表面处理技术概论第5章气相沉积技术
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气相沉积技术
温度对化学反应的速率和程度有重要影响 ，同时也影响固态薄膜的结晶度和结构。
反应气体流量
基材温度
反应气体流量对化学反应的速率和产物有 直接影响，适当调整气体流量可以提高薄 膜的质量和性能。
基材温度对固态薄膜的附着力和结晶度有 重要影响，适当提高基材温度可以提高薄 膜的附着力和致密性。
03
气相沉积技术分类
化学气相沉积（CVD）是一种利用化学反应将气态物质转化为固体薄膜的工艺。
CVD技术通过将反应气体在一定温度和压力下进行化学反应，生成固态薄膜沉积在 基材表面。
CVD技术适用于制备各种高性能材料，如金刚石、类金刚石碳、碳化硅和氮化硅等。
物理化学气相沉积
物理化学气相沉积（PCVD）结合了物理气相沉积和 化学气相沉积的原理，通过物理和化学两种方式共同
未来应用前景与挑战
应用前景
气相沉积技术在许多领域都有广泛的应用前景，如半导体、新能源、生物医疗、环保等。随着技术的不断进步和 应用领域的拓展，气相沉积技术有望在未来发挥更加重要的作用。
挑战
尽管气相沉积技术具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战，如设备成本、技术成熟度、生产效率和环保问题 等。因此，在未来的发展中，需要加强技术研发和产业合作，推动气相沉积技术的广泛应用和可持续发展。
复合材料
通过气相沉积技术将两种或多种材料复合在一起， 形成具有优异性能的复合材料。
光学薄膜制备
高反射膜
利用气相沉积技术制备高反射膜，用于反射激光、增强光学器件的 反射率。
增透膜
通过气相沉积技术制备增透膜，减少光学器件表面的反射，提高光 的透过率。
滤光片
气相沉积技术可制备各种光学滤光片，用于光谱分析、激光控制等领 域。
气相沉积技术
表面处理技术概论-气相沉积技术
0
第五章 气相沉积技术
5.1.1 真空蒸发沉积
• 真空蒸发沉积薄膜具有简单便利、操作容易、成 膜速率快、效率高等特点，是薄膜制备中最为常 用的方法之一。
• 这一技术的缺点是形成的薄膜与基片结合较差， 工艺重复性不好。
• 在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环 境。在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量 以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发 薄膜沉积。
第五章 气相沉积技术
分类 名称
真空蒸 电阻蒸发沉积 发沉积 电子枪蒸发沉积
激光蒸发沉积
溅 二极型离子沉积 射 三极型离子沉积 沉 射频溅射沉积 积 磁控溅射沉积
离子束溅射沉积
离 空心阴极离子沉积 子 活性反应离子沉积 沉 热丝阴极离子沉积 积 阴极电弧离子沉积
外延 沉积
分子束外延沉积 液相外延沉积 热壁外延沉积
第五章 气相沉积技术
5.1.4 溅射沉积
• 利用带有电荷的离子在电场中加速后具有 一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的 靶电极。在离子能量合适的情况下，入射 的离子将在与靶电极表面的原子的碰撞过 程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的 原子带有一定的动能，并且会沿着一定的 方向射向基材，从而实现在基材表面上的 沉积。
• 在溅射化合物时，这里以Ar离子轰击GaAs 为例。这种情况下，溅射出来的原子与分 子中有99%是Ga或者As的中性单原子，剩 下的才是中性GaAs分子。
第五章 气相沉积技术 ⑶ 溅射沉积装置
• 直流溅射一般只能用于靶材为良导体的溅 射。
直流溅射沉积装置的示意图
第五章 气相沉积技术
• 直流溅射又被称为阴极溅射或二级溅射。 相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较 大，原子的电离过程多发生在距离靶材很 远的地方，因而离子运动至靶材处的概率 较小。同时，低压下电子的自由程较长， 电子在阳极上消失的概率较大，而离子在 阳极上溅射的同时发出二次电子的概率又 由于气压较低而相对较小。这使得低压下 的原子电离成为离子的概率很低，在低于 1Pa的压力下甚至不易发生自发放电。这些 均导致低压条件下溅射速率很低。
