物理气相沉积(PVD)PPT
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PVD(Sputter)介绍ppt
PVD（Sputter）介绍
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PVD（Sputter）介绍
1:PVD:即物理气相沉积(Physicql Vapor Deposition)的简称,包括真空蒸发镀膜,溅 射镀膜,离子束和离子助,外延膜沉积技术 等四大类. 2:PECVD:即等离子增强化学气相沉积
(Plasma-Enhanced Chmical vapor
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PVD（Sputter）介绍
图2 Sputter溅镀模型
气体 固体
图3 Sputter溅镀后原子分子运动模型
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图4 溅射原子弹性碰撞模型
PVD（Sputter）介绍
二、磁控溅镀相关知识： 1、物理依据：在磁感强度为B的磁场中，电荷
为q、运动速度为 v的带电粒子，所受的磁场力为F
称为洛仑兹力，F=qvXB 。如பைடு நூலகம்示
起辉时的发光过程解释如下： 当输入真空室的反应气体或溅镀气体被高速 旋转的电子碰撞后，气体与电子发生一系列 的解离、激发、附着等过程，由于部分电子 能量不足，便会把气体激发成亚稳态，
e + A → A* + e A* → A + hv (光子) 而亚稳态由于其外层电子的活跃性强，会回 到气体的稳定态，多余的能量就以光子的形 式释放出来。如图：
Deposition),其他还有LPCVD ,MOCVD, 等. APCVD
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PVD（Sputter）介绍
一、Sputter（溅镀）定义及种类： 1、定义：所谓溅镀(Sputter)乃指物体以离子撞击时，被
溅射飞散出.具体过程:被电离之气体离子如Ar离子等受到阴 极加速快速与靶材表面撞击时，在靶材表面被电场所放出的 电子中和而呈中性，但仍保存其运动能量与植入靶材内部， 而靶材固体内部受此异离子植入而损伤其结晶，同时构成结 晶格的原子间相互重复碰撞，最终使表面的原子及分子被放 出至界外。如此原子大小的粒子从固体表面撞击分离而构成 离子，此称为溅镀（Sputter），又称电浆放电。如果将气体 加热至极高温或任其与高能量粒子相撞击，电子可由原分子 中释出，形成一带正负电粒子的集合体，称为电浆或等离子 体（Plasma）；
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PVD（Sputter）介绍
1:PVD:即物理气相沉积(Physicql Vapor Deposition)的简称,包括真空蒸发镀膜,溅 射镀膜,离子束和离子助,外延膜沉积技术 等四大类. 2:PECVD:即等离子增强化学气相沉积
(Plasma-Enhanced Chmical vapor
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PVD（Sputter）介绍
图2 Sputter溅镀模型
气体 固体
图3 Sputter溅镀后原子分子运动模型
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图4 溅射原子弹性碰撞模型
PVD（Sputter）介绍
二、磁控溅镀相关知识： 1、物理依据：在磁感强度为B的磁场中，电荷
为q、运动速度为 v的带电粒子，所受的磁场力为F
称为洛仑兹力，F=qvXB 。如பைடு நூலகம்示
起辉时的发光过程解释如下： 当输入真空室的反应气体或溅镀气体被高速 旋转的电子碰撞后，气体与电子发生一系列 的解离、激发、附着等过程，由于部分电子 能量不足，便会把气体激发成亚稳态，
e + A → A* + e A* → A + hv (光子) 而亚稳态由于其外层电子的活跃性强，会回 到气体的稳定态，多余的能量就以光子的形 式释放出来。如图：
Deposition),其他还有LPCVD ,MOCVD, 等. APCVD
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PVD（Sputter）介绍
一、Sputter（溅镀）定义及种类： 1、定义：所谓溅镀(Sputter)乃指物体以离子撞击时，被
溅射飞散出.具体过程:被电离之气体离子如Ar离子等受到阴 极加速快速与靶材表面撞击时，在靶材表面被电场所放出的 电子中和而呈中性，但仍保存其运动能量与植入靶材内部， 而靶材固体内部受此异离子植入而损伤其结晶，同时构成结 晶格的原子间相互重复碰撞，最终使表面的原子及分子被放 出至界外。如此原子大小的粒子从固体表面撞击分离而构成 离子，此称为溅镀（Sputter），又称电浆放电。如果将气体 加热至极高温或任其与高能量粒子相撞击，电子可由原分子 中释出，形成一带正负电粒子的集合体，称为电浆或等离子 体（Plasma）；
