物理气相沉积技术PPT讲稿
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物理气相沉积(PVD)PPT
(g/cm2· s)
(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。
(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。
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
物理气相沉积PPT课件
真空蒸镀的设备相对简单, 工艺操作容易, 可镀材料广, 镀膜纯洁, 广泛用于光 学、电子器件和塑料制品的表面处理。缺点是膜一基结合力弱，镀膜不耐磨, 并有方向性。
.
6
（2）溅射镀
原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电， (Ar) (Ar+)，Ar+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。
物理气相沉积 技术概述
.
1
一、气相沉积技术概述
近年来表面工程学发展迅速，新的表面涂层技术层出不穷，气相沉积就是发展最 快的新涂层技术之一.
（1）.定义: 所谓气相沉积是利用在气相中以物理或化学的反应过程，在工件表面形成 具有特殊性能的金属或化合物涂层的方法.
（2）.气相沉积的特点： 可以用来制备具有各种特殊力学性能和物理化学性能（如：高硬度，高耐热，高
溅射镀膜纯度高、均匀，而且基板温度低。因此适用性广, 可沉积纯金
属、合金或化合物。
溅射镀膜的缺点 溅射设备复杂，需要高压装置
入射Ar离子
溅射出的原子
溅射淀积的成膜速度低，真空蒸发镀 膜淀积速率为0.1~5μm/min，溅射 速率为0.01~0.5 μm/min。
基片温升较高，易受杂质气体影响。
离子镀
很好 应工艺条件而定
较好
电阻加热、电子束加 热、感应加热等。
阴极溅射
蒸发式、溅射式、 化学式。
工件不带电，真空条 件下金属加热蒸发沉 积到工件表面
工件为阳极， 靶材为阴极， 利用氩离子溅 射，靶材原子 击出而沉积。
工件带负偏压， 工件表面受离子 轰击同时，被沉 积蒸发物或其反 应物。
.
10
.
热导，高耐腐蚀，抗氧化，绝缘等）涂层．不仅可以层积金属涂层，合金涂层，还可 以层积多种多样的化合物．非金属半导体．陶瓷和有机物的单层和多层结构的涂层．
.
6
（2）溅射镀
原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电， (Ar) (Ar+)，Ar+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。
物理气相沉积 技术概述
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1
一、气相沉积技术概述
近年来表面工程学发展迅速，新的表面涂层技术层出不穷，气相沉积就是发展最 快的新涂层技术之一.
（1）.定义: 所谓气相沉积是利用在气相中以物理或化学的反应过程，在工件表面形成 具有特殊性能的金属或化合物涂层的方法.
（2）.气相沉积的特点： 可以用来制备具有各种特殊力学性能和物理化学性能（如：高硬度，高耐热，高
溅射镀膜纯度高、均匀，而且基板温度低。因此适用性广, 可沉积纯金
属、合金或化合物。
溅射镀膜的缺点 溅射设备复杂，需要高压装置
入射Ar离子
溅射出的原子
溅射淀积的成膜速度低，真空蒸发镀 膜淀积速率为0.1~5μm/min，溅射 速率为0.01~0.5 μm/min。
基片温升较高，易受杂质气体影响。
离子镀
很好 应工艺条件而定
较好
电阻加热、电子束加 热、感应加热等。
阴极溅射
蒸发式、溅射式、 化学式。
工件不带电，真空条 件下金属加热蒸发沉 积到工件表面
工件为阳极， 靶材为阴极， 利用氩离子溅 射，靶材原子 击出而沉积。
工件带负偏压， 工件表面受离子 轰击同时，被沉 积蒸发物或其反 应物。
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10
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热导，高耐腐蚀，抗氧化，绝缘等）涂层．不仅可以层积金属涂层，合金涂层，还可 以层积多种多样的化合物．非金属半导体．陶瓷和有机物的单层和多层结构的涂层．
《物理气相沉积》课件
电源设备
高压电源
01
提供高电压以产生电离气体。
直流电源
02
提供直流电流以加热沉积材料。
射频电源
03
提供射频能量以实现射频物理气相沉积。
控制设备
控制系统
用于控制物理气相沉积过程的各项参数，如温度、压力、电流等 。
监控系统
用于实时监测物理气相沉积过程的状态和参数。
数据采集系统
用于采集和记录物理气相沉积过程中的数据。
缺陷。
涂层制备工艺
真空系统建立
通过真空泵将沉积室内的气体抽至一定的真空度 ，为涂层制备创造必要的环境条件。
气相沉积
在真空条件下，通过物理方法将气态物质转化为 固态涂层，附着在工件表面。
涂层厚度控制
通过控制沉积时间和工艺参数，精确控制涂层的 厚度和均匀性。
后处理工艺
退火处理
通过加热使涂层内部原子重新排列，提高涂层的硬度 和稳定性。
详细描述
在溅射沉积中，高能粒子（如离子）轰击靶材表面，使靶材 原子或分子从表面溅射出来，并在基体上沉积形成薄膜。该 方法可用于制备金属、合金、陶瓷和其它无机材料。
