【5】第五章+物理气相沉积.ppt

1、5.0物理气相沉积5.1，真空蒸发5.2，蒸发源5.3，气体辉光放电5.4，溅射，第5章物理气相沉积，5.0.1物理气相沉积5.0.2薄膜生长5.0.3真空采集，5.0物理气相沉积)，PVD一般指薄膜生长满足以下三个步骤2。生长材料的蒸汽通过低压区到达衬底；3.蒸汽在衬底表面凝结形成薄膜。5.0.1物理气相沉积(PVD)，PVD物理原理，大块材料(目标)，扩散，吸附，冷凝成薄膜，材料传输，能量传输，能量，衬底，残余气体对薄膜生长的影响衬底，PVD的一般特性，物理吸附比外延生长速率快得多的衬底，PVD薄膜材料，它可以非均匀生长典型的薄膜，厚度范围为33，360: nm m也可以生长更厚的薄膜，P

2、VD生长条件， 高真空和高纯度材料清洁和光滑的衬底表面提供能量，5.0.2薄膜生长，超薄薄膜：10纳米薄膜：50纳米1米中间范围：1米10米厚膜：10米100米，单晶薄膜：外延GaAs薄膜：氧化锌，氧化铟锡无序薄膜：非晶硅，二氧化硅，根据厚度：根据结构：薄膜分类，在薄膜生长过程中， 由于衬底和薄膜之间的晶格失配以及表面能和界面能的差异，薄膜生长有三种生长模式，二维层状(平面)生长的晶格匹配系统Frank-van der Merwe (FVDM)模式逐层(2D)，晶格失配大而界面能小的材料系统由层状生长转变为类岛状生长的stranski-krastanov (sk)模式层加岛状生长(2d-3d)

3、。 具有大晶格失配和大界面能的材料系统的三维岛状生长(VW)模式岛状生长(3D)，5.0.3真空采集，N气体分子密度V平均速度，普通真空泵的工作压力范围和启动压力，普通真空泵的中文拼音代码和名称，通常由转子、定子和转子组成的旋转叶片式机械泵的原理。偏心转子置于定子圆柱形空腔的内切割位置，空腔连接进气管和排气阀。两个转子叶片嵌在转子中，转子叶片通过弹簧连接，使转子叶片紧紧地压在定子腔的内壁上，转子的转动由电机驱动。定子放置在油箱中，油起到封闭、润滑和冷却的作用。当转子顺时针旋转时，空气通过进气管从泵送容器吸入，并且与进气管连接的区域通过转子的旋转而持续扩大，并且空气被持续吸入。当转子到达某一位置

4、时，另一个旋转叶片将吸入的气体区域与泵送容器分开，并压缩气体，直到压力增加，从而打开空气出口的活塞阀，将气体排出泵外。转子的连续旋转使得气体被连续泵出泵送容器。旋转叶片机械泵原理，热退火：t，t消除晶格损伤，使注入的杂质进入晶格位置，实现电激活热退火中的扩散效应：注入过程中杂质分布变宽，偏离杂质分布；快速退火：脉冲激光、脉冲电子束和离子束、扫描电子束、连续波激光和非相干宽带光源等。特点：瞬间将某一区域加热到所需温度，退火时间短(10-3-102秒)，总结上节课的内容，气体系统的特殊传输系统运行危险气体；清洗系统并用氩气校准离子束。电控系统高压系统(离子能量控制结深)；射频系统(一些离子源需要射

5、频能量来产生离子)。真空系统需要高真空来加速离子并减少碰撞。真空度为10-5-10-7托；使用分子泵和低温泵；疏散系统。离子束线控制离子源；提取电极；磁性分析仪；后加速器；等离子体溢流系统：底部分析仪。离子注入系统，总结最后一课，总结最后一课，PVD通常指的是满足以下三个步骤的薄膜生长技术：1。生长的材料从固体物理转化为气体；2.生长材料的蒸汽通过低压区到达衬底；3.蒸汽在衬底表面凝结形成薄膜。物理气相沉积，薄膜生长的三种生长模式：二维分层，三维岛状，先分层后岛状生长，最后一课总结，真空分类：低真空，高真空，超高真空气体分子密度，气体压力，平均自由程真空系统：真空室，真空泵，真空计真空泵：粗真

