀膜以减少来自铝的高反射率.7. chamber待机一段时间后，为何要做Dummy(檔片)?答：chamber待机一段时间后，chamber condition (真空，温度..)有些微变化.若不做dummy，前几片产品会受到影响.一般是由工艺工程师依照实际状态，制定待机时间规则，然后由制造部operator 放入檔片到chamber 镀膜(其recipe 与产品的recipe相似). 经由dummy后，chamber condition 会恢复正常水准，可以安心生产.8. 为何铝靶材需要添加少量的铜?答：电流在铝金属层移动时，铝原子会沿着晶粒界面而移动，若此现象太过剧裂，会导致金属线断路，添加少量的铜可以防止铝线断线9 既然添加铜可以防止铝尖峰现像，为何只添加0.5%?答：太多铜，会造成蚀刻困难(铜的氯化物不易挥发)10 为何PVD的靶材需要冷却?答：避免target表面温度过高，(造成蒸镀现像，使得金属film 的质量不稳定)11 为何机台必须使用冷却水时，必须控制水质纯净?答：防止结垢，或绝缘12 为何制程(process)气体管路必须加热（ from gas box to chamber）?答：防止制程气体冷凝为液体，影响制程.13 何谓PM ?机台为何要定期PM?答：PM（preventive maintenance）是预防保养. 按周期对机台相应的Parts(备品)采取相应的维护或更换措施，为保持机台性能的稳定，防止制程良率下降，延长机台及Parts寿命.(1) 依时程而分，可分为月保养，季保养，年保养.(2) 依wafer 数量而分，是为数量保养.14 为何工程师做PM时，必须先冷却加热器(heater) 至(room temp.)适当的温度?答：为了工程师安全及机台安全15 为何工程师做PM时，chamber必须bake out?答：为了排气，防止不纯气体进入film 中，影响制程16 PVD与W-CVD在IC制造中扮演什幺角色?答：铝与钨为金属层,连通device 与封装的导线,在二者之间形成通路，电流得以畅通无阻.(attached drawing)17 Bake out 是什幺?答：工程师做PM时，打开Chamber时，Chamber内部曝露在大气中，当工程师做完PM时，必须做Bake out，加热Chamber，将附着在内部的水分子…等气体赶走，如此一来可提高真空度18 PVD制程中，使用的气体为何?答：N2与Ar19 N2与Ar在 PVD制程中，使用的目的为何?答：Ar被电子离子化后，成为撞击target的子弹将TARGET的原子打下落在wafer上，N2的目的是氮化target的表面原子.20 为何使用Ar来做PVD溅镀的气体来源?答：1.钝气，不易起化学变化2.质量重 (AMU 40)，溅击效果好3.价格便宜21 PVD 的制程压力为何?答：2~20 mTorr.22 PVD 测机项目为什幺?答：反射率(reflectivity index)，厚度(thickness)，阻值(resistance sheet)，微粒(particle)，均匀度(uniformity)23 为何机台测漏，喜欢使用氦气来检漏?答：(1) 氦气在大气中的含量很低，避免误判.(2) 氦气渗透力强，很容易检漏(3) 氦气为钝性气体，不易造成机台污染或腐蚀.24 PVD制程中，镀膜之前为何需要预先去除原始氧化层?答：预先去除原始氧化层，让金属层之间电阻不会过大以及增加膜与衬底的结合力.25 PVD制程中，为何使用DC power ?答：使用DC power，再加上通一定的氩气（Ar gas），在真空室就会形成等离子体（电浆）。
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三、PVD腔室结构
（原理图见版书） PVD有十个腔室：进片室、隔离室1、缓冲室1、溅射室1、2、 3、4、缓冲室2、隔离室2、出片室。 ①上料台： 上料台有三个感应器，只有后两个感应器同时亮时才会自动 定位，进片室门阀自动打开。两组间隔时间由加热时间和传 动速度决定，一般大于68秒。 上料之前需要进行掩膜，掩膜的目的是防止边缘镀铝后扫边 未扫干净，造成边缘短路，功率降低。 ②进片室： 作用：在真空状态与大气状态进行交替，使芯片能够进入高 真空的隔离室和溅射室。 进片室有碘钨灯用于加热。
⑤溅射室：
PVD有四个溅射室，前两个是中频溅射（ZnO)室，后两 个室是直流溅射室。 a、中频溅射室； ZnO靶材的结构： ZnO靶材属于陶瓷，有三层结构：ZnO 层、铟层和铜层。在ZnO靶材与冷却箱之间加了一层石墨， 用于加强冷却效果。 ZnO靶材的作用：能更有效地减少出射光，提高光在非晶 硅薄膜中的利用率。
5、PVD工艺目的：
①沉积AL作为背电极，收集单位面积载流子； ②减少出射光，提高光在非晶硅薄膜中的利用率； ③填充2nd激光凹槽，作为子电池正负电极的内连导线；。
二、PVD八大系统
1、真空室
｛
