物理氣相沉積技術(shù)PPT課件.ppt

1、物理氣相沉積技術(shù)（Physical Vapor Deposition, PVD),1.物理氣相沉積技術(shù)的概念 2.物理氣相沉積的基本過程 3.物理氣相沉積技術(shù)的分類 4.蒸發(fā)鍍膜 5.濺射鍍膜 6.離子鍍,一.物理氣相沉積技術(shù)的概念,物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD)技術(shù)：表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源固體或液體表面氣化成氣體原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有特殊功能薄膜的技術(shù)。,二.物理氣相沉積技術(shù)的基本過程,從原材料中發(fā)射粒子（通過蒸發(fā)、升華、濺射和分解等過程）. 粒子輸運(yùn)到基片（粒子間發(fā)生碰

2、撞，產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)，能量的交換和運(yùn)動(dòng)方向的變化）. 粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大和成膜.,PVD的物理原理,塊狀材料 (靶材),薄膜,物質(zhì)輸運(yùn) 能量輸運(yùn),能量,襯底,以氣態(tài)方式進(jìn)行,氣態(tài),三.物理氣相沉積技術(shù)的分類,四.蒸發(fā)鍍膜,概念：將鍍料在真空中加熱、蒸發(fā)，使蒸發(fā)的原子或原子團(tuán)在溫度較低的基板上凝結(jié)，形成薄膜。 基本思想：將材料置于某種容器內(nèi),升高溫度， 熔解并蒸發(fā)材料,Substrate,Substrate,Substrate,Substrate,Substrate,原子團(tuán)簇,島,薄膜,熱運(yùn)動(dòng),根據(jù)加熱原理（或加熱方式）分有：電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā)、射頻加熱蒸發(fā),電

3、阻加熱蒸發(fā),熱蒸發(fā)是在真空狀況下，將所要蒸鍍的材料 利用電阻加熱達(dá)到熔化溫度，使原子蒸發(fā)， 到達(dá)并附著在基板表面上的一種鍍膜技術(shù),將用高熔點(diǎn)金屬(W, Mo, Ta, Nb)制成的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料.,電阻加熱蒸發(fā)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便； 支撐坩堝及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)； 難以獲得足夠高溫蒸發(fā)介電材料（Al2O3、TiO2）； 蒸發(fā)率低； 加熱導(dǎo)致合金或化合物分解。 可制備單質(zhì)、氧化物、介電和半導(dǎo)體化合物薄膜。,電子束蒸發(fā),熱電子由燈絲發(fā)射后，被加速陽極加速，獲得 動(dòng)能轟擊到處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材 料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜,電子束蒸發(fā),用高能聚焦的電子

4、束熔解并蒸發(fā)材料 電子束加熱原理:是基于電子在電場(chǎng)作用下,獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料,使蒸發(fā)材料加熱氣化.,電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn) 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度 。達(dá)到104 109 W/cm2 的功率密度，熔點(diǎn)3000的材料蒸發(fā)，如WW、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O3 等。 被蒸發(fā)材料可置于水冷坩鍋中 避免容器材料蒸發(fā)、及其與蒸發(fā)材料反應(yīng) 熱量可直接加到蒸鍍 材料的表面 熱效率高、熱傳導(dǎo)和熱輻射損失小,電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn) 電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使 蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離 影響膜層質(zhì)量?？蛇x擇電子槍加以解決 電子束蒸鍍

5、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴 加速電壓高時(shí)，產(chǎn)生的一些射線對(duì)人體傷害,激光熔融蒸發(fā),高功率激光束作為熱源蒸發(fā)待蒸鍍材料，激光光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料使之蒸發(fā)，最后沉積在基片上.,激光熔融蒸發(fā)特點(diǎn)： 激光清潔、加熱溫度高，避免坩堝和熱源材料的污染； 可獲高功率密度激光束，蒸發(fā)速率高，易控制； 容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)或順序多源蒸發(fā)； 比較適用成分復(fù)雜的合金或化合物材料； 易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜性能.,五.濺射鍍膜1.濺射的概念,具有一定能量的入射離子在對(duì)固體表面進(jìn)行轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來，這種現(xiàn)象稱為濺射。 濺射出的粒