6、空泵：机械泵，低温吸附泵，高真空泵：扩散泵，涡轮分子泵，超高真空泵：离子泵， 钛升华泵真空计：低真空计：热电偶真空计，皮拉尼真空计高真空计在泵的底部是一个充满真空泵油的蒸发器。 真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定量的油蒸汽。蒸汽沿着蒸汽导管被传送到上部，并通过三级伞状喷嘴向下喷射，形成朝向出口移动的高速蒸汽流。油分子与气体分子碰撞。由于油的分子量很大，碰撞的结果是油分子给气体分子提供动量，使其减速，而气体分子获得向下的动量，然后快速向下飞行。在射流的界面上，气体分子不能长时间停留，所以界面上气体分子的浓度很小。由于这种浓度差，泵送的气体分子可以连续地扩散到蒸汽流中，一步一步地被带到出口，并被前

7、一个泵抽走。当减速蒸汽向下流动时，遇到水冷泵壁，油分子冷凝并沿泵壁流回蒸发器继续循环。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统组成。动叶轮和静叶轮交替布置，动叶轮和静叶轮的几何尺寸基本相同，但叶片倾角相反。每两个活动叶轮之间安装一个静态叶轮。固定叶轮的外缘用环固定，固定叶轮和活动叶轮之间保持约1毫米的间隙，使活动叶轮可以在固定叶轮之间自由转动。移动叶轮外缘的线速度与气体分子的热运动速度一样高(通常为150，400米/秒)。1958年，德国的贝克首先提出了具有实用价值的涡轮分子泵，随后各种不同结构的分子泵相继出现，主要包括立式和卧式泵。一种真空泵，使用高速旋转的叶轮将动量

8、传递给气体分子，使气体产生定向流动并排出空气。涡轮分子泵的优点是启动快、耐辐射、耐大气冲击、无气体储存和解吸效应、无油气污染或污染小，可获得洁净的超高真空。涡轮分子泵广泛应用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和先进电子器件制造。20个活动叶轮。阳极和阴极之间施加高电压。电子在阳极加速，在磁场的作用下旋转。气体分子与旋转的电子碰撞而电离(潘宁放电)，气体离子被加速向阴极移动，被阴极材料(如钛)吸附，并在表面溅射出钛。溅射的钛原子也能与气体离子反应以提高泵速。加热钛丝以蒸发钛原子。钛与反应室中的气体分子反应，并凝结在室壁上。真空测量，测量栅极和集电极之间的电流。真空蒸发和溅射是物理气相沉

9、积技术中的两种基本方法。蒸发的优点：较高的沉积速率、较高的真空度、较高的薄膜质量等。蒸发法的缺点：台阶覆盖率差；沉积多元合金薄膜时，成分难以控制。溅射法的特点：沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制；沉积的薄膜对基底具有良好的粘附性。5.1 .真空蒸发制备薄膜的基本原理热蒸发法：在真空条件下，蒸发源被加热，使原子或分子从蒸发源的表面逸出，形成蒸汽流，该蒸汽流入射到衬底的表面并冷凝形成固体薄膜。蒸发概念，加热蒸发过程：当蒸发源被加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点时，固体源表面的原子将很容易逸出并变成蒸汽。蒸发原子或分子在蒸发源和衬底之间的传输过程：原子或分子从蒸发源飞向衬底，在飞行过程中可能与真

10、空室中的残余气体分子碰撞。碰撞的次数取决于真空度以及源和衬底之间的距离。蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程：原子飞向衬底表面的凝结、成核、生长和成膜过程。由于衬底的温度低于蒸发源的温度，并且蒸发的原子或分子具有非常低的能量，并且没有能力在衬底表面上移动，从气相到固相的相变过程将在到达时直接发生，并且立即凝结在衬底表面上。真空蒸发的基本过程，被蒸发物质的饱和蒸气压Ps，固体物质的蒸发速率，任何物质都在不断地经历固态、气态和液态的三态变化。在一定的环境温度下，当气体分子从真空室中的固体物质表面蒸发出来，并与气体分子从空间返回到物质表面的过程达到平衡时的压力称为饱和蒸气压。饱和蒸气压和蒸发速率、气

11、体分子的平均自由程、蒸发和沉积过程应在高真空下进行，并且蒸发应比D大23倍，因为在蒸发过程中，真空室中的温度升高后会释放出大量气体，这将降低真空度。当气体分子的平均自由程等于蒸发源到衬底的距离时，大约63个分子会在途中碰撞；当平均自由程是从蒸发源到衬底距离的10倍时，只有大约9个分子在途中碰撞。可以看出，只有当d时，被蒸发的物质分子才能直线到达基底表面而不被阻挡。通常，从蒸发源到衬底的距离d约为30cm，真空室中的气压要求为10-210-4Pa，此时平均自由程远大于从蒸发源到衬底的距离。从衬底到蒸发源的距离d和薄膜厚度的均匀性与蒸发源的形状有很大关系。对于点蒸发源，当衬底直接平行放置在蒸发源上

