第8章_氣相沉積技術(shù)

1、第第8章章 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)8.1 薄膜及其制備方法8.2 真空蒸發(fā)鍍膜 8.3 濺射鍍膜8.4 離子鍍8.5 化學(xué)氣相沉積8.6 分子束外延制膜法思考題思考題l氣相沉積薄膜形成的主要步驟是什么？lPVD的基本鍍膜技術(shù)有哪幾種？其原理分別是什么？lCVD和PVD有什么不同處？l什么是分子束外延制膜法？它與真空蒸鍍法相比有哪些改進(jìn)？8.1 薄膜及其制備方法l薄膜的定義薄膜的定義 利用特殊的制備技術(shù)在工件（或基體）表面沉積厚度為100nm至數(shù)微米的膜層，稱為薄膜。8.1 薄膜及其制備方法l薄膜材料的特點(diǎn)薄膜材料的特點(diǎn)：同塊體材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，就是說(shuō)薄膜材

2、料的物性會(huì)受到薄膜厚度的影響；由于薄膜材料的表面積同體積之比很大，所以表面效應(yīng)很顯著，表面能、表面態(tài)、表面散射和表面干涉對(duì)它的物性影響很大。在薄膜材料中還包含有大量的表面晶粒間界和缺陷態(tài)，對(duì)電子輸運(yùn)性能也影響較大。8.1 薄膜及其制備方法在基片和薄膜之間還存在有一定的相互作用，因而就會(huì)出現(xiàn)薄膜與基片之間的粘附性和附著力問(wèn)題，以及內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題。 薄膜技術(shù)可以將各種不同材料靈活地復(fù)合在一起，容易實(shí)現(xiàn)多層膜。許多情況下，材料功能的發(fā)揮和作用發(fā)生在材料的表面，所以，材料的特性主要是取決于材料的表面性質(zhì)，使用功能薄膜材料不僅保護(hù)資源而且降低成本，尤其是在需要使用有毒或貴重材料時(shí)，可以在別的基體上鍍一層有

3、毒或貴重薄膜材料，減少公害。8.1 薄膜及其制備方法l薄膜形成的主要步驟薄膜形成的主要步驟原子或分子撞擊到固體表面；原子或分子被固體表面原子吸附或直接反射回空間；被吸附粒子在固體表面發(fā)生遷移、擴(kuò)散、碰撞，形成原子簇團(tuán)；穩(wěn)定核長(zhǎng)大成小島，臨近的島合并形成連續(xù)膜；穩(wěn)定核捕獲表面擴(kuò)散原子或靠入射原子的直接碰撞而長(zhǎng)大。8.1 薄膜及其制備方法l薄膜的生長(zhǎng)模式薄膜的生長(zhǎng)模式(a)島狀生長(zhǎng)(b)層狀生長(zhǎng)(c)層狀-島狀生長(zhǎng) 8.1 薄膜及其制備方法成核階段 小島階段 網(wǎng)絡(luò)階段 溝道逐漸被填充8.1 薄膜及其制備方法l薄膜的分類薄膜的分類金屬、合金、陶瓷、半導(dǎo)體、化合物、塑料及其他高分子材料等；多晶、單晶、

4、非晶、超晶格、外延等；光學(xué)、電子、裝飾、防護(hù)、力學(xué)。8.1 薄膜及其制備方法l薄膜制備過(guò)程薄膜制備過(guò)程 通過(guò)特殊方法，將一種材料（薄膜材料）轉(zhuǎn)移到另一種材料（基底）的表面，形成和基底牢固結(jié)合的薄膜的過(guò)程。 8.1 薄膜及其制備方法l物理氣相沉積物理氣相沉積:在真空條件下，利用各種物理方法，將鍍料氣化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面上的方法。l化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積:把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學(xué)反應(yīng)在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。8.2 真空蒸發(fā)鍍膜 l真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜 在真空條件下，用加熱蒸發(fā)的方法使鍍