气相沉积原理
气相沉积原理
气相沉积（Gas Phase Deposition）是一种用于合成薄膜的技术，其原理是将气体或蒸汽沉积在基底表面上生成薄膜。
该技术通常适用于需要高纯度和均匀性的薄膜材料制备。
在气相沉积中，薄膜的合成过程分为两个阶段：气体源的转化和固体相的形成。
首先，气体源被转化成反应物，在高温和高压的条件下，通过化学反应或热分解产生反应物。
这些反应物可以是气体、液体或固体的形式。
接下来，反应物将被输送到基底的表面，并发生固相沉积的过程。
在此过程中，反应物分子会逐个附着到基底表面上，形成一个连续的薄膜。
在气相沉积中，有几种常见的技术，包括化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）。
这些技术之间的
差异在于反应物的形式和反应的机理。
化学气相沉积通常使用气体反应物，通过化学反应在表面上生成薄膜。
这种方法可以实现对薄膜成分和结构的精确控制。
而物理气相沉积则使用固体反应物，通过蒸发或溅射的方式将固体转化为薄膜。
这种方法主要依赖于物理过程，如固体的汽化和热扩散。
无论是化学气相沉积还是物理气相沉积，都需要精确控制反应条件和基底表面的处理，以确保薄膜的均匀性和质量。
总之，气相沉积是一种重要的薄膜制备技术，可以用于制备多种材料的薄膜。
通过控制反应条件和处理基底表面，可以实现对薄膜的成分和结构的精确控制，具有广泛的应用潜力。
第五章 气相沉积法
Ni(CO)4 Ni + 4CO
140-240℃
36
3.2 MOCVD的优点： ① 沉积温度低：
减少了自污染，提高了薄膜纯度；对衬底取向要求低；
② 沉积速率易于控制：
沉积过程不存在刻蚀反应；
③ 制备广； ④ 反应装置容易设计：
生长温度范围较宽，易于控制，可大批量生产；
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3.3 MOCVD的主要缺点：
输运反应通式：源物质为A，输运剂为B
源区 T2
沉积区 T1
A(s) xB( g )
ABx (g )
将待沉积物作为源物质（无挥发性物质），借助
适当的气体介质（输运剂），在高温区反应形成 气态化合物；
气态化合物经化学迁移或物理输运到低温沉积区，
在基片上通过逆反应使源物质重新分解出来。
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温度梯度 2.5℃/cm
7
一、化学气相沉积发展
古人类在取暖或烧 烤时在岩洞壁或岩 石上的黑色碳层 20世纪50年 代主要用于 道具涂层 20世纪6070年代用于 集成电路
近年来PECVD、 LCVD等高速发展
80年代低压CVD 成膜技术成为研 究热潮
二、CVD基本原理 1. 化学气相沉积的定义
利用气态物质通过化学反应在基材表面形成固态沉
低温区 T1=T2-13.5℃
高温区 T2=850~860℃
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三、化学气相沉积的特点
优点
可制作金属、非金属薄膜； 生长温度可低于材料的熔点； 纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好； 易实现掺杂； 结构控制
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缺点
参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易
爆或有毒；
反应温度太高（尽管低于物质的熔点）；
气相沉积技术
真空蒸发镀膜是在真空环境中把镀膜材料加热熔化后蒸发(或升 华)，使大量原子、分子离开熔体表面，凝结在被镀工件表面上来形 成镀膜的。
为了提高蒸发原子与工件的附着力，可对工件进行适当加热。 蒸发镀膜是真空镀膜技术中发展最早、应用最广的一种，其设备简 单，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产，所以其应用也 十分广泛。卷筒式蒸发镀膜装置如图4-25所示。
表层晶格原子也可能以原子团的形式一起被溅
射出来。另外入射的离子还会造成材料内部结
构的一些变化，如产生空位、间隙原子等辐照
损伤。入射的粒子经过多次碰撞，能量耗尽后，
就会在一定的深度停留下来，成为一种杂质原
子，即“注入”。离子轰击还会造成受轰击材
