第五章气相沉积技术

1、 第五章第五章 气相沉积技术气相沉积技术1. 气相沉积技术的分类气相沉积技术的分类 气相沉积技术气相沉积技术是利是利用气用气相中发生的物理、化学相中发生的物理、化学过程，过程，在各种材料或制品表面沉积在各种材料或制品表面沉积单层单层或或多层多层薄膜，薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。 气相沉积技术一般可分为两大类：气相沉积技术一般可分为两大类：物理气相沉物理气相沉积（积（PVD)和和化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）。 薄膜生长模式：薄膜生长模式：1）岛状生长；）岛状生长；2）层状生长；）层状生长；3）层状加岛状生长）层状加岛状生长1.物理

2、气相沉积物理气相沉积(PVD): 在真空条件下，利用各种在真空条件下，利用各种物理方法物理方法，将镀料气，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、基体表面上的方法。主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。离子镀膜等。 PVD法已广泛用于机械、航空、电子、轻工和法已广泛用于机械、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、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。磁性、光学、装饰、润滑、压电和超导等各种镀层。随着随着PVD设备的不

3、断完善、大型化和连续化，它的设备的不断完善、大型化和连续化，它的应用范围和可镀工件尺寸不断扩大，已成为国内外应用范围和可镀工件尺寸不断扩大，已成为国内外近近20年来争相发展和采用的先进技术之一。年来争相发展和采用的先进技术之一。2.化学气相沉积化学气相沉积(CVD) : 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学化学反应反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。 主要包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积主要包括常压化学气相沉积、低

4、压化学气相沉积和兼有和兼有CVD和和PVD两者特点的等离子化学气相沉积等。两者特点的等离子化学气相沉积等。此外，还有有机金属化学气相沉积以及激光（电子束）此外，还有有机金属化学气相沉积以及激光（电子束）化学气相沉积。化学气相沉积。 2.化学气相沉积化学气相沉积(CVD) : 目前，目前，CVD法在电子、宇航、光学、能源等工业法在电子、宇航、光学、能源等工业中广泛用于制备化合物单晶，同质和异质外延单晶层，中广泛用于制备化合物单晶，同质和异质外延单晶层，制备耐磨、耐热、耐蚀和抗辐射的多晶保护层。此外，制备耐磨、耐热、耐蚀和抗辐射的多晶保护层。此外，CVD是大规模集成电路制作的核心工艺，已广泛用于是

5、大规模集成电路制作的核心工艺，已广泛用于制备半导体外延层、制备半导体外延层、PN结、扩散源、介质隔离、扩结、扩散源、介质隔离、扩散掩蔽膜等。散掩蔽膜等。真真空技术基础空技术基础 真空真空:“低于一个标准大气压里的气体状态低于一个标准大气压里的气体状态”。 相对于大气状态，在真空状态下气体的新特点：相对于大气状态，在真空状态下气体的新特点： 1：气体分子数目的减少，即气体单位体积中所：气体分子数目的减少，即气体单位体积中所具有的分子数目的减少；具有的分子数目的减少； 2：伴随着气体分子数目的减少，分子之间、分：伴随着气体分子数目的减少，分子之间、分子与器壁之间相互碰撞的次数逐渐减少；子与器壁之间

6、相互碰撞的次数逐渐减少； 3：气体分子热运动自由路程的增大。：气体分子热运动自由路程的增大。 一、真空度和真空区域的划分一、真空度和真空区域的划分 真空高低的程度是用真空度这个物理量来真空高低的程度是用真空度这个物理量来衡量的。所谓衡量的。所谓真空度真空度，即是指低压空间中气态，即是指低压空间中气态物质的稀薄程度。气体的压力越低，其稀薄程物质的稀薄程度。气体的压力越低，其稀薄程度越大，真空度越高。度越大，真空度越高。一、真空度和真空区域的划分一、真空度和真空区域的划分 压强的单位主要采用压强的单位主要采用Pa和和Torr，还，还有标准大气压、有标准大气压、bar、kgf/cm2。几种常见单位之

7、间的换算关系如下：几种常见单位之间的换算关系如下：1 Torr = 133.3 Pa1 Pa = 7.510-3 Torr1 Torr = 1 mmHg 柱柱1 Torr = 1/760 大气压大气压一、真空度和真空区域的划分一、真空度和真空区域的划分 通常将真空区域划分为：低真空、中通常将真空区域划分为：低真空、中真空、高真空和超高真空。真空、高真空和超高真空。各真空区域所对应的真空值分别为：各真空区域所对应的真空值分别为： 低低 真真 空：空：105 102 Pa 中中 真真 空：空：102 10-1 Pa高高 真真 空：空：10-110-5 Pa超高真空：超高真空： 10-5 Pa二、真

8、空的特点和应用二、真空的特点和应用 1.1.表面保护作用表面保护作用 在真空下，金属的氧化反应很少进行或完全不在真空下，金属的氧化反应很少进行或完全不能进行。因此，能够防止钢件表面的氧化和脱碳，能进行。因此，能够防止钢件表面的氧化和脱碳，具有表面保护作用。具有表面保护作用。2.2.表面净化作用表面净化作用 在真空状态下，氧化物的分解所产生气体的压在真空状态下，氧化物的分解所产生气体的压力（称为分解压力）大于真空炉内氧的压力，反应力（称为分解压力）大于真空炉内氧的压力，反应只能向氧化物分解的方向进行，因此当钢件表面有只能向氧化物分解的方向进行，因此当钢件表面有氧化物时，就可使其中的氧排除掉，使表

