10气相沉积技术PPT课件
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物理气相沉积技术PPT课件
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激光熔融蒸发
• 高功率激光束作为热源蒸发待蒸镀材料， 激光光束通过真空室窗口打到待蒸发材料 使之蒸发，最后沉积在基片上.
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• 激光熔融蒸发特点：
➢ 激光清洁、加热温度高，避免坩埚和热源 材料的污染；
➢ 可获高功率密度激光束，蒸发速率高，易 控制；
➢ 容易实现同时或顺序多源蒸发；
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五.溅射镀膜
蒸发，如WW、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O3 等。
➢被蒸发材料可置于水冷坩锅中 →避免容器
材料蒸发、及其与蒸.发材料反应
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• 电子束蒸发源的缺点
➢电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的 二次电子会使 蒸发原子和残余气体分子电 离 → 影响膜层质量。可选择电子枪加以解 决
➢电子束蒸镀装置结构复杂、价格昂贵 ．
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电子束蒸发
• 用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 • 电子束加热原理:是基于电子在电场作用下,
获得动能轰击处于阳极的蒸发材料,使蒸发 材料加热气化.
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• 电子束蒸发源的优点
➢电子束轰击热源的束流密度高，能获得远
比电阻加热源更大的能量密度 。达到104∼
109 W/cm2 的功率密度，熔点3000℃的材料
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二.物理气相沉积技术的基本过程
• 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和 分解等过程）.
• 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、 复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）.
• 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜.
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PVD的物理原理
气态
衬底
薄膜
以气态方式进行 物质输运 能量输运
化学气相沉积ppt课件
四、CVD的现状和展望
➢气相沉积膜附着力强，厚度均匀，质量好， 沉积速率快，选材广，环境污染轻，可以 满足许多现代工业、科学发展提出的新要 求，因而发展相当迅速。它能制备耐磨膜、 润滑膜、耐蚀膜、耐热膜、装饰膜以及磁 性膜、光学膜、超导膜等功能膜，因而在 机械制造工业电子、电器、通讯、航空航 天、原子能、轻工等部门得到广泛的应用。
1〕足够高的温度：气体与机体表面作用、反应沉积时 需要一定的激活能量，故CVD要在高温下进行。当然， 以等离子体、激光提过激活能量，可降低反应的温度。
2〕反应物必须有足够高的蒸气压。 3〕除了要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都 必须是气态。
4〕沉积物本身的饱和蒸气压应足够低。
2、CVD过程 反应气体向基体表面扩散 反应气体吸附于基体表面
微波等离子体
脉冲等离子体
直流等离子体法(DCPCVD)
• 利用直流电等离子体激活化学反应，进行气相沉 积的技术。
1-真空室 2-工作台 3-电源和控
制系统 4-红外测温仪
5-真空计 6-机械泵
DCPCVD装置示意图
射频等离子体法(RFPCVD)
• 利用射频辉光放电产生的等离子体激活化 学反应进行气相沉积的技术。
• 绝缘薄膜的PCVD沉积 在低温下沉积氮化硅、 氧化硅或硅的氮氧化物一类的绝缘薄膜，对于超 大规模集成芯片〔VLSI〕的生产是至关重要的。
• 非晶和多晶硅薄膜的PCVD沉积 • 金刚石和类金刚石的PCVD沉积 • 等离子体聚合 等离子体聚合技术正越来越广泛
的应用于开发具有界电特征、导电特性、感光特 性、光电转换功能或储存器开关功能的等离子体 聚合膜和一些重要的有机金属复合材料。
活体粒子在基体表面发 生化学反应，形成膜 层
化学气相沉积 ppt课件
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一、化学气相沉积的原理
化学气相沉积反应的物质源 1、气态物质源 如H2、N2、CH4、O2、SiH4等。这种物质源对CVD工艺技术最为方 便 ，涂层设备系统比较简单，对获得高质量涂层成分和组织十分有 利。 2、液态物质源 此物质源分两种：（1）该液态物质的蒸汽压在相当高的温度下 也很低，必须加入另一种物质与之反应生成气态物质送入沉积室，才 能参加沉积反应。(2)该液态物质源在室温或稍高一点的温度就能得 到较高的蒸汽压，满足沉积工艺技术的要求。如：TiCl4、CH3CN、 SiCl4、VCl4、BCl3。 3、固态物质源 如：AlCl3、NbCl5、TaCl5、ZrC积室中。因为 固态物质源的蒸汽压对温度十分敏感，对加热温度和载气量的控制精 度十分严格，对涂层设备设计、制造提出了更高的要求。 9 PPT课件
