物理氣相沉積課件

1、5.0 物理氣相沉積5.1、真空蒸發(fā)法5.2、蒸發(fā)源5.3、氣體輝光放電5.4、濺射第五章 物理氣相沉積 5.0.1 物理氣相沉積5.0.2 薄膜生長5.0.3 真空的獲得5.0 物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition)PVD通常指滿足下面三個步驟的薄膜生長技術(shù):1、所生長的材料以物理方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體；2、生長材料的蒸氣經(jīng)過一個低壓區(qū)域到達襯底；3、蒸氣在襯底表面上凝結(jié)，形成薄膜。5.0.1 物理氣相沉積(PVD)PVD的物理原理塊狀材料 (靶材)擴散、吸附、凝結(jié)成薄膜物質(zhì)輸運能量輸運能量襯底殘留氣體對薄膜生長的影響生長材料的分子殘留氣體的分子殘留氣體在襯底上形

2、成一單原子層所需時間Pressure (Torr)Time 10-40.02 s 10-50.2 s 10-62 s 10-720 s 10-83 min 10-935 min 10-106 hr 10-113 daysSubstratePVD的一般特性物理吸附比外延生長速率快很多 襯底與薄膜材料，可異質(zhì)生長厚度范圍:典型薄膜：nm m也可以生長更厚的膜PVD生長條件高真空高純材料清潔和光滑的襯底表面提供能量的能源5.0.2 薄膜生長超薄膜： 10 nm薄膜： 50 nm1 m中間范圍：1 m 10 m厚膜： 10 m 100 m單晶薄膜：外延生長GaAs薄膜多晶薄膜： ZnO,ITO無序薄膜

3、：a-Si,SiO2按厚度:按結(jié)構(gòu): 薄膜分類 在薄膜生長過程中，由于襯底與薄膜的晶格失配度和表面能與界面能不同，其生長模式也不同。薄膜生長三種生長模式晶格匹配體系的二維層狀(平面)生長Frank-van der Merwe (FVDM) ModeLayer by Layer ( 2D )襯底襯底襯底大晶格失配和較小界面能材料體系由層狀過渡到島狀生長Stranski-Krastanov (SK) ModeLayer Plus Island Growth( 2D-3D )大晶格失配和大界面能材料體系的三維島狀生長Volmer-Weber (VW) ModeIsland Growth ( 3D )

4、5.0.3 真空的獲得 n 氣體分子的密度 v 平均速度常用真空泵的工作壓強范圍及起動壓強真空泵種類工作壓強范圍（Pa）起動壓強（Pa）活塞式真空泵旋片式真空泵水環(huán)式真空泵羅茨真空泵渦輪分子泵水蒸氣噴射泵油擴散泵油蒸氣噴射泵分子篩吸附泵濺射離子泵鈦升華泵鋯鋁吸氣劑泵低溫泵11051.310211056.710-111052.71031.31031.31.31.310-511051.310-11.310-21.310-71.3101.310-211051.310-11.310-31.310-91.310-21.310-91.3101.310-111.31.310-111105110511051.

5、31031.311051.310d時，蒸發(fā)物質(zhì)分子才能無阻擋地、直線達到襯底的表面。一般蒸發(fā)源到襯底距離d在30cm左右，要求真空室氣體壓強為10-210-4Pa，這時的平均自由程與蒸發(fā)源到基片的距離相比要大得多。襯底到蒸發(fā)源的距離d 薄膜厚度的均勻性同蒸發(fā)源的形狀有很大的關(guān)系。對于點蒸發(fā)源，基片平行放置在蒸發(fā)源的正上方，則膜厚分布為： 其中d0表示點源到基片垂直點的膜厚，h為垂直距離，l為基片點距離垂直點的距離，M為總蒸發(fā)質(zhì)量，為物質(zhì)的密度。薄膜厚度的均勻性對于微小平面蒸發(fā)源，有 利用蒸發(fā)制備多組分薄膜的方法主要有三種：單源蒸發(fā)法、多源同時蒸發(fā)法和多源順序蒸發(fā)法。多組分薄膜的蒸發(fā)方法 電阻加