离子镀
总结词
离子镀是一种物理气相沉积技术，通过将材料离子化并在电场作用下加速到基体 上，实现高能离子束沉积成膜。
详细描述
在离子镀中，将材料离子化后形成离子束，通过电场加速作用将离子束导向基体 表面，在基体上沉积形成薄膜。该方法可用于制备金属、合金、陶瓷和其它无机 材料，具有高沉积速率和良好的附着力。
由金属和非金属材料组成，具有优异 的力学性能和耐磨性，常用于制造机 械零件和刀具等。
04
物理气相沉积工艺
前处理工艺
表面清洗
去除工件表面的污垢、油脂和杂 质，确保表面干净，以提高涂层
物理气相沉积CVD演示课件
Sputter 工艺技术
2013.6.28
1 ? Sputter工艺介绍 2 ? Sputter成膜与关键参数 3 ? Sputter 常见异常介绍 4 ? Sputter工艺应用
Copyright ? 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司
Summary
1
1.Sputter 工艺介绍
?PVD---物理气相沉积技术（Physical Vapor Deposition） ?定义
ITO之后
ITO之前
A:passivation之后 B:平坦化层 C:平坦化层退火 D:平坦化层Ashing E:ITO sputter之后 F:ITO退火之后
ITO sputter之后Ioff上升很明显，退火之后会有一点下降，说明sputter工艺会造成 Ioff上升。
Copyright ? 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司
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14
? Splash
?产生原因
治具
3. Sputter 常见异常介绍
靶材局部散热不均,造成融化滴在基板上
Oxide or Void
Target
Heated area
arcing
Melted particle Ar+
慧星狀
圆形
Copyright ? 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司
1.Sputter 工艺介绍
（1）对于任何待镀材料，只要能制作成靶材，就可以实现溅射； （2）溅射所获得的薄膜与基板间附着力较好； （3）溅射所得到的薄膜纯度高，致密性好； （4）溅射工艺重复性好，膜厚可控；同时可以实现大面积镀膜；
溅射存在缺点： 沉积速率低；基板升温严重。
2013.6.28
1 ? Sputter工艺介绍 2 ? Sputter成膜与关键参数 3 ? Sputter 常见异常介绍 4 ? Sputter工艺应用
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Summary
1
1.Sputter 工艺介绍
?PVD---物理气相沉积技术（Physical Vapor Deposition） ?定义
ITO之后
ITO之前
A:passivation之后 B:平坦化层 C:平坦化层退火 D:平坦化层Ashing E:ITO sputter之后 F:ITO退火之后
ITO sputter之后Ioff上升很明显，退火之后会有一点下降，说明sputter工艺会造成 Ioff上升。
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14
? Splash
?产生原因
治具
3. Sputter 常见异常介绍
靶材局部散热不均,造成融化滴在基板上
Oxide or Void
Target
Heated area
arcing
Melted particle Ar+
慧星狀
圆形
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1.Sputter 工艺介绍
（1）对于任何待镀材料，只要能制作成靶材，就可以实现溅射； （2）溅射所获得的薄膜与基板间附着力较好； （3）溅射所得到的薄膜纯度高，致密性好； （4）溅射工艺重复性好，膜厚可控；同时可以实现大面积镀膜；
溅射存在缺点： 沉积速率低；基板升温严重。
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
薄膜的物理气相沉积PPT课件
3.1 概述
真空蒸镀（Vacuum Evaporation）
蒸发条件（分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pe）
物理机制 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行； T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压 Pi > Pe 凝聚； Pi < Pe 蒸发 (净蒸发 > 0)
怎样实现蒸发条件？ He 升温 ： PeaeRT T 也随之↓ 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi ↓
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所 Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜技术与应用
薄膜的物理气相沉积技术（Ⅰ）