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二、化学气相沉积的工艺方法
• CVD技术分类
• 反应器是CVD装置最基本的部件。根据反应器 结构的不同，可将CVD技术分为开放型气流法和封闭型气 流法两种基本类型。 • 1、开放型气流法： • 特点：反应气体混合物能够连续补充，同时废弃的反应 产物能够不断地排出沉积室，反应总是处于非平衡状态。 • 优点：试样容易装卸，工艺条件易于控制，工艺重复性 好。
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• 常用的基体包括： • 各种难熔金属（钼常被采用）、 • 石英、 • 陶瓷、 • 硬质合金等， • 它们在高温下不容易被反应气体侵蚀。 • 当沉积温度低于700℃时，也可以钢为基体，但对钢的表 面必须进行保护，一般用电镀或化学镀的方法在表面沉 积一薄层镍。
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三、化学气相沉积的特点与应用
一、化学气相沉积的原理
常见的反应类型
第七章气相沉积技术ppt课件
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
定义：等离子体是指存在的时间和
空间均超过某一临界值的电离气体
产生途径——宇宙、天体、上层气
体、放射线及同位素、X射线、粒子 加速器、反应堆、场致电离、冲击波、 燃烧、激光、真空紫外光、发电等， 在气相沉积中广泛采用的是气体放电 产生等离子体。
等离子体特征
让 优
秀
成 为
一
种
惯
离子镀膜的应用
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
①首先，离子镀是各种刀具的保护神。可 以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化 钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆 等多种硬质膜。 ②其次，离子镀技术还是美化人民生活的 得力工具。从我们手上带的手表表壳、表 带，到手机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我 们衣服上的扣子、领带夹，腰上别的钥匙 扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰 作。颜色也是多种多样。 ③离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、 润滑及电子工业的集成电路等中。
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
化学气相沉积
什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？
外延
让 优
秀
成 为
一
种
习
外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向 相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具 有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。
外延分为——气相外延、液相外延和分子束外延
气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过 程。
有基体支撑：依附于固体表面并得到 其支撑而存在，并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料
手机贴膜
手机贴膜
塑料膜
让 优
化学气相沉积技术PPT课件
ZnSeI2(g) T2Zn2I(g)12Se2(g)
Z
n
SeI2(g) T1Z
1 n2I(g)2Se2(g)
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由上述分析，可以归纳出封管法的优点：
⑴. 可降低来自外界的污染 ⑵.不必连续抽气即可保持真空 ⑶.原料转化率高
封管法也有其自身的局限性，有如下几点：
⑴.材料生长速率慢,不利于大批量生产 ⑵.有时反应管只能使用一次,沉积成本较高 ⑶.管内压力测定困难,具有一定的危险性
快热CVD(RTCVD)
金属有机物CVD(MOCVD
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化学气相沉积技术的发展历程
20世纪50年代 主要用于道具
涂层
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60-70 年代用于集成
电路
近年来PECVD 、LPCVD等高
速发展
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80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
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原理：CVD是利用气态物质在固体表面进 行化学反应，生成固态沉积物的过程。
化学气相沉积技术
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1
目录
❖ 化学气相沉积技术的基本概念
Ⅰ.化学气相沉积技术的定义 Ⅱ.化学气相沉积技术的分类 Ⅲ.化学气相沉积技术的发展历程 Ⅳ.化学气相沉积技术的基本原理
❖ 化学气相沉积技术的基本理论
Ⅰ.CVD技术 Ⅱ.CVD制备材料的生长机制 Ⅲ.化学气相沉积的反应过程
❖ CVD技术在实验室的应用
三个步骤
3.挥发性物质
在基体上发生 化学反应
2.将挥发性物质
1.产生挥发
