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物理气相沉积技术 PhysicalVaporDeposition 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 PhysicalVaporDeposition 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 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 块状材料 靶材 薄膜 物质输运能量输运 能量 衬底 以气态方式进行 气态 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 Substrate Substrate Substrate 原子团簇 岛 薄膜 热运动 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 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 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 109W cm2的功率密度 熔点3000 的材料蒸发 如WW Mo Ge SiO2 Al2O3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 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 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 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 Al靶 Al膜 溅射沉积薄膜原理 阳 阴 避免金属原子氧化 真空 Ar气 Ar Al靶 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 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 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 2 溅射镀膜的特点 相比较真空蒸发 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 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 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 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 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 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 5 m min 溅射速率为0 01 0 5 m 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 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 m 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 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 5 m min 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 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 射频溅射的缺点 高能电子轰击衬底 导致衬底发热并损害镀膜质量 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 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 磁控溅射的特点 工作气压低 沉积速率高 维持放电所需的靶电压低 电