6、熱蒸發(fā)用高熔點金屬(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升高溫度，熔解并蒸發(fā)材料5.2 蒸發(fā)源加熱方式加熱絲、舟或坩堝襯底架鐘罩真空泵厚度監(jiān)控儀充氣管道反應(yīng)氣體管道襯底Plume常用電阻加熱源加熱絲加熱舟坩堝 盒狀源（Knudsen Cell） 電子束蒸發(fā)源用高能聚焦的電子束熔解并蒸發(fā)材料材料置于冷卻的坩堝內(nèi)只有小塊區(qū)域被電子束轟擊，坩堝內(nèi)部形成一個虛的“坩堝”不與坩堝材料交叉污染，清潔。電子束蒸發(fā)源蒸發(fā)坩堝與材料襯底真空室真空泵厚度監(jiān)控儀充氣管道反應(yīng)氣體管道Plume電子槍E-GunCrucibleSubstrate fixture 脈沖激光源蒸發(fā)用高能

7、聚焦激光束轟擊靶材，可蒸發(fā)高熔點材料蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周圍的局部區(qū)域蒸發(fā)材料受熱氣化，直接從固體轉(zhuǎn)化為等離子體能轟擊出來大尺寸的顆粒光束滲透深度小 100 A, 蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面脈沖激光源蒸發(fā)真空泵Plume靶材襯底真空室厚度監(jiān)控儀充氣管道反應(yīng)氣體管道激光束 高頻感應(yīng)源蒸發(fā)通過高頻電磁場感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進行加熱，直至蒸發(fā)材料氣化蒸發(fā)。蒸發(fā)源由水冷高頻線圈和石墨或陶瓷坩堝組成。特點是： (1)蒸發(fā)速率大，可采用較大坩堝，增加蒸發(fā)表面； (2)蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象； (3)溫度控制精度高，操作比較簡單； (4)大功率高頻電源，價格昂貴，且需要進行屏蔽，防止外界的電磁干

8、擾。5.3 氣體輝光放電濺射：一定能量的入射離子對固體表面進行轟擊，在與表面原子碰撞過程中發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，將固體表面的原子濺射出來，稱這種現(xiàn)象為濺射。實際濺射時，一般是被加速的正離子轟擊作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所以也稱為陰極濺射。輝光放電：濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，即射向固體表面的離子都是來源于氣體放電，只是不同的濺射技術(shù)所采用的輝光放電方式有所不同。5.3.1 直流輝光放電在一圓柱形玻璃管內(nèi)的兩端裝上兩個平板電極，里面充以氣壓約為幾Pa到幾十Pa的氣體，在電極上加上直流電壓，平板電極間的電壓V與電流I的關(guān)系如圖。(1)無光放電區(qū) 在一般情況下，氣體基本處于中性狀態(tài)

9、，只有極少量的原子受到高能宇宙射線的激發(fā)而電離。 當有外場時，電離產(chǎn)生的離子和電子作定向運動，運動速度隨電壓的增加而加快，因此電流也從零逐漸增加。 當電極之間的電壓足夠大時，帶電粒子的運動速度達到飽和，再增加電壓，到達電極的電子和離子數(shù)目不變，電流也不隨之增加。 由于電離量很少，宏觀上表現(xiàn)出的電流很微弱，且不穩(wěn)定，一般僅有10-16-l0-14A，取決于氣體中的電離分子數(shù)。 這個區(qū)域?qū)щ姸话l(fā)光，稱為無光放電區(qū)，如圖中的ab段所示。 當電極間的電壓繼續(xù)升高時，電子的運動速度加快，電子與中性氣體分子之間的碰撞不再是彈性碰撞，而會使氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子(作用)，同時正離子對陰極的碰撞也將

10、產(chǎn)生二次電子(作用) 。 新產(chǎn)生的電子和原有的電子繼續(xù)被電場加速，在碰撞過程中有更多的氣體分子被電離，使離子和電子數(shù)目雪崩式的增加，放電電流也就迅速增大，在伏安曲線上便出現(xiàn)湯生放電區(qū)，如的bc段所示。 在湯生放電區(qū)，電壓受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限制而呈一常數(shù)。 無光放電和湯生放電，都是以存在自然電離源為前提，這種放電方式又稱為非自持放電。(2)湯生放電上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)真空真空的劃分：低真空、高真空、超高真空 氣體分子密度、氣體壓力、平均自由程真空系統(tǒng)：真空室、真空泵、真空測量規(guī)真空泵：低真空泵：機械泵、低溫吸附泵 高真空泵：擴散泵、渦輪分子泵、 超高真空泵：離子泵、Ti升華泵真空規(guī)管：低真