PVD涂层原理及精华PPT课件
与PVD相关的真空基础与概论
「真空」一词来自拉丁文，意即「虚无」的意思。真正的真空是不存在的，那种认为「真空是什么物质也不存在」的看法，客观上是完全错误的。科学家称「低于一标准大气压的气体状态为真空」，定义真空的质和量，即气体稀薄的程度为「真空度」。一般习惯用压强来衡量真空度的高低（压强愈高真空度愈底，压强愈底真空度愈高）
气象沉积技术的应用
气象沉积技术生产制备的高硬度，高耐热，高热导，高耐腐蚀，抗氧化，绝缘等涂层，特殊性能的电学，光学功能的涂层，装饰装修涂层，已广泛用于机械、航天、建筑、五金装饰、電子產品、汽配件等行业
二．物理气象沉积（ＰＶＤ）
原理：物理气象沉积是一种物理气象反映 生长法．沉积过程是在真空或低气压气体放电条件下，即在80~200℃等离子体条件中进行的．涂层的物质源是固态物质，利用气体放电或加熱的方式使靶材蒸发或电离，经过“蒸发或溅射”后，在电场的作用下，在工件表面生成与基材性能不同的新的固态物质涂层．
泵组与管道抽气机构
管道
抽气口
阀门
真空室
真空机组
高阀
高真 空机组
低 真空机组
罗茨泵
旋转机械泵
真空获得与抽气概念
一、概述 真空获得就是「抽真空」，即利用各种真空泵或其他方法，將被抽容器中的气体抽除，使达到一定的真空度，以满足各种使用要求。 二、真空泵的分类 （一）、气体传输泵 是一种能將气体不断的吸入並排出泵外，达到抽气目的的真空泵。如旋转机械泵、油扩散泵、分子泵。 （ 二）、气体捕集泵 是一种使气体分子被短期或永久地吸附或凝結，在泵內表面的真空泵。如分子分子吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵等。
目前離子鍍常用的工作範圍
三、真空度的单位换算
压力单位换算
物理气相沉积(PVD)PPT
(g/cm2· s)
(4)
② 凝结速Na：
——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。 Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关
设：a. 忽略碰撞，直线运动；
点源,球面发射： N AN e cos a 2
b.
A r
4r
(1/cm2· s)
(5)
小型圆平面源：
AN e cos cos Nd r 2
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。 合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
N A C A PA N B C B PB
MB MA
(14)
a. Te与材料性质有关； b. Te与蒸发速率有关， 蒸发速率↘， Te ↘； c. Te与表面粗糙度有关， 表面粗糙度大， Te↗。
Te低一些好！ 特点：可精确控制膜厚， 获得高洁净度的膜层！
图 8.2.9 蒸发速率和基片温度对 Ge （111） 基片上所镀Ge膜结构的影响
二、溅射镀膜
1.概述
图8.2.10 辉光放电
3. 溅射机理——两种假说 （1）Hippel理论（1926提出） 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴 极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理 （Stark,1909，Langmuir, Henschk）
(I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅 射； (Ⅲ)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量 1 mv 2 有关，也与轰击离子的质量有关 ( ,动能转移 )； 2 (Ⅳ)离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入 到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个 方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这 种现象可用“聚焦碰撞”解释。
(4)
② 凝结速Na：
——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。 Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关
设：a. 忽略碰撞，直线运动；
点源,球面发射： N AN e cos a 2
b.