9、面得到净氧化物时，就可使其中的氧排除掉，使表面得到净化；化；二、真空的特点和应用二、真空的特点和应用2.2.表面净化作用表面净化作用 真空热处理时，钢件表面油污中的碳、氧、氢真空热处理时，钢件表面油污中的碳、氧、氢的化合物易分解为氢、水蒸气和二氧化碳气体，随的化合物易分解为氢、水蒸气和二氧化碳气体，随后被抽走；后被抽走； 在真空下长时间加热时，零件在前几道工序在真空下长时间加热时，零件在前几道工序（熔炼、铸造、热处理等）中所吸收的氢、氧等气（熔炼、铸造、热处理等）中所吸收的氢、氧等气体会慢慢地释放出来，从而降低钢件的脆性。体会慢慢地释放出来，从而降低钢件的脆性。二、真空的特点和应用二、真空的特

10、点和应用 3.3.减少气体分子之间的碰撞次数。减少气体分子之间的碰撞次数。4.4.真空的绝热性好。真空的绝热性好。5.5.可降低物质的沸点或气化点。可降低物质的沸点或气化点。四、真空的获得四、真空的获得 通过通过真空泵真空泵实现实现。 真空泵从高真空泵从高/超真空到粗超真空到粗/低真空，其产品低真空，其产品大致可分大致可分14大类：大类： 高高/超真空超真空低温泵、分子泵、溅射离子泵、低温泵、分子泵、溅射离子泵、钛升华泵、扩散泵。钛升华泵、扩散泵。 中真空中真空干泵、双级旋片泵、罗茨泵、油增压干泵、双级旋片泵、罗茨泵、油增压泵、水蒸气喷射泵。泵、水蒸气喷射泵。 粗粗/低真空低真空单级旋片泵、滑

11、阀泵、液环泵、单级旋片泵、滑阀泵、液环泵、往复式真空泵。往复式真空泵。 5.1.1 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空蒸镀定义：真空蒸镀定义：真空蒸发是制备薄膜的一种常真空蒸发是制备薄膜的一种常用工艺，在工业上应用较多。具体过程是：通常在用工艺，在工业上应用较多。具体过程是：通常在真空度为真空度为10-4-10-5Torr的真空室内进行，采用电的真空室内进行，采用电阻式加热、阻式加热、 电子束加热、电弧加热及激光加热等加电子束加热、电弧加热及激光加热等加热方法，使金属或者合金等材料蒸发和升华，由固热方法，使金属或者合金等材料蒸发和升华，由固态变为气态（原子、分子或原子团）；蒸发的气态态变为气态（原

12、子、分子或原子团）；蒸发的气态粒子通过基本上没有碰撞的直线方式从蒸发源传输粒子通过基本上没有碰撞的直线方式从蒸发源传输到基片上，并在基片上沉积成膜。导电材料、介质到基片上，并在基片上沉积成膜。导电材料、介质材料、磁性材料和半导体材料等，都可以通过真空材料、磁性材料和半导体材料等，都可以通过真空蒸发工艺制备。蒸发工艺制备。二、真空蒸镀方式和设备二、真空蒸镀方式和设备（一）蒸发方式及蒸发源（一）蒸发方式及蒸发源 真空蒸镀可采用的不同的加热方法，主要有：电真空蒸镀可采用的不同的加热方法，主要有：电阻加热法、电子束加热、高频感应加热法、激光加热阻加热法、电子束加热、高频感应加热法、激光加热法。法。 蒸

13、发源蒸发源：加热待蒸发材料并使之挥发的器具称：加热待蒸发材料并使之挥发的器具称为蒸发源，也称加热器。为蒸发源，也称加热器。1.电阻加热法电阻加热法 用丝状或片状的高熔点金属做成适当形状的蒸发用丝状或片状的高熔点金属做成适当形状的蒸发源，将膜料放入其中，接通电源，电阻加热膜料使之源，将膜料放入其中，接通电源，电阻加热膜料使之蒸发。蒸发。 对蒸发源材料的基本要求是：高熔点，低蒸气压，对蒸发源材料的基本要求是：高熔点，低蒸气压，在蒸发温度下不会与膜料发生化学反应或互溶，具有在蒸发温度下不会与膜料发生化学反应或互溶，具有一定的机械强度，且高温冷却后脆性小等性质。常用一定的机械强度，且高温冷却后脆性小等

14、性质。常用钨、钼、钽、石墨、氮化硼等高熔点材料。按照蒸发钨、钼、钽、石墨、氮化硼等高熔点材料。按照蒸发材料的不同，可制成多股线螺旋形、材料的不同，可制成多股线螺旋形、U形、圆锥筐形、形、圆锥筐形、薄板形、舟形等。薄板形、舟形等。 电电阻阻加加热热蒸蒸发发源源2.电子束加热电子束加热 用电子枪发射出的高能电子束直接轰击蒸发物用电子枪发射出的高能电子束直接轰击蒸发物质的表面，使其蒸发。包括：发射电子的热阴极、电质的表面，使其蒸发。包括：发射电子的热阴极、电子加速极、阳极（镀膜材料）。子加速极、阳极（镀膜材料）。 由于是直接在蒸发物质中加热，避免了蒸发物由于是直接在蒸发物质中加热，避免了蒸发物质与容

15、器的反应和蒸发源材料的蒸发，故可制备高纯质与容器的反应和蒸发源材料的蒸发，故可制备高纯度的膜层。一般用于电子元件和半导体用的铝和铝合度的膜层。一般用于电子元件和半导体用的铝和铝合金，此外，用电子束加热也可以使高熔点金属（如金，此外，用电子束加热也可以使高熔点金属（如W，Mo，Ta等）熔化、蒸发。等）熔化、蒸发。2.电子束加热电子束加热2.电子束加热电子束加热2.电子束加热电子束加热3.高频感应加热法高频感应加热法 在高频感应线圈中放入氧化铝和石墨坩埚，蒸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。