料的发热，同时对膜沉积过程中的晶核形成和
生长过程也有明显的影响，从而影响镀层的结
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2.溅射镀膜 如图4-26所示，当离子轰击表面时，会产生许多有趣的现象，如通过
非弹性碰撞，材料表面会发射出二次电子和光子，有的入射粒子被反弹。 入射离子还可以在其路程上撞出若干个离位原子，这些离位原子又可以撞 出更多的离位原子，就像树杈一样杂乱无章地发展着，成为碰撞级联。一 部分被撞出的原子，方向合适时，就会穿过晶格空隙，最后从材料表面逸 出，就像被溅起的水花一样，成为被溅射原子。
构和性能。
图4-26 离子轰击表面所引起的各种效应
2020年12月29日星期二
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3.离子镀膜技术 1）离子镀膜的原理
离子镀膜技术是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发 物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把 蒸发物质或其反应物沉积在基体上，如图4-27所示。
2020年12月29日星期二
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2020年12月29日星期二
为了提高蒸发原子与工件的附着力，可对工件进行适当加热。 蒸发镀膜是真空镀膜技术中发展最早、应用最广的一种，其设备简 单，价格便宜，工艺容易掌握，可进行大规模生产，所以其应用也 十分广泛。卷筒式蒸发镀膜装置如图4-25所示。
表层晶格原子也可能以原子团的形式一起被溅
射出来。另外入射的离子还会造成材料内部结
构的一些变化，如产生空位、间隙原子等辐照
损伤。入射的粒子经过多次碰撞，能量耗尽后，
就会在一定的深度停留下来，成为一种杂质原
子，即“注入”。离子轰击还会造成受轰击材
料的发热，同时对膜沉积过程中的晶核形成和
生长过程也有明显的影响，从而影响镀层的结
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2.溅射镀膜 如图4-26所示，当离子轰击表面时，会产生许多有趣的现象，如通过
非弹性碰撞，材料表面会发射出二次电子和光子，有的入射粒子被反弹。 入射离子还可以在其路程上撞出若干个离位原子，这些离位原子又可以撞 出更多的离位原子，就像树杈一样杂乱无章地发展着，成为碰撞级联。一 部分被撞出的原子，方向合适时，就会穿过晶格空隙，最后从材料表面逸 出，就像被溅起的水花一样，成为被溅射原子。
构和性能。
图4-26 离子轰击表面所引起的各种效应
2020年12月29日星期二
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3.离子镀膜技术 1）离子镀膜的原理
离子镀膜技术是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发 物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把 蒸发物质或其反应物沉积在基体上，如图4-27所示。
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2020年12月29日星期二
5-气相沉积
蒸镀合金膜
镀制TiC是在蒸镀Ti的同时，向真空室通 入乙炔气，于是基片上发生以下反应而得到 TiC膜层。
2Ti＋C2H2 → 2TiC十H2
分子束外延技术
以蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备，经过 10余年开发，近年来已制备出各种Ⅲ-V族化合物的半导体 器件。
外延是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体 （同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单 晶体（异质外延）。
气相沉积概述
负偏压
靶
plasma
基片
物理 气相沉积
反应性气体 CH4
基片
化学 气相沉积
CVD VS PVD
The main difference is the resulting step profile of the deposited film.
