薄膜沉积物理方法
第二章 薄膜制备的物理方法
反应方程举例如下:
Al(激活蒸汽） O2 (活性气体） Al2O3(固相沉积）
Sn（激活蒸汽） O2(活性气体) SnO2 (固相沉积） 在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活
为了避免污染薄膜材料，蒸发源中所用的支撑材 料在工作温度下必须具有可忽略的蒸汽压，以避 免支撑材料原子混入蒸发气体中。
通常所用的支撑材料为难熔的金属和氧化物。
同时，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、相互润湿程度等问题。
支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。
源，则膜厚分布为：
d
1
d0 1 l / h2 2
沉积速率和膜厚分布
沉积速率和膜厚分布
实际蒸发过程中，蒸发粒子都要受到真空室中残 余气体分子的碰撞，碰撞次数取决于分子的平均 自由程。设有N0个蒸发分子，飞行距离l后，未受 到残余气体分子碰撞的数目N为：
N N0 exp(l / )
同时，脉冲激光沉积可以实现高能等离子体沉积 以及能在气氛中实现反应沉积。
PLA的局限性：
（1）小颗粒的形成。在PLA膜中通常有0.110um的小颗粒，解决的办法是利用更短波 长的紫外线、靶转动和激光束扫描以保持 靶面平滑，更有效的办法是转动快门将速 度慢的颗粒挡住。
（2）膜厚不够均匀。熔蒸“羽辉”（发光部 分类似羽毛）具有很强的定向性，只能在 很窄的范围内形成均匀厚度的膜。
第二章 薄膜制备的物理方法
物理气相沉积
薄膜沉积的物理方法主要是物理气相沉积法，物 理气相沉积（Physical Vapor Deposition,简称 PVD）是应用广泛的一系列薄膜制备方法的总称， 包括真空蒸发法，溅射法，分子束外延法等。
薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、主要优点：
与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； 加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
3、主要问题：
电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质量。
电弧加热蒸发装置示意图
4、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )
第四章_薄膜的物理气相沉积
4.1 蒸发沉积 4.2 溅射沉积 4.3 离子束沉积 4.4 脉冲激光沉积
4.1 蒸发沉积
蒸发沉积薄膜的基本过程：
1） 原材料被加热蒸发而气化 2） 气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运 3）蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、 核长大，继而形成连续薄膜
4.1.1 蒸发源
缺点：需要较复杂且昂贵的高频电源
4.1.2 原材料的蒸发与输运
1.
蒸发速率 假设在原材料表面液相和气相分子处于动态平 衡，则蒸发速率
dN r Pr P0 Je Adt 2 mkT
蒸发速率与蒸发源温度的关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
4.1.3 蒸发镀膜的膜厚分布
膜厚的分布取决于蒸发源的几何形状 与蒸发特性、基片的几何形状、基片与蒸 发源的相对位置等因素。
膜厚理论计算的简化假设： 1）蒸发凝结成薄膜
4.2 溅射沉积
溅射：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（或 分子）逸出的现象叫溅射。 使用范围：金属、合金、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物、超导薄膜等。 溅射率：当粒子轰击靶阴极时，平均每个粒子从 阴极上打出的原子数。 溅射阈值：当入射粒子能量高于溅射阈值时才发 生溅射。
脉冲激光沉积的优点
相比其他制膜技术，PLD具有如下特点：1） 采用紫外脉冲激光器作为等离子体的能源，它 具有高光子能量、无污染且易于控制的特点； 2）可以比较精确的控制化学计量比，实现靶 膜成分接近一致。3） 可以引入反应气体，提 供了另一种改变薄膜组分的办法；4）四个靶 材托板随意更换，可以实现多层膜、异质结的 制备，尤其适合制备量子阱结构薄膜。5）工 艺相对简单，灵活性很大，可以实现诸多不同 种类的薄膜制备；6）可以使用激光器对薄膜 进行后续处理等。
薄膜沉积物理方法超强总结
电弧加热蒸发装置示意图
真空蒸发沉积
三、电弧放电加热蒸发：
3、主要优点： 与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； ❖加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导 电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
4、主要缺点： 电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质 量。
薄膜制备物理方法总结
蒸发（Evapor)
Physical
Vapor
Deposition
溅射（Sputtering ） 离化PVD（离子镀、IBAD、IBD等）
的物 理方 法
外延技术 Epitaxy
分子束外延 (MBE，Molecular Beam Epitaxy 液相外延 (LPE，Liquid Phase Epitaxy ) 热壁外延 (HWE，Hot Wall Epitaxy )
轰击坩埚
电子束蒸发装置 示意图
薄膜沉积
采用电场 (5~10 kV) 加速获得高能电子束。 磁场偏转法的使用可以避免灯丝材料的蒸发 对于沉积过程可能造成的污染。
真空蒸发沉积
二、电子束蒸发：
➢ 应用场合：适用于高纯度（高真空度）、高熔点、易污染 薄膜材料的沉积。
➢ 优点： 加热温度高，可蒸发任何材料； 可避免来自坩锅、加热体和支撑部件的污染；
5、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜.
