物理气相沉积

物理气相沉积第1页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术

柱状靶磁控溅射镀膜机全自动镀膜设备第2页，共40页，2023年，2月20日，星期六一二三四五......

离子镀膜......

溅射镀膜...…真空蒸发镀膜......

物理气相沉积的特点一二三四......

物理气相沉积的应用五主要内容第四章物理气相沉积技术第3页，共40页，2023年，2月20日，星期六

★物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,PVD），

在真空条件下，利用热蒸发或辉光放电、弧光放电等物理过程，实现材料的迁移，并在零件基体表面上沉积形成涂层的技术。包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。第四章物理气相沉积技术第4页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术★特点①涂层形成是不受物理变化定律控制的凝固过程，是一种非平衡过程。②工艺过程对基体材料的影响很小，因此可以在各种基体材料上涂覆涂层。③沉积层厚度范围较宽，从nm~mm级都可实现④无环境污染；★缺点：设备复杂，一次投资较大。

第5页，共40页，2023年，2月20日，星期六★气相沉积的基本过程

三个步骤：提供气相镀料、镀料向所镀制的工件输送、镀料沉积在基片上构成膜层。

气相物质的产生；

气相物质的输送；气相物质的沉积。第四章物理气相沉积技术第6页，共40页，2023年，2月20日，星期六★真空技术基础1、真空度的单位

真空：空间内压力低于一个大气压（1.013×105Pa）的气体状态。

第四章物理气相沉积技术特点：压强低，空气稀薄，分子平均自由程长真空的性质可由压强、单位体积分子个数、气体的密度等表示第7页，共40页，2023年，2月20日，星期六“真空度”和“压强”两个参量来衡量真空的程度表示真空状态下气体的稀薄程度，常用压力表示。国际单位以帕斯卡（pascal）表示。1帕斯卡（Pa）＝1N/m21托（Torr）=133.322Pa=1/760atmmmHg、atm、bar等RelativepressureAbsolutepressure描述真空的独特单位第四章物理气相沉积技术第8页，共40页，2023年，2月20日，星期六2、真空的划分

低真空105Pa—102Pa：目的获得压差vacuumcleaner；vacuumfilter；CVD中真空102Pa

—10-1Pa：

气体分子运动特征改变，电场下具有导电特性。

Sputtering；LPCVD高真空10-1Pa—10-5PaEvaperating；Ionsource超高真空：＜10-5PaSurfaceanalysis；Particlephysics第四章物理气相沉积技术第9页，共40页，2023年，2月20日，星期六★真空技术基础3、气体分子的平均自由程（MeanFreePath）一个气体分子在连续两次碰撞所经历的路程称为自由程。所有气体分子彼此碰撞间所经历平均距离称为平均自由程----λ

。第四章物理气相沉积技术

n-气体分子密度，标准状态n≈3×1019δ-分子直径气体分子密度与平均自由程压强1.013×105Pa0.1Pa1×10-7PaMFP6.4×10-5mm5.1cm50km第10页，共40页，2023年，2月20日，星期六1.真空蒸发镀膜★原理利用真空泵将样品室抽至一定程度的真空，对放在高熔点坩埚里的原材料加热，使其蒸发，并在收集基底上沉积成膜的技术。★步骤第四章物理气相沉积技术第11页，共40页，2023年，2月20日，星期六

1.真空蒸发镀膜

★工艺过程

镀前准备→抽真空→离子轰击→烘烤→预热→蒸发→取件→镀后处理→检测→成品。

1、预抽真空低真空：机械泵1～0.1Pa

高真空：扩散泵10-3Pa以下

2、烘烤：非金属低于热变形温度20~30℃，金属不超过200℃

3、蒸发源加热，镀膜材料熔化、蒸发。

4、蒸发材料在零件表面吸附，沉积形成涂层。

5、后处理第四章物理气相沉积技术第12页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术

1.真空蒸发镀膜

★蒸发源

真空蒸发镀膜需要将镀层材料加热变成蒸气原子，蒸发源是其关键部位，大多数金属材料都要在1000-2000℃的温度下蒸发。因此，必须将材料加热到这样高的温度。常用的加热法有：

电阻法、电子束法、高频法及激光加热法等。第13页，共40页，2023年，2月20日，星期六1.真空蒸发镀膜

（1）电阻蒸发源◆选择原则：在所需蒸发温度下不软化、饱和蒸汽压小，不发生反应。一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常制作成螺旋丝状或箔舟状。◆特点：结构简单、造价低、应用广泛；存在污染，也不能蒸镀高熔点材料。螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能够浸润螺丝或者有足够的表面张力以防止掉落，它的优点是可以从各个方向发射蒸汽。箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润加热器的材料，效率较高（相当于小型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸发。第四章物理气相沉积技术第14页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术1.真空蒸发镀膜