A PVD film deposits straight down onto the
例如铝，在正常情况下(0.1MPa)必须加热到 2400℃才能蒸发，而在10-3Pa的真空下只要加热到 847℃就可以大量蒸发。
大多数金属是先达到熔点后从液相中蒸发，某些 材料如铁、镉、锌、铬、硅等可以从固态升华到气 态。
基本原理
真空蒸发蒸镀常用的真空度为1×10-2Pa~2×10-4Pa
真空度如果不高，镀膜材料会受到残余气体的污 染，蒸发原子、分子在向工件沉积过程中，将与残 余气体分子频繁碰撞冷却，在空间凝聚成小的团粒 落到工件及真空室壁，尤其是动能小的粒子将使镀 膜组织松散，表面粗糙。
多姿多彩的 气相沉积技术
气相沉积概述
气相沉积技术可分为物理气相沉积和化学气 相沉积技术，包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、 离子镀膜、化学气相沉积、等离子体化学气相 沉积等多种方法。
气相沉积技术
①反应气体向工件表面扩散并被吸附； ②吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应； ③生成物质点聚集成晶体并增大； ④表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相； ⑤沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。
物理气相沉积
物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)。使这些气相原子或分子在 一定条件下沉积在工件表面上的工艺。物理气相沉积可分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀互类。与CVD相比，PVD 法的主要优点是处理温度较低，沉积速度较快，无公害等，因而有很高的实用价值。它的不足之处是沉积层与工 件的结合力很小，镀层的均匀性稍差。此外它的设备造价高，操作维护的技术要求也较高。
涂层的特点
①涂层具有很高的硬度、低的摩擦系数和自润滑性能，所以耐磨损性能良好。 ②涂层具有很高的熔点、化学稳定性好，基体金属在涂层中的溶解度小，摩擦系数较低，因而具有很好的抗 黏着磨损能力。使用中发生冷焊和咬合的倾向也很小，而且TiN比TiC更好。 ③涂层具有较强的耐蚀能力。 ④涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力。
③方法的复合。较先进的气相沉积工艺多是各种单一PVD，CVD方法的复合。它们不仅采用各种新型的加热源， 而且充分运用各种化学反应高频电磁(脉冲、射频、微波等)及等离子体等效应来激活沉积粒子。如反应蒸镀、反 应溅射、离子束溅射、多种等离子体激发的CVD等。
化学气相沉积
化学气相沉积(简称CVD)是利用气态物质在一定温度下于固体表面进行化学反应，并在其表面上生成固态沉 积膜的过程。其过程如下：
气相沉积技术
利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分
01 应用
目录
02 发展前景
03 化学气相沉积
04 物理气相沉积
物理气相沉积
物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)。使这些气相原子或分子在 一定条件下沉积在工件表面上的工艺。物理气相沉积可分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀互类。与CVD相比，PVD 法的主要优点是处理温度较低，沉积速度较快，无公害等，因而有很高的实用价值。它的不足之处是沉积层与工 件的结合力很小，镀层的均匀性稍差。此外它的设备造价高，操作维护的技术要求也较高。
涂层的特点
①涂层具有很高的硬度、低的摩擦系数和自润滑性能，所以耐磨损性能良好。 ②涂层具有很高的熔点、化学稳定性好，基体金属在涂层中的溶解度小，摩擦系数较低，因而具有很好的抗 黏着磨损能力。使用中发生冷焊和咬合的倾向也很小，而且TiN比TiC更好。 ③涂层具有较强的耐蚀能力。 ④涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力。
③方法的复合。较先进的气相沉积工艺多是各种单一PVD，CVD方法的复合。它们不仅采用各种新型的加热源， 而且充分运用各种化学反应高频电磁(脉冲、射频、微波等)及等离子体等效应来激活沉积粒子。如反应蒸镀、反 应溅射、离子束溅射、多种等离子体激发的CVD等。
化学气相沉积
化学气相沉积(简称CVD)是利用气态物质在一定温度下于固体表面进行化学反应，并在其表面上生成固态沉 积膜的过程。其过程如下：
气相沉积技术
利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分
01 应用
目录
02 发展前景
03 化学气相沉积
04 物理气相沉积
本科表面工程第5章 气相沉积技术
2. 真空度 ①高真空→高纯薄膜；原子碰撞几率↓，能耗↓ →结合力↑ ②低真空→因碰撞原子能量低，易 形成低能原子团→薄膜组织粗大， 致密度↓，表面粗糙度↑