16、热而蒸发。 此法主要用于铝的大量蒸发，得到的膜层纯净此法主要用于铝的大量蒸发，得到的膜层纯净而且不受带电粒子的损害。而且不受带电粒子的损害。 4.激光加热法激光加热法 采用激光照射在膜料表面，使其加热蒸发。采用激光照射在膜料表面，使其加热蒸发。 由于不同材料吸收激光的波段范围不同，因而由于不同材料吸收激光的波段范围不同，因而需要选用相应的激光器。例如用二氧化碳连续激光加需要选用相应的激光器。例如用二氧化碳连续激光加热热SiO、ZnS、MgF2、TiO2、Al2O3、Si3N4等膜料；等膜料；用红宝石脉冲激光加热用红宝石脉冲激光加热Ge、GaAs等膜料。等膜料。 由于激光功率很高，所以可蒸发任何

17、能吸收激由于激光功率很高，所以可蒸发任何能吸收激光光能的高熔点材料，蒸发速率极高，制得的膜成分光光能的高熔点材料，蒸发速率极高，制得的膜成分几乎与膜料成分一样。几乎与膜料成分一样。激激光光陶陶瓷瓷蒸蒸镀镀示示意意图图 四、合金蒸镀四、合金蒸镀 根据蒸发镀的原理可知：通过采用单金属镀料根据蒸发镀的原理可知：通过采用单金属镀料或合金镀料我们就可在基体上得到单金属膜层或得或合金镀料我们就可在基体上得到单金属膜层或得到合金膜层。但由于在同一温度下，不同的金属具到合金膜层。但由于在同一温度下，不同的金属具有不同的饱和蒸气压，其蒸发速度也不一样，蒸发有不同的饱和蒸气压，其蒸发速度也不一样，蒸发速度快的金属

18、将比蒸发速度慢的金属先蒸发完，这速度快的金属将比蒸发速度慢的金属先蒸发完，这样所得的膜层成分就会与合金镀料的成分有明显的样所得的膜层成分就会与合金镀料的成分有明显的不同。不同。四、合金蒸镀四、合金蒸镀 为解决这个问题，可采用以下方法：为解决这个问题，可采用以下方法： 多源同时蒸镀法：多源同时蒸镀法：采用多蒸发源，使各种金采用多蒸发源，使各种金属分别蒸发，气相混合，同时沉积。利用该法还可属分别蒸发，气相混合，同时沉积。利用该法还可以得到用冶炼方法所得不到的合金材料薄膜。以得到用冶炼方法所得不到的合金材料薄膜。 瞬源同时蒸镀法（闪蒸法）瞬源同时蒸镀法（闪蒸法）：采用单蒸发源，：采用单蒸发源，使加热

19、器间断的供给少量热量，产生瞬间蒸发。使加热器间断的供给少量热量，产生瞬间蒸发。真空蒸镀设备：真空蒸镀设备：用于进行真空蒸镀的装置，一般由四部分组成用于进行真空蒸镀的装置，一般由四部分组成: （1）真空室：用于放置镀件，进行镀膜的场所；）真空室：用于放置镀件，进行镀膜的场所；（2）真空（排气）系统：一般由机械泵、扩散泵、）真空（排气）系统：一般由机械泵、扩散泵、管道、阀门等组成；管道、阀门等组成；（3）蒸发系统：包括蒸发源，加热蒸发源的电气设）蒸发系统：包括蒸发源，加热蒸发源的电气设备；备；（4）电气设备：用于测量真空系统，膜厚测量系统，）电气设备：用于测量真空系统，膜厚测量系统，控制台等。控制

20、台等。真空真空蒸镀工艺：蒸镀工艺：（1）基片表面的清洁）基片表面的清洁（2）镀膜前的准备：）镀膜前的准备：1）抽真空）抽真空10-3-10-2Pa；2）加热基片；加热基片；3）镀料预热。）镀料预热。（3）蒸镀：工艺参数包括：基片温度、镀料蒸）蒸镀：工艺参数包括：基片温度、镀料蒸发温度；沉积气压。发温度；沉积气压。（4）取件：抽真空降温）取件：抽真空降温30分钟至分钟至100.影响因素：影响因素：（1）真空度：）真空度： 10-4-10-2Pa（2）基体表面状态：清洁度、温度、晶体结构。）基体表面状态：清洁度、温度、晶体结构。（3）蒸发温度：温度越高，蒸汽压越大，成膜）蒸发温度：温度越高，蒸汽压

21、越大，成膜速率越快。速率越快。（4）蒸发和凝结速率：蒸发速率）蒸发和凝结速率：蒸发速率=凝聚速率。蒸凝聚速率。蒸发速率与蒸发温度呈指数上升关系。发速率与蒸发温度呈指数上升关系。蒸镀用途蒸镀用途 蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功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，光学镜头的增透膜能膜，例如用作电极的导电膜，光学镜头的增透膜等。等。 蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点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度快的优势。可以表现出镀膜速度快的优势。蒸镀

22、用途蒸镀用途蒸镀纯金属膜中，蒸镀纯金属膜中，90是铝膜。铝膜有广泛的用是铝膜。铝膜有广泛的用途。目前在制镜工业中已经广泛采用蒸镀，以铝代途。目前在制镜工业中已经广泛采用蒸镀，以铝代银，节约贵重金属。集成电路是镀铝进行金属化，银，节约贵重金属。集成电路是镀铝进行金属化，然后再刻蚀出导线。在聚酯薄膜上镀铝具有多种用然后再刻蚀出导线。在聚酯薄膜上镀铝具有多种用途：制造小体积的电容器；制做防止紫外线照射的途：制造小体积的电容器；制做防止紫外线照射的食品软包装袋；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳食品软包装袋；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳的装饰膜。双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口的装饰膜。双面蒸镀铝的薄

