气相沉积技术

真空技术基础
所谓“真空”是指低于101.3kPa的气体状态，即与正常的大气相比，是较 为稀薄的一种气体状态。因此，我们所说的“真空”均指相对真空状态。 “真空度”和“压强” 真空度” 压强” 真空度是对气体稀薄程度的—种度量，最直接的物理量应该是每单 位体积中的分子数， 气体的压强是指气体作用于单位面积器壁上的压力。 真空度的高低通常都用气体的压强来表示。 真空度的高低通常都用气体的压强来表示。 为了方便起见，常根据压强的高低，习惯将真空划分为以下几个区域： 粗真空： 真空
溅射镀膜方法
溅射方法根据特征可分为：直流溅射 射频溅射 磁控溅射 反应溅射 直流溅射、射频溅射 磁控溅射和反应溅射 直流溅射 射频溅射、磁控溅射 反应溅射。
1、二极溅射
溅射原理：阴极溅射时，靶材作为阴极，其 溅射原理 过程首先是将密闭系统抽至真空度为 133.3×10 ～133.3×10 Pa，然后充入一定 量的惰性气体（通常是氩气），此时真空度 应保持在133.3×10 ～133.3×10 Pa。在阴 极和阳极之间之间加上3～4kv的高电压，这 时惰性气体即产生辉光放电,并部分电离，在 阴极周围形成一个暗区。阴极暗区的等离子 体包括惰性气体的离子、中性原子、电子和 光子。在阴极负高压的吸引下，阴极暗区内 的惰性气体离子(如Ar+)被加速，并以极高的 速度轰击靶，使靶材溅射出来。从靶材溅射 出来的原子或分子以足够高的速度飞向放在 周围的零件而形成镀层。由于溅射出来的原 子具有10～35ev的动能，因而溅射膜的附着 力较强。
离子镀
离子镀技术是结合了蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展起来的一种物理气相沉积方法。

离子镀的定义：是指在真空条件下，利用气体放 离子镀的定义：是指在真空条件下， 电使工作气体或被蒸发物质（镀料）部分离化， 电使工作气体或被蒸发物质（镀料）部分离化，在 工作气体离子或被蒸发物质的离子轰击作用下， 工作气体离子或被蒸发物质的离子轰击作用下，把 蒸发物或其反应物沉积在被镀物体表面的过程。 蒸发物或其反应物沉积在被镀物体表面的过程。 离子镀的类型：（从离子来源的角度可分为） 离子镀的类型：（从离子来源的角度可分为） ：（从离子来源的角度可分为 蒸发源离子镀和溅射离子镀两大类。 蒸发源离子镀和溅射离子镀两大类。 离子镀技术的特征：在基片上施加负偏压， 离子镀技术的特征：在基片上施加负偏压， 用来加速离子，增加调节离子的能量。 用来加速离子，增加调节离子的能量。
材料表面强化技术
第三章 气相沉积技术
气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在 表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。
Target Medium Substrate
气相沉积的物理基础
相变驱动力 驱动力是亚稳定的气相与沉积固相之间的吉布斯自由能差，沉积的相变阻 驱动力 相变阻 力还是形成新相表面能的增加。 气相沉积的必要条件是沉积物质的过饱和蒸汽压，过饱和度是气相沉积的动力， 遵守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变， 形成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。
3、磁控溅射 传统溅射方法缺点： ① 传统溅射方法缺点：
• 沉积速率比较低 沉积速率比较低，特别是阴极溅射，共放电过程中只有大约0.3％～0.5％的 气体分子被电离； •工作气压高； 工作气压高； 工作气压高 •气体分子对薄膜污染高 气体分子对薄膜污染高
磁控溅射技术： ② 磁控溅射技术：
• 是一种高速低温溅射技术，由于在磁控溅射中运用了正交电磁场，使离化率提高 到5%～6%，使溅射速率比二极溅射提高10倍以上，沉积速率可达每分钟几百至 2000nm。
合金和化合物的溅射
合金靶材：为了得到与靶材成分基本相同的膜层，应当加强靶的冷却，使靶处在冷态下溅 合金靶材 射，这样就降低了靶内组分的扩散效应。开始溅射时，高溅射率的组分优先溅出，表面该 组分贫化，若降低扩散迁移，深层元素不向表面补充，表面低溅射率元素浓度相对增高下 多溅出，就可使沉积膜接近靶材成分。 化合物靶材：大多数化合物的离解能在10～100eV范围内，而溅射工况下入射离子能量都超 化合物靶材 过这一范围，所以，化合物靶材在溅射时化合物会发生离解。膜成分和靶组分的化学配比 将发生偏差，化合物的离解产物中常常是气体原子，有可能被抽气系统抽掉，所以要补偿 膜组分中化学配比的偏差，需要引入适量的“反应气体”，通过反应溅射的方式来纠正化 学配比的偏差。例如，氧化物、氮化物或硫化物的溅射中，需要添加一定比例的O2，N2， H2S等参加到溅射气体中进行反应溅射，以保证化学配比。
-3 -2 -5 -4
？如果靶材是绝缘材料，在正离子的轰击下就会带正电，从而使电位上升，离子加 如果靶材是绝缘材料，在正离子的轰击下就会带正电，从而使电位上升， 速电场就逐渐变小，到停止溅射，至辉光放电停止。 速电场就逐渐变小，到停止溅射，至辉光放电停止。
2、射频溅射
在高频交变电场作用下，可在绝 缘靶表面上建立起负偏压的缘故。在 靶上施加射频电压，在靶处于正半周 时，由于电子质量比离子质量小，故 迁移率高，在很短时间内飞向靶面， 中和其表面累积的正电荷，并且在靶 表面迅速积累大量电子，使靶材表面 呈负电位，吸引正离子继续轰未靶表 面产生溅射。实现了正、负半周中， 均可产生溅射。