3. 蒸发源与基体表面的距离 近水楼台先得月 均镀能力不强→通过工件旋转弥补
四、蒸镀设备简介
1. 电阻加热法 原理：
电阻丝直接加热镀膜材料 （或蒸发器皿加热、或通过 坩埚加热镀膜材料）→蒸发 →沉积。 优点：设备简单 缺点： ① 坩埚污染或灯丝污染 ② 蒸发温度小于1500C，不 能用于高熔点成膜材料。 ③ 加热蒸发速度慢
⑵ 离化：
镀膜材料被加热蒸发，反应气 体（N）和蒸发粒子在等离子体 中部分离化（10-20%）。 ⑶ 沉积
在蒸发沉积的基础上，在工件 上加负偏压，吸引高能离子轰击 并沉积成膜。
⑷ 特点：
结合力高
沉积速率不太高→因离化率只 有10-20%。
2. 多弧离子镀
⑴ 蒸发离化 a 引弧→一触即离 b 弧光斑点高速游动在靶面 c 斑点在靶面上形成瞬间微熔池 d 因温度极高，熔料瞬间喷发并 大部离化，形成等离子体。 e 工作气体（N）亦被离化。
团(cluster)。 ③当原子数超过某一临界
值时就变为稳定核。 2. 长大
①稳定核通过捕获入射原 子的直接碰撞而长大。
⑤继续生长，和临近的稳 定核合并，进而变成连续膜。
三、影响蒸镀薄膜质量的因素
1. 基体表面状态 ① 表面清洁度→不洁表面会使膜基结合力↓ ② 基体温度 →T↑,有利于膜基结合力↓ ↘ ↘T↓，有利于膜的凝聚成核 → 矛盾 ③ 晶体结构 →膜基晶体结构相近，有利于薄膜的形核长大。
二、CVD的主要工艺参数
1. 温度：T↑，反应速度↑ ↘ 2. 压力：P ↑, 反应速度↑ →需高温、高压→最大问题 3. 反应物配比：如Ti、N，Si、O要匹配 三、CVD设备（以镀TiN涂层为例）
3. 蒸发源与基体表面的距离 近水楼台先得月 均镀能力不强→通过工件旋转弥补
四、蒸镀设备简介
1. 电阻加热法 原理：
电阻丝直接加热镀膜材料 （或蒸发器皿加热、或通过 坩埚加热镀膜材料）→蒸发 →沉积。 优点：设备简单 缺点： ① 坩埚污染或灯丝污染 ② 蒸发温度小于1500C，不 能用于高熔点成膜材料。 ③ 加热蒸发速度慢
⑵ 离化：
镀膜材料被加热蒸发，反应气 体（N）和蒸发粒子在等离子体 中部分离化（10-20%）。 ⑶ 沉积
在蒸发沉积的基础上，在工件 上加负偏压，吸引高能离子轰击 并沉积成膜。
⑷ 特点：
结合力高
沉积速率不太高→因离化率只 有10-20%。
2. 多弧离子镀
⑴ 蒸发离化 a 引弧→一触即离 b 弧光斑点高速游动在靶面 c 斑点在靶面上形成瞬间微熔池 d 因温度极高，熔料瞬间喷发并 大部离化，形成等离子体。 e 工作气体（N）亦被离化。
团(cluster)。 ③当原子数超过某一临界
值时就变为稳定核。 2. 长大
①稳定核通过捕获入射原 子的直接碰撞而长大。
⑤继续生长，和临近的稳 定核合并，进而变成连续膜。
三、影响蒸镀薄膜质量的因素
1. 基体表面状态 ① 表面清洁度→不洁表面会使膜基结合力↓ ② 基体温度 →T↑,有利于膜基结合力↓ ↘ ↘T↓，有利于膜的凝聚成核 → 矛盾 ③ 晶体结构 →膜基晶体结构相近，有利于薄膜的形核长大。
二、CVD的主要工艺参数
1. 温度：T↑，反应速度↑ ↘ 2. 压力：P ↑, 反应速度↑ →需高温、高压→最大问题 3. 反应物配比：如Ti、N，Si、O要匹配 三、CVD设备（以镀TiN涂层为例）
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• 直流溅射又被称为阴极溅射或二级溅射。 相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较 大，原子的电离过程多发生在距离靶材很 远的地方，因而离子运动至靶材处的概率 较小。同时，低压下电子的自由程较长， 电子在阳极上消失的概率较大，而离子在 阳极上溅射的同时发出二次电子的概率又 由于气压较低而相对较小。这使得低压下 的原子电离成为离子的概率很低，在低于 1Pa的压力下甚至不易发生自发放电。这些 均导致低压条件下溅射速率很低。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
➢ 由于与盛装待蒸发材料的坩埚相接触的蒸发材料 在整个蒸发沉积过程保持固体状态不变，这样就 使待蒸发材料与坩埚发生反应的可能性减少到最 低。直接采用电子束加热使水冷坩埚中的材料蒸 发是电子束蒸发中常用的方法。
➢ 通过水冷，可以避免蒸发材料与坩埚壁的反应， 由此即可制备高纯度的薄膜。通过电子束加热， 任何材料都可以被蒸发，蒸发速率一般在每秒几 分之一埃到每秒数微米之间。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
溅射沉积和蒸发沉积在本质上是有区别的：蒸发沉 积是由能量转换引起的，而溅射沉积 是有 动量转换引起的，所以溅射的溅射出来的 原子是有方向性的。利用这种想象来沉积 物质制作薄膜的方法就是溅射沉积。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
⑴ 辉光放电和溅射现象
