薄膜沉積物理方法超強總結(jié)課件(PPT 48頁)

1、薄膜制備物理方法總結(jié)第1頁，共48頁。蒸發(fā)、濺射、離子鍍 三類基本PVD方法！薄膜沉積的物理方法第2頁，共48頁。真空蒸發(fā)沉積兩個關(guān)鍵：1，真空度：P 10-3 Pa （保證粒子具分子流特征，以直線運動） 真空室壓力過高，會出現(xiàn)以下情況。a)粒子頻繁碰撞，難以勻的薄膜； b)污染薄膜（轟擊基片并吸附）； c)蒸發(fā)形成均源被氧化。2，基片距離 (相對于蒸發(fā)源)：1050 cm能使用情況：蒸發(fā)時不發(fā)生化學(xué)變化。沉積物中雜質(zhì)的含量與殘余氣體的壓強成正比，與 沉積的速度成反比。第3頁，共48頁。一、電阻式蒸發(fā)裝置: 電阻熱二、電子束蒸發(fā)裝置： 電子束轟擊三、電弧蒸發(fā)裝置： 電弧四、激光蒸發(fā)裝置： 激光

2、真空蒸發(fā)沉積第4頁，共48頁。真空蒸發(fā)沉積電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置一：電阻加熱蒸發(fā)沉積第5頁，共48頁。真空蒸發(fā)沉積應(yīng)用：是制備單質(zhì)金屬、氧化物、介電材料和半導(dǎo)體化合物薄膜最常用的蒸發(fā)方法。缺點： 支撐材料與蒸發(fā)物之間可能會發(fā)生反應(yīng)，造成污染； 一般工作溫度在15001900 ，所以可蒸發(fā)材料受到限制； 蒸發(fā)率低； 加熱速度不高，蒸發(fā)時待蒸發(fā)材料如為合金或化合物，則有可能 分解或蒸發(fā)速率不同，造成薄膜成分偏離蒸發(fā)物材料成分。 一：電阻加熱蒸發(fā)沉積第6頁，共48頁。二、電子束蒸發(fā)：發(fā)射電子束加速（數(shù)千伏）偏轉(zhuǎn)（橫向磁場）轟擊坩堝薄膜沉積電子束蒸發(fā)裝置 示意圖采用電場 (510 kV) 加速獲得高能電

3、子束。磁場偏轉(zhuǎn)法的使用可以避免燈絲材料的蒸發(fā)對于沉積過程可能造成的污染。真空蒸發(fā)沉積第7頁，共48頁。真空蒸發(fā)沉積應(yīng)用場合：適用于高純度（高真空度）、高熔點、易污染薄膜材料的沉積。優(yōu)點： 加熱溫度高，可蒸發(fā)任何材料；可避免來自坩鍋、加熱體和支撐部件的污染；缺點： 電子束的絕大部分能量會被坩鍋的水冷系統(tǒng)帶走，熱效率較低； 過高的加熱功率會對薄膜沉積系統(tǒng)造成強烈的熱輻射； 電子槍系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴。 二、電子束蒸發(fā)：第8頁，共48頁。三、電弧放電加熱蒸發(fā)：1.原理： 將欲蒸發(fā)的材料制成放電電極，在薄膜沉積時，依靠調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間距的方法來點燃電弧，而瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實現(xiàn)薄膜

4、的沉積。2.方法： 直流加熱法 交流加熱法電弧加熱蒸發(fā)裝置示意圖真空蒸發(fā)沉積第9頁，共48頁。3、主要優(yōu)點： 與電子束蒸發(fā)類似，可避免加熱體/坩鍋材料蒸發(fā)污染薄膜； 加熱溫度高，可沉積難熔金屬和石墨 (蒸發(fā)源即電極，須導(dǎo) 電)； 設(shè)備遠比電子束蒸發(fā)簡單，成本較低。4、主要缺點： 電弧放電會產(chǎn)生 m大小的顆粒飛濺，影響薄膜的均勻性和質(zhì) 量。5、主要應(yīng)用：沉積高熔點難熔金屬及其化合物薄膜、碳材料薄膜. 真空蒸發(fā)沉積三、電弧放電加熱蒸發(fā)：第10頁，共48頁。PLD也被稱為脈沖激光燒蝕:pulsed laser ablation，PLA. 1，原理： 將脈沖激光器產(chǎn)生的高功率脈沖激光聚焦于靶表面，使其

