薄膜沉积的物理方法

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）！PVD的三个关键过程：PVD的工程分类：基于气相粒子发射方式不同而分！)EpitaxyHotWallHWE()EpitaxyPhaseLiquidLPE()EpitaxyBeamMolecularMBE(EpitaxyIBDIBADPVDSputteringnEvaporatioDepositionVaporPhysicalPVD)(，热壁外延，液相外延，分子束外延外延技术等）、（离子镀、离化）溅射（）蒸发（物理气相沉积技术（凝结、形核、长大）气相粒子在基片上成膜沉积激发粒子输运到基片输运相原子、分子、离子）从源材料发射粒子（气产生气相物质的、气相外延沉积和离子束辅助沉积、离子镀、离子束沉积、溅射沉积技术、真空蒸发沉积技术43213薄膜沉积的物理方法一、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≤10-3Pa（保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动）基片距离(相对于蒸发源)：10~50cm（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Pei1、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■PiPei凝聚；PiPei蒸发(净蒸发0)2、怎样实现蒸发条件？升温：课本：P29-30图2.2a、bTPei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RTHeieeaP3、材料分类（基于蒸发特性）：易升华材料(Cr、Ti、Si等)：TTm时，Pe就已很高(0.1Pa)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(Pe0.1Pa)，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！四、蒸发速率：1、Knudsen公式：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：可知：=1，Pi=0时，蒸发速率最大；由于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MRTPPNieiA2TMPPkiei)()(材料常数速率单位面积上的质量蒸发RTHeieeaP13672657168715521417164762750910822787169718171412335719373537408AlCCoCrCuFeLiMgMnMoNiSiSnTaTiWZn01000200030004000易蒸发Pe=0.1Pa时的温度（℃）蒸发物质难蒸发五、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)：点源：小平面源：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。3、规律：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。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Knudsen余弦定律32/3222/320cos/1/hrhldd4222220cos/1/hrhldd01530456075900.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0cos小平面源余弦因子（cos）相对沉积率（d/d0）沉积角度（）/o点源六、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：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(10~50cm)；r—残余气体分子的平均自由程真空度(P10-2Pa)rl→0碰撞无影响、蒸发粒子近直线输运真空度(P10-1Pa)r≤l→1碰撞偏折明显、影响粒子输运！2、污染薄膜（轰击基片并吸附）：引入残余气体分子对基片的撞击率(Ng)予以表征：式中：Pg—残余气体分压；Mg—残余气体分子量；Tg—残余气体的温度课本P38表2.2显示：常用真空度及沉积率下，残余气体分子可能污染薄膜；系统真空度、薄膜沉积速率薄膜内部残余气体含量。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rlNN/exp1101-2-22scm10513.3ggggTMPN一、概述：1、基本系统构成：(课本P27图2.1)2、蒸发源的作用：3、蒸发设备及方法的主要分类：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基片架及基片加热装置蒸发源或蒸发加热装置真空室极小（尽量不蒸发）支承待蒸发材料容器）提供热量（热源要求eceiPPT......