（2）电子束蒸发源

将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中，直接用电子束加热法，称为电子束加热法。

优点：

（1）热量可直接加在蒸发材料上；

（2）盛放蒸发材料的容器可以是冷的；

（3）可以蒸发诸如钽和钨等类高温金属。

缺点：

（1）装置复杂；（2）残余气体分子和蒸发材料蒸气的一部分会被电子电离；

（3）多数化合物由于电子轰击而部分分解。第15页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术1.真空蒸发镀膜

（3）激光加热蒸发源

采用CO2激光器加热陶瓷材料使其蒸发，可在基材上蒸镀得到陶瓷层（

Al2O3

）。第16页，共40页，2023年，2月20日，星期六1.真空蒸发镀膜

★

真空蒸镀膜的特点缺点：膜/基界面结合力较弱。结晶不够完整，工艺重复

性不够好，高熔点物质和低蒸气压物质难以制备

真空镀膜。蒸发源材料也会蒸发，成为杂质沉积

在膜层中。主要结构：真空室；蒸发源；基板；基板加热器及测温计第四章物理气相沉积技术优点：设备结构简单，工艺操作简单；制的

薄膜纯度高，薄膜生长机理简单；大

多数物质可采用真空蒸镀方法镀膜。第17页，共40页，2023年，2月20日，星期六2.阴极溅射镀膜（Sputtering）2.1定义：利用高能量的荷能粒子轰击阴极靶材(镀膜材料)，使靶材表面的原子或分子逸出而沉积在基材(零件)表面上的过程。第四章物理气相沉积技术☆实质：

用带有几十电子伏特以上动能粒子束照射固体表面，是靠近固体表面的原子获得能量而从表面射出的现象。第18页，共40页，2023年，2月20日，星期六2.2溅射的基本原理第四章物理气相沉积技术★Ar→Ar++e溅射过程：气体分子被高压电离后形成正离子与电子。正离子在电场的作用下加速，以高的动能轰击靶材（阴极），使靶原子能量增加并脱离表面形成溅射层，沉积在基板上形成薄膜。电离产生的电子在受控电场的加速下也会使新的气体分子再电离，从而使溅射率提高。溅射离子来源于辉光放电（高压气体放电）1.电离率高，容易起辉2.惰性气体，不反应3.价格便宜第19页，共40页，2023年，2月20日，星期六★辉光放电

真空度为10-2Pa～10Pa范围内，在两极之间加上高压时产生的放电现象，称为辉光放电。第四章物理气相沉积技术2.2溅射的基本原理第20页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术

1.靶面原子的溅射溅射量S＝η·Q★溅射镀膜生成的三个阶段

2.溅射原子向基片的迁移

迁移过程受辉光放电真空度条件的限制。3.粒子向工件入射再结合而成膜

成膜过程遵循吸附，形核和长大成膜的过程。Q-入射离子数，η-溅射系数（一个离子所溅射出的原子数目）第21页，共40页，2023年，2月20日，星期六2.3阴极溅射镀膜工艺过程1.镀前处理2.抽真空10-1Pa3.充Ar气，施加负偏压3-7kV