5、表面產(chǎn)生高溫及燒蝕，并進一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體定向局域膨脹，在襯底上沉積成膜。真空度10-6 Pa，可實現(xiàn)multilayer的沉積真空蒸發(fā)沉積四，脈沖激光沉積第11頁，共48頁。2，裝置示意圖：真空蒸發(fā)沉積四，脈沖激光沉積第12頁，共48頁。 激光是清潔的，使來自熱源的污染減少到最低； 激光光束只對待蒸鍍材料的表面施加熱量，可減少來自坩堝等支撐物的污染； 蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程容易控制，高熔點的材料也可以以較高的沉積速率被蒸發(fā)； 聚焦可獲得高功率，可沉積陶瓷等高熔點材料以及復(fù)雜成分材料（瞬間蒸發(fā)），不會發(fā)生組分的偏離現(xiàn)象； 如： 氧化物超導(dǎo)薄膜（YBCO）、氧化物鐵電介電薄膜、鐵氧

6、體薄膜等。 3，PLD的優(yōu)點：4，缺點： 薄膜存在表面顆粒問題 很難進行大面積薄膜的均勻沉積真空蒸發(fā)沉積四，脈沖激光沉積第13頁，共48頁。濺射 (Sputtering)： 一定溫度下，固體或液體受到高能離子轟擊時，其中的原子有可能通過與高能入射離子的碰撞獲得足夠能量而從表面逃逸，這種從物質(zhì)表面發(fā)射原子的方式被稱為濺射?；具^程：a, 自由電子被電場加速飛向陽極,與路遇的放電氣體 (通常是惰性氣體Ar氣) 碰撞，使之失去外層電子而電離，并釋放出Ar+和自由電子b,Ar+受到電場加速飛向置于陰極的靶材，撞擊出靶材原子，以及 二次電子，使自由電子數(shù) ；c,電子在飛行過程中，還可能與Ar+相撞，使之

7、恢復(fù)中性狀態(tài)，但 此過程中電子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，需要放出能量，這部分能量 以發(fā)射光子形式釋放。因有大量光子釋出，放電形成的等離子 體出現(xiàn)了發(fā)光現(xiàn)象，這就是所謂的“輝光”放電濺射沉積法第14頁，共48頁。離子轟擊固體表面的各種物理過程：1）入射離子彈出； 2）入射離子注入；3）二次電子、濺射原子/ 分子/離子、光子從固體表面釋出；4）轟擊 固體表面刻蝕、溫升、結(jié)構(gòu)損傷；5）表面吸附氣體分解、逸出； 6）部分濺射原子可能返回。 轟擊后的物理現(xiàn)象主要取決于入射離子的能量 (Ei)： 因此：氣體放電/等離子體的產(chǎn)生是濺射的基礎(chǔ)離子轟擊固體表面的各種物理現(xiàn)象濺射沉積法第15頁，共48頁。放電條件： 真空

8、環(huán)境： P = 10-1102 Pa ！ 放電氣體： 需要充入惰性氣體 (一般為Ar氣)！ 外加電場： 在其作用下，放電氣體被電離，形成陽離子 (Ar+) 和自由電子 (e)，并分別在電場作用下被加速，進而飛向陰極（靶材）和陽極。濺射沉積法第16頁，共48頁。濺射沉積法與蒸發(fā)法相比：濺射法易于保證所制備薄膜的化學(xué)成分 與靶材基本一致。(1)與不同元素濺射產(chǎn)額間的差別相比，元素之間在平衡蒸氣壓 方面的差別太大，但是濺射產(chǎn)額方面差別小。(2)濺射過程中靶物質(zhì)的擴散能力較弱。由于濺射產(chǎn)額差別造成 的靶材表面成分的偏離很快就會使靶材表面成分趨于某一平 衡成分，從而在隨后的濺射過程中實現(xiàn)一種成分的自動補

9、償 效應(yīng)即：濺射產(chǎn)物高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降；而濺 射產(chǎn)額低的元素得到了富集，濺射產(chǎn)額會上升，結(jié)果是，盡 管靶材表面的化學(xué)成分已經(jīng)改變,但濺射出來的物質(zhì)成分卻與 靶材的原始成分相同。第17頁，共48頁。濺射沉積法優(yōu)點 (與蒸發(fā)技術(shù)相比)：1、可濺射沉積任何能做成靶材的材料，特別是高熔點材料 (如：石墨、Ti、W、Mo等)； 2、由于沉積原子能量較高，薄膜組織均勻致密，與基片的結(jié)合力較高；3、制備合金薄膜時，成分控制容易保證；4、利用反應(yīng)濺射技術(shù)，容易實現(xiàn)化合物薄膜沉積；5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精確，工藝重復(fù)性好；6、沉積原子能量較高，還可以改善薄膜對復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力，降低

