物理气相沉积PPT课件

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AAll靶靶
阴
Al膜与硅片之间的结 合力比蒸发法要好
溅射过程的物理模型
溅射靶材
1、直流溅射 设备简单，操作方便，适合于溅射金属薄膜 但直流溅射中靶材只接收正离子,如果靶材是绝缘材料,阴 极表面聚集的大量正离子无法被电子中和使其电位不断上 升,阴阳两极电势减小,使溅射不能持续进行.
► 只有小块区域被电子束轰击 - 坩埚内部形成一个虚 的“坩埚” - “skulling”
► 可以制备难熔金属薄膜,如W,Mo,Ge等和氧化物薄 膜,如SiO2,Al2O3等.特别是制备高纯度薄膜.
► 可用于粉末、块状材料的蒸发 ► –可以比较精确地控制蒸发速率； ► –电离率比较低
Substrate fixture
Substrate
Substrate Substrate Substrate Substrate
热运动 原子团簇
岛 薄膜
Volmer-Weber Mode
衬底
Island Growth ( 3D )
其它生长模式
Frank-van der Merve Mode
衬底
Layer by Layer ( 2D )
第五章 薄膜的物理气相沉积 （PVD）
薄膜分类
► 超薄膜: ~10nm ► 薄膜: 50nm─10mm ► 典型薄膜:
50nm ─ 1mm
► 厚膜:
~10mm ─ ~100mm
► 单晶薄膜 ► 多晶薄膜 ► 无序薄膜
薄膜的应用
►半导体器件 ►电路连接 ►电极 ►光电子器件 ►半导体激光器 ►光学镀膜
惰性气体
2、射频溅射 射频溅射原理:交变电场使得靶材正半周接收电子,负半周接收 正离子,相互中和,从而使阴阳两极电位的大小保持稳定,使溅射 能够持续进行.
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
E-Gun Crucible
常用蒸发材料形态
4、脉冲激光沉积
►用高能聚焦激光束轰击靶材
脉冲激光蒸发的特点
► 激光束的斑点很小,蒸发只发生在光斑周围的局部区域, ► 可以避免坩埚材料对蒸发材料的污染,提高薄膜纯度, 激光加
热源,功率密度高,可以蒸发任何高熔点的材料,沉积含有不同 熔点材料的化合物薄膜可保证成分的比例,特别适合于蒸发 那些成分比较复杂的合金或化合物材料.蒸气的成分与靶材 料基本相同，没有偏析现象 ► 蒸发量可以由脉冲的数量定量控制；有利于薄膜厚度控制； ► 光束渗透深度小 ~ 100 A, 蒸发只发生在靶材表面 ► 由于激光能量密度的限制，薄膜均匀性比较差； ► 不要求高真空，但激光器价格昂贵
►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
1、电阻式热蒸发
►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
加热电阻丝、舟或坩埚
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
2、高频感应加热蒸发
►将用绝缘材料(quartz, graphite, alumina, beryllia, zirconia)制成的坩埚通上射频交流电，利用电磁感应加热材 料
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
Time
0.02 s 0.2 s 2s 20 s 3 min 35 min 6 hr 3 days
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
特点：加热均匀
3、电子束蒸发
电子束蒸发方法:
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
电子束蒸发装置组成: 电子束加热枪： 灯丝+加速电极+偏转磁场组成
蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩埚；
电子束蒸发的特点
► 被蒸发的材料是放在水冷的坩埚中,因而可以避免容 器材料的蒸发,不与坩埚材料交叉污染，清洁。
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。
5、多组分薄膜的蒸发方法
多源顺序蒸发,形成多层膜,再进行要退火
6、薄膜的均匀性
台阶和犁沟的阴影效应: 蒸发分子流受到工件形状的影 响导致阴影效应；
台阶的阴影效应； –与台阶的高度和台阶与蒸发 源的相对位置有关； –旋转基片不能改善台阶的阴 影效应 犁沟的自封闭； –犁沟的自封闭与犁沟的深度 和宽度有关；
两种常见的薄膜结构
Hale Waihona Puke Baidu
►单层膜
A Substrate
►周期结构多层膜
B A B A
Substrate
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)
PVD简介
“物理气相沉积” 通常指满足下面三个步骤 的一类薄膜生长技术:
1. 所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体 2. 生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底 3. 蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