薄膜工藝課件

薄膜工藝薄膜工藝本章討論的對象：什么是薄膜（Thinfilm）？本章的討論對象是什么？①相對尺度：某一維尺寸<<其余二維尺寸；②絕對尺度：在此維度上材料厚度<1~5m，

具有結(jié)構(gòu)/功能特性的固態(tài)薄膜（thinsolidfilms）！本章討論的對象：什么是薄膜（Thinfilm）？本章的討論為適應電子整機和設(shè)備小型化、輕量化、薄型化、數(shù)字化、多功能，現(xiàn)在社會要求電子元器件的開發(fā)生產(chǎn)必須向小型化、高集成化、片式化發(fā)展。在電子材料的發(fā)展動態(tài)中，電子薄膜成為主流。電子材料與薄膜3.1薄膜工藝緒論為適應電子整機和設(shè)備小型化、輕量化、薄型化、數(shù)字化、多功能，3.1.1薄膜與高新技術(shù)材料、信息技術(shù)與能源稱為現(xiàn)代人類文明的三大支柱。國民經(jīng)濟的各部門和高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展都不可避免地受到材料發(fā)展的制約或推動。新材料的發(fā)展水平成為了衡量國家技術(shù)水平和綜合實力的重要標志。何謂“新材料”？簡單地說，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，在成分、組織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面不同于普通材料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。何謂“高技術(shù)”？簡單地說，就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進人類物質(zhì)文明和精神文明更快進步的技術(shù)。而薄膜，正是一種新型的材料，薄膜技術(shù)是一種新型的高技術(shù)。3.1.1薄膜與高新技術(shù)材料、信息技術(shù)與能源稱為現(xiàn)代薄膜材料受到關(guān)注的理由：(1)薄膜很薄，可看成物質(zhì)的二維形態(tài)。薄膜技術(shù)是實現(xiàn)器件輕薄短小化和系統(tǒng)集成化的有效手段。(2)隨著器件的尺寸減小乃至粒子量子化運動的尺度，薄膜材料或其器件將顯示出許多全新的物理現(xiàn)象。薄膜技術(shù)是制備這類新型功能器件的有效手段。(3)薄膜氣相沉積涉及從氣相到固相的超急冷過程，易于形成非穩(wěn)態(tài)物質(zhì)及非化學計量的化合物膜層。薄膜材料受到關(guān)注的理由：(1)薄膜很薄，可看成物質(zhì)的二維形(4)由于鍍料的氣化方式很多，通過控制氣氛還可以進行反應沉積，因此，可以得到各種材料的膜層；可以較方便地采用光、等離子體等激發(fā)手段，在一般條件下，即可獲得在高溫、高壓、高能量密度下才能獲得的物質(zhì)。(5)通過基板、鍍料、反應氣氛、沉積條件的選擇，可對界面結(jié)構(gòu)、結(jié)晶狀態(tài)、膜厚等進行控制；表面精細，便于光刻制電路圖形；有成熟經(jīng)驗，易于在其他應用領(lǐng)域中推廣。(6)易于在成膜過程中在線檢測，監(jiān)測動態(tài)過程并可按要求控制生長過程，便于實現(xiàn)自動化。薄膜材料受到關(guān)注的理由：(4)由于鍍料的氣化方式很多，通過控制氣氛還可以進行反應沉市場份額由2004年的71億美元增長到2009年的135億美元年平均增長幅度達到13.7%。采用薄膜技術(shù)材料在世界范圍內(nèi)所占的市場市場份額由2004年的71億美元增長到2009年的135億美3.1.2薄膜與工作、生活的聯(lián)系

互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術(shù)

生物計算機與薄膜技術(shù)

