物理气相沉积技术课件

1、物理气相沉积技术物理气相沉积技术物理气相沉积技术第八章第八章物理气相沉积技术低维材料低维材料z定义：二维、一维和零维材料，统称低维材料。定义：二维、一维和零维材料，统称低维材料。z二维材料：是指当材料的任一维度，如二维材料：是指当材料的任一维度，如Z Z方向的尺寸小到纳米量级，方向的尺寸小到纳米量级，则此材料就成为则此材料就成为X X，Y Y方向延展的二维材料。方向延展的二维材料。 薄膜材料薄膜材料( (纳米薄膜）纳米薄膜）z一维材料：当材料在一维材料：当材料在Z Z方向缩小的同时，方向缩小的同时，Y Y方向也缩小到纳米尺方向也缩小到纳米尺度。度。又称量子线，纳米管又称量子线，纳米管z零维材料

2、：当材料在零维材料：当材料在X X，Y Y，Z Z方向上的尺寸都缩小到纳米量级。方向上的尺寸都缩小到纳米量级。 纳米粉体材料纳米粉体材料 PVDPVD是制备低维材料的手段，特别是薄膜材料！是制备低维材料的手段，特别是薄膜材料！物理气相沉积技术What is the Deposition?GasLiquidSolidCondensationVaporizationDepositionFreezingMeltingSublimation物理气相沉积技术薄膜材料的制备薄膜材料的制备n气相沉积技术气相沉积技术n溶胶凝胶技术溶胶凝胶技术PVDCVD蒸发镀蒸发镀离子镀离子镀溅射镀溅射镀（装饰，机械制品，电

3、子器件）（装饰，机械制品，电子器件）物理气相沉积技术眼镜片的镀膜眼镜片的镀膜n1 1、减反射膜（增透膜）、减反射膜（增透膜）n2 2、顶膜（防水膜、防雾膜）、顶膜（防水膜、防雾膜） 物理气相沉积技术n镀膜技术的评价镀膜技术的评价n薄膜性能薄膜性能n膜厚分布膜厚分布n附着力附着力1.1.沉积速度沉积速度物理气相沉积技术一、一、 真空蒸发镀真空蒸发镀概念：概念： 真空蒸发镀是将被镀工件放在真空室，并用一定方法真空蒸发镀是将被镀工件放在真空室，并用一定方法加热使镀膜材料（简称膜料）蒸发或升华飞至工件表加热使镀膜材料（简称膜料）蒸发或升华飞至工件表面凝聚成膜。面凝聚成膜。物理气相沉积技术（一）真空蒸发

4、镀示意图（一）真空蒸发镀示意图物理气相沉积技术 、蒸发、蒸发 、汽化粒子的输运（源基距平均自由程）、汽化粒子的输运（源基距平均自由程） 、凝聚、生长过程、凝聚、生长过程（二）主要过程（二）主要过程物理气相沉积技术1、蒸发过程、蒸发过程蒸发速率：蒸发速率： Gm Gm4.384.38* *10103 3P PS S(Ar/T(Ar/T）0.50.5 确定材料的饱和蒸汽压确定材料的饱和蒸汽压P PS S ，T GmT Gm 确定材料的饱和蒸汽压确定材料的饱和蒸汽压P PS S ，GmGm T T 蒸汽粒子的蒸汽粒子的空间分布空间分布蒸发源蒸发源膜料膜料点，平面点，平面类型类型物性物性加热条件加热条

5、件物理气相沉积技术蒸发方式（蒸发源类型）蒸发方式（蒸发源类型）1、电阻加热蒸发方式电阻加热蒸发方式2 2、电子束加热蒸发电子束加热蒸发方式方式3 3、高频加热蒸发方式、高频加热蒸发方式4 4、激光加热蒸发方式、激光加热蒸发方式 优点：可用于高熔点膜材，蒸发速率高优点：可用于高熔点膜材，蒸发速率高膜料与电阻丝不直接接触膜料与电阻丝不直接接触物理气相沉积技术3、凝聚、生长过程、凝聚、生长过程表面现象：表面现象：被吸附粒子的凝聚、生长过程：被吸附粒子的凝聚、生长过程： 原子表面扩散原子表面扩散 ，发生碰撞，形成原子簇团；，发生碰撞，形成原子簇团； 原子超过临界值，形成稳定核；原子超过临界值，形成稳定