6、子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶材的荷能粒子可以使電子、離子、中性粒子，由于離子在電場(chǎng)下易于加速并獲得所需動(dòng)能，故大多采用離子作為轟擊粒子，則該離子又稱為入射離子。,Al靶,Al膜,濺射沉積薄膜原理,陽,陰,避免金屬 原子氧化,真空,Ar氣,Ar+,Al靶,濺射與熱蒸發(fā)在本質(zhì)上不同，熱蒸發(fā)是由能量轉(zhuǎn)化引起的，濺射含有動(dòng)量轉(zhuǎn)換，所以濺射出的原子有方向性。利用這種現(xiàn)象制備薄膜的方法稱為濺射法。 在實(shí)際進(jìn)行濺射時(shí)，通常是利用被電場(chǎng)加速的正離子轟擊欲被濺射的靶電極(陰極)，并從陰極靶濺射出原子，所以又稱為陰極濺射。,濺射現(xiàn)象是在輝光放電中觀察到的。在輝光放電過程中離子對(duì)陰極的轟擊，可以使得

7、陰極的物質(zhì)飛濺出來。 即射向固體表面的離子都是來源于氣體放電。,1).無光放電區(qū)：一般情況，氣體原子基本處于中性。無外電場(chǎng)下，帶電粒子和氣體分子，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)；有外電場(chǎng)下，定向運(yùn)動(dòng)，UVI,當(dāng)粒子速度達(dá)到飽和，電流達(dá)到飽和值。,2).湯生放電區(qū)：UEV,電子與中性分子之間的碰撞不再是低速時(shí)的彈性碰撞，而使得氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子。,電子與中性分子之間的碰撞使得氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子，新產(chǎn)生的電子和原有電子被電場(chǎng)加速，使得更多氣體分子電離，電子和離子數(shù)目雪崩式增加，放電電流迅速增大。,2).湯生放電區(qū)：這時(shí)，放電電流迅速增加，但是電壓變化不大。,3).輝光放電：在湯生放電之后，氣體

8、發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，I，U 繼續(xù)增大電流，放電就會(huì)進(jìn)入正常輝光放電區(qū)，顯然電流的增大與電壓無關(guān)。 正常輝光放電時(shí)的電流密度比較小，所以濺射不選在這個(gè)區(qū)，而選在反常輝光放電區(qū)。,4).反常輝光放電：I ,U ,發(fā)光仍為輝光(異于正常)，增大至f點(diǎn)，不穩(wěn)定，I ,U ，放電系統(tǒng)馬上會(huì)過渡到電弧放電區(qū)。,2.濺射鍍膜的特點(diǎn)(相比較真空蒸發(fā)),任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點(diǎn)(淀積難熔金屬)、低蒸汽壓元素和化合物。只要是固體物質(zhì)都可以作為靶材。 濺射鍍膜密度高(高能量原子)，膜層純度較高(避免真空鍍膜時(shí)的坩堝污染現(xiàn)象)。 可重復(fù)性好，膜厚可控，同時(shí)可以在大面積基片上獲得均勻薄膜。,在濺射過程中濺射出的原子將

9、從濺射過程中獲得很大的動(dòng)能(510eV,蒸發(fā)過程中原子獲得動(dòng)能為0.10.2eV)。由于能量的增加，可以改善臺(tái)階覆蓋性以及薄膜與襯底的粘附性，且由于濺射來自平面源(蒸發(fā)來自點(diǎn)源)則能從各個(gè)角度覆蓋硅片表面，臺(tái)階覆蓋度進(jìn)一步優(yōu)化。 濺射工藝適用于淀積合金，而且具有保持復(fù)雜合金元組分的能力。比如常用的濺射AlSiCu合金中靶材含有0.5%的Cu，那么淀積的薄膜也含有0.5%的Cu。,3.濺射鍍膜的缺點(diǎn),濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置 濺射淀積的成膜速度低，真空蒸發(fā)鍍膜淀積速率為0.15m/min，濺射速率為0.010.5 m/min。 基片溫升較高，易受雜質(zhì)氣體影響。,三、濺射方法,具體濺射方法較多。

