物理氣相沉積技術(shù)

1、物理氣相沉積技術(shù)（Physical Vapor Deposition, PVD) 1.物理氣相沉積技術(shù)的概念 2.物理氣相沉積的基本過程 3.物理氣相沉積技術(shù)的分類4.蒸發(fā)鍍膜5.濺射鍍膜6.離子鍍一.物理氣相沉積技術(shù)的概念 物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD)技術(shù)：表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源固體或液體表面氣化成氣體原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有特殊功能薄膜的技術(shù)。二.物理氣相沉積技術(shù)的基本過程 從原材料中發(fā)射粒子（通過蒸發(fā)、升華、濺射和分解等過程）. 粒子輸運(yùn)到基片（粒子間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離

2、化、復(fù)合、反應(yīng)，能量的交換和運(yùn)動(dòng)方向的變化）. 粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大和成膜.PVD的物理原理塊狀材料 (靶材)薄膜薄膜物質(zhì)輸運(yùn)物質(zhì)輸運(yùn)能量輸運(yùn)能量輸運(yùn)能量襯底以氣態(tài)方式進(jìn)行以氣態(tài)方式進(jìn)行氣態(tài)氣態(tài)三.物理氣相沉積技術(shù)的分類四.蒸發(fā)鍍膜 概念：將鍍料在真空中加熱、蒸發(fā)，使蒸發(fā)的原子或原子團(tuán)在溫度較低的基板上凝結(jié)，形成薄膜。 基本思想：將材料置于某種容器內(nèi),升高溫度， 熔解并蒸發(fā)材料SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇島島薄膜薄膜熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)根據(jù)加熱原理（或加熱方式）分有：電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā)、射頻加熱蒸

3、發(fā)電阻加熱蒸發(fā) 熱蒸發(fā)是在真空狀況下，將所要蒸鍍的材料 利用電阻加熱達(dá)到熔化溫度，使原子蒸發(fā)， 到達(dá)并附著在基板表面上的一種鍍膜技術(shù) 將用高熔點(diǎn)金屬(W, Mo, Ta, Nb)制成的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料. 電阻加熱蒸發(fā)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便； 支撐坩堝及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)； 難以獲得足夠高溫蒸發(fā)介電材料（Al2O3、TiO2）； 蒸發(fā)率低； 加熱導(dǎo)致合金或化合物分解。 可制備單質(zhì)、氧化物、介電和半導(dǎo)體化合物薄膜。電子束蒸發(fā) 熱電子由燈絲發(fā)射后，被加速陽極加速，獲得 動(dòng)能轟擊到處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材 料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜電子束蒸發(fā) 用高能聚焦的電子

4、束熔解并蒸發(fā)材料用高能聚焦的電子束熔解并蒸發(fā)材料 電子束加熱原理電子束加熱原理:是基于電子在電場(chǎng)作用下是基于電子在電場(chǎng)作用下,獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料,使蒸發(fā)使蒸發(fā)材料加熱材料加熱氣化氣化.電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點(diǎn) 電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度 。達(dá)到104 109 W/cm2 的功率密度，熔點(diǎn)3000的材料蒸發(fā)，如WW、 Mo、 Ge、 SiO2 、 Al 2O3 等。 被蒸發(fā)材料可置于水冷坩鍋中 避免容器材料蒸發(fā)、及其與蒸發(fā)材料反應(yīng) 熱量可直接加到蒸鍍 材料的表面 熱效率高、熱傳導(dǎo)和熱輻射損失小 電子束蒸發(fā)源的缺點(diǎn)電子槍發(fā)出的

5、一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子會(huì)使 蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離 影響膜層質(zhì)量。可選擇電子槍加以解決電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴 加速電壓高時(shí)，產(chǎn)生的一些射線對(duì)人體傷害激光熔融蒸發(fā) 高功率激光束作為熱源蒸發(fā)待蒸鍍材料，激光光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料使之蒸發(fā)，最后沉積在基片上. 激光熔融蒸發(fā)特點(diǎn)： 激光清潔、加熱溫度高，避免坩堝和熱源材料的污染； 可獲高功率密度激光束，蒸發(fā)速率高，易控制； 容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)或順序多源蒸發(fā)； 比較適用成分復(fù)雜的合金或化合物材料； 易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜性能.五.濺射鍍膜1.濺射的概念 具有一定能量的入射離子在對(duì)固體表面進(jìn)行轟擊時(shí)，入射離子在與固體