12、方时，薄膜厚度分布为：其中d0代表从点源到衬底垂直点的薄膜厚度，h代表垂直距离，l代表衬底点和垂直点之间的距离，m代表总蒸发质量和物质密度。对于微平面蒸发源，蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：单源蒸发、多源同时蒸发和多源顺序蒸发。多组分薄膜蒸发法，电阻加热蒸发，对高熔点金属(钨、钼、钽、铌)制成的电热丝或加热舟施加直流电，通过欧姆加热加热加热材料，熔化并蒸发材料，5.2蒸发源加热方式，常用的电阻加热源、电热丝、加热舟、坩埚、努森电池、电子束蒸发源，通过高能聚焦电子束熔化并蒸发材料；将材料放入冷却的坩埚中；只有一小部分区域受到电子束的轰击；在坩埚内形成虚拟的“坩埚”,而不会与坩埚材料交叉污染；

13、因此，坩埚是干净的。用电子束蒸发源、坩埚和材料、衬底、真空室、真空泵、厚度监测器、充气管、反应气管、羽流、电子枪、电子枪坩埚蒸发可蒸发的高熔点材料仅发生在光点周围的局部区域。蒸发材料被加热和蒸发，可以直接从固体转化为等离子体。大颗粒的穿透深度其特征在于：(1)蒸发速度快，可使用较大的坩埚增加蒸发面；(2)蒸发源温度均匀稳定，不易产生飞溅现象；(3)温控精度高，操作简单；(4)大功率高频电源价格昂贵，需要屏蔽以防止外部电磁干扰。5.3气体辉光放电，溅射：具有一定能量的入射离子轰击固体表面，在与表面原子碰撞的过程中，能量和动量被转移，固体表面的原子被溅射出来，称为溅射。在实际溅射中，加速的正离子通

14、常会轰击阴极靶，并从阴极靶上溅射出原子，因此也称为阴极溅射。辉光放电：溅射过程是基于辉光放电，即发射到固体表面的离子都来自气体放电，但不同的溅射技术采用不同的辉光放电方法。5.3.1 DC辉光放电，两个扁平电极安装在圆柱形玻璃管的两端，玻璃管中充满压力为几帕至几十帕的气体，并向电极施加DC电压。平面电极之间的电压和电流之间的关系如图所示。(1)在非光放电区，一般来说，气体基本上处于中性状态，只有极少数原子被高能宇宙射线激发并电离。当有外场时，电离产生的离子和电子定向运动，运动速度随着电压的增加而增加，因此电流从零开始逐渐增加。当电极之间的电压足够大时，带电粒子的移动速度达到饱和，当电压增加时，

15、到达电极的电子和离子的数量保持不变，并且电流不增加。由于电离量小，宏观电流非常弱且不稳定，一般只有10-16-10-14A，这取决于气体中电离分子的数量。该区域是导电的，但不发光，这被称为非光放电区域，如图中的ab部分所示。当电极之间的电压继续上升时，电子的运动速度增加，并且电子和中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞，而是将气体分子电离，产生正离子和电子(效应)，并且正离子与阴极的碰撞也将产生二次电子(效应)。新产生的电子和原来的电子继续被电场加速，更多的气体分子在碰撞过程中被电离，从而使离子和电子的数量增加雪崩，放电电流也迅速增加，汤普森放电面积出现在伏安曲线上，如的bc部分所示。在汤姆逊放电区，电压受到电源的高输出阻抗和限流电阻的限制，并成为一个常数。自然电离源的存在是非光放电和汤普森放电的前提，也称为非自持放电。(2)唐生放电，最后一课总结，真空真空划分：低真空，高真空，超高真空气体分子密度，气体压力，平均自由程真空系统：真空室，真空泵，真空计真空泵：粗真空泵：机械泵，低温吸附泵，高真空泵：扩散泵，涡轮分子泵，超高真空泵：离子泵，钛升华泵真空计管：蒸发优势：较高的沉积速率，较高的真空度，较高的薄膜质量等。蒸发法的缺点：台阶覆盖率差；沉积多元合金薄膜时，成分难以控制。溅射法的特点：沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制；沉积的薄膜对基底具有良好的粘附性。饱和蒸气压