使Ar原子产生电离，在电场作用下高速撞击靶材表面，溅射出靶材原子或分子沉积在零件表面形成涂层4.后处理

第四章物理气相沉积技术入射Ar离子溅射出的原子第22页，共40页，2023年，2月20日，星期六1、阴极溅射与真空蒸镀相比具有以下特点：优点：

溅射依靠动量交换作用使原子、分子进入气相，与基底结合牢固。

任何物质均可溅射；（只要是固体无论块状或粒状）

溅射薄膜密度高、厚度均匀，膜层纯度高，不存在真空镀膜时坩埚污染现象。

膜厚可控，重复性好。缺点：溅射设备复杂，需要真空系统及高压装置，沉积速度慢。真空蒸镀：0.1～5μm/min

阴极溅射：0.01～0.5μm/min

2.4阴极溅射镀膜的特点第四章物理气相沉积技术第23页，共40页，2023年，2月20日，星期六第四章物理气相沉积技术

2.4阴极溅射镀膜的特点□蒸发与溅射物理过程的比较1、沉积粒子的产生过程

蒸发

加热（升华，蒸发）基板加热清洗，真空度10-1Pa—10-5Pa

溅射：真空度102Pa

—10-1Pa2、粒子能量

蒸发：0.1-0.4eV（气化过程，热运动能低，膜层附力低）

溅射：1-10eV（以动能输运为基础，动量转移过程；对基板有作

用，使表面活性增加；去除结合不牢的原子，使膜层附着力高）第24页，共40页，2023年，2月20日，星期六

2.4阴极溅射镀膜的特点第四章物理气相沉积技术3、粒子性质（逸出）

蒸发：

几乎不带电，主要为中性原子，仅有极少数热发射电子。

溅射：

中性原子（靶材）、原子团（靶材）、正负离子（靶材）、二次电子（溅射气体）、光子，粒子性质复杂多样。第25页，共40页，2023年，2月20日，星期六

2.4阴极溅射镀膜的特点第四章物理气相沉积技术4、粒子的迁移过程蒸发：10-1Pa—10-5Pa，气体分子平均自由程>>源间距。迁移过程：粒子

→基板（极少与分子碰撞）

能保持能量、角分布、运动直线，故一般不考虑蒸发原子与气体分子碰撞，或蒸发原子之间碰撞，所以分布不均匀性存在。溅射：102Pa

—10-1Pa，气体分子平均自由程≈数毫米

溅射粒子与气体分子碰撞几率大，动量损失大，运动方向改变，到达基板的粒子来自基板正前方整个半个球面的所有方向，所以膜层均匀性改善，成膜均匀化。第26页，共40页，2023年，2月20日，星期六

2.4阴极溅射镀膜的特点第四章物理气相沉积技术第27页，共40页，2023年，2月20日，星期六3.离子镀

3.1原理及过程第四章物理气相沉积技术第28页，共40页，2023年，2月20日，星期六3.离子镀

3.1原理及过程

在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，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。★特点：1、把气体辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜结合在一起。2、提高了膜层性能3、扩充了镀膜技术的应用范围，兼有真空蒸发和溅射的优点外，附着力好、绕射性好、材料广泛。第四章物理气相沉积技术第29页，共40页，2023年，2月20日，星期六★过程①预抽真空10-3Pa（高本底真空度）②充Ar气10-1～10-3Pa（低压惰性气体高压放电）③溅射清洗④离子镀膜（镀膜材料蒸发、离化、加速、沉积）

3.1原理及过程第四章物理气相沉积技术沉积与溅射同时存在成膜的条件：

溅射速度＜沉积速度第30页，共40页，2023年，2月20日，星期六

3.2离子轰击的作用◆对基片表面离子溅射—清除吸附气体、溅射掉表面物质、

发生反应。产生缺陷—当能量大于25eV，缺陷产生。结晶学破坏—形成非晶态。表面成分变化—择优溅射。气体渗入形貌变化温度升高

近表面材料的物理混合第四章物理气相沉积技术

造成几何表面凹凸不平，在较高部位优先形核生长，得到柱状晶结构。第31页，共40页，2023年，2月20日，星期六在离子镀过程中，因轰击溅射逸散在空间的基体原子有一部分会再返回到基片表面与蒸发原子混合发生“凝固扩散”作用，促进了中间层的形成，使膜/基界面附近的微小区域内的成分逐渐变化，这种膜/基界面附近成分逐渐变化的区域称为“伪扩散层”。

3.2离子轰击的作用◆对界面的影响物理混合—沉积+溅射→“伪扩散层”增强扩散改变成核方式溅射效应–优先除去结合松散的原子改善覆盖度第四章物理气相沉积技术第32页，共40页，2023年，2月20日，星期六

3.2离子轰击的作用◆对薄膜的生长降低薄膜内应力增加反应程度和速度第四章物理气相沉积技术第33页，共40页，2023年，2月20日，星期六3离子镀

3.4离子镀的特点①离子镀可在较低的温度下进行（成膜温度低）②结合力好③绕镀性好④沉积速率高沉积速率一般为1~50μm/min

溅射一般为0.01~0.5μm/min

真空蒸镀为0.1~5μm/min

⑤无环境污染第四章物理气相沉积技术第34页，共40页，2023年，2月20日，星期六物理气相沉积的三种基本方法比较分类真空蒸镀溅射镀膜离子镀沉积粒子能量

中性原子

0.1eV~1eV

1eV~10eV

0.1eV~1eV(此外还有高能中性原子)

入射离子

数百～数千电子伏特沉积速率μm/min

0.1~5

0.01~0.5(磁控溅射可接近真空蒸镀)

1～50

膜层特点密度

低温时密度较小但表面平滑

密度大

密度大

气孔

低温时多

气孔少，但混入溅射气体较多

无气孔，但膜层缺陷较多。

第四章物理气相沉