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
PLD也被称为脉冲激光烧蚀:pulsed laser ablation，PLA.
1，原理： 将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面，
使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子 体，等离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜。真空 度～10-6 Pa，可实现multilayer的沉积
物理沉积法
物理沉积法物理气相沉积法用物理的方法使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法物理气相沉积(Physical Vapor Deposition简称PVD) 是用物理的方法(如蒸发、溅射等)使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法。
除传统的真空蒸发和溅射沉积技术外，还包括近30 多年来蓬勃发展起来的各种离子束沉积，离子镀和离子束辅助沉积技术。
其沉积类型包括: 真空蒸镀、溅射镀、离子镀等。
物理气相沉积技术虽然五花八门，但都必须实现气相沉积三个环节，即镀料(靶材) 气化一气相输运一沉积成膜。
中文名物理气相沉积法沉积类型真空蒸镀、溅射镀、离子镀等各种沉积技术的不同点主要表现为在上述三个环节中能源供给方式不同，同一气相转变的机制不同，气粒子形态不同，气相粒子荷能大小不同，气相粒子在输运过程中能量补给的方式及粒子形态转变不同，镀料粒子与反应气体的反应活性不同，以及沉积成膜的基体表面条件不同而已。
与化学气相沉积相比，主要优点和特点如下：I)镀膜材料广泛，容易获得:包括纯金属、合金、化合物，导电或不导电，低熔点或高熔点，液相或固相，块状或粉末，都可以使用或经加工后使用。
2)镀料汽化方式:可用高温蒸发，也可用低温溅射。
3)沉积粒子能量可调节，反应活性高。
通过等离子体或离子束介人，可以获得所需的沉积粒子能量进行镀膜，提高膜层质量。
通过等离子体的非平衡过程提高反应活性。
4)低温型沉积:沉积粒子的高能量高活性，不需遵循传统的热力学规律的高温过程，就可实现低温反应合成和在低温基体上沉积，扩大沉积基体适用范围。
可沉积各类型薄膜:如金属膜、合金膜、化合物膜等。
5)无污染，利于环境保护。
物理气相沉积技术已广泛用于各行各业，许多技术已实现工业化生产。
其镀膜产品涉及到许多实用领域。
半导体技术-薄膜沉积
薄膜沉积薄膜的沉积，是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结，以渐渐形成薄膜并成长的过程。
分类及详述：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）——CVD反应气体发生化学反应，并且生成物沉积在晶片表面。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）——PVD蒸镀（Evaporation）利用被蒸镀物在高温（近熔点）时，具备饱和蒸汽压，来沉积薄膜的过程。
溅镀（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极（Electrode）的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），沉积薄膜。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)用高温炉管来进行二氧化硅层的成长，至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。
由于化学反应随温度呈指数函数变化，故当高温时，迅速完成化学反应，对于化学气相沉积来说，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程的重复性。
高温制程有几项缺点：1．高温制程环境所需电力成本较高。
2．安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积材料。
3．高温成长的薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。
所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，如此一来，在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。
