1、5.0 物理气相沉积 5.1、真空蒸发法 5.2、蒸发源 5.3、气体辉光放电 5.4、溅射,第五章 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 真空的获得,5.0 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition),PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:,1、所生长的材料以物理方式由固体转化为气体； 2、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底； 3、蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。,5.0.1 物理气相沉积(PVD),PVD的物理原理,块状材料 (靶材),扩散、吸附、凝结成薄膜,物质输运 能量输运,能量,衬底,残留气体对薄膜生长的影响,生
2、长材料的分子,残留气体的分子,残留气体在衬底上 形成一单原子层所需时间,Substrate,PVD的一般特性,物理吸附 比外延生长速率快很多 衬底与薄膜材料，可异质生长 厚度范围: 典型薄膜：nm m 也可以生长更厚的膜,PVD生长条件,高真空 高纯材料 清洁和光滑的衬底表面 提供能量的能源,5.0.2 薄膜生长,超薄膜： 10 nm 薄膜： 50 nm1 m 中间范围：1 m 10 m 厚膜： 10 m 100 m,单晶薄膜：外延生长GaAs薄膜 多晶薄膜： ZnO,ITO 无序薄膜：a-Si,SiO2,按厚度:,按结构:,薄膜分类,在薄膜生长过程中，由于衬底与薄膜的晶格失配度和表面能与界面
3、能不同，其生长模式也不同。,薄膜生长,三种生长模式,晶格匹配体系的二维层状(平面)生长 Frank-van der Merwe (FVDM) Mode Layer by Layer ( 2D ),大晶格失配和较小界面能材料体系由层状过渡到岛状生长 Stranski-Krastanov (SK) Mode Layer Plus Island Growth( 2D-3D ),大晶格失配和大界面能材料体系的三维岛状生长 Volmer-Weber (VW) Mode Island Growth ( 3D ),5.0.3 真空的获得,n 气体分子的密度 v 平均速度,常用真空泵的工作压强范围及起动压强,
4、常用真空泵的汉语拼音代号及名称,旋片式机械泵原理,旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。 偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。 转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上，转子的转动是由马达带动的 。 定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。,当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。 当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽
5、容器中抽出。,旋片式机械泵原理,热退火：T，t消除晶格损伤使注入的杂质进入晶格位置以实现电激活 热退火中的扩散效应：杂质分布展宽，偏离注入时杂质分布 快速退火：脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光以及非相干宽带光源等。 特点：瞬时，某个区域加热到所需要温度，退火时间短(10-3-102秒),上节课内容小结,气体系统特殊的传送系统来操作危险气体；用氩气来净化系统及校准离子束。 电控系统高压系统（离子能量，从而控制结深）；射频系统（一些离子源需要用射频电源来产生离子）。 真空系统需要高真空来加速离子以及减少碰撞；真空度为10-5-10-7 torr；使用分子泵和低温泵；排空系统。
6、离子束线控制离子源；提取电极；磁分析器；后加速器；等离子体溢注系统；底部分析器。,离子注入系统,上节课内容小结,上节课内容小结,PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:,1、所生长的材料以物理方式由固体转化为气体； 2、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底； 3、蒸气在衬底表面上凝结，形成薄膜。,物理气相沉积,薄膜生长的三种生长模式： 二维层状、三维岛状、先层状后岛状生长,上节课内容小结,真空 真空的划分：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、真空测量规 真空泵：低真空泵：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、
7、Ti升华泵 真空规管：低真空规管：热偶规、pirani规高真空规管：离子规,泵的底部是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出，形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流。 油分子与气体分子碰撞，由于油分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去。 在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小由于这个浓度差，使被抽气体分子得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走。 慢下来的蒸汽流向下运动过程中碰到水冷的泵壁，油分子冷凝，沿着
8、泵壁流回蒸发器继续循环使用。,结构特点和工作原理,涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子（即动叶轮）、静叶轮和驱动系统等组成。 动叶轮和静叶轮交替排列，动、静叶轮几何尺寸基本相同，但叶片倾斜角相反。 每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙，动叶轮可在静叶轮间自由旋转。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度（一般为150400米/秒）。,1958年，德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种。,利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。 涡轮分子泵的优点是启动