运到沉积区
性物质
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CVD是建立在化学反应基础上的，要制备 特定性能材料首先要选定一个合理的沉积反 应。用于CVD技术的通常有如下所述六种反应 类型。
第十章 气相沉积技术
化学气相沉积技术CVD
是通过气相物质的化学反应， 在基材表 面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。 各种化学反应：分解、化合、还原、置 换等均可用来产生产生沉积于基片的薄 膜， 反应多余物（气体）可由反应室排 出。
CVD 实现的条件
气体的反应物的提供； 向反应室的气体及机片提供能量使化学反应进 行； 反应室中的气体流动状态； 沉积物的本身的饱和蒸气压应足够低； 反应生成物除了所需的沉积物（膜）为固体， 其余为气态。
School of Metallurgy and Materials
3
by Jing Liang
薄膜材料制备方法
液相法
气相法
4
by Jing Liang
物理气相沉积
PVD是指在真空条件下，采用物理方法将 固态的镀料转化为原子、分子或离子的气 相物质再沉积于基体表面，从而形成薄膜 的制备方法。 主要有真空蒸镀、溅射镀、离子镀等方法
溅射设备
二极溅射 三极或四极溅射 磁控溅射 射频溅射 离子束溅射
二极溅射
直流二极溅射： 利用气体的辉光 放电产生轰击靶 的正离子， 工件与架子是阳 极， 被溅射的材料为 阴极。
23 by Jing Liang
School of Metallurgy and Materials
1.
2.
3.
4.
设备组成及反应过程： 反应器 加热系统 供气系统 CVD源物质
激光化学气相沉积（LCVD）
是用激光作为能量来源，用气态反应物 通过化学反应途径生成固态膜的过程 按激光作用机制可以分为激光热解CVD 和激光光解CVD。
第七章 气相沉积技术精品PPT课件
目前 CVD能够制备的硬质膜种类达几十种，并能制 备三层以上的多层膜和梯度膜。
2020/10/13
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80 年 代 气 相 沉 积 发 展 的 主 要 特 征 是 PVD 沉 积技术进一步完善并扩大应用范围。 等离子激活气相化学沉积（PCVD）技术的 产生，基础研究开始起步并日益受到重视。 1978年，Hazle，Wood和Iondnis首次报道 了用PVCD沉积TiC，发现沉积温度可降至 500℃。
然而，沉积理论落后于沉积技术的现象已在很 大程度上影响了此项技术的进一步发展，例如 镀层质量的测试及评定方法；膜基体系和膜基 间的相互关系的研究；
这些研究将为新材料新工艺转化为生产力提供 有效的基本数据，为进一步发展新材料奠定理 论基础。
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气相沉积发展史
气相沉积硬质镀层的发展可追溯到上上个世 纪 末 ， 德 国 的 Erlwein等 利 用 化 学 气 相 沉 积 （简称CVD），在氢气的参与下，用挥发性 的金属化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯 丝上形成TiC。
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在1963年D．M．Mattox已提出了离子镀 技术，并于 1967年取得了美国专利。
时隔两年，美国的IBM公司研制出射频溅 射法。这两种技术与蒸镀构成了PVD的 三大系列。
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进人70年代，PVD技术的崛起与CVD技术的提高， 使得表面镀层技术进人了全面的发展阶段。 1972年美国加州大学Bunshan发明了活性反应蒸 镀技术。 1973年前苏联又推出了多弧离子镀；与此同时， 日本的村山洋一发明了射频离子镀。一年之后。 日本的小宫泽治将空心阴极放电技术用于离子镀 形成了目前广泛应用的空心阴极离子镀。
气相沉积PPT课件
蒸镀的膜层其残余应力为拉应力，而离子轰击产生压应力，可以抵消一 部分拉应力。离子轰击可以提高镀料原子在膜层表面的迁移率，这 有利于获得致密的膜层。
如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这 时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀了。离 子渗镀的离子能量为1000eV左右。
射频溅射：
射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上， ,一个周期内 ，每个电极交替称为阴极和阳极，正离子和电子交替轰击靶 子。
在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并 使气体电离为等离子体。另一电极对于等离子体处于负电位 ，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。
缺点：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题 。因此，射频溅射不适于工业生产应用。
磁控溅射 ：
磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前 已在工业生产中实际应用。
磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级 ，它具有高速、低温、低损伤等优点：
高速是指沉积速率快； 低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。
磁控溅射原理：