6、核； 稳定核合并；稳定核合并； 晶核长大；晶核长大； 生成连续膜或纳米粒子。生成连续膜或纳米粒子。反射反射吸附吸附再蒸发再蒸发动态平衡动态平衡物理气相沉积技术（三）真空蒸发镀工艺（三）真空蒸发镀工艺1 1、一般工艺、一般工艺 镀前准备抽真空离子轰击一烘烤一预热一蒸发镀镀前准备抽真空离子轰击一烘烤一预热一蒸发镀一取件镀后处理一检测一成品。一取件镀后处理一检测一成品。2 2、合金蒸发镀工艺、合金蒸发镀工艺 ( (蒸汽压不同导致组分偏离蒸汽压不同导致组分偏离) )（1 1）多源同时蒸发法）多源同时蒸发法 （2 2）瞬源同时蒸镀法（闪蒸法）瞬源同时蒸镀法（闪蒸法） 清洗、清洗、蒸发源蒸发源表面表面清洗

7、清洗除吸附除吸附气体气体提高基提高基体活性体活性物理气相沉积技术立式蒸发镀膜机立式蒸发镀膜机物理气相沉积技术蒸发镀膜制品蒸发镀膜制品物理气相沉积技术二、二、 溅射镀溅射镀n( (一）概念一）概念 用用高能粒子高能粒子轰击轰击固体表面固体表面，通过能量传递使固体的原，通过能量传递使固体的原子或分子逸出表面并沉积在子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面基片或工件表面形成薄膜的方形成薄膜的方法称为溅射镀膜。法称为溅射镀膜。靶材靶材物理气相沉积技术( (二）镀膜原理二）镀膜原理n 1. 1.离子束溅射：指离子束溅射：指真空状态真空状态下用下用离子束离子束轰击轰击靶表面靶表面，使，使溅射出的粒子在基片表

8、面成膜。溅射出的粒子在基片表面成膜。n 2. 2.阴极溅射：利用阴极溅射：利用低压气体低压气体的异常的异常辉光放电辉光放电产生的产生的阳离阳离子子，在电极作用下高速冲向，在电极作用下高速冲向阴极（耙材），阴极（耙材），以致对靶材表以致对靶材表面产生非常强烈的溅射作用，并使溅射出的粒子沉积到面产生非常强烈的溅射作用，并使溅射出的粒子沉积到基基片或工件片或工件上成膜，是把上成膜，是把基片或工件作为阳极基片或工件作为阳极。物理气相沉积技术离子束溅射离子束溅射工艺昂贵工艺昂贵物理气相沉积技术阴极溅射镀膜原理示意图阴极溅射镀膜原理示意图1-高压屏蔽高压屏蔽 2-高压线高压线3-基片基片 4-钟罩钟罩5-

9、阴极屏蔽阴极屏蔽6-阴极阴极 （靶材）（靶材）7-阳极阳极8-加热器加热器9-Ar进口进口 10-加热电源加热电源 11-至真空系统至真空系统12-高压电源高压电源物理气相沉积技术阴极溅射主要过程：阴极溅射主要过程：阳离阳离子子电子电子靶材（阴靶材（阴极）极）基材（阳基材（阳极极）二次电子二次电子正离子正离子气体气体辉光辉光放电放电加热基材加热基材再次轰击靶材再次轰击靶材原子，分子原子，分子物理气相沉积技术（三）膜生成的三大阶段：（三）膜生成的三大阶段：n1.1.靶面原子的溅射靶面原子的溅射n2.2.溅射原子向基片迁移溅射原子向基片迁移 粒子的平均自由程，决定了靶面与基板的距离！粒子的平均自由

10、程，决定了靶面与基板的距离！n3.3.成膜粒子向基板入射并沉积成膜成膜粒子向基板入射并沉积成膜物理气相沉积技术靶面原子的溅射靶面原子的溅射1.1.机理机理 1 1）高温蒸发）高温蒸发 2 2）弹性碰撞）弹性碰撞2.2.靶材表面原子运动现象靶材表面原子运动现象粒子能量粒子能量高能粒子高能粒子低能粒子低能粒子高能粒子高能粒子发生现象发生现象溅射现象溅射现象原位振动原位振动反冲，联级碰撞反冲，联级碰撞产生效应产生效应 原子脱离晶格原子脱离晶格 提高表面活性提高表面活性 周围原子碰撞移位周围原子碰撞移位物理气相沉积技术（四）影响溅射量的因素：（四）影响溅射量的因素：n1.Q 1.Q ，气压高，离子数目

11、多，杂质多气压高，离子数目多，杂质多n2. 2. 1 1）靶材元素种类；靶材元素种类；2 2）入射离子能量）入射离子能量n3.T3.Tn4.4.入射角入射角S = Q溅射量溅射量溅射效率溅射效率入射离子数目入射离子数目物理气相沉积技术Ar溅射不同靶溅射不同靶材的溅射率曲线材的溅射率曲线不同气体离子轰不同气体离子轰击钨靶的溅射率曲线击钨靶的溅射率曲线物理气相沉积技术（五）溅射镀膜的优缺点（五）溅射镀膜的优缺点优点：优点：1 1）适用性广）适用性广2 2）粒子能量高：）粒子能量高：对基片有清洗，升温的作用对基片有清洗，升温的作用；薄膜附着力大薄膜附着力大。3 3）薄膜成分易控制）薄膜成分易控制4