11、空規(guī)管：熱偶規(guī)、pirani規(guī) 高真空規(guī)管：離子規(guī)上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)真空蒸發(fā)和濺射是物理氣相淀積技術(shù)中最基本的兩種方法。蒸發(fā)的優(yōu)點：較高的沉積速率，相對高的真空度，較高的薄膜質(zhì)量等。蒸發(fā)法缺點：臺階覆蓋能力差；沉積多元合金薄膜時，組分難以控制。濺射法特點：在沉積多元合金薄膜時，化學(xué)成份容易控制；沉積的薄膜與襯底附著性好。上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)飽和蒸氣壓：真空室中，在一定環(huán)境溫度T下，固體（或液體）與其蒸氣達到相平衡時氣體的壓力。 同一物質(zhì)，溫度升高，飽和蒸氣壓增大 ； 不同物質(zhì)，飽和蒸氣壓大，說明該物質(zhì)容易蒸發(fā)。點源，膜厚分布為： 薄膜厚度的均勻性：同蒸發(fā)源的形狀有很大的關(guān)系。對于微小平面蒸發(fā)源，有 上節(jié)

12、課內(nèi)容小結(jié) 電阻加熱蒸發(fā)：歐姆熱，最簡單、常用蒸發(fā)源加熱方式 電子束蒸發(fā)源：高能聚集電子束，微區(qū)，虛坩堝避免交叉污染 脈沖激光源蒸發(fā)：高能聚集激光束，高熔點材料，局部區(qū)域， 入射深度小，蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面 高頻感應(yīng)源蒸發(fā)：蒸發(fā)速率大，溫度均勻，價格貴，需屏蔽(3)輝光放電在湯生放電之后，氣體突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，電流大幅度增加，同時放電電壓顯著下降。放電的著火點 c點，放電區(qū)只是陰極邊緣和不規(guī)則處前期輝光放電 cd段，電流增加而電壓下降，產(chǎn)生負阻現(xiàn)象，這是因為氣體被擊穿，氣體內(nèi)阻將隨著電離度的增加而顯著下降。正常輝光放電區(qū) de段，電流的增加與電壓無關(guān)，只與陰極上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。在這個

13、區(qū)域內(nèi)，陰極的有效放電面積隨電流增加而增大，而陰極有效放電區(qū)內(nèi)的電流密度保持恒定。在這一階段，導(dǎo)電的粒子數(shù)目大大增加，在碰撞過程中轉(zhuǎn)移的能量也足夠高，因此會產(chǎn)生明顯的輝光，維持輝光放電的電壓較低，而且不變。氣體擊穿之后，電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊使氣體電離，即使不存在自然電離源，放電也將繼續(xù)下去。這種放電方式又稱為自持放電。 反常輝光放電 ef段，電流增大時，兩個極板之間電壓升高，而且陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強有關(guān)。e點時，輝光已布滿整個陰極，再增加電流時，離子層已無法向四周擴散，正離子層向陰極靠攏，與陰極間距離縮短。此時要想提高電流密度，必須增大陰極壓降使正離子有更

14、大的能量去轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子才行。(4)反常輝光放電由于正常輝光放電時的電流密度仍然比較小，濺射區(qū)域一般選在反常輝光放電區(qū)。電弧放電 fg段：隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓將再次突然大幅度下降，電流急劇增加，這時的放電現(xiàn)象開始進入電弧放電階段。(5)電弧放電在輝光放電時，整個放電管將呈現(xiàn)明暗相間的光層，從陰極至陽極之間，整個放電區(qū)域可以被劃分八個發(fā)光強度不同的區(qū)域。暗區(qū)相當于離子和電子從電場獲得能量的加速區(qū)，而輝光區(qū)相當于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。這種放電擊穿之后具有一定導(dǎo)電能力的氣體稱為等離子體，是一種由正離子、電子、光子以及原子、原子團、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混

15、合氣體，而且正、負帶電粒的數(shù)目相等，宏觀上呈現(xiàn)電中性的物質(zhì)存在形態(tài)。直流輝光放電的各種陰極形式在射頻電場中，因為電場周期性地改變方向，帶電粒子不容易到達電極和器壁而離開放電空間，相對地減少了帶電粒子的損失。在兩極之間不斷振蕩運動的電子可以從高頻電場中獲得足夠的能量使氣體分子電離，只要有較低的電場就可以維持放電。陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿的必要條件。而在直流放電中，離子對陰極碰撞所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射對維持放電是不可忽略的。射頻電場可以通過任何一種類型的阻抗耦合進入淀積室，所以電極可以是導(dǎo)體，也可是絕緣體。 5.3.2 射頻輝光放電射頻放電的激發(fā)源有兩種：一種是用高頻電場直接激發(fā)的，稱為