在阴极靶面上建立一个平行的磁场，使靶放 出的高速电子转向，从而减小了电子冲 击基板发热的影响，在133Pa的低压下， 基本温度在100℃就可成膜。
多弧离子镀
多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在 固体的阴极靶材上直接蒸发金属， 电流可达 105-107A/cm2，使金属蒸 发并由于电弧放电中电子的冲击使 蒸发到弧柱的金属电离成等离子状 态，并在负压的基体上沉积。
化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反应溅射。许多化合物 是导电材料，其电导率有的甚至与金属材料相当，这时可以 采用化合物靶进行直流溅射。对于绝缘材料化合物，则只能 采用射频溅射。
如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这 时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀了。离 子渗镀的离子能量为1000eV左右。
射频溅射：
射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上， ,一个周期内 ，每个电极交替称为阴极和阳极，正离子和电子交替轰击靶 子。
在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并 使气体电离为等离子体。另一电极对于等离子体处于负电位 ，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。
缺点：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题 。因此，射频溅射不适于工业生产应用。
磁控溅射 ：
磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前 已在工业生产中实际应用。
磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级 ，它具有高速、低温、低损伤等优点：
高速是指沉积速率快； 低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。
磁控溅射原理：
在阴极靶面上建立一个平行的磁场，使靶放 出的高速电子转向，从而减小了电子冲 击基板发热的影响，在133Pa的低压下， 基本温度在100℃就可成膜。
多弧离子镀
多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在 固体的阴极靶材上直接蒸发金属， 电流可达 105-107A/cm2，使金属蒸 发并由于电弧放电中电子的冲击使 蒸发到弧柱的金属电离成等离子状 态，并在负压的基体上沉积。
化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反应溅射。许多化合物 是导电材料，其电导率有的甚至与金属材料相当，这时可以 采用化合物靶进行直流溅射。对于绝缘材料化合物，则只能 采用射频溅射。
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可推导出特殊情况下的理想气体定律：
波义尔定律： PV=C （m、T不变）
盖.吕萨克定律： V=CT （m、P不变）
常用薄膜性质
58.8 670 58.3 660 56.8 630 56.3 620 55.2 600 54.7 590
50.5 520 49.8 510
SOH58 SOH56 SUS420J2
SUS3
材料 TiN TiCN ZrN HfN CrN TiAlN
硬 度（HV） 色 彩
空热处理和真空脱水 高真空：10-1-10-6Pa，分子间碰撞基本不发生；镀膜工作压强 超高真空：10-6-10-10Pa，分子间碰撞极少；纯净的气体和固体表面 极高真空：<10-10Pa，分子间不发生碰撞；科学研究用
2021
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2、稀薄气体的基本性质
稀薄气体：与理想气体差异很小，可直接应用理想气体的状态方程。
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真空在薄膜技术中的作用: 减少杂质 减少散射 有利于蒸发等进行
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1、 真空的基本知识
真空： 低于一个大气压的气体空间（气体状态）。
1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大 气压实验，获得真空。
自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇宙空间。
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真空是相对的，绝对的真空是不存在的。
n=7.2×1022P/T (个/cm3)
太阳系： n=102个/m3 恒星空间： n=101个/m3
(温度：0－107K)
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真空度的度量： 压强、气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层
所需的时间等。
真空度和压强： 压强越低意味着单位体积中气体分子数愈少，真空度愈高；反之
20世纪50年代：（电子工业和信息产业）薄膜技术快速发展
目前，向综合型、智能型、环境友好型、节能长寿及纳米化等方向发展。
现在几乎可以在任何基体上沉积任何物质的薄膜。
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四、薄膜材料的制备方法
（薄膜技术分类）（主要和常见的）