9、快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。 涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。,20个动叶轮组成的整体式转子,阳极和阴极间加高压，电子在阳极被加速，在磁场作用下旋转。 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运动，被阴极材料（如Ti）吸附，并且把表面的Ti溅射出来。 溅射出来的Ti原子还可以与气体离子反应，使抽速增大。,加热Ti丝，使Ti原子蒸发出来。 Ti与反应室内的气体分子反应，凝结在腔壁上。,真空的测量,测量栅极和收集极之间的电流。,真空蒸发和溅射是物
10、理气相淀积技术中最基本的两种方法。 蒸发的优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。 蒸发法缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。 溅射法特点：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制；沉积的薄膜与衬底附着性好。,5.1、真空蒸发制备薄膜的基本原理,蒸发：在任何温度下，材料表面都存在蒸气，当材料的温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华，而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。热蒸发法：在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜。,蒸发概念,加热蒸发过程：对蒸发源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，则固态
11、源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。 气化原子或分子在蒸发源与基片间输运过程：原子或分子由源飞向衬底，飞行过程中可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到衬底之间的距离。 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过程。由于衬底温度低于蒸发源温度，同时被蒸发的原子或分子只有极低的能量，在衬底表面不具有移动的能力，因此，到达后将直接发生从气相到固相的相变过程，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,分子蒸发热,积分常数,环境温度,固体物质的蒸发率,蒸发系数,分子量,环境压强,任何物质总在不断地发生
12、着固、气、液三态变化，设在一定环境温度T下，真空室内从固体物质表面蒸发出来的气体分子与该气体分子从空间回到该物质表面的过程达到平衡时的压力，称为饱和蒸气压Ps。,饱和蒸气压与蒸发速率,气体分子的平均自由程,蒸发沉积过程需在高真空下进行,蒸发时一般要选择比d大23倍，因为在蒸发过程中，真空室内温度升高后要放出大量气体，会使真空度降低。 当气体分子平均自由程等于蒸发源到衬底的距离时，约有63的分子会在途中发生碰撞；当平均自由程 10倍于蒸发源到衬底的距离时，就只有9左右的分子在途中发生碰撞。可见只有当d时，蒸发物质分子才能无阻挡地、直线达到衬底的表面。 一般蒸发源到衬底距离d在30cm左右，要求真
13、空室气体压强为10-210-4Pa，这时的平均自由程与蒸发源到基片的距离相比要大得多。,衬底到蒸发源的距离d,薄膜厚度的均匀性同蒸发源的形状有很大的关系。对于点蒸发源，基片平行放置在蒸发源的正上方， 则膜厚分布为：,其中d0表示点源到基片垂直点的膜厚，h为垂直距离，l为基片点距离垂直点的距离，M为总蒸发质量，为物质的密度。,薄膜厚度的均匀性,对于微小平面蒸发源，有,利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：单源蒸发法、多源同时蒸发法和多源顺序蒸发法。,多组分薄膜的蒸发方法, 电阻加热蒸发,用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料 升高温度，熔解并蒸
14、发材料,5.2 蒸发源加热方式,常用电阻加热源,加热丝,加热舟,坩埚,盒状源 （Knudsen Cell）, 电子束蒸发源,用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 材料置于冷却的坩埚内 只有小块区域被电子束轰击，坩埚内部形成一个虚的“坩埚” 不与坩埚材料交叉污染，清洁。,电子束蒸发源蒸发,坩埚与材料,衬底,真空室,真空泵,厚度监控仪,充气管道,反应气体管道,Plume,电子枪,E-Gun Crucible,Substrate fixture, 脉冲激光源蒸发,用高能聚焦激光束轰击靶材，可蒸发高熔点材料 蒸发只发生在光斑周围的局部区域 蒸发材料受热气化，直接从固体转化为等离子体 能轰击出来大尺寸的颗粒
15、 光束渗透深度小 100 A, 蒸发只发生在靶材表面,脉冲激光源蒸发,真空泵,Plume,靶材,衬底,真空室,厚度监控仪,充气管道,反应气体管道,激光束, 高频感应源蒸发,通过高频电磁场感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，直至蒸发材料气化蒸发。 蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成。特点是：(1)蒸发速率大，可采用较大坩埚，增加蒸发表面；(2)蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象；(3)温度控制精度高，操作比较简单；(4)大功率高频电源，价格昂贵，且需要进行屏蔽，防止外界的电磁干扰。,5.3 气体辉光放电,溅射：一定能量的入射离子对固体表面进行轰击，在与表面原子碰撞过程中发生能量和动量的