23、钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头盒。铁制造罐头盒。5.1.2 溅射镀膜溅射镀膜 1 溅射现象溅射现象 用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表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的过程面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相的过程称为称为溅射溅射。 溅射镀膜溅射镀膜:在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表在真空室中，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。在工件表面沉积的过程。 一、一、溅射镀膜原理溅射镀膜原理 一、一、溅射镀膜原理溅射镀膜原理 1 溅射现象

24、溅射现象 用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表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的过程面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相的过程称为称为溅射溅射。 溅射镀膜溅射镀膜:在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表在真空室中，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。在工件表面沉积的过程。 一、一、溅射镀膜原理溅射镀膜原理 1 溅射现象溅射现象 一、一、溅射镀膜原理溅射镀膜原理入射粒子非弹性碰撞效应非弹性碰撞效应反冲注入 注入溅射粒子：M0、M+、M-、Mn

25、光子基材M通道注入二次电子X-射线反射粒子I0、I+、I-、In弹性碰撞效应弹性碰撞效应 1 溅射现象溅射现象 在溅射镀膜中，被轰击的材料称为在溅射镀膜中，被轰击的材料称为靶靶。 由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，称为粒子一般为离子，称为离子溅射离子溅射。用离子束轰击靶而。用离子束轰击靶而发生的溅射，则称为发生的溅射，则称为离子束溅射离子束溅射。 一、一、溅射镀膜原理溅射镀膜原理溅射产额溅射产额 一个入射离子溅射出的原子或分子个数称为一个入射离子溅射出的原子或分子个数称为溅溅射产额射产额或或溅射率溅射率，单位为原子个数离子。，单

26、位为原子个数离子。显然，溅显然，溅射率越大，生成膜的速度就越大。射率越大，生成膜的速度就越大。 一、一、溅射镀膜原理溅射镀膜原理每入射一个粒子溅射出来的原子数Y影响溅射影响溅射产额产额的因素主要有：的因素主要有：入射离子：包括入射离子的能量、入射角、入入射离子：包括入射离子的能量、入射角、入射离子种类等；射离子种类等；与靶有关：包括靶原子的原子序数、靶表面原与靶有关：包括靶原子的原子序数、靶表面原子的结合状态、结晶取向以及靶材是纯金属、合金子的结合状态、结晶取向以及靶材是纯金属、合金或化合物等；或化合物等；与温度有关：一般认为溅射率在和升华能密切与温度有关：一般认为溅射率在和升华能密切相关的某

27、一温度内，溅射率几乎不随温度变化而变相关的某一温度内，溅射率几乎不随温度变化而变化，当温度超过这一范围时，溅射率有迅速增加的化，当温度超过这一范围时，溅射率有迅速增加的趋向。趋向。 最大值最大值阈值入射离子的能量入射离子的能量入射离子能量对入射离子能量对溅射溅射产额的影响产额的影响 入射离子能量对入射离子能量对溅射溅射产额的影响产额的影响只有当入射离子能量超只有当入射离子能量超过一定的过一定的溅射阀值溅射阀值以后、以后、才会出现被溅射物表面才会出现被溅射物表面溅射。溅射。对大多数金属，对大多数金属，溅射阀值范围在溅射阀值范围在20-40ev。随着入射离子能量的增随着入射离子能量的增加、溅射产额

28、先是提高加、溅射产额先是提高而后下降并发生注入而后下降并发生注入 是入射方向与样是入射方向与样品法向的夹角。品法向的夹角。 当当 = = 6060o o- 70- 70o o时，时，溅射产额最大，溅射产额最大，但对不同的材料，但对不同的材料，增大情况不同。增大情况不同。 离子入射度对离子入射度对溅射溅射产额的影响产额的影响 入射离子原子系数对入射离子原子系数对溅射溅射产额的影响产额的影响 图为图为Ar+在在400eV时对一些元素的溅射产额时对一些元素的溅射产额靶原子系数对靶原子系数对溅射溅射产额的影响产额的影响 溅射产额与元素的升华热倒数的对比溅射产额与元素的升华热倒数的对比 升华能对升华能对

29、溅射溅射产额的影响产额的影响 在在100-1000 eV100-1000 eV下，用下，用HgHg+ +垂直入射垂直入射MoMo和和FeFe的溅的溅射粒子的角分布射粒子的角分布 溅射粒子能量分布曲线溅射粒子能量分布曲线 溅射原子的动能一般为溅射原子的动能一般为1 110ev10ev，高于热蒸发原子（约，高于热蒸发原子（约0.10.11ev1ev动能）。动能）。2 辉光放电辉光放电 辉光放电是溅射的基辉光放电是溅射的基础，础，辉辉光放电属于低气压光放电属于低气压放电放电（1010-2-2Pa-10Pa)Pa-10Pa)，其构造是在其构造是在封闭的容器內放置两个平行的封闭的容器內放置两个平行的电极

30、板电极板，两极间加高压，将气，两极间加高压，将气体击穿产生放电现象。体击穿产生放电现象。溅射镀溅射镀膜主要是利用辉光放电将气体膜主要是利用辉光放电将气体电离产生正离子撞击靶材表面，电离产生正离子撞击靶材表面，靶材的原子被溅射出而堆积在靶材的原子被溅射出而堆积在基底表面形成薄膜。基底表面形成薄膜。2 辉光放电辉光放电气体放电伏安特性气体放电伏安特性八个区域：八个区域：1）阿斯顿暗区）阿斯顿暗区2）阴极辉光区）阴极辉光区3）阴极暗区）阴极暗区4）负辉区）负辉区5）法拉第暗区）法拉第暗区6）正柱区）正柱区7）阳极辉光区）阳极辉光区8）阳极暗区）阳极暗区1）、）、2）、）、3）合起来为阴极位降区，）合