A r
4r
(1/cm2· s)
(5)
小型圆平面源：
AN e cos cos Nd r 2
3. 蒸镀分馏问题
由于各组分的饱和蒸气压不同，因而蒸发速率不同，造成 沉积膜的成分与母体不同（分馏），薄膜本身成分也随厚 度而变化（分层）。 合金在蒸发时会发生分馏
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
N A C A PA N B C B PB
MB MA
(14)
a. Te与材料性质有关； b. Te与蒸发速率有关， 蒸发速率↘， Te ↘； c. Te与表面粗糙度有关， 表面粗糙度大， Te↗。
Te低一些好！ 特点：可精确控制膜厚， 获得高洁净度的膜层！
图 8.2.9 蒸发速率和基片温度对 Ge （111） 基片上所镀Ge膜结构的影响
二、溅射镀膜
1.概述
图8.2.10 辉光放电
3. 溅射机理——两种假说 （1）Hippel理论（1926提出） 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴 极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理 （Stark,1909，Langmuir, Henschk）
(I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅 射； (Ⅲ)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量 1 mv 2 有关，也与轰击离子的质量有关 ( ,动能转移 )； 2 (Ⅳ)离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入 到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个 方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这 种现象可用“聚焦碰撞”解释。
物理气相沉积PPT课件
成膜机理? 真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定 形膜，经历成核和成膜两个过程。蒸发的原子（或分子）碰撞 到基片时，或是永久附着在基片上，或是吸附后再蒸发而离开 基片，其中有一部分直接从基片表面反射回去。粘附在基片表 面的原子（或分子）由于热运动可沿表面移动，如碰上其它原 子便积聚成团。这种团最易于发生在基片表面应力高的地方， 或在晶体衬底的解理阶梯上，因为这使吸附原子的自由能最小。 这就是成核过程。进一步的原子（分子）淀积使上述岛状的团 （晶核）不断扩大，直至展延成连续的薄膜。
Stranski-Krastanov Mode
Layer Plus Island Growth
衬底
( 2D-3D )
PVD所需实验条件
►高真空 (HV) ►高纯材料 ►清洁和光滑的衬底表面 ►提供能量的电源
PVD的通用实验配置
衬底
真空室 反应气体管道
充气管道
Plume
厚度监控仪 靶材
真空泵
一、蒸发镀膜
提高薄膜纯度的方法： –降低残余气体分压,提高真空度； –提高基片温度,提高沉积速率；
二、溅射镀膜
溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来的带电离子进行加速，使其获得一 定的动能后，轰击靶电极，将靶电极的原子溅射出来，沉积到衬底形成薄膜的方法。
辉光放电
溅射沉积薄膜原理
Al膜
阳
避免金属 真空 原子氧化
7、薄膜的纯度：
蒸发源纯度的影响： 加热器、坩埚、支撑材料等的污染： 残余气体的影响：
Substrate
残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间
生长材料的分子 残留气体分子
Pressure (Torr) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
物理气相沉积PPT课件
真空蒸镀的设备相对简单, 工艺操作容易, 可镀材料广, 镀膜纯洁, 广泛用于光 学、电子器件和塑料制品的表面处理。缺点是膜一基结合力弱，镀膜不耐磨, 并有方向性。
.
6
（2）溅射镀
原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电， (Ar) (Ar+)，Ar+在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材 会被溅射出来而沉积到工件表面。
物理气相沉积 技术概述
.
1
一、气相沉积技术概述
近年来表面工程学发展迅速，新的表面涂层技术层出不穷，气相沉积就是发展最 快的新涂层技术之一.
（1）.定义: 所谓气相沉积是利用在气相中以物理或化学的反应过程，在工件表面形成 具有特殊性能的金属或化合物涂层的方法.
（2）.气相沉积的特点： 可以用来制备具有各种特殊力学性能和物理化学性能（如：高硬度，高耐热，高
溅射镀膜纯度高、均匀，而且基板温度低。因此适用性广, 可沉积纯金
属、合金或化合物。
溅射镀膜的缺点 溅射设备复杂，需要高压装置
入射Ar离子
溅射出的原子
溅射淀积的成膜速度低，真空蒸发镀 膜淀积速率为0.1~5μm/min，溅射 速率为0.01~0.5 μm/min。
基片温升较高，易受杂质气体影响。
离子镀
很好 应工艺条件而定
较好
电阻加热、电子束加 热、感应加热等。
阴极溅射
蒸发式、溅射式、 化学式。
工件不带电，真空条 件下金属加热蒸发沉 积到工件表面
工件为阳极， 靶材为阴极， 利用氩离子溅 射，靶材原子 击出而沉积。
工件带负偏压， 工件表面受离子 轰击同时，被沉 积蒸发物或其反 应物。
.
10
.
热导，高耐腐蚀，抗氧化，绝缘等）涂层．不仅可以层积金属涂层，合金涂层，还可 以层积多种多样的化合物．非金属半导体．陶瓷和有机物的单层和多层结构的涂层．
.
6
（2）溅射镀
原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电， (Ar) (Ar+)，Ar+在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材 会被溅射出来而沉积到工件表面。
物理气相沉积 技术概述
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1
一、气相沉积技术概述
近年来表面工程学发展迅速，新的表面涂层技术层出不穷，气相沉积就是发展最 快的新涂层技术之一.