• 辉光放电 当容器内的压强在0.1-10Pa时， 在容器内装置的两电极加上电压而产生的 放电。就是正离子轰击阴极，从阴极发射 出次级电子，此电子在克鲁克斯暗区被强 电场加速后再冲撞气体原子，使其离化后 再被加速，然后再轰击阴极这样一个反复 进行过程。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 真空蒸发沉积的设备一般由沉积膜室、抽真空系 统、蒸发源、基材支架、基材加热系统和轰击电 极以及蒸发电源、加热电源、轰击电源、进气系 统等。
•真空蒸发沉积装置示意图 表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 在真空中为了蒸发待沉积的材料，需要容器来支 撑或盛装蒸发物，同时需要提供 蒸发热使蒸发物 达到足够高的温度以产生所需的蒸气压。
（2）源物质经过物理过程而进入气相, 在气相中及 在基材表面并不发生化学反应；
（3）需要相对较低的气体压力环境下沉积，沉积层 质量较高；
（4）物理气相沉积获得的沉积层较薄，厚度范围通 常为纳米微米数量级，属于薄膜范畴。因此，物 理气相沉积技术通常又称为薄膜技术，是其它表 面覆层技术所无法比拟的；
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
热弧放电 辉光放电 热弧放电 冷场致弧光放电
50～100
1000 100～120 50～200
1～10-1 1～10-2 1～10-1 1～10-1
20～40 5～15 20～40 60～90
－
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10-3～10-4
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1～10-1
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1～10-1
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表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1.1 真空蒸发沉积
表面处理技术概论第5章 气相沉积技术
2020/12/6
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 气相沉积技术是通过气相材料或使材 料气化后沉积于固体材料或制品(基片) 表面并形成薄膜，从而使基片获得特 殊表面性能的一种新技术。近40年来， 气相沉积技术发展迅速，已在现代工 业中得到广泛应用并展示了更为广阔 的发展和应用前景。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
目录
• 5.1 物理气相沉积 • 5.2 化学气相沉积技术 • 5.3 气相沉积技术制备薄膜 • 思考题
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1 物理气相沉积
• 5.1.1 真空蒸发沉积 • 5.1.2 电阻蒸发沉积 • 5.1.3 电子束蒸发沉积 • 5.1.4 溅射沉积 • 5.1.5 离子镀 • 5.1.6 外延沉积（生长）离子镀
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 一般来讲，沉积速度与溅射功率（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。
•溅射沉积速率与工作气压间的关系 表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
• 溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很 多次碰撞，因而能量较高，这有利于提高沉积时原子的扩 散能力，提高沉积组织的致密程度。溅射气压的提高使得 入射的原子能量降低，不利于薄膜组织的致密化。
• 在溅射化合物时，这里以Ar离子轰击GaAs 为例。这种情况下，溅射出来的原子与分 子中有99%是Ga或者As的中性单原子，剩 下的才是中性GaAs分子。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
⑶ 溅射沉积装置
• 直流溅射一般只能用于靶材为良导体的溅 射。
•直流溅射沉积装置的示意
图
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
•电子束加热装置 表面处理技术概论第5章气相沉积技
术
5.1.4 溅射沉积
• 利用带有电荷的离子在电场中加速后具有 一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的 靶电极。在离子能量合适的情况下，入射 的离子将在与靶电极表面的原子的碰撞过 程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的 原子带有一定的动能，并且会沿着一定的 方向射向基材，从而实现在基材表面上的 沉积。
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0
10-3～10-4
0