16、转移，将固体表面的原子溅射出来，称这种现象为溅射。 实际溅射时，一般是被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以也称为阴极溅射。辉光放电：溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离子都是来源于气体放电，只是不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。,5.3.1 直流辉光放电,在一圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极，里面充以气压约为几Pa到几十Pa的气体，在电极上加上直流电压，平板电极间的电压V与电流I的关系如图。,(1)无光放电区,在一般情况下，气体基本处于中性状态，只有极少量的原子受到高能宇宙射线的激发而电离。当有外场时，电离产生的离子和电子作定向运动，运动速
17、度随电压的增加而加快，因此电流也从零逐渐增加。当电极之间的电压足够大时，带电粒子的运动速度达到饱和，再增加电压，到达电极的电子和离子数目不变，电流也不随之增加。由于电离量很少，宏观上表现出的电流很微弱，且不稳定，一般仅有10-16-l0-14A，取决于气体中的电离分子数。这个区域导电而不发光，称为无光放电区，如图中的ab段所示。,当电极间的电压继续升高时，电子的运动速度加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞，而会使气体分子电离，产生正离子和电子(作用)，同时正离子对阴极的碰撞也将产生二次电子(作用) 。新产生的电子和原有的电子继续被电场加速，在碰撞过程中有更多的气体分子被电离，使离子
18、和电子数目雪崩式的增加，放电电流也就迅速增大，在伏安曲线上便出现汤生放电区，如的bc段所示。在汤生放电区，电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制而呈一常数。无光放电和汤生放电，都是以存在自然电离源为前提，这种放电方式又称为非自持放电。,(2)汤生放电,上节课内容小结,真空 真空的划分：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、真空测量规 真空泵：低真空泵：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、Ti升华泵 真空规管：低真空规管：热偶规、pirani规高真空规管：离子规,上节课内容小结,真空蒸发和溅射是物理气相淀积技术中最基
19、本的两种方法。 蒸发的优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。 蒸发法缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。 溅射法特点：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制；沉积的薄膜与衬底附着性好。,上节课内容小结,饱和蒸气压：真空室中，在一定环境温度T下，固体（或液体）与其蒸气达到相平衡时气体的压力。同一物质，温度升高，饱和蒸气压增大 ；不同物质，饱和蒸气压大，说明该物质容易蒸发。,点源，膜厚分布为：,薄膜厚度的均匀性：同蒸发源的形状有很大的关系。,对于微小平面蒸发源，有,上节课内容小结, 电阻加热蒸发：欧姆热，最简单、常用,蒸发源加热方式, 电子束蒸发源：高能聚集电
20、子束，微区，虚坩埚避免交叉污染, 脉冲激光源蒸发：高能聚集激光束，高熔点材料，局部区域， 入射深度小，蒸发只发生在靶材表面, 高频感应源蒸发：蒸发速率大，温度均匀，价格贵，需屏蔽,(3)辉光放电,在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。,放电的着火点 c点，放电区只是阴极边缘和不规则处 前期辉光放电 cd段，电流增加而电压下降，产生负阻现象，这是因为气体被击穿，气体内阻将随着电离度的增加而显著下降。 正常辉光放电区 de段，电流的增加与电压无关，只与阴极上产生辉光的表面积有关。在这个区域内，阴极的有效放电面积随电流增加而增大，而阴极有效放电区内的电流密度
21、保持恒定。 在这一阶段，导电的粒子数目大大增加，在碰撞过程中转移的能量也足够高，因此会产生明显的辉光，维持辉光放电的电压较低，而且不变。 气体击穿之后，电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击使气体电离，即使不存在自然电离源，放电也将继续下去。这种放电方式又称为自持放电。,反常辉光放电 ef段，电流增大时，两个极板之间电压升高，而且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。 e点时，辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，与阴极间距离缩短。 此时要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。,(4)反常辉
22、光放电,由于正常辉光放电时的电流密度仍然比较小，溅射区域一般选在反常辉光放电区。,电弧放电 fg段：随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流急剧增加，这时的放电现象开始进入电弧放电阶段。,(5)电弧放电,在辉光放电时，整个放电管将呈现明暗相间的光层，从阴极至阳极之间，整个放电区域可以被划分八个发光强度不同的区域。 暗区相当于离子和电子从电场获得能量的加速区，而辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。 这种放电击穿之后具有一定导电能力的气体称为等离子体，是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体，而且正、负带电粒的数目相等，宏观上呈现电中