湿法（溶液镀膜法）
电镀 化学镀 阳极氧化法 LB法
镀膜
干法
PVD法
蒸发 溅射 离子镀
人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。
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（稀薄）气体状态方程： P=nkT n=7.2×1022P/T (个/cm3)
标准状态（T=273.15K，P= 1.013×105 Pa ）下, n=2.67×1019个/cm3
T=293K, P= 1.3×10-11 Pa 下, n=4×103个/cm3
单位
Pa
Torr
bar
atm
1Pa
1
7.5×10-3 1×10-5 9.87×10-6
1Torr
133.32
1
1.33×10-3 1.32×10-2
1bar 1atm
1×105 1.013×105
7.5×102 760
1 1.013
9.87×10-1 1
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真空区域的划分：
目前尚无统一规定，常见的划分为： 粗真空：105-102Pa，变化不大；压力差 低真空：102-10-1Pa，粘稠滞流状态过渡为分子状态；气体放电、真
划分是非严格的习惯分法。
本课程的“薄膜材料”为：固体基片（基底、衬底）上的固体薄膜。
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薄膜材料：一开始就由原子、分子、离子的沉积过程所形成的二 维材料，其厚度一般为1nm－10μm。
有别于：塑料薄膜、箔、复合层（离子注入）等。
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2、分类
分类的方法很多。
机械功能膜：耐磨、减磨、抗腐蚀…… 厚度：（一般）1－10μm
一、薄膜材料的定义及分类 二、薄膜技术(材料)的作用 三、薄膜技术的发展 四、薄膜材料的制备方法 五、真空基础
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3
一、薄膜材料的定义及分类
1、定义
膜（材料）：其一维线性尺度远远小于其他二维尺度的固体或液 体（材料）。（二维材料）
厚膜：厚度＞1μm 薄膜：厚度＜ 1μm（ 10μm ） （纳米薄膜）
10 气相沉积技术
2021
1
教学目的和要求
学习蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、化学气相沉 积等气相沉积技术的基本原理、主要特点、常见方法(技 术种类)，薄膜的形成过程等。
重点掌握各种气相沉积技术的基本原理、主要特点。
参考书： 杨邦朝、王文生，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，1994
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前言
CVD
CVD法 低压CVD
等离子CVD
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五、真空技术基础
真空技术是一门独立的前沿学科。
基本内容： 真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和
计算等。
真空技术的应用： 薄膜技术、电子技术、材料科学、航空航天技术、加速器、表面
物理、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域。
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物理功能膜：光、电、声、磁、热 厚度： （一般） ＜1μm
其他分类方法： 单质和化合物膜、有机和无机膜、金属和非金属膜、 晶态和非晶态膜、单晶和多晶膜、……
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二、薄膜技术(材料)的作用
产生新的功能特性：半导体材料、集成电路等 进行微细加工：微电子、精密光学仪器等 优化表面性能：机械加工、装饰等 新材料制备：纳米材料、陶瓷材料等
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常用薄膜材料・工具钢・模具钢的硬度
HRC
HV
66.4 880
65.9 860
65.3 840
64.7 820
材料 SKH59
SKH4 SKH10
64
800
SKH55
SKH57
SKH3
63.3 780 SKH51
SKH2
61
720
60.1 700
SKS
SKD11 SUS440C
SOH62
SOH60
真空度越低则压强愈高。
压强是真空的法定度量单位。
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真空度量单位：
1标准大气压（1atm）=760mmHg=760 Torr 1标准大气压=1.013×105 Pa 1Torr=133.3Pa 1bar= 105 Pa ≈1atm 1kgf/cm2=0.98bar
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常用真空单位及换算：
2500
金色
2700
金茶色
3000
淡金色
2800
淡绿金色
2000
銀色
2600
黒色
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三、薄膜技术的发展
1650年：库克和牛顿观察到了液体表面上的薄膜产生的相干彩色花纹， 各种制备方法和手段相继诞生。
1850年：电镀 1852年：辉光放电、溅射
重复性差
19世纪末：蒸发镀
（真空技术的发展，大大提高了重复性，推动了薄膜技术的发展和应用）