（1）.定义: 所谓气相沉积是利用在气相中以物理或化学的反应过程，在工件表面形成 具有特殊性能的金属或化合物涂层的方法.
（2）.气相沉积的特点： 可以用来制备具有各种特殊力学性能和物理化学性能（如：高硬度，高耐热，高
溅射镀膜纯度高、均匀，而且基板温度低。因此适用性广, 可沉积纯金
属、合金或化合物。
溅射镀膜的缺点 溅射设备复杂，需要高压装置
入射Ar离子
溅射出的原子
溅射淀积的成膜速度低，真空蒸发镀 膜淀积速率为0.1~5μm/min，溅射 速率为0.01~0.5 μm/min。
基片温升较高，易受杂质气体影响。
离子镀
很好 应工艺条件而定
较好
电阻加热、电子束加 热、感应加热等。
阴极溅射
蒸发式、溅射式、 化学式。
工件不带电，真空条 件下金属加热蒸发沉 积到工件表面
工件为阳极， 靶材为阴极， 利用氩离子溅 射，靶材原子 击出而沉积。
工件带负偏压， 工件表面受离子 轰击同时，被沉 积蒸发物或其反 应物。
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10
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热导，高耐腐蚀，抗氧化，绝缘等）涂层．不仅可以层积金属涂层，合金涂层，还可 以层积多种多样的化合物．非金属半导体．陶瓷和有机物的单层和多层结构的涂层．
镀膜技术PVD-PPT幻灯片课件
5
Hale Waihona Puke 最早出现的金属沉积工艺钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
6
蒸发装置的选择和运用很重要
热效率：热传导和热辐射对薄膜制备是不利的 (必须使坩埚或电极冷却)
For example, 在1500°C下蒸发Al: 选用合适的蒸发源, 所需能量为2.4kW.h/kg; 用电阻丝蒸发,所需能量为7-20kW.h/kg; 用TiB2电阻加热蒸发, 所需能量为50-100kW.h/kg;
溅射：常用的物理气相沉积方法。
溅射 RF磁控溅射 DC磁控溅射 离子束溅射 —反应溅射，活性气体，生长化合物薄膜。
分子束外延：MBE，超高真空，缓慢蒸发过程，多蒸发源，生长外延的单晶薄 膜。(ALE, MLE)
1
PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能
粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质粒子（可以是原子、 分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。 其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD 的化学反应）！
② 单个入射离子轰击出的产物粒子数与入射离子的能量/质量都有关；
均可用弹性碰撞理论解释！
22
③ 溅射产物粒子的平均速度 >> 蒸发出的粒子。
溅射镀膜的基本物理过程：
溅射镀膜何以实现？
气体放电 等离子体 带电离子 电场作用 离子加速 高能离子 撞击靶材 溅射 发射靶材原子 飞向基板 形成 沉积 获得薄膜！
所以可蒸发材料受到限制； 蒸发率低； 加热速度不高，蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物，
则有可能分解或蒸发速率不同，造成薄膜成分偏离蒸发物 材料成分。
高温时，钽和金形成合金，铝、铁、镍、 钴等与钨、钼、钽等形成合金
表面处理第十二讲气相沉积(共16张PPT)
4、CVD装置及工艺应用：
）成膜机理 表面温度（低利于凝聚成膜，但结合力不高。
2 3）影响蒸镀过程的状态与参数：
二、化学气相沉积（CVD） 二、化学气相沉积（CVD） （1）真空度：一般为10-2~10-4Pa； 二、化学气相沉积（CVD） 表面处理第十二讲气相沉积 概念：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。 一、物理气相沉积（PVD） （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 2）反应物供给及配比：要选择常温下是气态的物质或具有高蒸气压的液体或固体。 由于溅射沉积到基材表面的粒子能量比蒸发时高50倍，对基材表面有清洗和升温作用，所以镀膜附着力较大。 二、化学气相沉积（CVD） 缺点是需要在较高温度下反应，基材温度高，沉积速率较低（每小时几微米到几百微米），基材难以进行局部沉积，参加沉积反应的气源和反应 后的余气有一定的毒性。 基材表面晶体结构（单晶体则镀膜也长成单晶体）； 氩离子高速轰击基材并溅射清洗活化其表面，然后接通交流电，加热蒸发蒸发源中的膜料，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离 ，成为正离子，高速打在基材表面。 （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 把待镀膜材料置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基材或工件 表面，并冷凝成薄膜的过程。 1、概念：把一种或几种含有构成薄膜元素的单质气体或化合物通入放置有基材的反应室，借助气相作用或在基材上的化学反应生成所希望的薄膜 。