5、料轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法稱為真空蒸發(fā)鍍膜，簡(jiǎn)稱蒸鍍。 8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l蒸發(fā)鍍膜的物理過(guò)程蒸發(fā)鍍膜的物理過(guò)程 采用蒸發(fā)形式把被淀積的材料由凝聚態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)；蒸發(fā)粒子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)；蒸發(fā)粒子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大、成膜。8.2 真空蒸發(fā)鍍膜 圖8-2 同時(shí)蒸發(fā)和瞬間蒸發(fā)示意圖8.2 真空蒸發(fā)鍍膜8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l真空蒸發(fā)設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備真空鍍膜室真空抽氣系統(tǒng)8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l蒸發(fā)源：蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具。電阻加熱電子束加熱激光蒸鍍高頻感應(yīng)加熱 8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l電阻加熱法電阻加熱法：讓大電流通過(guò)蒸發(fā)源，加熱待鍍材料，使其蒸發(fā)的簡(jiǎn)單易行

6、的方法。 圖8-3 電阻加熱蒸發(fā)源圖8-4 電阻蒸發(fā)源的真空蒸鍍示意圖 1-鍍膜室 2-工件 3-金屬蒸氣流線 4-電極蒸發(fā)源 5-電極 6-電極密封絕緣件 7-排氣系統(tǒng) 8-交流電源8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l電阻加熱蒸發(fā)源的特點(diǎn)電阻加熱蒸發(fā)源的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，造價(jià)低廉；缺點(diǎn)：蒸發(fā)源材料會(huì)成為雜質(zhì)污染膜料；加熱所能達(dá)到的最高溫度有限；加熱器的壽命也較短。8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l電子束加熱電子束加熱 用高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。 8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l電子束加熱蒸發(fā)源的特點(diǎn)電子束加熱蒸發(fā)源的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)高、低熔點(diǎn)的膜料都能適用；避免了坩堝材料對(duì)膜料的玷污。缺點(diǎn)：化合物部

7、分分解和電離，將對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和物理性能產(chǎn)生影響；體積較大，需要調(diào)整地部分也較多。8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l激光蒸鍍法激光蒸鍍法 采用激光照射在膜料表面，使其加熱蒸發(fā)。 8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l激光蒸發(fā)源的特點(diǎn)激光蒸發(fā)源的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料；簡(jiǎn)化了真空室內(nèi)部的空間布置；能實(shí)現(xiàn)化合物的蒸發(fā)沉積，保證膜的成分；缺點(diǎn)：制作大功率連續(xù)式激光器的成本較高。8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱 在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍的材料置于坩鍋中，通過(guò)高頻交流電使材料感應(yīng)加熱而蒸發(fā)。8.2 真空蒸發(fā)鍍膜l高頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)：高頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)速率大；蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不易

8、產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；金屬蒸發(fā)材料會(huì)產(chǎn)生熱量；操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：必須采用抗熱震性好、高溫化學(xué)性能穩(wěn)定的氮化硼坩堝；不能對(duì)坩堝進(jìn)行去氣，不易對(duì)輸入功率進(jìn)行微調(diào)，難以避免坩堝的污染；蒸發(fā)裝置必須屏蔽，并需要較復(fù)雜、昂貴的高頻發(fā)生器。8.3 濺射鍍膜l濺射鍍膜濺射鍍膜 在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在工件表面沉積的過(guò)程。8.3 濺射鍍膜8.3 濺射鍍膜圖8-7 陰極濺射法原理圖8.3 濺射鍍膜l濺射鍍膜的方式濺射鍍膜的方式二極濺射三極（四極）濺射射頻濺射磁控濺射反應(yīng)濺射8.3 濺射鍍膜l二極濺射二極濺射8.3 濺射鍍膜l二級(jí)濺射裝置的特點(diǎn)二級(jí)濺射裝置的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

9、：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；缺點(diǎn)：膜層有沾污；沉積速率低；使基片溫升過(guò)高。8.3 濺射鍍膜圖8-8 四極濺射裝置 l三級(jí)三級(jí)/四級(jí)濺射四級(jí)濺射特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)低氣壓、低電壓濺射，放電電流和轟擊靶的離子能量可獨(dú)立調(diào)節(jié)控制。8.3 濺射鍍膜l射頻濺射：射頻濺射：在射頻電源交變電場(chǎng)一個(gè)周期內(nèi)正離子和電子可以交替轟擊靶子；氣體中的電子在被陽(yáng)極收集之前，在射頻電源交變電場(chǎng)作用下發(fā)生振蕩，使更多氣體電離為等離子體。 8.3 濺射鍍膜l磁控濺射磁控濺射 圖9-9 平面磁控濺射靶 8.3 濺射鍍膜8.3 濺射鍍膜l磁控濺射法的特點(diǎn)：磁控濺射法的特點(diǎn)：提高了濺射速率；降低了基片的溫度。8.3 濺射鍍膜l反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射