23、性的物质存在形态。,直流辉光放电的各种阴极形式,在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁而离开放电空间，相对地减少了带电粒子的损失。 在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量使气体分子电离，只要有较低的电场就可以维持放电。 阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。而在直流放电中，离子对阴极碰撞所产生的二次电子发射对维持放电是不可忽略的。 射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可是绝缘体。,5.3.2 射频辉光放电,射频放电的激发源有两种：一种是用高频电场直接激发的，称为E型放电；另一种是用高频磁场感应激发的
24、，称为H型放电。,直流辉光放电是在直流稳定电场或低频交变电场作用下产生的气体放电现象。在一定气压下，当阴阳极之间所加交变电压的频率在射频范围时，就会产生稳定的射频辉光放电其特点是：,5.4 溅射,离子对物体表面轰击时可能发生四种情况，如图。溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。其中每种物理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量离子与固体的作用过程，不仅可以实现对于物质原子的溅射，还可以实现离子注入、离子的卢瑟福背散射等现象。,溅射现象是在辉光放电中观察到的。溅射现象不仅能制备薄膜，而且可以对固态表面进行清洁处理，在等离子刻蚀中广泛应用。,与蒸发法相比，在溅射过程中入射
25、离子与靶材之间有很大能量的传递。因此，溅射出的原子从溅射过程中获得很大的动能。由于能量的增加，可以提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力、改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。,5.4.1 溅射特性溅射率,入射离子能量对溅射率有很大的影响。只有当入射离子的能量超过一定能量(溅射阈值)时，才能发生溅射，每种物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。随着入射离子能量的增加，溅射率先是增加，其后是一个平缓区，当离子能量继续增加时，溅射率反而下降，此时发生了离子注入现象。,溅射率与入射离子能量的关系,一方面，溅射率S依赖于入射离子的原子量，原子量越大，则溅射率越高。溅射率也与入射离子的原子序数
26、有密切的关系，呈现出随离子的原子序数周期性变化关系，凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。因此，惰性气体的溅射率最高，氩通常被选为工作气体，氩被选为工作气体的另一个原因是可以避免与靶材料起化学反应。,溅射率与入射离子种类的关系,5.4.2 溅射方法,具体溅射方式较多： 直流溅射 ( 导电材料 ) ； 射频溅射( 可绝缘介质材料 )； 磁控溅射： 反应溅射(氧化物、氮化物) ； 离子束溅射； 偏压溅射等。,直流溅射,直流溅射常用Ar气作为工作气体。工作气压是一个重要的参数，它对溅射率以及薄膜的质量都有很大的影响。,在较低的气压条件下，溅射率较低。 随着气体压力的升高，电子的平均自由程减
27、少，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率提高。 但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，因而其淀积到衬底上的几率反而下降。 因此随着气压的变化，溅射淀积的速率会出现一个极值。 此外，淀积速率与溅射功率(或溅射电流的平方)成正比、与靶材和衬底之间的间距成反比。,直流溅射方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。射频溅射是一种能适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法。在两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入淀积室，不必要求电极一定是导电体。射频方法可以在靶材上产生自偏压效应即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电
28、位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。在实际应用中，射频溅射的交流辉光放电是在l 3.56MHz下进行的。,射频溅射,在射频电场中电子的运动速度比离子的速度高很多，因而对于射频电极来说，它在正半周期内作为正电极接受的电子电量将比在负半周期作为负电极接受的离子电量多得多。经过几个周期之后，该电极上将带有相当数量的负电荷而呈现负电位。导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。,射频电压通过一个电容C被耦合到了靶材上。,磁控溅射,上述溅射淀积方法具有两个缺点：淀积速率较低；溅射所需的工作气压较高，造成气体分子对薄膜产生污染。如图，在靶材的部分表面上方使磁场与电场方向垂直，从而进一步将电子的轨迹限
29、制到靶面附近，提高电子碰撞和电离的效率，而不让它去轰击作为阳极的衬底。这种方法淀积速率可以比其他溅射方法高一个数量级，工作气压可以明显降低，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，在很大程度上改善薄膜的质量。,反应溅射,采用以纯金属作为溅射靶材，但在工作气体中通入适量的活性气体，使其在溅射淀积的同时生成特定的化合物，这种在淀积的同时形成化合物的溅射技术被称为反应溅射方法。缺点：随着活性气体压力和溅射功率的增加，靶材表面也可能形成一层化合物，这可能会降低材料的溅射和淀积速率。,利用化合物直接作为靶材可以实现多组分薄膜的沉积，但是有时候化合物在溅射过程中会发生分解。,第五章作业,物理气相沉积 采用蒸发工艺进行薄膜沉积时，蒸发源的加热方式主要有几种？各自的特点是什么？ 什么是溅射？ 离子对物体表面轰击时可能发生几种情况，溅射和离子注入都是可能发生的物理过程之一，这主要取决于什么？ 溅射主要分为几种溅射方式？各自的特点是什么？ 两种PVD技术（蒸发和溅射）的特点各是什么？,