3、应用：在电子、机械等工业领域有广泛应用，特别用于 氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄 膜的沉积。分常压和低压（数百至数十Pa）CVD。后者镀
膜均匀性好，针孔较少，反应气体利用率高。
）成膜机理 表面温度（低利于凝聚成膜，但结合力不高。
2 3）影响蒸镀过程的状态与参数：
二、化学气相沉积（CVD） 二、化学气相沉积（CVD） （1）真空度：一般为10-2~10-4Pa； 二、化学气相沉积（CVD） 表面处理第十二讲气相沉积 概念：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。 一、物理气相沉积（PVD） （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 2）反应物供给及配比：要选择常温下是气态的物质或具有高蒸气压的液体或固体。 由于溅射沉积到基材表面的粒子能量比蒸发时高50倍，对基材表面有清洗和升温作用，所以镀膜附着力较大。 二、化学气相沉积（CVD） 缺点是需要在较高温度下反应，基材温度高，沉积速率较低（每小时几微米到几百微米），基材难以进行局部沉积，参加沉积反应的气源和反应 后的余气有一定的毒性。 基材表面晶体结构（单晶体则镀膜也长成单晶体）； 氩离子高速轰击基材并溅射清洗活化其表面，然后接通交流电，加热蒸发蒸发源中的膜料，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离 ，成为正离子，高速打在基材表面。 （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 把待镀膜材料置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基材或工件 表面，并冷凝成薄膜的过程。 1、概念：把一种或几种含有构成薄膜元素的单质气体或化合物通入放置有基材的反应室，借助气相作用或在基材上的化学反应生成所希望的薄膜 。
3、应用：在电子、机械等工业领域有广泛应用，特别用于 氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄 膜的沉积。分常压和低压（数百至数十Pa）CVD。后者镀
膜均匀性好，针孔较少，反应气体利用率高。
《PVD基础知识》课件
PVD技术原理
PV D 技术基于蒸发和溅射现象，通过在真空环境中提供能量来使材料转变为 气态。这些气态粒子会沉积到基底表面上形成薄膜。
PVD工艺流程
PV D 工艺流程包括前处理、沉积、冷却和后处理等步骤。其中，前处理用于 清洁和活化基底表面，沉积阶段形成所需薄膜结构。
PVD材料和应用
金属薄膜
金属薄膜具有良好的导电性和热传导性，常 用于电子器件、光学涂层和装饰性涂层等领 域。
多层薄膜
通过堆叠不同材料的薄膜，可以实现特定功 能，如光学滤波器、光学镀膜、阻隔材料和 生物材料。
陶瓷薄膜
陶瓷薄膜具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，常 用于刀具涂层、摩擦材料和陶瓷电子器件。
其他应用
PV D 还广泛应用于汽车、航空航天、医疗设 备、半导体和光伏等领域，提供材料改性、 保护和装饰的解决方案。
PVD优点与限制
1 优点
2 限制
PV D 技术具有高质量、高纯度、均匀性好，PV D 技术也存在薄膜厚度限制、工 艺复杂性和高成本等限制，需要综合考虑 应用需求。
应用案例分析
1
电子器件
通过在芯片上制备金属互连线和隔离
光学涂层
2
层的PV D 技术，实现高集成度和小尺 寸。
常见PVD设备
物理溅射
物理溅射是常见的PV D 技术， 适用于金属、合金和陶瓷薄膜 的制备，如溅射离子镀 （Sputter IAD ）。
热蒸发
热蒸发是将材料加热到蒸发温 度，通过自由蒸发和电子束蒸 发等方式形成薄膜，常用于有 机发光二极管（OLED ）。
离子镀
离子镀采用离子激发技术，可 以改善薄膜附着力和密实性， 常用于装饰涂层和硬质涂层的 制备。
将光学滤波器和增透镀膜应用于摄像
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螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能 够浸润螺丝或者有足够的表面张力以 防止掉落，它的优点是可以从各个方 向发射蒸气。 箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润 加热器的材料，效率较高（相当于小 型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸 发。
图8.2. 4 各种电阻加热蒸发源
（2）电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。