10、 直流濺射，射頻濺射，磁控濺射，反應(yīng)濺射，離子束濺射，偏壓濺射等。,1).直流濺射,靶材置于陰極，陽極為襯底。 常用氬氣作為工作氣體。 濺射電壓15kV，靶電流密度0.5mA/cm2，薄膜淀積速率低于0.1 m/min 直流濺射只能濺射導(dǎo)體材料。,直流濺射的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便 直流濺射的缺點(diǎn)： 不能獨(dú)立控制各個(gè)工藝參數(shù)，放電電流易隨電壓和氣壓變化。 濺射速率低，薄膜質(zhì)量(致密度、純度)差。 基片溫升高、淀積速率低 靶材必須是良好導(dǎo)體。,2).射頻濺射,射頻濺射相當(dāng)于直流濺射裝置中的直流電源部分改由射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)和電源所代替，利用射頻輝光放電產(chǎn)生濺射所需的正離子。,與只能濺射導(dǎo)體材料

11、的直流濺射相比，射頻濺射是能適用于包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的幾乎各種材料。 濺射電壓1000V，靶電流密度1.0mA/cm2，薄膜沉積速率低于0.5m/min。,實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣材料的濺射,在采用高頻率電源產(chǎn)生放電后，兩級(jí)間的電位進(jìn)行高頻變化。當(dāng)靶材處于負(fù)半周時(shí)，正離子對(duì)靶面進(jìn)行轟擊引起濺射，與此同時(shí)靶材表面會(huì)有正電荷的積累。當(dāng)靶材處于正半周時(shí)，由于電子對(duì)靶的轟擊，中和了積累在靶面上的正電荷，為下個(gè)周期的濺射創(chuàng)造了條件。在一個(gè)周期內(nèi)正離子和電子可以交替轟擊靶面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣材料的濺射。由于在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)靶材既有濺射又有中和，因此能使得濺射持續(xù)進(jìn)行。,射頻方法在靶材產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即射頻電場(chǎng)作

12、用的同時(shí)，靶材自動(dòng)處于較大的負(fù)電位，導(dǎo)致氣體離子自發(fā)對(duì)其轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對(duì)其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過程。,射頻濺射的特點(diǎn) 1.能產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，達(dá)到對(duì)靶材的轟擊濺射，并沉積在襯底上。 2.不需要在高壓下產(chǎn)生二次電子來維持放電，射頻濺射可在低壓下進(jìn)行，沉積速率較直流濺射高(此時(shí)氣體散射少)。 3.射頻濺射可將能量直接耦合給等離子體中的電子，故其工作電壓和對(duì)應(yīng)的靶電壓較低(相較于直流濺射)。,射頻濺射的缺點(diǎn) 高能電子轟擊襯底，導(dǎo)致襯底發(fā)熱并損害鍍膜質(zhì)量。 大功率的射頻電源不僅造價(jià)高，對(duì)于人身防護(hù)也有一定問題，因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)。,3).磁控濺

13、射,磁控濺射技術(shù)作為一種高速、低溫、低損傷的濺射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。 高速是指淀積速率快(與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)) 低溫是指襯底的溫升低 低損傷是指對(duì)膜層的損傷小,在靶材附近加入磁場(chǎng)，垂直電場(chǎng)方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加電子運(yùn)動(dòng)的路徑，提高電子與氣體分子的碰撞幾率。同時(shí)，受正交電磁場(chǎng)束縛的電子，只能在其能量要耗盡時(shí)沉積在襯底上。 使得磁控濺射具有低溫、高速的特點(diǎn)。,在電場(chǎng)E作用下，電子與氬原子碰撞，電離產(chǎn)生Ar+和新的電子。 新電子飛向襯底，Ar+電場(chǎng)作用加速飛向陰極靶，以高能量轟擊，發(fā)生濺射。 靶原子沉積成膜，產(chǎn)生的二次電子沿EXB所指方向漂移。碰撞次數(shù)增加，二次電子能量下降，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，最終沉積在襯底上。傳遞能量很小，致使襯底溫升較低。,磁控濺射的特點(diǎn) 工作氣壓低，沉積速率高 維持放電所需的靶電壓低 電