4、反应溅射
溅射键膜中，引入某些活性反应气体与溅射粒子进行化学反应，生成不同于靶材的 化合物薄膜。例如通过在O2中溅射反应制备氧化物薄膜．在N2或NH3个制备氮化物薄膜， 在C2H2或CH4中制备碳化物薄膜等。 将反应气体和溅射气体分别送至基板和 靶附近，以形成压力梯度。一般反应溅射的 气压都很低，气相反应不显著。但是，等离 子体中流通电流很高，对反应气体的分解、 激发和电离起着重要作用，因而使反应溅射 中产生强大的由载能游离原子团组成的粒子 流，与溅射出来的靶原子从阴极靶流向基片， 在基片上克服薄膜生成的激活能，而生成化 合物。在很多情况下，只要改变溅射时反应 气体与惰性气体的比例，就可改变薄膜性质， 如可使薄膜由金属导体非金属。
溅射产额 溅射产额是指每一个入射离子所击出的靶 材的原子数，又称溅射率或溅射系数。用S表示。 溅射产额S的大小与轰击粒子的类型、能量、 入射角有关，也与靶材原子的种类、结构有关， 与溅射时靶材表面发生的分解、扩散、化合等 状况有关，与溅射气体的压强有关。
溅射能量阈值 当入射离子的能量小于或等于某个能量值时，不会发生溅射，S=0，此值 称为溅射能量阈值。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。 与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。 与入射离子的种类关系不大
气相沉积的特点
① 气相沉积都是在密封系统的真空条件下进行，除常压化学气相沉积 系统的压强约为一个大气压外，都是负压。沉积气氛在真空室内进行， 原料转化率高，可以节约贵重材料资源。 ② 气相沉积可降低来自空气等的污染，所得沉积膜或材料纯度高。 ③ 能在较低温度下制备高熔点物质。 ④ 便于制备多层复合膜、层状复合材料和梯度材料。
旋片式机械泵结构示意图
低温泵结构示意图
几种常用真空泵的真空使用范围
根据成膜过程机理的不同，可将气相沉积技术分为物理气相沉积 （PVD）、化学气相沉积（CVD）和物理化学气相沉积（PCVD)三个大类 。
物理气相沉积
一般说来，物理气相沉积是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸 发、溅射、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、 等离子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在 基体上沉积为固相薄膜的过程。
1× 10 2 − 1×105 Pa
低真空： 1×10 −1 − 1×10 2 Pa 高真空： 1× 10 −6 − 1×10 −1 Pa 超高真空：1× 10 −10 − 1× 10 −6 Pa 极高真空： < 10
−10
Pa
真空的获取 气体传输泵：旋片式机械真空泵、油扩散泵、分子泵；——前级泵 气体捕获泵：分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵。——次级泵。
溅射机理 溅射完全是动能的交换过程。入射离子最初撞击靶体表面 上的原子时，产生弹性碰撞，它的动能传递给靶表面的原子， 该表面原子获得的动能再向靶内部原子传递，经过一系列的碰 撞过程即级联碰撞，其中某一个原子获得指向靶表面外的动量， 并且具有了克服表面势垒（结合能）的能量，它就可以溢出靶 面而成为溅射原子。
入射粒子引起靶材表面 原子的级联碰撞示意图
在溅射过程中，通过动量传递， 的离子能量作为热量而被损耗， 在溅射过程中，通过动量传递，95%的离子能量作为热量而被损耗，仅有 的离子能量作为热量而被损耗 仅有5%的能量传递 的能量传递 给二次发射的粒子。 给二次发射的粒子。 溅射的中性粒子:二次电子 二次离子 溅射的中性粒子 二次电子:二次离子 二次电子 二次离子=100:10:1
真空蒸镀
真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀膜简称蒸发镀，是在真空条件下用蒸发器加热 待蒸发物质，使其汽化并向基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。 真空蒸镀的基本过程 (1) 加热蒸发过程：包括固相或液相转变为气相 的相变过程(固相或液相→气相)，每种物质在不同的 温度有不同的饱和蒸气压。 (2) 汽化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 此过程中汽化原子或分子与残余气体分子发生碰撞的 次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及源—基 距离。 (3)蒸发原子或分子在基片表团的沉积过程，即 蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜(气相→固相的 相变过程)。
溅射
溅射现象 入射核能离子轰击靶材表面产生相互作用，结果 会产生如图所示的一系列物理化学现象，主要包括三 类现象： ⑴ 表面粒子：溅射原子或分子 溅射原子或分子，二次电子发射， 溅射原子或分子 正负离子发射，溅射原子返回，解吸附杂质（气体） 原子或分解，光子辐射等。 ⑵ 表面物化现象：加热、清洗、刻蚀、化学分解 或反应。 ⑶材料表面层的现象：结构损伤（点缺陷、线缺 陷）、热钉、碰撞级联、离子注入、扩散、非晶化和 化合相。