10、在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體，因而能沉積制得靶材的化合物膜。8.3 濺射鍍膜l陰極濺射的特點(diǎn)：陰極濺射的特點(diǎn)：幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜；薄膜與基底的結(jié)合力高； 容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；所獲得的薄膜純度高，致密性好；容易控制膜的組成；易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化作業(yè)和規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)；裝置較復(fù)雜，沉積速率較低，裝卸靶不方便，靶的利用率不太高。8.4 離子鍍l離子鍍離子鍍 在真空條件下，借助于一種惰性氣體的輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后對(duì)帶負(fù)電荷的基體轟擊的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基體上。 8.4 離子鍍l離子鍍?cè)黼x子鍍?cè)?圖8-9 離子鍍?cè)?-絕

11、緣體 2-基體（陰極）3-高壓電極 4-陰極暗區(qū) 5-真空罩 6-輝光區(qū) 7-蒸發(fā)源燈絲（陽(yáng)極） 8-底板9-燈絲電源 10-高壓電源8.4 離子鍍8.4 離子鍍l離子鍍的特點(diǎn)離子鍍的特點(diǎn) 結(jié)合力高；均鍍能力好；被鍍基體材料和鍍層材料可廣泛搭配；工藝無(wú)污染。表 主要物理氣相沉積方法的特點(diǎn)的比較8.5 化學(xué)氣相沉積l化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 在高溫下，把一種或幾種含有構(gòu)成薄膜元素的化合物、單質(zhì)氣體通入放置有基片的反應(yīng)室，使混和氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在基體上形成一層薄膜或鍍層的方法。 8.5 化學(xué)氣相沉積l化學(xué)反應(yīng)類型化學(xué)反應(yīng)類型 熱分解反應(yīng)還原反應(yīng) 氧化反應(yīng)水解反應(yīng)氮化反應(yīng)或氨解反應(yīng)碳化反應(yīng)歧

12、化反應(yīng)合成反應(yīng)基體反應(yīng)等離子體激發(fā)反應(yīng)光激發(fā)反應(yīng)激光激發(fā)反應(yīng)8.5 化學(xué)氣相沉積l化學(xué)氣相沉積的過(guò)程化學(xué)氣相沉積的過(guò)程反應(yīng)氣體擴(kuò)散至工件表面； 反應(yīng)氣體分子被基材表面吸附； 在基材表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形核等； 在基片表面留下固體的反應(yīng)產(chǎn)物薄膜。8.5 化學(xué)氣相沉積lCVD裝置裝置反應(yīng)室供氣系統(tǒng)加熱系統(tǒng) 8.5 化學(xué)氣相沉積lCVD加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)電阻加熱感應(yīng)加熱熱輻射加熱8.5 化學(xué)氣相沉積lCVD反應(yīng)室類型反應(yīng)室類型立式水平式鐘罩式8.5 化學(xué)氣相沉積8.5 化學(xué)氣相沉積lPVD和和CVD兩種工藝的對(duì)比兩種工藝的對(duì)比 工藝溫度 工件清潔度鍍層覆蓋性成本操作運(yùn)行安全性8.6 分子束外延制膜法l外

13、延外延 一種制備單晶薄膜的新技術(shù)，在適當(dāng)?shù)囊r底上，合適的條件下，沿襯底原來(lái)的結(jié)晶軸向生成一層晶格結(jié)構(gòu)完整的新單晶層的制膜方法。8.6 分子束外延制膜法l外延法的分類外延法的分類氣相外延法液相外延法分子束外延法8.6 分子束外延制膜法l分子束外延技術(shù)分子束外延技術(shù) 在清潔的超高真空環(huán)境下，使具有一定熱能的兩種或兩種以上的分子束流噴射到被加熱的襯底上，在襯底表面進(jìn)行反應(yīng)生成單晶薄膜的過(guò)程。 8.6 分子束外延制膜法l分子束外延裝置分子束外延裝置工作室分子束噴射源各種監(jiān)控儀器真空排氣系統(tǒng) 8.6 分子束外延制膜法 分子束外延生長(zhǎng)分子束外延生長(zhǎng)GaAs薄膜的原理圖：薄膜的原理圖：8.6 分子束外延制膜法l分子束外延法的優(yōu)點(diǎn)：分子