电子教案与课件：表面处理技术概论 第5章气相沉积技术
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• 小岛阶段： 当凝聚晶核达到一定的浓度以后，继续 蒸发就不再形成新的晶核。新蒸发来的吸附原子通 过表面迁移将集聚在已有的晶核上，使晶核生长并 形成小岛，这些小岛通常是三维结构，并多数已具 有该种物质的晶体结构，即已形成微晶粒。
5.3 蒸发镀膜-薄膜的形成
• 网络阶段：随着小岛的生长，相邻小岛 会互相接触并彼此结合，结合的过程有 点类似两个小液滴结合成一个大液滴的 情况。随着小岛的不断结合，将形成一 些具有沟道的网络状薄膜。
溅射镀膜：在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使 其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉 积的过程。
与真空蒸镀法相比，溅射镀膜有如下特点： 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
（二）溅射镀膜原理
A、溅射现象
入射核能离子轰击靶材表面产生相互作用，结 果会产生如图所示的一系列物理化学现象，主要包 括三类现象：
特点： ✓ 气相沉积都是在密封系统的真空条件下进行，除常压化学气相沉积系统的压强约
为一个大气压外，都是负压。沉积气氛在真空室内进行，原料转化率高，可以节约 贵重材料资源。
5.1 气相沉积基础-定义和特点
气相沉积可降低来自空气等的污染，所得沉积膜或材料纯度高。 能在较低温度下制备高熔点物质。 便于制备多层复合膜、层状复合材料和梯度材料。 相变驱动力是亚稳定的气相与沉积固相之间的吉布斯自由能差，沉积的相变阻力还
蒸镀纯金属膜中，90%是铝膜。在制镜工业 中广泛采用蒸镀，以铝代银。集成电路是镀 铝进行金属化，然后再刻蚀出导线。双面蒸 镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头 盒。
5.3 溅射镀膜
（一）概述 溅射：用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，
使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，这种溅出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、复 杂的粒子散射过程。
• 连续薄膜：继续蒸发时，吸附原子将填 充这些空沟道，此时也有可能在空沟道 中生成新的小岛，由小岛的生长来填充 空沟道，最后形成连续薄膜。
5.3 蒸发镀膜-应用
蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些 功能膜，例如用作电极的导电膜，光学镜头 用的增透膜等。
蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这 点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属 时，蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。
5.2 气相沉积基础-分类
化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等 各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反 应形成固态沉积物的技术。
5.3 蒸发镀膜
定义 真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀简称蒸发镀，是在 真空条件下用蒸发器加热待蒸发物质，使其汽化并向 基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。 真空蒸发镀膜装置，一般由四部分组成: ✓ 真空室：用于放置镀件，进行镀膜的场所； ✓ 真空系统：机械泵、扩散泵、管道、阀门等； ✓ 蒸发系统：蒸发源，加热蒸发源的电气设备 ✓ 电气设备：真空测量系统，控制台等。
5.3 蒸发镀膜-过程
气相物质的产生：包括固相或液相转变为气相的相变过程（固相或液相→气相） ，每种物质在不同的温度有不同的饱和蒸气压。
气相物质在蒸发源与基片之间的输运：此过程中汽化原子或分子与残余气体分子 发生碰撞的次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及蒸发源---基片的距离。
气相物质的沉积：蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜（气相→固相相变过程） 。
5.3 蒸发镀膜-薄膜的形成
A、 吸附现象 入射原子与基片相互作用： 反射 物理吸附 化学吸附 吸附原子的迁移及与同类原子的缔合 黏附系数（粘附系数）a：＝粘附于基片的原子数/入射原子数
B、 薄膜的生长方式
5.3 蒸发镀膜-薄膜的形成
• 成核阶段 ： 碰撞到基片上的部分原子被吸附（主要 是物理吸附）在基片表面上，并停留一定的时间， 原子有可能在表面进行迁移或扩散。在这一过程中 ，原子有可能与基片发生化学作用而形成化学吸附 ，还可能遇到其它的蒸发原子而形成原子对或原子 团，从而逐渐成为稳定的凝聚核。
是形成新相表面能的增加。 气相沉积的必要条件是沉积物质的过饱和蒸汽压，过饱和度是气相沉积的动力，遵
守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变，形 成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。
5.2 气相沉积基础-分类
物理气相沉积（PVD）是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸发、溅 射 、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、等离 子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在基体 上沉积为固相薄膜的过程。
第 5章 气相沉积技术
提纲
5.1 气相沉积基础 5.2 真空蒸镀（PVD） 5.3 溅射镀膜（PVD） 5.4 离子镀膜（PVD） 5.5 化学气相沉积（CVD）
5.1 气相沉积基础-定义和特点
定义：气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面 形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。
5.3 蒸发镀膜-蒸发源与蒸发方式
蒸发源是使镀膜材料气化的部件，主要有三类: ① 电阻加热蒸发源 用丝状或片状的高熔点金属（钨、钼、钽）做成适当形状
的蒸发源，将膜料放在其中，接通电阻加热膜料而使其蒸发。 特点：结构简单、操作方便，适用于低熔点材料 电阻蒸发源－W(3380℃)，Mo(2580℃)，Ta(3000℃) ② 电子束加热蒸发源 e型电子枪电子枪发出的电子束直接照射镀料表面，将高 速电子的动能转化为加热材料的热能，使镀料熔化蒸发，而进行蒸镀。 特点：能量可高度集中，可获得局部高温，能准确控制蒸发温度。适用于制备高纯度 的膜层。 ③ 激光束蒸发源 通过聚焦可使激光束密度达到106W/cm2以上，它以无接触 加热方式使膜料迅速气化，然后沉积在基片上形成薄膜。 特点：实现化合物沉积，不会产生分流现象，能蒸发高熔点材料