10、薄膜的表面粗糙度。主要缺點：1、沉積速率不高；2、等離子體對基片存在輻射、轟擊作用，不但可引起基片溫升，而且可能形成內(nèi)部缺陷。 第18頁，共48頁。分類： 按電極特性不同，可分為： 按靶材性質(zhì)不同，可分為： 沉積物性質(zhì)不同，可分為：濺射沉積法第19頁，共48頁。主要工藝控制參數(shù)：濺射沉積法第20頁，共48頁。氣體離子靶材離子二次電子一、直流濺射：直流濺射又叫陰極濺射或者二極濺射。 典型的濺射條件為：工作氣壓: 10Pa濺射電壓: 3000V靶電流密度: 0.5mA/cm2薄膜沉積速率: 0.1um/min濺射沉積法第21頁，共48頁。濺射沉積法1. 主要影響因素：氣體壓力 在較低的氣壓條件下：

11、 電子自由程較長，在陽極上消失的幾率較大，碰撞過程引起氣體分子電離的幾率較低；離子在陰極上濺射發(fā)出二次電子的幾率又由于氣壓較低而相對較小。 結(jié)果：低壓條件下濺射速率很低。 隨著氣體壓力的升高： 電子的平均自由程減小，原子的電離幾率增加，濺射電流增加，濺射速率提高。 氣體壓力過高時： 濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會受到過多的散射，因而其沉積到襯底上的幾率反而下降。因此隨著氣壓的變化，濺射沉積的速率會出現(xiàn)一個極值。一、直流濺射：第22頁，共48頁。濺射沉積法2,優(yōu)缺點優(yōu)點：設(shè)備簡單應(yīng)用：沉積各類合金薄膜，要求靶材導(dǎo)電缺點：不能獨立地控制各個工藝參數(shù)，包括陰極電壓、電流以 及濺射氣壓。 使

12、用的氣體壓力較高（10Pa左右），濺射速率低，薄 膜容易受污染。改進思路：三極或四極濺射裝置.增加額外電子源 (輔助燈絲) 放電區(qū)電子密度 低壓下就可以維持放電，并獲得高離化率 沉積速率、雜質(zhì)氣體對鍍膜的污染 薄膜質(zhì)量、沉積效率一、直流濺射：第23頁，共48頁。濺射沉積法3,多極、二極優(yōu)缺點比較： 多極直流濺射裝置的優(yōu)、缺點： 真空度較高，工作電壓顯著降低； 減少了鍍膜污染； 沉積速率有一定提高； 大面積的均勻等離子體仍較難獲得； 薄膜沉積速率仍然有限 (慢)。 二極濺射系統(tǒng)：真空度不能太高，否則不能維持放電； 三極/四極系統(tǒng)：有輔助電子槍提供更多高能電子 離化率 可低氣壓 (高真空) 自持放

13、電 污染 效率一、直流濺射：第24頁，共48頁。二、射頻濺射裝置及特性：濺射沉積法第25頁，共48頁。射頻電源的頻率13.56MHz射頻濺射電壓1-2KV在射頻濺射系統(tǒng)中，襯底接地，以避免不希望的射頻電壓在襯底表面出現(xiàn)。靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。1. 特性：2,適用范圍：沉積金屬材料和非金屬材料濺射沉積法二、射頻濺射裝置及特性：第26頁，共48頁。1直流電源 2出水口 3進水口 4進氣口5 靶材 6真空泵 7 基片架 8基片偏壓三、磁控濺射裝置及特性濺射沉積法第27頁，共48頁。1、出發(fā)點：解決濺射兩大問題 慢：二次電子利用率不高 離化率不高 沉積速率低； 熱：不能避免二次電子轟擊基片

14、 (陽極)。2、實現(xiàn)方法：在靶材 (陰極)表面附近布置磁體或線圈，使靶面附近出現(xiàn)強磁場，其方向與靶面基本平行，而與電場方向正交！磁約束模型濺射沉積法三、磁控濺射裝置及特性第28頁，共48頁。3、原理： 與電場方向正交的磁場可有效束縛電子的運動，形成“磁籠”效應(yīng)，從而顯著延長電子運動路徑，提高電子與離化氣體的碰撞幾率，進而提高氣體離化率，并有效放置高能電子對基片的轟擊。電子被束縛在靶面附近區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)長程振蕩運動！濺射沉積法三、磁控濺射裝置及特性第29頁，共48頁。濺射沉積法4、磁控濺射的優(yōu)勢分析： 磁約束 電子運動路徑 其與氣體分子的碰撞幾率 絕大部分二次電子的高動能被用于氣體的電離 氣體離化