按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」：1．常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD；APCVD)最早研发的CVD系统，是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。
薄膜的沉积过程
薄膜的沉积过程
薄膜沉积是指将材料沉积到基底表面形成一层薄膜的过程。
这个过程在微电子、光电子、纳米技术等领域都有广泛的应用。
薄膜沉积过程可以分为物理气相沉积和化学气相沉积两种方法。
1. 物理气相沉积
物理气相沉积是指通过高能粒子（如电子束、离子束）或热源（如电阻丝）将材料加热至高温，使其蒸发或溅射到基底表面上形成一层薄膜的过程。
这种方法适用于制备金属、合金、硅等材料的薄膜。
2. 化学气相沉积
化学气相沉积是指通过化学反应将材料从气体状态转变为固态并在基底表面上形成一层薄膜的过程。
这种方法适用于制备半导体、绝缘体和金属等材料的薄膜。
化学气相沉积可以分为以下几种类型：
（1）热化学气相沉积（CVD）
CVD是一种将气态前驱体在高温下分解反应产生材料沉积在基底表面
的方法。
CVD适用于制备SiO2、Si3N4、MoSi2等材料的薄膜。
（2）物理化学气相沉积（PVD）
PVD是指通过物理手段将材料从固态转变为气态，然后在基底表面上
形成一层薄膜的过程。
PVD适用于制备金属、合金、氧化物等材料的
薄膜。
（3）原子层沉积（ALD）
ALD是一种将前驱体分子和反应剂交替注入反应室中，每次只有一个
单层原子或分子被沉积在基底表面上的方法。
ALD适用于制备高质量、均匀性好的绝缘体和金属薄膜。
总之，不同类型的薄膜沉积方法具有不同的特点和优缺点，在实际应
用中需要根据具体情况选择合适的方法。
pvd方法
PVD方法是一种物理气相沉积方法，全称为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）。
它是一种将固态材料转化为蒸汽或气体形式，然后通过凝结在基底表面上形成薄膜的方法。
PVD方法通常包括以下步骤：
1. 准备基底：将需要镀膜的基底进行清洗和处理，以确保表面干净和平整。
2. 加热源：使用电阻加热、电子束加热或激光加热等方式，将固态材料加热至其蒸汽或气体形式。
3. 蒸发：加热后的固态材料开始蒸发，形成蒸汽或气体。
4. 沉积：蒸汽或气体通过真空环境，沉积在基底表面上，形成薄膜。
5. 控制：通过控制沉积速率、温度和压力等参数，调节薄膜的厚度和性质。
6. 冷却：薄膜沉积完成后，将基底冷却至室温，使薄膜固化。
PVD方法具有以下优点：
1. 薄膜均匀性好：PVD方法可以在基底表面均匀沉积薄膜，薄膜的厚度和性质可以通过控制参数进行调节。
2. 薄膜结构致密：PVD方法沉积的薄膜结构致密，具有较高的密度和较好的附着力。
3. 可用于多种材料：PVD方法可以用于沉积多种材料的薄膜，包括金属、合金、氧化物等。
4. 无需溶剂：PVD方法是一种无溶剂的沉积方法，对环境友好。
PVD方法在许多领域都有广泛应用，包括电子器件、光学薄膜、防腐蚀涂层等。
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沉积 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
六、残余气体的影响：
实际蒸发过程中，真空环境内总是存在一定量的残余气体分子，其影响主要表现在：
1、影响气相物质的输运（碰撞转向）： 引入残余气体分子与蒸发粒子的碰撞几率 () 表征： 1
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
3、材料分类（基于蒸发特性）：
易升华材料 (Cr、Ti、Si等) ：
Pe = 0.1 Pa 时的温度（℃）
4000
3537 3357
T<Tm时，Pe 就已很高 ( >> 0.1 Pa) 升华 难升华材料 (石墨)： 无 Tm，升华温度 (Ts) 又很高 往往需借助电弧等高温放电热源才能蒸发！ 液态蒸发材料 (大多数金属)： T＝Tm时， Pe 仍较低 (Pe < 0.1 Pa)， 但可以继续T 获得高的Pe ！ 需加热到Tm以上一定温度才能实现蒸发！
蒸发物质
式中： — 单位面积上元素的净蒸发速率； — 蒸发因子 (0~1)； M — 气体的原子/分子量；
2、Langmuir公式： (单位面积上的质量蒸发 速率 ) k( 材料常数 ) Pei Pi M T 可知： =1，Pi = 0 时，蒸发速率最大； 由于 Pei a e