16、E型放電；另一種是用高頻磁場感應(yīng)激發(fā)的，稱為H型放電。 直流輝光放電是在直流穩(wěn)定電場或低頻交變電場作用下產(chǎn)生的氣體放電現(xiàn)象。 在一定氣壓下，當陰陽極之間所加交變電壓的頻率在射頻范圍時，就會產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電其特點是：5.4 濺射離子對物體表面轟擊時可能發(fā)生四種情況，如圖。 濺射僅是離子對物體表面轟擊時可能發(fā)生的物理過程之一。其中每種物理過程的相對重要性取決于入射離子的能量。 利用不同能量離子與固體的作用過程，不僅可以實現(xiàn)對于物質(zhì)原子的濺射，還可以實現(xiàn)離子注入、離子的盧瑟福背散射等現(xiàn)象。 濺射現(xiàn)象是在輝光放電中觀察到的。濺射現(xiàn)象不僅能制備薄膜，而且可以對固態(tài)表面進行清潔處理，在等離子刻蝕中廣

17、泛應(yīng)用。 與蒸發(fā)法相比，在濺射過程中入射離子與靶材之間有很大能量的傳遞。因此，濺射出的原子從濺射過程中獲得很大的動能。 由于能量的增加，可以提高濺射原子在淀積表面上的遷移能力、改善了臺階覆蓋和薄膜與襯底之間的附著力。5.4.1 濺射特性濺射率 入射離子能量對濺射率有很大的影響。 只有當入射離子的能量超過一定能量(濺射閾值)時，才能發(fā)生濺射，每種物質(zhì)的濺射閾值與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定的比例關(guān)系。 隨著入射離子能量的增加，濺射率先是增加，其后是一個平緩區(qū)，當離子能量繼續(xù)增加時，濺射率反而下降，此時發(fā)生了離子注入現(xiàn)象。濺射率與入射離子能量的關(guān)系 一方面，濺射率S依賴于入射離子的原子量，原子量越大，

18、則濺射率越高。 濺射率也與入射離子的原子序數(shù)有密切的關(guān)系，呈現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性變化關(guān)系，凡電子殼層填滿的元素作為入射離子，則濺射率最大。 因此，惰性氣體的濺射率最高，氬通常被選為工作氣體，氬被選為工作氣體的另一個原因是可以避免與靶材料起化學(xué)反應(yīng)。濺射率與入射離子種類的關(guān)系5.4.2 濺射方法具體濺射方式較多：直流濺射 ( 導(dǎo)電材料 ) ；射頻濺射( 可絕緣介質(zhì)材料 )；磁控濺射：反應(yīng)濺射(氧化物、氮化物) ；離子束濺射；偏壓濺射等。直流濺射 直流濺射常用Ar氣作為工作氣體。 工作氣壓是一個重要的參數(shù)，它對濺射率以及薄膜的質(zhì)量都有很大的影響。在較低的氣壓條件下，濺射率較低。隨著氣體壓力的

19、升高，電子的平均自由程減少，原子的電離幾率增加，濺射電流增加，濺射速率提高。但當氣體壓力過高時，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，因而其淀積到襯底上的幾率反而下降。因此隨著氣壓的變化，濺射淀積的速率會出現(xiàn)一個極值。此外，淀積速率與濺射功率(或濺射電流的平方)成正比、與靶材和襯底之間的間距成反比。 直流濺射方法的前提之一是靶材應(yīng)具有較好的導(dǎo)電性。 射頻濺射是一種能適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射淀積方法。 在兩個電極之間接上高頻電場時，因為高頻電場可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進入淀積室，不必要求電極一定是導(dǎo)電體。 射頻方法可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)即在射頻電場起作用的同時，靶材會自動地處于一個負電位，這將導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。 在實際應(yīng)用中，射頻濺射的交流輝光放電是在l 3.56MHz下進行的。 射頻濺射 在射頻電場中電子的運動速度比離子的速度高很多，因而對于射頻電極來說，它在正