15、率 正離子產(chǎn)率 濺射速率幾個數(shù)量級！注意：這就是磁控濺射可在低壓下獲得極高的離化率、很高的離子電流密度和沉積速率的原因。三、磁控濺射裝置及特性第30頁，共48頁。定義：在原子沉積的過程中，由濺射原子和活性氣體分子在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化合物的濺射技術(shù)稱為反應(yīng)濺射法。 解決將化合物直接作為靶材沉積得到的物質(zhì)往往與靶材的化學(xué)組成有很大的差別這一問題。 1、調(diào)整濺射室內(nèi)的氣體組成和壓力，限制化合物分解過程的發(fā)生； 2、采用純金屬作為濺射靶材，但在工作氣體中混入適量的活性氣體，使其在濺射沉積的同時生成特定的化合物，從而一步完成從濺射、反應(yīng)到沉積多個步驟。四、反應(yīng)濺射 (reactive sput

16、tering)濺射沉積法第31頁，共48頁。1. 反應(yīng)濺射裝置圖濺射沉積法四、反應(yīng)濺射 (reactive sputtering)第32頁，共48頁。濺射沉積法二，應(yīng)用采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜（防止靶中毒現(xiàn)象）。如：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等(反應(yīng)氣體O2）碳化物：SiC， WC，TiC等(反應(yīng)氣體CH4）氮化物：BN，F(xiàn)eN TiN，AlN，Si3N4等(反應(yīng)氣體N2）硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反應(yīng)氣體H2S）四、反應(yīng)濺射 (reactive sputtering)第33頁，共48頁。濺射沉積法1，實現(xiàn)方法：使入射離子

17、的產(chǎn)生系統(tǒng)與濺射沉積系統(tǒng)分離：前者工作于較低真空度下，易于獲得高荷電密度等離子體；后者工作于更高真空度 (P 濺射)； 可沉積化合物薄膜； 薄膜表面形貌、粗糙程度高度可控。離化 PVD 技術(shù)第37頁，共48頁。離化 PVD 技術(shù)離子鍍沉積裝置示意圖一，離子鍍 (Ion Plating) 第38頁，共48頁。離化 PVD 技術(shù) 真空下，通過氣體放電使氣體或靶材料部分離化，在離化離子轟擊基片的同時，形成其離化物質(zhì)或其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物在基片上的沉積。1，實現(xiàn)原理： a、基片置于陰極，等離子體中的正離子轟擊基片并成膜。 b、成膜時沉積物中約2040 %來自離化的膜材料離子，其余為原子。 c、離化后的膜材料

18、離子具有高化學(xué)活性和高動能，并轟擊基片對薄 膜的生長形成有利影響。 d、形成的薄膜由于離子的轟擊作用，具有結(jié)合力高、低溫沉積、 表面形貌及粗糙度可控、可形成化合物等一系列優(yōu)點。2，優(yōu)點： 薄膜與襯底之間具有良好的附著力，且薄膜結(jié)構(gòu)致密。 提高薄膜對于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力，或者稱為薄膜沉積過程的繞射能力。3，應(yīng)用領(lǐng)域：制備鋼及其他金屬材料的硬質(zhì)涂層。一，離子鍍 (Ion Plating) 第39頁，共48頁。1、概念：真空下，在利用濺射或蒸發(fā)方法沉積薄膜的同時，利用附加的離子槍裝置發(fā)射離子束對基片和薄膜進行轟擊，在轟擊離子的作用下完成薄膜沉積。2、出發(fā)點：偏壓濺射、離子鍍等過程中，陽離子對基片

19、表面的轟擊可有效改善薄膜的組織性能、沉積質(zhì)量和結(jié)合力。 離化 PVD 技術(shù)IBAD沉積裝置示意圖二，離子束輔助沉積第40頁，共48頁。離化 PVD 技術(shù) 但是：這些轟擊離子的方向、能量、密度等難以控制而無法進一步優(yōu)化這種改善效果，為此考慮采用附加離子源來完成對基片表面的轟擊。3,特點： 可以顯著改善薄膜的性能，特別是結(jié)合力； 設(shè)備復(fù)雜、沉積率低。二，離子束輔助沉積第41頁，共48頁。離化 PVD 技術(shù)真空蒸發(fā)濺射離子鍍粒子形態(tài)及能量 (eV)原子0.1-11-100.1-1離子-102-104沉積速率 (m/min)0.1-700.01-0.50.1-50薄膜性質(zhì)及特點沉積質(zhì)量致密度小、表面光滑致密度較高致密度高氣孔率高較低，但氣體雜質(zhì)多無、缺陷多附著力差較好很好內(nèi)應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力不確定繞射性差一般較好主要 PVD 沉積方法的對比第42頁，共48頁。分子束外延 超高真空條件下,各組分材料及摻雜物分別加熱,按一定比例分子束噴射,在基片上外延生長單晶薄膜.第43頁，共48頁。分子束外延1，裝置結(jié)構(gòu)圖第44頁，共48頁。2. 分子束外延設(shè)備主要組成部分（1）超高真空樣品室（2）多個