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
膜层在高真空环境下形成，蒸汽中的膜层粒子基本上是原子态，在工 件表面形成细小的核心，生长成细密的组织；
一般只在工件面向蒸发源的一面可以沉积膜层，工件的背面几乎不沉 积。
2020/12/3
7
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
分类
电阻加热、电子束蒸发、电弧放电、激光加热、分子束外延
2020/12/3
6
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
真空蒸镀（Vacuum Evaporation）
蒸发条件（分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pe）
物理机制 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行； T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压 Pi > Pe 凝聚； Pi < Pe 蒸发 (净蒸发 > 0)
怎样实现蒸发条件？ He 升温 ： PeaeRT T 也随之↓ 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi ↓
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所 Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
薄膜技术与应用
薄膜的物理气相沉积技术（Ⅰ）
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
膜层在高真空环境下形成，蒸汽中的膜层粒子基本上是原子态，在工 件表面形成细小的核心，生长成细密的组织；
一般只在工件面向蒸发源的一面可以沉积膜层，工件的背面几乎不沉 积。
2020/12/3
7
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
分类
电阻加热、电子束蒸发、电弧放电、激光加热、分子束外延
2020/12/3
6
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Materials and Thin Films Technology
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
12
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。
2020/10/13
3
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。
2020/10/13
8
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。
2020/10/13
9
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9章 气相沉积技术(1).ppt
2013-6-13 7
• CVD的主要缺点是沉积温度高（900～1200℃），超 过了许多工模具的常规热处理温度，因此镀覆之后还 需进行二次热处理，不仅引起基材的变形与开裂，也 使镀层的性能下降。
• 大多数精密刀具都是高速钢制造的，这些刀具制造复 杂，价格昂贵，消耗贵金属，迫切需要延长使用寿命。 因此推动了物理气相沉积（PVD）硬膜技术的诞生与 发展。
2．蒸镀方法 (1)电阻加热蒸镀
加热器材料常使用钨、钼、钽等 高熔点金属，按照蒸发材料的 不同，可制成丝状、带状和板 状.
(2)电子束加热蒸镀
利用电子束加热可以使钨（熔 点3380℃）、钼（熔点2610℃） 和钽（熔点3100℃）等高熔点 金属熔化。
2013-6-13 30
（3）合金膜的镀制
如果要沉积合金，则在整个基片表面和膜层厚度 范围内都必须得到均匀的组分。有两种基本方式： 单电子束蒸发源沉积和多电子束蒸发源沉积
2013-6-13
11
• CVD还利用其易于调控化学成分的特点在镀层类型和结构上 也取得了新的发展。
•
1973年出现了TiC＋TiCN＋TiN复合镀层，其性能较单一镀
层TiC或 TiN有显著的提高。
• 1978 年又在上述镀层的基础上增加了化学稳定性更好的
Al2O3镀层，厚度可达10um，仍具有良好的结合力。
2013-6-13
3
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。 • 后来Arkel和Moers等又分别报道了在灯丝上用CVD制取高熔点 碳化物工艺试验的研究结果。直到1945年，CVD制备TiC的研 究仍局限于实验室，因为当时人们认为该工艺反应温度高， 镀层脆性大，易于开裂。
• CVD的主要缺点是沉积温度高（900～1200℃），超 过了许多工模具的常规热处理温度，因此镀覆之后还 需进行二次热处理，不仅引起基材的变形与开裂，也 使镀层的性能下降。
• 大多数精密刀具都是高速钢制造的，这些刀具制造复 杂，价格昂贵，消耗贵金属，迫切需要延长使用寿命。 因此推动了物理气相沉积（PVD）硬膜技术的诞生与 发展。
2．蒸镀方法 (1)电阻加热蒸镀
加热器材料常使用钨、钼、钽等 高熔点金属，按照蒸发材料的 不同，可制成丝状、带状和板 状.