电弧电弧蒸发激光激光熔融蒸发电子束轰击电子束蒸发同上闪烁蒸发电阻热电阻加热蒸发蒸发装置蒸发材料的加热方法二、电阻加热蒸发：将待蒸发材料放置在电阻加热装置中，利用电阻热加热待沉积材料提供蒸发热使待蒸发材料气化的蒸发沉积技术。1、支撑加热材料(课本P40图2.9)：可做成丝、箔片、筐、碗等形状，常采用金属W、Mo、Tl等高Tm、低Pe材料。2、应用：是制备单质金属、氧化物、介电材料和半导体化合物薄膜最常用的蒸发方法。3、主要问题：支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应；一般工作温度在1500~1900℃，难以实现更高蒸发温度，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。3薄膜沉积的物理方法3.1真空蒸发沉积（蒸镀）3.1.2蒸发沉积装置支撑加热材料(蒸发舟)电阻加热蒸发沉积装置三、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。3薄膜沉积的物理方法3.1真空蒸发沉积（蒸镀）3.1.2蒸发沉积装置闪烁蒸发装置示意图四、电子束蒸发：采用电场(5~10kV)加速获得高能电子束，在磁场作用下聚焦到蒸发源材料表面，实现对源材料的轰击，电子的动能转换为源材料的热能，从而使材料气化蒸发。1、初衷：为克服电阻加热蒸发的缺点而引入：2、电子枪分类(电子发射机制不同)：热阴极型由难熔金属制成的灯丝发射热电子；空心阴极型由惰性气体电离形成的等离子体引出电子。3、应用场合：适用于高纯度、高熔点、易污染薄膜材料的沉积。4、优、缺点：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；电子束的绝大部分能量会被坩锅的水冷系统带走，热效率较低；过高的加热功率会对薄膜沉积系统造成强烈的热辐射；电子枪系统复杂，设备昂贵。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a)电子束蒸发装置(热阴极电子枪)b)采用空心阴极电子枪的蒸发装置料受限蒸发温度低：可蒸发材低能量不集中：蒸发速率坩锅反应整体式加热：蒸发物五、激光蒸发：采用激光作为热源照射待蒸发材料，实现其蒸发和沉积。1、蒸发装置：见课本P44图2.12或右图。2、主要优点：热源清洁，无来自加热体的污染；表面局部加热，无来自支撑物的污染；聚焦可获得高功率，可沉积陶瓷等高熔点材料以及复杂成分材料（瞬间蒸发）；光束集中，激光装置可远距离放置，可安全沉积一些特殊材料薄膜（如高放射性材料）；可引导激光束，实现多源同步或有序蒸发；脉冲激光可实现超高功率脉冲加热，实现超高温瞬时蒸发。3薄膜沉积的物理方法3.1真空蒸发沉积（蒸镀）3.1.2蒸发沉积装置激光蒸发装置示意图六、电弧放电加热蒸发：采用真空电弧作为蒸发热源，电源可以是直流或交流。1、蒸发装置：见课本P43图2.11或右图。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。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)。课后作业：1、什么是物理气相沉积（PVD）？举例说明PVD的主要过程。2、真空蒸发装置一般包括哪三个组成部分？何者为最关键的部分，主要需要完成哪些功能？3、真空蒸发装置主要包括哪些类别？选择三种典型蒸发装置，比较其原理、特点和适用领域。3薄膜沉积的物理方法3.1真空蒸发沉积（蒸镀）3.1.2蒸发沉积装置电弧加热蒸发装置示意图一、溅射与溅射镀膜概述：1、溅射(Sputtering)：一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能通过与高能入射离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。！发现：1852年首次被Grove在对辉光放电的研究中发现。！以讹传讹：本词是splatter，意为“(泥浆)泼溅”，后来被写成splutter直至sputter！2、基本过程：自由电子被电场加速飞向阳极，与路遇的放电气体(通常是惰性气体—Ar气)碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子(见右图1)；Ar+受到电场加速飞向置于阴极的靶材，撞击出靶材原子，以及二次电子，使自由电子数(见右图2)；电子在飞行过程中，还可能与Ar+相撞，使之恢复中性状态，但此过程中电子由激发态回到基态，需要放出能量，这部分能量以发射光子形式释放。因有大量光子释出，放电形成的等离子体出现了发光现象，这就是所谓的“辉光”放电(见右图3)。3薄膜沉积的物理方法3.2溅射沉积技术3.2.1溅射的基本概念及原理溅射过程及基本物理现象示意图123一、溅射与溅射镀膜概述：3、溅射与蒸发的根本区别：沉积粒子来自高能离子的轰击作用，溅射粒子的高动能特征贯穿于三个基本沉积过程！复习：PVD实现薄膜沉积的三阶段比较：蒸发：依靠源材料的晶格振动能克服逸出功形成沉积粒子的热发射，即：外加能量(电阻/电子束/激光/电弧/射频)加热晶格振动能克服逸出功气态逸出溅射：高能离子输入动能弹性碰撞传递能量更高动能粒子逸出(碰撞发射！)即：溅射是高能轰击粒子(离子)与靶材原子间动能/动量传递的结果！证据：①溅射产物粒子以一定空间角发射，且与入射离子的方向