电子束加热蒸发源由： 阴极、加速电极、阳极 （膜料）组成。 还有高频加热蒸发源、 激光蒸发源等。
图8.2.5 电子束加热蒸发源
优点:
（1）可以直接对蒸发材料加热；
（2）装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而 可避免 材料与容器的反应和容器材料的蒸发；
（ 3 ） 可 蒸 发 高 熔 点 材 料 ， 例 如 ： 钨 （ Tm=3380℃ ） 、 钼 (Tm=2610℃)和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。
在阴极靶面上加一环行磁场，使 B E , 控制二次电子运动轨迹， 电子运动方程：
d e ( E B) dt m
(16)
运动轨迹为一轮摆线，电子在靶面上沿着垂直于E、B的方向前进，电 子被束缚在一定的空间内，减少了电子在器壁上的复合损耗；同时，延长 了电子路径，增加了同工作气体的碰撞几率，提高了原子的电离几率，使 等离子体的密度增大；溅射速率呈数量级的提高； 低能电子，使T基片↘↘，等离子体被磁场约束在靶面附近，也使T基片↘ 工作气压 0.1Pa，减少了碰撞，提高了沉积速率！
（2）多靶共溅射 7.化合物膜的镀制
2. 残存气体对制膜的影响
22 （1）残存气体的蒸发速率Ng： N g 3.513 10
g Pg
M gTg
(13)
（2）到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源)：
Ng Nd
Pg P
Pg MT r 2 K M gTg A cos cos P
(14) （ g）
讨论：减小污染的途径
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝； 2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难；
3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
选择原则：在所需蒸发温度下不软化，饱和蒸气压小，不发生反应； 一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常作成螺旋丝状或箔舟状，如图 8.2.4所示。 特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm材料。
特点：镀膜速率快，可多块同镀，操作方便，参数易于控
制，可适时监控成膜过程，但膜与基片的结合强度不高， 还存在分馏问题。
用途：镀制导电膜、增透膜、Al膜等。
7. 分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy,缩写为MBE) （1）外延技术
外延是指在单晶衬底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）的技术。 液相外延 外延技术， 分为 气相外延 分子束外延 同质 异质 外延
（1）溅射现象（1842，Grove提出） 当高能粒子（通常是由电场加速的正离子）冲击 固体表面时，固体表面的原子、分子与这些高能粒 子交换能量，从而由固体表面飞溅出来的现象。 溅射镀膜: 1870年，工业应用：1930年以后。 （2）区别： 蒸镀：让材料加热气化（发射出粒子），再沉积到基 片上成膜； 溅射：用离子轰击，将靶材原子打出来，再沉积到基 片上成膜。
（2）封闭体系内的P—T关系：
Lv dP dT TV
（1）
∵
V V汽 V固、 液
1 V汽 RT， P
∴
积分：
dP PLV dT RT 2
LV 1 ln p A R T
（2）
图8.2.2 几种材料的蒸气压——温度曲线
（3）蒸发速率和凝结速率
① 蒸发速率Ne： ——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位 面积上射出的平均原子数。
（ 5 ）沉积温度较高，膜与基片的结合强 度不高。
图8.2.1 蒸镀装置示意图
1.衬底加热器；2.衬底；3. 原料；4.料舟
1. 物理基础 （1）物理阶段： ① (淀积材料的)升华：S→V； ② 输运：蒸发源→基片上； ③ 沉积： V→S ； ④ 重新排列：淀积粒子在基片上重新排列或键合
蒸发淀积——不平衡过程； 恒定条件——高质量膜。
(1/cm2· s)
(6)
β、 θ为蒸气入射方向分别与蒸发 表面和接收表面法向的夹角 。
图8.2.3 、角的意义
（4）蒸发制膜的厚度
∵τ时间内，蒸发材料的总量：m =ANe，密度： ∴ 膜厚：
AN e cos m cos 点蒸发源： t 2 4 r 4 r 2
∴溅射不如蒸镀应用广泛！
2.辉光放电
溅射离子一般来源于气体放电，主要是辉光放电。
设备——真空二极管； 阴极——被溅射的材料； 阳极——基片； 10Pa一1Pa；数百伏的电压。 机制： 放电产生的等离子体中的正离子经阴 极暗区的电场加速而飞向阴极靶，不仅 能打出靶面原子（溅射材料），而且还 会轰击出二次电子，二次电子在飞向阳 极的过程中，又与其它气体分子碰撞使 之电离，使辉光放电持续不断的进行下 去。