5.3 蒸发镀膜-薄膜的形成
• 网络阶段：随着小岛的生长，相邻小岛 会互相接触并彼此结合，结合的过程有 点类似两个小液滴结合成一个大液滴的 情况。随着小岛的不断结合，将形成一 些具有沟道的网络状薄膜。
溅射镀膜：在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使 其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉 积的过程。
与真空蒸镀法相比，溅射镀膜有如下特点： 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
（二）溅射镀膜原理
A、溅射现象
入射核能离子轰击靶材表面产生相互作用，结 果会产生如图所示的一系列物理化学现象，主要包 括三类现象：
特点： ✓ 气相沉积都是在密封系统的真空条件下进行，除常压化学气相沉积系统的压强约
为一个大气压外，都是负压。沉积气氛在真空室内进行，原料转化率高，可以节约 贵重材料资源。
5.1 气相沉积基础-定义和特点
气相沉积可降低来自空气等的污染，所得沉积膜或材料纯度高。 能在较低温度下制备高熔点物质。 便于制备多层复合膜、层状复合材料和梯度材料。 相变驱动力是亚稳定的气相与沉积固相之间的吉布斯自由能差，沉积的相变阻力还
蒸镀纯金属膜中，90%是铝膜。在制镜工业 中广泛采用蒸镀，以铝代银。集成电路是镀 铝进行金属化，然后再刻蚀出导线。双面蒸 镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头 盒。
5.3 溅射镀膜
（一）概述 溅射：用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，
使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，这种溅出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、复 杂的粒子散射过程。
• 连续薄膜：继续蒸发时，吸附原子将填 充这些空沟道，此时也有可能在空沟道 中生成新的小岛，由小岛的生长来填充 空沟道，最后形成连续薄膜。
5.3 蒸发镀膜-应用
蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些 功能膜，例如用作电极的导电膜，光学镜头 用的增透膜等。
蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这 点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属 时，蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。
5.2 气相沉积基础-分类
化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等 各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反 应形成固态沉积物的技术。
5.3 蒸发镀膜
定义 真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀简称蒸发镀，是在 真空条件下用蒸发器加热待蒸发物质，使其汽化并向 基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。 真空蒸发镀膜装置，一般由四部分组成: ✓ 真空室：用于放置镀件，进行镀膜的场所； ✓ 真空系统：机械泵、扩散泵、管道、阀门等； ✓ 蒸发系统：蒸发源，加热蒸发源的电气设备 ✓ 电气设备：真空测量系统，控制台等。
5.3 蒸发镀膜-过程
气相物质的产生：包括固相或液相转变为气相的相变过程（固相或液相→气相） ，每种物质在不同的温度有不同的饱和蒸气压。
气相物质在蒸发源与基片之间的输运：此过程中汽化原子或分子与残余气体分子 发生碰撞的次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及蒸发源---基片的距离。
气相物质的沉积：蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜（气相→固相相变过程） 。
5.3 蒸发镀膜-薄膜的形成
A、 吸附现象 入射原子与基片相互作用： 反射 物理吸附 化学吸附 吸附原子的迁移及与同类原子的缔合 黏附系数（粘附系数）a：＝粘附于基片的原子数/入射原子数
B、 薄膜的生长方式
5.3 蒸发镀膜-薄膜的形成
• 成核阶段 ： 碰撞到基片上的部分原子被吸附（主要 是物理吸附）在基片表面上，并停留一定的时间， 原子有可能在表面进行迁移或扩散。在这一过程中 ，原子有可能与基片发生化学作用而形成化学吸附 ，还可能遇到其它的蒸发原子而形成原子对或原子 团，从而逐渐成为稳定的凝聚核。
是形成新相表面能的增加。 气相沉积的必要条件是沉积物质的过饱和蒸汽压，过饱和度是气相沉积的动力，遵
守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变，形 成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。
5.2 气相沉积基础-分类
物理气相沉积（PVD）是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸发、溅 射 、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、等离 子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在基体 上沉积为固相薄膜的过程。
第 5章 气相沉积技术
提纲
5.1 气相沉积基础 5.2 真空蒸镀（PVD） 5.3 溅射镀膜（PVD） 5.4 离子镀膜（PVD） 5.5 化学气相沉积（CVD）
5.1 气相沉积基础-定义和特点
定义：气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面 形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。
5.3 蒸发镀膜-蒸发源与蒸发方式
蒸发源是使镀膜材料气化的部件，主要有三类: ① 电阻加热蒸发源 用丝状或片状的高熔点金属（钨、钼、钽）做成适当形状
的蒸发源，将膜料放在其中，接通电阻加热膜料而使其蒸发。 特点：结构简单、操作方便，适用于低熔点材料 电阻蒸发源－W(3380℃)，Mo(2580℃)，Ta(3000℃) ② 电子束加热蒸发源 e型电子枪电子枪发出的电子束直接照射镀料表面，将高 速电子的动能转化为加热材料的热能，使镀料熔化蒸发，而进行蒸镀。 特点：能量可高度集中，可获得局部高温，能准确控制蒸发温度。适用于制备高纯度 的膜层。 ③ 激光束蒸发源 通过聚焦可使激光束密度达到106W/cm2以上，它以无接触 加热方式使膜料迅速气化，然后沉积在基片上形成薄膜。 特点：实现化合物沉积，不会产生分流现象，能蒸发高熔点材料