物理气相沉积技术

六.离子镀
• 概念:在真空条件下，利用气体放电使气体 或蒸发物质离化，在气体离子或被蒸发物 质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反 应物蒸镀在基片上。
PVD薄膜沉积各种方式的比较 真 ‹ 空蒸镀、溅射镀膜和离子镀的比较
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• 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；
加热导致合金或化合物分解。
可制备单质、氧化物、介电和半导体化合物薄膜。
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
三.物理气相沉积技术的分类
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
Substrate
Substrate
热运动 Substrate 原子团簇 Substrate 岛 Substrate 薄膜
• 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片表面， 台阶覆盖度进一步优化。
• ⑤溅射工艺适用于淀积合金，而且具有保持复杂 合金元组分的能力。比如常用的溅射AlSiCu合金中 靶材含有0.5%的Cu，那么淀积的薄膜也含有0.5% 的Cu。
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.
• 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 热量可直接加到蒸镀 材料的表面→ 热效率高、热传导和热辐射 损失小
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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↑,当粒子速度达到饱和，电流达到饱和值。
3.溅射镀膜的缺点
• 溅射设备复杂，需要高压装置
• 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。
三、溅射方法
• 具体溅射方法较多。
• 直流溅射，射频溅射，磁控溅射，反应溅射，离 子束溅射，偏压溅射等。
• 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；
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.
五.溅射镀膜
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。
2).射频溅射
• 射频溅射相当于直流 溅射装置中的直流电 源部分改由射频发生 器、匹配网络和电源 所代替，利用射频辉 光放电产生溅射所需 的正离子。
• 与只能溅射导体材料的直流溅射相比，射频溅射 是能适用于包括导体、半导体和绝缘体在内的几 乎各种材料。 • 溅射电压1000V，靶电流密度1.0mA/cm2，薄膜沉 积速率低于0.5μm/min。
• 磁控溅射的特点 • ①工作气压低，沉积速率高 • ②维持放电所需的靶电压低 • ③电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤， 避免衬底温升过高，降低了薄膜污染的可能性
• • • •
磁控溅射的缺点 ①靶材利用率不高，一般低于40%。 ②用绝缘材料的靶材会使得衬底温度上升。 ③不能实现强磁性材料的低温高速溅射。
物理气相沉积技术 （Physical Vapor Deposition, PVD)
• 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
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。
1).直流溅射
• 靶材置于阴极，阳极 为衬底。 • 常用氩气作为工作气 体。 • 溅射电压1~5kV，靶电 流密度0.5mA/cm2，薄 膜淀积速率低于0.1 μm/min • 直流溅射只能溅射导 体材料。
• 直流溅射的优点：结构简单，操作方便 • 直流溅射的缺点：
• 不能独立控制各个工艺参数，放电电流易随电压 和气压变化。 • 溅射速率低，薄膜质量(致密度、纯度)差。 • 基片温升高、淀积速率低 • 靶材必须是良好导体。
• 2).汤生放电区：这时，放电电流迅速增加，但是电压变 化不大。
• • •
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。
• 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。
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.
PVD的物理原理
衬底
薄膜 气态
以气态方式进行 物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
• 射频方法在靶材产生自偏压效应，即射频电场作 用的同时，靶材自动处于较大的负电位，导致气 体离子自发对其轰击和溅射，而在衬底上自偏压 效应很小，气体离子对其产生的轰击和溅射可以 忽略，将主要是沉积过程。
• 射频溅射的特点 • 1.能产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射， 并沉积在衬底上。 • 2.不需要在高压下产生二次电子来维持放电，射 频溅射可在低压下进行，沉积速率较直流溅射高 (此时气体散射少)。 • 3.射频溅射可将能量直接耦合给等离子体中的电 子，故其工作电压和对应的靶电压较低(相较于直 流溅射)。
实现了对绝缘材料的溅射
• 在采用高频率电源产生放电后，两级间的电位进行 高频变化。当靶材处于负半周时，正离子对靶面进 行轰击引起溅射，与此同时靶材表面会有正电荷的 积累。当靶材处于正半周时，由于电子对靶的轰击， 中和了积累在靶面上的正电荷，为下个周期的溅射 创造了条件。在一个周期内正离子和电子可以交替 轰击靶面，从而实现对绝缘材料的溅射。由于在一 个周期内对靶材既有溅射又有中和，因此能使得溅 射持续进行。
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
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
• 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.
• 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。
溅射沉积薄膜原理 避免金属 Al膜 阳 真空 原子氧化
+
Ar气
+
+ +
+
Ar+ Al靶 Al靶
+
阴
• 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。
• 在靶材附近加入磁场，垂直电场方向分布的磁力 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。同时，受正交电磁场 束缚的电子，只能在其能量要耗尽时沉积在衬底 上。 • 使得磁控溅射具有低温、高速的特点。
• 在电场E作用下，电子与氩 原子碰撞，电离产生Ar+和 新的电子。 • 新电子飞向衬底，Ar+电场 作用加速飞向阴极靶，以 高能量轰击，发生溅射。 • 靶原子沉积成膜，产生的 二次电子沿EXB所指方向 漂移。碰撞次数增加，二 次电子能量下降，逐渐远 离靶表面，最终沉积在衬 底上。传递能量很小，致 使衬底温升较低。
• 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 ．
加速电压高时，产生的一些射线对人体伤害
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.
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)。
• 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。
• 射频溅射的缺点
• ①高能电子轰击衬底，导致衬底发热并损害镀膜 质量。
• ②大功率的射频电源不仅造价高，对于人身防护 也有一定问题，因此，射频溅射不适于工业生产。
3).磁控溅射
• 磁控溅射技术作为一种高速、低温、低损伤的溅 射技术具有其独特的优越性。 • 高速是指淀积速率快(与二极溅射相比提高了一个 数量级) • 低温是指衬底的温升低 • 低损伤是指对膜层的损伤小