31、起来为阴极位降区， 是维持放是维持放电必不可少的区域。电必不可少的区域。八个区域：八个区域：1）阿斯顿暗区：由于电子从阴极逸出时的速度很）阿斯顿暗区：由于电子从阴极逸出时的速度很小，小，不不足以使气体激发，所以不发光。足以使气体激发，所以不发光。2）阴极辉光区：电子获得了足够的能量而使气体原）阴极辉光区：电子获得了足够的能量而使气体原 于受激发光。于受激发光。3）阴极暗区：）阴极暗区：4）负辉区：已加速的电子与气体原子、正离子发生）负辉区：已加速的电子与气体原子、正离子发生 碰撞、电离、复合的区域。碰撞、电离、复合的区域。 八个区域：八个区域：5）法拉第暗区：）法拉第暗区： 这是由负辉区扩展而

32、来的过渡区。这是由负辉区扩展而来的过渡区。 在负辉区中损失了能量的电子，难以引起原子激在负辉区中损失了能量的电子，难以引起原子激 发，故不发光。发，故不发光。6）正柱区：电子和离子的浓度很大，而在任一点附）正柱区：电子和离子的浓度很大，而在任一点附 近两者浓度均相等，宏观上呈现为电中性，所以近两者浓度均相等，宏观上呈现为电中性，所以 又称为等离子区该区导电能力很强，象导体一又称为等离子区该区导电能力很强，象导体一 样在放电中起着传导电流的作用。在辉光样在放电中起着传导电流的作用。在辉光放电放电 中，正中，正拄区是可长可短、可有可无的区域。拄区是可长可短、可有可无的区域。7）阳极暗区）阳极暗区8

33、）阳极辉光区）阳极辉光区阴极位降区，阴极位降区， 是维持放电必不可少的区域。是维持放电必不可少的区域。极间极间电压主要降落在该区。若其他条件不变，只改变电压主要降落在该区。若其他条件不变，只改变两极间距离，阴极位降区宽度不会改变，而其他两极间距离，阴极位降区宽度不会改变，而其他各区则相应缩短。阴极与阳极间距离至少应比阴各区则相应缩短。阴极与阳极间距离至少应比阴极位降区宽。极位降区宽。 二、溅射镀膜的特点和方式二、溅射镀膜的特点和方式( (一一) ) 溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点（与真空蒸镀相比）（与真空蒸镀相比）1)1)溅射出的原子能量高溅射出的原子能量高, ,形成的薄膜结合好；形成的薄膜结合

34、好；2)2)可用于任何材料的镀膜；可用于任何材料的镀膜；3)3)膜层厚度均匀；膜层厚度均匀；4)4)除磁控溅射外，沉积速率低除磁控溅射外，沉积速率低. . （二）溅射镀膜的方式（二）溅射镀膜的方式 具体的溅射工艺很多，如具体的溅射工艺很多，如二极二极(直流直流)溅射、射频溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、溅射、磁控溅射、反应溅射、对向靶溅射、离子束溅对向靶溅射、离子束溅射、吸气溅射等等。下面简单介绍几种。射、吸气溅射等等。下面简单介绍几种。1.二极溅射二极溅射在真空室内在真空室内（10-3-10-4Pa）充）充以以1-10Pa的惰性的惰性气体气体(例如氩气例如氩气)，被溅射的材料作为被溅射的

35、材料作为阴极，将基片作为阴极，将基片作为阳极并接地。阴阳阳极并接地。阴阳极电压为几千伏。极电压为几千伏。1.二极溅射二极溅射 最简单的直流二极溅射装置如图所示。最简单的直流二极溅射装置如图所示。 在真空在真空室内（室内（10-3-10-4Pa）充以）充以1-10Pa的惰性气体的惰性气体(例如氩例如氩气气)，被溅射的材料作为阴极，将基片作为阳极并接地。，被溅射的材料作为阴极，将基片作为阳极并接地。整个系统在阴阳极之间加上几千伏的直流电后产生辉整个系统在阴阳极之间加上几千伏的直流电后产生辉光放电，由放电形成的正离子在电场作用下朝着阴极光放电，由放电形成的正离子在电场作用下朝着阴极靶方向加速，并轰击

36、阴极。在离子的轰击下，材料从靶方向加速，并轰击阴极。在离子的轰击下，材料从阴极上打出来阴极上打出来(主要是以中性原子的形式，部分是以离主要是以中性原子的形式，部分是以离子的形式子的形式)，被溅射出来的粒子冷凝在放置于阳极的基，被溅射出来的粒子冷凝在放置于阳极的基片上就形成薄膜。片上就形成薄膜。 1.二极溅射二极溅射 直流二极溅射法可以镀金属、合金以及一些低导直流二极溅射法可以镀金属、合金以及一些低导电性的材料，但是不能直接镀电性的材料，但是不能直接镀绝缘材料绝缘材料。另外，直流。另外，直流二极溅射法方法简单，但是有不少缺点。直流二极溅二极溅射法方法简单，但是有不少缺点。直流二极溅射的工作气压较

37、高射的工作气压较高(1Pa左右左右)，因而在真空室中残留的，因而在真空室中残留的气氛气氛(O2，H2O，N2，CO2等等等等)对于膜层的质量影响对于膜层的质量影响就较大。二极直流溅射法的溅射速率也较低。就较大。二极直流溅射法的溅射速率也较低。 溅射镀膜的速率取决于溅射电压和电流，并与靶溅射镀膜的速率取决于溅射电压和电流，并与靶与基片间距离以及真空室的气体压强有关。与基片间距离以及真空室的气体压强有关。2.三极溅射三极溅射 三级溅射是在二极溅射的基础上增加一个能加三级溅射是在二极溅射的基础上增加一个能加热到热到2500的的钨丝做成的热电子发射极来产生热电子。钨丝做成的热电子发射极来产生热电子。这