(2)电子束加热蒸镀
利用电子束加热可以使钨（熔 点3380℃）、钼（熔点2610℃） 和钽（熔点3100℃）等高熔点 金属熔化。
2013-6-13 30
（3）合金膜的镀制
如果要沉积合金，则在整个基片表面和膜层厚度 范围内都必须得到均匀的组分。有两种基本方式： 单电子束蒸发源沉积和多电子束蒸发源沉积
2013-6-13
11
• CVD还利用其易于调控化学成分的特点在镀层类型和结构上 也取得了新的发展。
•
1973年出现了TiC＋TiCN＋TiN复合镀层，其性能较单一镀
层TiC或 TiN有显著的提高。
• 1978 年又在上述镀层的基础上增加了化学稳定性更好的
Al2O3镀层，厚度可达10um，仍具有良好的结合力。
2013-6-13
3
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。 • 后来Arkel和Moers等又分别报道了在灯丝上用CVD制取高熔点 碳化物工艺试验的研究结果。直到1945年，CVD制备TiC的研 究仍局限于实验室，因为当时人们认为该工艺反应温度高， 镀层脆性大，易于开裂。
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
29
二极溅射装置
12.11.2020
四极溅射装置
30
磁控溅射
12.11.2020
31
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。
12.11.2020
12
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。
12.11.2020
电子束加热蒸镀
17
（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。
12.11.2020
18
（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
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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)
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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
PPT课件
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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13
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。
PPT课件
11
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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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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• 周期结构多层膜
B A B A
Substrate
PVD特点 PVD现状与发展
PVD原理
PVD分类 PVD应用
1
沉积层材料来自固体物质源，采用各种加 热源或溅射源使固态物质变为原子态。
2
物理气相沉积获 得的沉积层薄。
3
涂层组织细密、与基 体和结合强度好。
涂层的纯度高
4 单击此处添加标题
PVD特点
在飞机和宇宙飞船的各种形状复杂的零部件上, 可镀制各 种薄膜；
为选择传播射线, 在建筑玻璃上镀制化合物镀层；
为减少摩擦, 在各种工程机械零件上镀制润滑的膜层；
太阳能和光电元件应用的各种薄膜…
ONLY ON THE FILM?
Volmer-Weber Mode
衬底
Island Growth ( 3D )
气态
基底 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)
“物理气相沉积” 通常有下面三个工艺步骤 ：
1. 所生长的材料（靶材）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
几种常见的薄膜结构
• 单层膜
A Substrate
PVD特点 PVD现状与发展
PVD原理
PVD分类 PVD应用
FROM 1970s
PVD 技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩 擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。近年来，由于PVD技术 和工艺、设备水平的发展，加上使用靶材品种和质量的增加，有效提 高了涂层和基体的结合强度，扩大了涂层材料的种类，是过去难于使 用PVD技术沉积的碳化物、氮化物、氧化物等硬质涂层，现在变成了 可能，极大地扩展了PVD技术的应用范围。
其它生长模式
Frank-van der Merve ( 2D )
Stranski-Krastanov Mode
Layer Plus Island Growth
衬底
( 2D-3D )
与化学气相沉积（CVD）工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以 下时对材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于 对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合 现代绿色制造的发展方向。
PVD特点 PVD现状与发展
PVD原理
PVD分类 PVD应用
对高速钢刀具进行涂覆, 可得到致密等轴涂层, 具有优异 的耐磨特性, 可显著提高刀具的使用寿命；
特点：多用于要求纯度极 高的膜、绝缘物的蒸镀和 高熔点物质的蒸镀。
Substrat e fixture
E-Gun Crucible
磁控溅射：使电子的路径不再是直线，而是螺旋线，
增加了与气体原子发生碰撞的几率，在同样的电压和气压 下可以提高气体电离的效率，提高了沉积速率。
附加磁场的优点
• 限制溅射离子的轨道 • 增加离子在气体中停留的时间 • 增强等离子体和电离过程 • 减少溅射原子从靶材到衬底路程中的碰撞 • 高磁场附近的产值比较高
5
可以在较低温度下获得各种功能薄膜， 基材范围广泛。
6
可方便的控制 多个工艺参数 ，易获得单晶 、多晶、非晶 、多层纳米层 结构的功能薄 膜。
无有害气体排出 ，属于无污染技 术。
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PVD特点
PVD特点 PVD现状与发展
PVD原理
PVD分类 PVD应用
物理气相沉积（PVD ）
真空蒸镀 离子镀
电子束蒸发 热蒸发
物理气相沉积技术课件
PVD特点
PVD现状与发展
PVD原理
PVD分类 PVD应用
原理：物理气相沉积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。
PVD的物理原理示意图
溅射镀
直流溅射 射频溅射 磁控溅射
电子束蒸发镀膜仪 PVD 75 美国 Kurt J Lesker Company
磁控溅射镀膜仪 PVD 75 美国 Kurt J Lesker Company
电子束蒸发原理与特点
原理：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。