PVD真空室可以分为五室、八室、十室， 一车间的为五 室、八室，二、三车间的为八室，四车间的为十室。 十室PVD是在八室PVD的基础上多了两个溅射室。 真空状态可以分为三种： 低真空：10 E2 pa ~10 E5 pa 中真空：10 E-1 pa~10 E2 pa 高真空：10 E-5 pa~10 E-1 pa 溅射室溅射真空度一般为：9.9 E-2~9.9 E-1 pa
2、真空系统
PVD泵组分为:罗茨泵、机械泵和分子泵。 ①罗茨泵：在1~100pa有较大抽速，弥补了旋片式机械泵 抽速小的缺陷。罗茨泵不能从大气压开始工作，也不能直接 将气体排出大气，因此它必须配以前级泵。 ②机械泵：主要室抽大气，抽气体时气压变高，气压还未达 到1atm时，部分水蒸汽凝结成液体，混入泵油中的水珠蒸发 变成水蒸汽进入泵体，影响抽气效果，真空泵油中混入水珠 后，使油性恶化。机械泵油小气孔掺气阀门，在气体未凝结 成水之前，将水汽排出。 ③分子泵：分子泵抽高真空，5pa一下才可以开启，大于 50pa会烧坏。
一、气相沉积
气相沉积可以分为三类：
1、PVD
2、CVD
3、PECVD
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真ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ蒸镀 离子镀 溅射镀
常压CVD 低压CVD 光CVD 金属有机化合物热分解 射频PECVD 直流PECVD 射频直流PECVD
4、PVD全称：
物理气相沉积（Physical vapor dispotion)
8、磁控溅射靶：
磁控溅射分为四种： 直流溅射、射频溅射、脉冲溅射、中频溅射。 我们的PVD只用到了中频溅射与直流溅射； ①中频溅射： 中频溅射用的是中频电源； 中频电源用的室两个相位不同、振幅相同、频率相同的电 压； 中频电源 的作用：避免了阴极消失，阴极中毒，提高了 磁控溅射靶的稳定性； 中频靶的原理：它利用孪生靶溅射系统，即将中频交流电 的两输出端，接到闭合磁场非平衡溅射的各自阴极上；
四、PVD品质分析
PVD的品质不良可以归纳为以下几类： ①黑点：沉积时扫穿背电极，或掩膜胶带没压实边缘烧焦； ②烧黑：有头发或其它异物掉落在膜面上，导致烧黑； ③剥落：沉积时附着力不足； ④电阻大：沉积时铝膜偏薄； ⑤花纹：沉积时背膜有树状条纹。
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3、进气系统
PVD进气系统主要有：破空阀，Ar气、氧气门阀。 破空阀将外界空气放入真空腔室内部。 Ar气、氧气门阀主要用来在溅射室通入Ar气、氧气等正常 工艺所需气体。
4、真空测量系统：
PVD每个腔室都有一个真空硅，它有一个探针伸入到真空 室内，在中真空和高真空状态测量较准确，在低真空状态测 量较准确。 5、加热系统： PVD 进片室、隔离室、缓冲室都由碘钨灯或者钢管进行加 热的部件，加热主要是工艺需要。
②直流溅射：
直流溅射用的是直流电源； 直流靶可以分为：银靶、铝靶、镍镉靶； 直流溅射的原理： 直流溅射过程中有一系列物理化学反应：如：二次粒子发 射、阴极溅射、气体的解吸与分解、阴极被加热； a、阴极溅射： 在溅射室中通入的Ar气在高压作用下电离成Ar正离子和电 子， Ar正离子在阴极作用下加速，与靶材撞击释放能量，Al 原子脱离晶格束缚， Al原子高速度飞向基片，沉积形成薄膜。
③隔离室：
作用：隔离进片室和溅射室，使溅射室的高真空不会受到 进片室的中真空影响，提高溅射镀膜的效果。 隔离室有钢管制成的加热棒，用于给芯片加热。 ④缓冲室: 作用：进行高低速度转换，使芯片在溅射室内处于低速状 态，增加膜厚，在进出片室隔离室处于高速状态，降低PVD 的镀膜时间。 缓冲室与隔离室一样，有钢管制成的加热棒，用于给芯片 加热。
b、二次粒子发射（原理图见版书）
Al正离子轰击阴极时，发生二次粒子发射产生二次电子， 二次电子在靶表面以摆线方式前进。二次电子在阴极暗区被 加速到相应的速度称为一次电子。一次电子进入辉光区，能 量低于Ar气电离所需要的能量，激发产生强烈的辉光。因此 磁控溅射过程伴随着辉光效应。直流二级溅射的放电是靠正 离子轰击阴极所产生的二次电子经阴极暗区加速后去补充一 次电子的消耗来维持溅射过程。溅射效应室手段，沉积是目 的，电离效应室条件。
6、工件传送系统
PVD 每个腔室都有一个电机，电机的转速由变频器控制 1、2、3、8、9、10室是高速传送。4、5、6、7室是低速传 送。调整高速度和低速度的参数，可以改变其大小。 7、冷却系统 PVD冷却系统由两种:水冷与风冷；风冷是讲热气流直接 通过管道排出去。 ①进出片室与溅射室的大组合泵属于水冷； ②隔离室两个小组合泵属于风冷。 ③靶材冷却时是与总冷却水管独立开来，靶材冷却时需要 较低的温度。
b、直流溅射室；
直流靶材的结构：直流靶材可以为Al靶、银靶或镍镉靶。
Al靶冷却效果较好，比较常用； Ag靶电导率较大，镀出来的膜电阻较小，但是容易脱膜， 在镀过ZnO或功率小于5kw时不易脱膜。 NiCr靶电阻太大，比较不常用。 在低速和功率相同时，不同靶材的电阻如下： 靶材 电阻R（欧） Al 3 Ag 0.9 NiCr 90