12、4）可实现工业化）可实现工业化缺点：缺点：1 1）装置复杂）装置复杂 2 2）受气氛影响）受气氛影响3 3）需要制备靶材）需要制备靶材 4 4）沉积速度低沉积速度低5 5）基片温度高）基片温度高 真空蒸发镀膜：真空蒸发镀膜：0.10.15um/min5um/min二级溅射速率：二级溅射速率：0.010.010.5um/min0.5um/min射频、磁控溅射射频、磁控溅射物理气相沉积技术（六）常用阴极溅射方法（六）常用阴极溅射方法根据电极的结构，电极的相对位置以及溅射镀膜的过程可根据电极的结构，电极的相对位置以及溅射镀膜的过程可以分为以分为二极溅射二极溅射、三极（四极）溅射、三极（四极）溅射、磁

13、控溅射磁控溅射、对向靶、对向靶溅射、离子束溅射、吸气溅射等。溅射、离子束溅射、吸气溅射等。按溅射方式的不同，又可分为直流溅射、按溅射方式的不同，又可分为直流溅射、射频溅射射频溅射、偏压、偏压溅射和溅射和反应溅射反应溅射等。等。物理气相沉积技术1、二极溅射镀膜、二极溅射镀膜属于单纯属于单纯直流溅射直流溅射法，装置简单，是最早采用的阴极溅射法，装置简单，是最早采用的阴极溅射方法。方法。问题：问题：1 1）有直射电子冲击基材，使基材温度升高）有直射电子冲击基材，使基材温度升高达几百度，因此塑料和不允许热变形的达几百度，因此塑料和不允许热变形的精密零件无法采用。精密零件无法采用。 磁控溅射磁控溅射 2

14、 2）速度慢，不适于制造）速度慢，不适于制造1010mm以上的厚膜。以上的厚膜。 磁控溅射磁控溅射 3 3）只能沉积金属膜，而不能沉积介质膜。）只能沉积金属膜，而不能沉积介质膜。 射频，磁控溅射射频，磁控溅射物理气相沉积技术2、射频溅射镀膜、射频溅射镀膜原理：利用原理：利用高频电磁辐射高频电磁辐射来维持低气压（来维持低气压（2.52.510 10 2 2PaPa）的辉光放电。这样在一个周期内正离的辉光放电。这样在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶，从而实现溅射子和电子可以交替地轰击靶，从而实现溅射介质材料（靶子）的目的。介质材料（靶子）的目的。 可解决直流阴极溅射方法能沉积介质膜的问题！可

15、解决直流阴极溅射方法能沉积介质膜的问题！物理气相沉积技术射频溅射镀膜的原理图射频溅射镀膜的原理图1-1-射频电源射频电源 ；2-2-匹配电路；匹配电路；3-3-射频电级（水冷）射频电级（水冷）4-4-电磁线圈；电磁线圈；5-5-工件；工件；6-6-工件架（水冷）；工件架（水冷）；7-7-靶材；靶材；8-8-射频电级射频电级阴极为阴极为小电极小电极阳极为阳极为大电极大电极物理气相沉积技术原理：原理：电极面积大小电极面积大小 暗区电压降暗区电压降 离子能量离子能量小电极的离子能量大电极的离子能量小电极的离子能量大电极的离子能量当离子能量溅射阀能，电极上不发生溅射当离子能量溅射阀能，电极上不发生溅射

16、一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶材一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶材阴极阴极靶材靶材小电极小电极阳极阳极基材基材大电极大电极物理气相沉积技术应用：应用： 用来沉积各种合金膜、磁性膜、超声换能器的铌酸锂和用来沉积各种合金膜、磁性膜、超声换能器的铌酸锂和钛酸钡压电薄膜和其它功能薄膜。钛酸钡压电薄膜和其它功能薄膜。特点特点：（相对直流溅射）：（相对直流溅射）1 1）射频溅射几乎可以用来沉积任何固体材料的薄膜；）射频溅射几乎可以用来沉积任何固体材料的薄膜；2 2）获得的薄膜致密、纯度高；）获得的薄膜致密、纯度高；3 3）与基片附着牢固；）与基片附着牢固；4 4）溅射速率大、工艺重复性好。）

17、溅射速率大、工艺重复性好。物理气相沉积技术3、磁控溅射镀膜（高速低温溅射）、磁控溅射镀膜（高速低温溅射）正交电磁场可正交电磁场可以将电子的运以将电子的运动束缚在靶面动束缚在靶面附近，提高了附近，提高了电子的电离效电子的电离效率，使等离子率，使等离子体密度加大。体密度加大。溅射速度快溅射速度快低气压下，低气压下，减少了放电减少了放电气体粒子对气体粒子对溅射出来的溅射出来的原子或分子原子或分子间的碰撞。间的碰撞。避免基片温度升高避免基片温度升高将电子的运将电子的运动束缚在靶动束缚在靶面附近，使面附近，使基体免受轰基体免受轰放电离子轰放电离子轰击击电子到达阳电子到达阳极时已变成极时已变成低能电子低能