38、些电子在工作电场中被加速，产生电离作用。在三这些电子在工作电场中被加速，产生电离作用。在三极溅射中，靶电流可以在电压和气压都不变的条件下，极溅射中，靶电流可以在电压和气压都不变的条件下，独立地调整。独立地调整。三极溅射可以在较低的靶电压和气压下三极溅射可以在较低的靶电压和气压下工作，数百伏的靶电压和工作，数百伏的靶电压和0. 01-0. 1Pa的气压下就能维的气压下就能维持辉光放电效应。持辉光放电效应。3.磁控溅射磁控溅射 磁控溅射特点是在阴极靶面上建立一个环状磁控溅射特点是在阴极靶面上建立一个环状磁靶（电场与磁场正交），溅射产生的二次电子在阴磁靶（电场与磁场正交），溅射产生的二次电子在阴极位

39、降区被加速后，不是直接飞向阳极，而是在正交极位降区被加速后，不是直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下来回振荡，沿着环状磁场作摆线运动。电磁场作用下来回振荡，沿着环状磁场作摆线运动。并不断与气体分子碰撞，把能量传递给气体分子，使并不断与气体分子碰撞，把能量传递给气体分子，使之电离，而电子则失去能量，变为低能电子，最终漂之电离，而电子则失去能量，变为低能电子，最终漂移到阴极附近的辅助阳极被吸收。移到阴极附近的辅助阳极被吸收。 由于二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循由于二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使气体原子电离的机环运动，路程足够长，每个电子使气体原子电离的机会

40、增加，因此气体离化率大大增加。因此，会增加，因此气体离化率大大增加。因此，磁控溅射磁控溅射薄膜生长速率比其他溅射高。薄膜生长速率比其他溅射高。 3.磁控溅射磁控溅射 目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要原因是在磁场中电子的电离效率提高法，其主要原因是在磁场中电子的电离效率提高, ,这这种方法的沉积速率可以比其他溅射方法高出一个数量种方法的沉积速率可以比其他溅射方法高出一个数量级。级。 此外，由于磁场有效地提高了电子与气体分子此外，由于磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率、因而工作气压可以显著降低，即可由的碰撞几率、因而工作气压可以显

41、著降低，即可由1Pa1Pa降低至降低至1010-1-1 Pa Pa。这一方面降低了薄膜污染的倾向，这一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面也将提高入射到衬底表面原子的能量，因而另一方面也将提高入射到衬底表面原子的能量，因而将可以在很大程度上改善薄膜的质量。将可以在很大程度上改善薄膜的质量。3.磁控溅射设备磁控溅射设备 4.射频溅射射频溅射 为了镀绝缘材料需要采用射频溅射法。射频为了镀绝缘材料需要采用射频溅射法。射频电源是采用高频振荡器产生的。常用的射频电源电源是采用高频振荡器产生的。常用的射频电源频率为频率为13. 56MHz。由于有射频电场存在，电子。由于有射频电场存在，电子能在阴阳极间来回振

42、荡，电子和气体粒子的碰撞能在阴阳极间来回振荡，电子和气体粒子的碰撞几率大大增加。因此，在射频溅射中，并不需要几率大大增加。因此，在射频溅射中，并不需要从阴极发射大量的电子来维持放电过程。因此，从阴极发射大量的电子来维持放电过程。因此，工件可以不接电。工件可以不接电。射频溅射放电能在较高的真空射频溅射放电能在较高的真空度度(即较低的气压即较低的气压)下进行。下进行。例如，二极直流溅射例如，二极直流溅射常在常在1Pa左右的气压下进行，而射频溅射却可在左右的气压下进行，而射频溅射却可在0.1Pa的气压下进行。的气压下进行。4.射频溅射射频溅射 4.射频溅射射频溅射 利用射频溅射可以溅射绝缘材料，这是

43、由利用射频溅射可以溅射绝缘材料，这是由于在电子的质量小，放电时电子的迁移率高于离于在电子的质量小，放电时电子的迁移率高于离子，当靶电极通过电容耦合加上射频电压时，到子，当靶电极通过电容耦合加上射频电压时，到达靶上的电子数目远大于离子数，于是电子就积达靶上的电子数目远大于离子数，于是电子就积存在由绝缘体制成的靶面上，等于自动地加上了存在由绝缘体制成的靶面上，等于自动地加上了负偏压。正离子在靶面上负电位的强烈吸引下，负偏压。正离子在靶面上负电位的强烈吸引下，运动到靶面对靶产生溅射作用。这样在基底上就运动到靶面对靶产生溅射作用。这样在基底上就形成了绝缘体的薄膜。形成了绝缘体的薄膜。5.偏压溅射偏压溅

44、射 偏压溅射的原理是在基片上加上负偏压偏压溅射的原理是在基片上加上负偏压(约约 -100V)，使来自放电空间的离子连续地清洗基片，获，使来自放电空间的离子连续地清洗基片，获得纯洁的膜。得纯洁的膜。6.非对称交流溅射非对称交流溅射 非对称的交流溅射法采用非对称的交变电压，电非对称的交流溅射法采用非对称的交变电压，电阻阻R的作用是产生不对称的交流电，以振幅大的半周溅的作用是产生不对称的交流电，以振幅大的半周溅射靶材，并使薄膜沉积在基底上；以振幅小的半周通过射靶材，并使薄膜沉积在基底上；以振幅小的半周通过离子轰击基底，除去吸附气体而得到高纯膜。离子轰击基底，除去吸附气体而得到高纯膜。7.反应溅射反应