辉光放电 辉光放电 射频放电 辉光放电 辉光放电
0 0～1000 100～200 100～200
0
1～3 1～10-1 10-1～10-2 10-1～10-2 10-1～10-3
0 10-1～10-2
15～30 10～20 50～85
• 通常所用的支撑材料为难 熔金属和氧化物。当选 择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸发物与支 撑材料之间可能发生的合金化和化学反应等问题。 支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。
• 重要的蒸发方法有电阻加热蒸发、闪烁蒸发、电 子束蒸发、激光熔融蒸发、弧光 蒸发、射频加热 蒸发等。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
•常见电阻式加热器表面处理技术概论第5章气相沉积技
术
电阻蒸发沉积的缺点：
• ①加热所能达到最高温度有限，加热器的 寿命也较短。
• ②坩埚的成本高 • ③蒸发率低； • ④加热时合金或化合物会分解
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1.3 电子束蒸发沉积
•电阻蒸发存在许多致命的缺点，如蒸发物与坩 埚发生反应；蒸发速率较低。 •为了克服这些缺点，可以通过电子轰击实现材 料的蒸发。 •在电子束蒸发技术中，一束电子通过5～10kV 的电场后被加速→最后聚焦到待蒸发材料的表 面→当电子束打到待蒸发材料表面时，电子会 迅速损失掉自己的能量→将能量传递给待蒸发 材料使其熔化并蒸发。 •也就是待蒸发材料的表面直接由撞击的电子束 加热，这与传统的加热方式形成鲜明的对照。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
5.1 物理气相沉积
• 物理气相沉积是一种物理气相反应为生长法，是 利用某种物理过程，在低气压或真空等离子体放 电条件下，发生物质的热蒸发或受到粒子轰击时 物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从物 质缘在基体表面生长与基体性能明显不同薄膜 （涂层）的人为特定目的物质转移过程。
• 常用的电阻加热蒸发法是将待蒸发材料放 置在电阻加热装置中，通过电路中的电阻 加热给待沉积材料提供蒸发热使其汽化。 在这一方法中，经常使用的支撑加热材料 是难熔金属钨、铊、钼，这些金屑皆具有 高熔点、低蒸气压的特点。支撑加热材料 一般采用丝状或箔片形状，如图3－2所示。
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技术名称
热能来源 功率密度/W.cm-2 特点
•几种真空蒸发沉积技术的特点
电阻蒸发沉积 电子束蒸发沉积
高频感应加热蒸 发沉积
高熔点金属
高能电子束
高频感应加热
小
104
103
简单成 106 纯度高，不分馏
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5.1.2 电阻蒸发沉积
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•辉光放电状态和不同位置处的电 位
•Ni的溅射率与入射离子种类和能量之间的关系
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以下的几个溅射现象的特点可以用溅射率v来进行解释：
①假如用某种离子在某固定的电压下轰击各种物质， 那么就会发现v随元素周期表的族的变化而变化的； 反之，靶子种类一定，用不同种类的离子去轰击 靶子，那么，v也随元素周期表的族的变化而做周 期性的变化。
• 真空蒸发沉积薄膜具有简单便利、操作容易、成 膜速率快、效率高等特点，是薄膜制备中最为常 用的方法之一。
• 这一技术的缺点是形成的薄膜与基片结合较差， 工艺重复性不好。
• 在真空蒸发技术中，人们只需要产生一个真空环 境。在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量 以获得蒸发所必需的蒸气压。在适当的温度下， 蒸发粒子在基片上凝结，这样即可实现真空蒸发 薄膜沉积。
（8）物理气相沉积多是在辉光放电、弧光放电等低 温等离子体条件下进行的，沉积层粒子的整体活 性很大，容易与反应气体进行化合反应。可以在 较低温度下获得各种功能薄膜，同时，基材选用 范围很广，如可以是金属、陶瓷、玻璃或塑料等。
表面处理技术概论第5章气相沉积技 术
分类 名称
真空蒸 电阻蒸发沉积 发沉积 电子枪蒸发沉积
④对于多晶靶，离子从斜的方向轰击表面时，v增大。 由溅射飞出的原子方向多和离子的正相反方向相 一致。
⑤被溅射出来的原子具有的能量要比由真空蒸发飞 出的原子所具有的能量（大约在0.1eV）大1~2个 数量级。
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⑵ 溅射原子、分子的形态
• 单体物质引起溅射时，通常，离子的加速 电压越高，被溅射出来的单原子就越少， 复合粒子就越多。通常把这种复合粒子称 为群。