6、表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來，這種現(xiàn)象稱為濺射。 濺射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶材的荷能粒子可以使電子、離子、中性粒子，由于離子在電場(chǎng)下易于加速并獲得所需動(dòng)能，故大多采用離子作為轟擊粒子，則該離子又稱為入射離子。+Al靶Al膜濺射沉積薄膜原理濺射沉積薄膜原理陽陽陰陰避免金屬原子氧化真空Ar氣Ar+Al靶 濺射與熱蒸發(fā)在本質(zhì)上不同，熱蒸發(fā)是由能量轉(zhuǎn)化引起的，濺射含有動(dòng)量轉(zhuǎn)換，所以濺射出的原子有方向性。利用這種現(xiàn)象制備薄膜的方法稱為濺射法。 在實(shí)際進(jìn)行濺射時(shí)，通常是利用被電場(chǎng)加速的正離子轟擊欲被濺射的靶電極(陰極)，并從陰極靶濺

7、射出原子，所以又稱為陰極濺射。 濺射現(xiàn)象是在輝光放電中觀察到的。在輝光放電過程中離子對(duì)陰極的轟擊，可以使得陰極的物質(zhì)飛濺出來。 即射向固體表面的離子都是來源于氣體放電。1).無光放電區(qū)：一般情況，氣體原子基本處于中性。無外電場(chǎng)下，帶電粒子和氣體分子，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)；有外電場(chǎng)下，定向運(yùn)動(dòng)，UVI,當(dāng)粒子速度達(dá)到飽和，電流達(dá)到飽和值。2).湯生放電區(qū)：UEV,電子與中性分子之間的碰撞不再是低速時(shí)的彈性碰撞，而使得氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子。 電子與中性分子之間的碰撞使得氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子，新產(chǎn)生的電子和原有電子被電場(chǎng)加速，使得更多氣體分子電離，電子和離子數(shù)目雪崩式增加，放電電流迅速增大

8、。 2).湯生放電區(qū)：這時(shí)，放電電流迅速增加，但是電壓變化不大。3).輝光放電：在湯生放電之后，氣體發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，I，U繼續(xù)增大電流，放電就會(huì)進(jìn)入正常輝光放電區(qū)，顯然電流的增大與電壓無關(guān)。正常輝光放電時(shí)的電流密度比較小，所以濺射不選在這個(gè)區(qū)，而選在反常輝光放電區(qū)。4).反常輝光放電：I ,U ,發(fā)光仍為輝光(異于正常)，增大至f點(diǎn)，不穩(wěn)定，I ,U ，放電系統(tǒng)馬上會(huì)過渡到電弧放電區(qū)。2.濺射鍍膜的特點(diǎn)(相比較真空蒸發(fā)) 任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點(diǎn)(淀積難熔金屬)、低蒸汽壓元素和化合物。只要是固體物質(zhì)都可以作為靶材。 濺射鍍膜密度高(高能量原子)，膜層純度較高(避免真空鍍膜時(shí)的坩堝污染現(xiàn)象

9、)。 可重復(fù)性好，膜厚可控，同時(shí)可以在大面積基片上獲得均勻薄膜。 在濺射過程中濺射出的原子將從濺射過程中獲得很大的動(dòng)能(510eV,蒸發(fā)過程中原子獲得動(dòng)能為0.10.2eV)。由于能量的增加，可以改善臺(tái)階覆蓋性以及薄膜與襯底的粘附性，且由于濺射來自平面源(蒸發(fā)來自點(diǎn)源)則能從各個(gè)角度覆蓋硅片表面，臺(tái)階覆蓋度進(jìn)一步優(yōu)化。 濺射工藝適用于淀積合金，而且具有保持復(fù)雜合金元組分的能力。比如常用的濺射AlSiCu合金中靶材含有0.5%的Cu，那么淀積的薄膜也含有0.5%的Cu。3.濺射鍍膜的缺點(diǎn) 濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置 濺射淀積的成膜速度低，真空蒸發(fā)鍍膜淀積速率為0.15m/min，濺射速率為0.0