45、溅射 在阴极溅射中，真空槽中需要充入气体作为媒在阴极溅射中，真空槽中需要充入气体作为媒介，使辉光放电得以启动和维持。最常用的气体是氩介，使辉光放电得以启动和维持。最常用的气体是氩气。如果在通入的气体中掺入易与靶材发生反应的气气。如果在通入的气体中掺入易与靶材发生反应的气体（如体（如O2，N2等），因而能沉积制得靶材的化合物等），因而能沉积制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。如采用如采用Ti靶进行溅射时靶进行溅射时,在工作气体中加入一定量反应气在工作气体中加入一定量反应气N2、CH4和和O2就可分别得到就可分别得到TiN、TiC、TiO

46、2化合物薄膜，化合物薄膜，而且控制反应气分压可以控制化合物的成分、晶体结而且控制反应气分压可以控制化合物的成分、晶体结构和生长方式。构和生长方式。5.1.3 离子镀离子镀一、离子镀的概念一、离子镀的概念 离子镀是结合离子镀是结合蒸发蒸发与与溅射溅射两种薄膜沉积技术而发两种薄膜沉积技术而发展的一种物理气相沉积方法。展的一种物理气相沉积方法。 这种方法使用蒸发方法提供沉积用的物质源，同这种方法使用蒸发方法提供沉积用的物质源，同时在沉积前和沉积中采用高能量的离子束对薄膜进行时在沉积前和沉积中采用高能量的离子束对薄膜进行溅射处理。溅射处理。离子镀（离子镀（ionplating,IPionplating

47、,IP）是在真空蒸发镀的基）是在真空蒸发镀的基础上发展起来的新技术，它将各种气体放电方式引入础上发展起来的新技术，它将各种气体放电方式引入气相沉积领域，使得整个气相沉积过程都在等离子体气相沉积领域，使得整个气相沉积过程都在等离子体中进行。中进行。 二、几种常用的离子镀二、几种常用的离子镀1 气体放电等离子体离子镀气体放电等离子体离子镀（直流离子镀）（直流离子镀）设备与真空蒸镀设备类似，设备与真空蒸镀设备类似，在蒸发源与基材之间加直流在蒸发源与基材之间加直流电压，基材为负极，蒸发源电压，基材为负极，蒸发源为正极（接地）。充以氩气，为正极（接地）。充以氩气，调整电压使蒸发源与基材之调整电压使蒸发源

48、与基材之间产生辉光放电，氩气离子间产生辉光放电，氩气离子和镀料离子加速飞向基材，和镀料离子加速飞向基材，在离子轰击的同时形成质量在离子轰击的同时形成质量较高的膜。较高的膜。 2 射频离子镀射频离子镀三区：三区：1）蒸发区；）蒸发区；2）离化区（射频线圈）离化区（射频线圈为中心）；为中心）；3）离子加速区）离子加速区射频频率：射频频率：13.56MHz 真空度：真空度：10-1-10-3Pa 基体偏压：基体偏压：0-1500V3.空心阴极放电离子镀空心阴极放电离子镀 利用空心热阴极放电利用空心热阴极放电产生等离子体。空心钽管产生等离子体。空心钽管作为阴极（作为阴极（HCD枪），辅枪），辅助阳极距

49、阴极较近，二者助阳极距阴极较近，二者作为引燃弧光放电的两极。作为引燃弧光放电的两极。阳极是镀料。弧光放电时，阳极是镀料。弧光放电时，电子轰击阳极镀料，电子轰击阳极镀料，使其使其熔化而实现蒸镀。蒸镀时熔化而实现蒸镀。蒸镀时基片加上负偏压即可从等基片加上负偏压即可从等离子体中吸引氩离子向基离子体中吸引氩离子向基片轰击，实现离子镀。片轰击，实现离子镀。 4 多弧离子镀（阴极电弧离子镀）多弧离子镀（阴极电弧离子镀） 基本原理是：在真空室中利用基本原理是：在真空室中利用电弧靶电弧靶（弧光放（弧光放电的大能量）将镀料（钛等金属或合金）熔化并蒸电的大能量）将镀料（钛等金属或合金）熔化并蒸发离化生成等离子体，

50、通过电场进行加速，最后沉发离化生成等离子体，通过电场进行加速，最后沉积在工件表面。积在工件表面。 多弧离子镀属于冷场致弧光放电范畴，是一种多弧离子镀属于冷场致弧光放电范畴，是一种没有固定熔池的固态蒸发源，多采用圆形阴极电弧没有固定熔池的固态蒸发源，多采用圆形阴极电弧源作为蒸发源。源作为蒸发源。4 多弧离子镀多弧离子镀多个弧源的多个弧源的多弧离子镀多弧离子镀: :可制多层膜，可制多层膜，合金膜，化合金膜，化合物膜合物膜. .4 多弧离子镀多弧离子镀多弧离子镀的特点：多弧离子镀的特点： (1) 蒸发源多，蒸发源多，蒸发源可以任意方式放置，蒸发源可以任意方式放置，膜厚分膜厚分布均匀。布均匀。 (2)

51、电弧镀膜具有离化率高，电弧镀膜具有离化率高，高达高达60%60%80%80%； 可镀多种膜层，膜层质量好，镀膜效率高可镀多种膜层，膜层质量好，镀膜效率高。 (3) 等离子体密度高，表面可被离子轰击洁净，等离子体密度高，表面可被离子轰击洁净，而且可增大偏压，所以结合力好。而且可增大偏压，所以结合力好。 三、离子镀的特点：三、离子镀的特点： 离子镀兼具蒸镀的沉积速率高和溅射镀膜的沉积离子镀兼具蒸镀的沉积速率高和溅射镀膜的沉积粒子能量高（比溅射粒子能量高得多）的优点，从粒子能量高（比溅射粒子能量高得多）的优点，从而具有膜基结合力强、绕涂性好和可镀材料广的而具有膜基结合力强、绕涂性好和可镀材料广的特点