a. Te与材料性质有关； b. Te与蒸发速率有关， 蒸发速率↘， Te ↘； c. Te与表面粗糙度有关， 表面粗糙度大， Te↗。
Te低一些好！ 特点：可精确控制膜厚， 获得高洁净度的膜层！
图 8.2.9 蒸发速率和基片温度对 Ge （111） 基片上所镀Ge膜结构的影响
二、溅射镀膜
1.概述
m cos m h2 h3 t cos t 0 3 2 2 2 4r 4h r r
沉积膜相对厚度分布 ：
t [1 ( x / h)2 ] 3 / 2 t0
(点源)
(11)
t 2 2 [1 ( x / h) ] t0
t0可以测量，x↗,t↘
(面源)
(12)
（1）磁控溅射靶 有两种形式：
柱形靶 磁控ห้องสมุดไป่ตู้射靶
矩形平面靶：双线源，应用广泛，大面积，
平面靶
连续镀膜；
圆形平面靶：小型磁控源，制靶简单,科研用
磁控溅射的主要缺点：
靶材利用率不高，一般低于40％。
6.合金膜的镀制 ——不存在分馏问题
（1）溅射法镀合金膜，薄膜成分与靶材相同
AB合金，贫A溅射；与蒸镀不同；
图8.2.10 辉光放电
3. 溅射机理——两种假说 （1）Hippel理论（1926提出） 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴 极材料）的局部蒸发，在阳极上沉积制膜。
（2）动能转移机理 （Stark,1909，Langmuir, Henschk）
(I) 溅射出的原子能量比热蒸发原子能量高一个数量级； (II)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅 射； (Ⅲ)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数,既与轰击离子的能量 1 mv 2 有关，也与轰击离子的质量有关 ( ,动能转移 )； 2 (Ⅳ)离子能量过高，溅射系数反而下降,可能是因为离子深入 到靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； (Ⅴ)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个 方向出射。 最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向，这 种现象可用“聚焦碰撞”解释。
（3）特点：
优点： a. 使用范围宽，原则上任何物质均可溅射，尤其是高 Tm、低分解压的材料； b.膜质好，膜密度高，无气孔，附着性好； c.可制备掺杂膜、氧化物膜和超高纯膜等。 缺点： a.设备复杂，沉积参数控制较难； b.沉积速率低，约0.01～0.5m/min， 蒸镀： 0. 1～5m/min
(g/cm2· s)
(4)
② 凝结速Na：
——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。 Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关
设：a. 忽略碰撞，直线运动；
点源,球面发射： N AN e cos a 2
b.
A r
4r
(1/cm2· s)
(5)
小型圆平面源：
AN e cos cos Nd r 2
一、真空蒸发镀膜（蒸镀）
蒸镀——利用真空泵将淀积室抽成“真空”，然后用高熔
点材料制成的蒸发源将淀积材料加热、蒸发、淀积于基片 上。
特点： （1）操作方便，沉积参数易于控制； （ 2 ）制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；
（ 3 ）可在电镜监测下进行镀膜，可对薄 膜生长过程和生长机理进行研究。
（ 4 ）膜沉积速率快，还可多块同时蒸镀；
4. 二级溅射
最早采用的一种溅射方法
原理如图所示 影响溅射工艺的主要因素：
放电气体压强P；放电电压VDC；
放电电流IDC； 可调参量： IDC ； P；
特点：方法及设备简单；
放电不稳， 常因局部放电引 起IDC变化；
图8.2.11 二极溅射装置示意图
沉积速率低；
已渐趋淘汰 ！
5. 磁控溅射
70年代，在阴极溅射基础上发展起来，能有效克服溅射速 率低，电子碰撞使基片温度升高的弱点。 （1）基本原理
§8.2 物理汽相沉积（PVD）
物理气相沉积
—— Physical Vapor Deposition 缩写为： PVD； 通常用于沉积薄膜和涂层 沉积膜层厚度：10-1nm～mm； 一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到 各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子以 及它们的相关工业工程。 包括 蒸发沉积（蒸镀）、溅射沉积（溅射） 和离子镀等。
∴ 连续加料，保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为A4B1；
在蒸镀过程中，还应注意使熔池温度和体积保持恒定。
（2）蒸镀难熔化合物膜——多数会分解
例如：A12O3 Al、AlO、(AlO)2、Al2O、O和O2 等， 解决对策——适当通氧 (15)