18、电子有效解决了基片温度升高和溅射速度低的问题！有效解决了基片温度升高和溅射速度低的问题！物理气相沉积技术JC500-2/D型磁控溅射镀膜机型磁控溅射镀膜机物理气相沉积技术磁控溅射镀膜制品磁控溅射镀膜制品物理气相沉积技术三、三、 离子镀膜离子镀膜n（一）基本原理：（一）基本原理： 在基片和蒸发源间加上数百至数千伏的直流电压，引在基片和蒸发源间加上数百至数千伏的直流电压，引起氩气的电离，形成起氩气的电离，形成低压气体放电的等离子区低压气体放电的等离子区。处于负高。处于负高压的基片被等离子体包围，不断遭到氩离子的高速轰击而压的基片被等离子体包围，不断遭到氩离子的高速轰击而溅射清洗并活化溅射清洗并活化

19、。然后接通交流电，使蒸发源中的膜料加。然后接通交流电，使蒸发源中的膜料加热蒸发，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被热蒸发，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离成为正离子电离成为正离子，通过，通过电场电场与扩散作用，高速打在基片表与扩散作用，高速打在基片表面。面。 此外，大部分仍处于激发态的中性蒸发粒子，在惯性此外，大部分仍处于激发态的中性蒸发粒子，在惯性作用下到达基片表面，堆积成薄膜。作用下到达基片表面，堆积成薄膜。物理气相沉积技术离子镀膜原理示意图离子镀膜原理示意图物理气相沉积技术（二）常用离子镀膜方法（二）常用离子镀膜方法1、空心阴极离子镀空心阴极离子镀( (HCD) H

20、CD) 2 2、多弧离子镀、多弧离子镀3 3、磁控溅射离子镀技术磁控溅射离子镀技术4 4、活性反应离子镀活性反应离子镀物理气相沉积技术1、空心阴极离子镀、空心阴极离子镀(HCD)n过程过程： HCD枪作为：枪作为： 1）镀料的汽化源）镀料的汽化源 2）蒸发离子的离化源）蒸发离子的离化源n电子束蒸发镀与离子镀技术相结合的！电子束蒸发镀与离子镀技术相结合的！空心热阴极放电空心热阴极放电（弧光）（弧光）膜料熔化蒸发膜料熔化蒸发等离子电子束等离子电子束膜料离化膜料离化阳离子阳离子在基片表面沉积在基片表面沉积定向负偏压定向负偏压等等离离子子体体等等离离子子体体清清洗洗物理气相沉积技术空心阴极离子镀空心阴

21、极离子镀(HCD)装置示意图装置示意图1-HCD枪；枪；2-钟罩；钟罩；3-工件；工件；4-高压电源高压电源5-水冷钢坩埚；水冷钢坩埚；6-坩埚坩埚物理气相沉积技术2、磁控溅射离子镀技术、磁控溅射离子镀技术n磁控溅射技术与离子镀技术相结合的！磁控溅射技术与离子镀技术相结合的！过程：过程：气体辉光放电气体辉光放电磁控溅射磁控溅射阳离子阳离子靶材原子离化靶材原子离化阳离子阳离子基片沉积成膜基片沉积成膜定向负偏压定向负偏压等等离离子子体体等等离离子子体体清清洗洗阴极阴极阳极阳极阴极阴极物理气相沉积技术磁控溅射离子镀原理示意图磁控溅射离子镀原理示意图1-真空容器；真空容器；2-永久磁铁；永久磁铁；3-

22、磁控阳极磁控阳极4-磁控靶磁控靶；5-磁控电源；磁控电源；6-真空系统真空系统7-氩气充气系统；氩气充气系统；8-基板（工件）；基板（工件）；9-控制系统控制系统物理气相沉积技术（三）离子镀的优点（三）离子镀的优点：（与蒸发、溅射比较）：（与蒸发、溅射比较）电场作用下高能离子对基板轰击作用！电场作用下高能离子对基板轰击作用！n1.1.膜层附着力好膜层附着力好n2.2.膜层的密度高膜层的密度高n3.3.绕射性能好（使工件各表面处于电场之中）绕射性能好（使工件各表面处于电场之中）n4.4.可镀材质范围广可镀材质范围广n5.5.有利于化合物膜层的形成有利于化合物膜层的形成n6.6.沉积速度高，成膜速度快沉积速度高，成膜速度快物理气相沉积技术三种三种PVD镀膜机理比较镀膜机理比较方法方