52、。特点。三、离子镀的特点：三、离子镀的特点：（1）附着力强，薄膜结构致密。在蒸发沉积之前）附着力强，薄膜结构致密。在蒸发沉积之前以及沉积同时采用离子轰击衬底和薄以及沉积同时采用离子轰击衬底和薄膜的膜的方法，一方法，一方面可以在薄膜与衬底之间形成粗糙洁净的表面，方面可以在薄膜与衬底之间形成粗糙洁净的表面，提高薄膜的附着力；另一方面可抑制柱状晶的生长，提高薄膜的附着力；另一方面可抑制柱状晶的生长，从而形成均匀致密的薄膜结构。从而形成均匀致密的薄膜结构。（2）绕射性好，可提高薄膜对于复杂外形表面的）绕射性好，可提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。与纯粹的蒸发沉积相比，在离子镀的过覆盖能力。与纯粹的蒸

53、发沉积相比，在离子镀的过程中，蒸发材料的原子被电离为正离子，可以在带程中，蒸发材料的原子被电离为正离子，可以在带负电的工件表面各个部位沉积（包括背面）。负电的工件表面各个部位沉积（包括背面）。（3）沉积速度快。和蒸发镀膜一样，沉积速度快。）沉积速度快。和蒸发镀膜一样，沉积速度快。四、物理气相沉积的三种基本方法的比较四、物理气相沉积的三种基本方法的比较 真空蒸镀真空蒸镀 溅射镀溅射镀 离子镀离子镀附着力：附着力： 弱弱 强强 强强绕射性：绕射性： 差差 好好 好好薄膜致密度：薄膜致密度： 小小 大大 大大沉积速度沉积速度 快快 慢慢（磁控溅射除外）（磁控溅射除外） 快快PVD技术的应用：技术的应

54、用： 可获得金属涂层和化合物涂层。可获得金属涂层和化合物涂层。 如在黄铜表面涂敷金膜，用于装饰；如在黄铜表面涂敷金膜，用于装饰； 在塑料带上涂敷铁钴镍膜，制作磁带；在塑料带上涂敷铁钴镍膜，制作磁带； 在高速钢表面涂敷在高速钢表面涂敷TiN、TiC薄膜薄膜, 提高刃具的耐提高刃具的耐磨性等。磨性等。多层膜（多层膜（TiN/CrN20层）层） 塑料基体上制备塑料基体上制备AIAI膜与着色膜与着色 磁控溅射镀膜在工具钢基体上制备磁控溅射镀膜在工具钢基体上制备TiNTiN膜膜 多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机5.25.2 化学气相沉积化学气相沉积 5.25.2 化学气相沉积化学气相沉积 一、化学气相沉积原

55、理一、化学气相沉积原理 利用气态化合物或化合物的混合物在基体利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面材料表面(通常为热表面通常为热表面)上发生气相化学反应，上发生气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术称为从而在基材表面上形成镀膜的技术称为化学气相化学气相沉积沉积(CVD)。 CVD法制备薄膜的过程，可以分为下面几个法制备薄膜的过程，可以分为下面几个主要的阶段：主要的阶段：反应气体扩散至工件表面；反应气体扩散至工件表面； 反应气体分子被基材表面吸附；反应气体分子被基材表面吸附； 在基材表面发生化学反应；在基材表面发生化学反应； 反应生成的气相副产物由基片表面脱离，被真反应生成的气相副产

56、物由基片表面脱离，被真空泵抽掉；空泵抽掉； 在基片表面留下的固体反应产物在基片表面扩在基片表面留下的固体反应产物在基片表面扩散、形核，形成薄膜。散、形核，形成薄膜。CVD设备示意图设备示意图CVD设备设备:1.送气装置送气装置;2.反应室反应室;3.加热装置加热装置;4.排气装置排气装置 CVD技术技术中中常采用的化学反应有常采用的化学反应有：（1）热分解反应：）热分解反应： 热分解法是在真空或惰性气氛下加热基片至所需热分解法是在真空或惰性气氛下加热基片至所需的温度之后，导人反应气体使之发生热分解反应，最的温度之后，导人反应气体使之发生热分解反应，最后在基片上沉积出固体的薄膜材料。采用热解法可

57、以后在基片上沉积出固体的薄膜材料。采用热解法可以制备金属、半导体、绝缘材料等各种材料。制备金属、半导体、绝缘材料等各种材料。 （1）热分解反应：）热分解反应： 热分解法制备硅单晶的示意图：基底为硅片，反应气热分解法制备硅单晶的示意图：基底为硅片，反应气体为硅烷体为硅烷SiH4。 在在800-1000C发生热分解反应发生热分解反应 SiH4 - Si + 2H2 （2）还原反应（氢还原、金属还原，基材还原）还原反应（氢还原、金属还原，基材还原） 用氢气来还原卤化物产生各种金属和半导体薄膜。用氢气来还原卤化物产生各种金属和半导体薄膜。如用如用H2还原四氯化硅制备单晶硅的反应：还原四氯化硅制备单晶硅的反应： SiCl4 + 2H2 - Si + 4HCl （3）化学输送（歧化反应）：）化学输送（歧化反应）：2SiI2 - Si SiI4 （4）氧化反应：）氧化反应：SiH4 + O2 - SiO2 + 2H2 （5）水解反应：）水解反应： 2AlCl33H2O-Al2O3 6HCl（6）氮化反应或氨解反应：）氮化反应或氨解反应： 3SiH4 4NH3 - Si3N4 12H2 TiCl4+N2+ H2 TiN+HCl（7）碳化反应：）碳化反应：TiCl4 CH4 - TiC 4HCl （8）化学合成反应）化学合成反应 两种或