H e RT
T时 Pei T 是 的主要影响因素！
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
五、沉积厚度及沉积速率：
1、影响沉积速率的因素： 蒸发源尺寸； 源-基片距离； 凝聚系数。
2、物理学表述 (Knudsen余弦定律)：
0.6
0.6
式中：d0 — 距蒸发源最近位置（中心处）的膜厚；
d — 距该中心距离为 l 处的膜厚； — 沉积角度；r — 沉积半径。
0.4
点源 小平面源
cos
0.4
0.2
0.2
3、规律：
0.0
距蒸发源近：则膜厚不均匀程度增加、但沉积速率提高； 距蒸发源远：则膜厚均匀程度好、但沉积速率降低。
3000
2657
2787
2000
1687 1367
难蒸发
1552 1647 1417 1082 627 1697 1817 1412
1937
1000
四、蒸发速率：
易蒸发
0
509
408
N A Pei Pi 1、Knudsen公式： 2 MRT
Al C Co Cr Cu Fe Li Mg Mn Mo Ni Si Sn Ta Ti W Zn
产生 从源材料发射粒子（气 相原子、分子、离子） 气相物质的输运 激发粒子输运到基片 PVD的三个关键过程： 沉积 气相粒子在基片上成膜 （凝结、形核、长大）
1、真空蒸发沉积技术 2、溅射沉积技术 PVD的工程分类： 基于气相粒子发射方式不同而分！ 3 、离子镀、离子束沉积 和离子束辅助沉积 4、气相外延沉积
3
薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础 一、概念：在真空环境下，以各种加热方式赋予待蒸发源材料以热量，使源材料物质获得所需的蒸汽压而
实现蒸发，所发射的气相蒸发物质在具有适当温度的基片上不断沉积而形成薄膜的沉积技术。
二、两个关键： 真空度：P ≤ 10-3 Pa（保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动）
3
薄膜 沉积 的 物理 方法
薄膜沉积的物理方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD（离子镀、IBAD 、IBD等） 分子束外延 (MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE，Hot Wall Epitaxy )
2、怎样实现蒸发条件？
升温 ： 课本：P29-30 图2.2 a、b H e P a e RT T Pei
ei
真空： 系统总压 P 目标物质分压Pi 也随之 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi
3 薄膜沉积的物理方法
注意：其中除了LPE技术外，都可划入广义的PVD技术范畴！
因此本章重点学习 蒸发、溅射、离子镀 三类基本PVD方法！
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
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）！
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。
基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自由程）
三、蒸发条件：分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pei
1、物理机制：
■ 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行； ■ T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压 ■ Pi > Pei 凝聚； Pi < Pei 蒸发 (净蒸发 > 0)
式中：N0 — 蒸发粒子总数； N — 不发生碰撞的蒸发粒子总数； l — 沉积距离 (10~50 cm)； r — 残余气体分子的平均自由程
N 1 exp l / r N0
真空度 (P <10-2 Pa) r>>l →0 碰撞无影响、蒸发粒子近直线输运 真空度 (P >10-1 Pa) r≤l →1 碰撞偏折明显、影响粒子输运！
点源： 小平面源：
d / d 0 1 l / h
2 3 / 2
r 2 h2
2
3 / 2
cos 3
相对沉积率（d/d0）
1.0
1.0
d / d 0 1 l / h
2 2
r
h2
0.8
0.8
2
余弦因子（cos）
cos 4