10、10.5 m/min。 基片溫升較高，易受雜質(zhì)氣體影響。三、濺射方法 具體濺射方法較多。 直流濺射，射頻濺射，磁控濺射，反應(yīng)濺射，離子束濺射，偏壓濺射等。1).直流濺射 靶材置于陰極，陽極為襯底。 常用氬氣作為工作氣體。 濺射電壓15kV，靶電流密度0.5mA/cm2，薄膜淀積速率低于0.1 m/min 直流濺射只能濺射導(dǎo)體材料。 直流濺射的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便 直流濺射的缺點(diǎn)： 不能獨(dú)立控制各個(gè)工藝參數(shù)，放電電流易隨電壓和氣壓變化。 濺射速率低，薄膜質(zhì)量(致密度、純度)差。 基片溫升高、淀積速率低 靶材必須是良好導(dǎo)體。2).射頻濺射 射頻濺射相當(dāng)于直流濺射裝置中的直流電源部分改由射頻發(fā)生

11、器、匹配網(wǎng)絡(luò)和電源所代替，利用射頻輝光放電產(chǎn)生濺射所需的正離子。 與只能濺射導(dǎo)體材料的直流濺射相比，射頻濺射是能適用于包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的幾乎各種材料。 濺射電壓1000V，靶電流密度1.0mA/cm2，薄膜沉積速率低于0.5m/min。實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣材料的濺射 在采用高頻率電源產(chǎn)生放電后，兩級(jí)間的電位進(jìn)行高頻變化。當(dāng)靶材處于負(fù)半周時(shí)，正離子對(duì)靶面進(jìn)行轟擊引起濺射，與此同時(shí)靶材表面會(huì)有正電荷的積累。當(dāng)靶材處于正半周時(shí)，由于電子對(duì)靶的轟擊，中和了積累在靶面上的正電荷，為下個(gè)周期的濺射創(chuàng)造了條件。在一個(gè)周期內(nèi)正離子和電子可以交替轟擊靶面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣材料的濺射。由于在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)靶材既有

12、濺射又有中和，因此能使得濺射持續(xù)進(jìn)行。 射頻方法在靶材產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即射頻電場(chǎng)作用的同時(shí)，靶材自動(dòng)處于較大的負(fù)電位，導(dǎo)致氣體離子自發(fā)對(duì)其轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對(duì)其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過程。 射頻濺射的特點(diǎn) 1.能產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，達(dá)到對(duì)靶材的轟擊濺射，并沉積在襯底上。 2.不需要在高壓下產(chǎn)生二次電子來維持放電，射頻濺射可在低壓下進(jìn)行，沉積速率較直流濺射高(此時(shí)氣體散射少)。 3.射頻濺射可將能量直接耦合給等離子體中的電子，故其工作電壓和對(duì)應(yīng)的靶電壓較低(相較于直流濺射)。 射頻濺射的缺點(diǎn) 高能電子轟擊襯底，導(dǎo)致襯底發(fā)熱并損害鍍膜質(zhì)量。 大功率的射頻電源

13、不僅造價(jià)高，對(duì)于人身防護(hù)也有一定問題，因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)。3).磁控濺射 磁控濺射技術(shù)作為一種高速、低溫、低損傷的濺射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。 高速是指淀積速率快(與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)) 低溫是指襯底的溫升低 低損傷是指對(duì)膜層的損傷小 在靶材附近加入磁場(chǎng)，垂直電場(chǎng)方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加電子運(yùn)動(dòng)的路徑，提高電子與氣體分子的碰撞幾率。同時(shí)，受正交電磁場(chǎng)束縛的電子，只能在其能量要耗盡時(shí)沉積在襯底上。 使得磁控濺射具有低溫、高速的特點(diǎn)。 在電場(chǎng)E作用下，電子與氬原子碰撞，電離產(chǎn)生Ar+和新的電子。 新電子飛向襯底，Ar+電場(chǎng)作用加速飛向陰極靶，以高能量轟擊，發(fā)生濺射。 靶原子沉積成膜，產(chǎn)生的二次電子沿EXB所指方向漂移。碰撞次數(shù)增加，二次電子能量下降，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，最終沉積在襯底上。傳遞能量很小，致使襯底溫升較低。 磁控濺射的特點(diǎn) 工作氣壓低，沉積速率高 維持放電所需的靶電壓低