正在進展中的人造大腦

微機械使重癥患者起死回生

加速度傳感器

實現(xiàn)MEMS的薄膜與微細加工技術(shù)3.1.2薄膜與工作、生活的聯(lián)系互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術(shù)當今信息社會，人們通過電視機、收音機、手機、互聯(lián)網(wǎng)等，可即時看到或聽到世界上所發(fā)生的“鮮”、“活”新聞，如同人們長上了千里眼、順風耳。完成這一切，需要許多采集、處理信息及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而這些設(shè)備都需要數(shù)量巨大的元器件、電子回路、集成電路等。薄膜技術(shù)是制作這些元器件、電子回路、集成電路的基礎(chǔ)。通過互聯(lián)網(wǎng)可以按計劃、遠距離、隨心所欲地操作自宅家電可代替人工作的機器人將出現(xiàn)在我們面前互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術(shù)當今信息社會，人們通過電視機、收生物計算機與薄膜技術(shù)制作與人類大腦相近的記憶（存儲）系統(tǒng)，實現(xiàn)人工智能。關(guān)于記憶，已由硅半導體等構(gòu)成的存儲器來實現(xiàn)。目前，科學工作者正通過小鼠及兔子的小腦等神經(jīng)細胞的培養(yǎng)，以實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能。使用神經(jīng)細胞培養(yǎng)，實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的過程:

先利用薄膜技術(shù)在石英板上制作150μm見方的阱以及連接阱的10μm深的溝槽，再在阱中放置大白鼠的海馬神經(jīng)細胞?？梢钥闯觯荷窠?jīng)纖維會向四面八方伸出，神經(jīng)纖維會在溝槽中生長。神經(jīng)細胞之間可以實現(xiàn)接觸、連接，進而形成回路網(wǎng)絡(luò)。生物計算機與薄膜技術(shù)制作與人類大腦相近的記憶（存儲）系統(tǒng)，實正在進展中的人造大腦在集成電路中，1cm2的硅片之上已經(jīng)成功地制作出2.5億個三極管，并已實現(xiàn)制品化。10億個三極管的試制品也已經(jīng)出現(xiàn),如圖a)所示。160億個的集成電路在2010年實現(xiàn)，如圖b)所示。機器人不僅能兩條腿走路，而且能表現(xiàn)出感情，其智力達到１歲兒童的水平。正在進展中的人造大腦在集成電路中，1cm2的硅片之上已經(jīng)成功微機械使重癥患者起死回生薄膜技術(shù)能實現(xiàn)材料的微米、納米超微細加工。目前已實用化的馬達，最小尺寸的已成功實用于手表等機構(gòu)中。如果利用薄膜技術(shù)，不久會制作出以微米為單位的馬達。微機械使重癥患者起死回生薄膜技術(shù)能實現(xiàn)材料的微米、納米超微細加速度傳感器加速度（力）的檢測極為重要，其應用也非常廣泛。如汽車及時充氣膨脹，機器人雙腳行走等均是通過檢測加速度來實現(xiàn)。為測量上述加速度，離不開由薄膜技術(shù)及超微細加工技術(shù)制作的傳感器。加速度傳感器加速度（力）的檢測極為重要，其應用也非常廣泛。如MEMS的薄膜與微細加工技術(shù)靜電型二維掃描儀微型多反應器高精細噴墨打印機MEMS表示百萬分之一米尺寸量級的電子機械系統(tǒng)，NEMS表示十億分之一米尺寸量級的電子機械系統(tǒng)。MEMS的薄膜與微細加工技術(shù)靜電型二維掃描儀MEMS表示百萬3.1.3薄膜制作簡介沉積薄膜的載體稱為基板，沉積的薄膜（如鋁等金屬膜）物質(zhì)為薄膜材料。首先，將基板及含有薄膜材料的源（氣化源）置于真空容器（鐘罩）中，抽真空，達到所需要的真空度。在真空室中，由氣源發(fā)出的鍍料，以原子或分子狀隨機運動狀態(tài)，以聲速到數(shù)千倍聲速的高速度，向著基板飛行。3.1.3薄膜制作簡介沉積薄膜的載體稱為基板，沉積的薄膜（3.1.3薄膜制作簡介

真空蒸鍍和離子鍍主要用于研究開發(fā)和小批量生產(chǎn)，而濺射鍍膜和化學氣相沉積更適用于大批量生產(chǎn)和工藝研究。3.1.3薄膜制作簡介真空蒸鍍和離子鍍主要用于研究3.1.5薄膜材料的應用

能量變換膜與器件

傳感器

半導體器件3.1.5薄膜材料的應用1

能量變換薄膜與器件

部分與能量變換相關(guān)的現(xiàn)象（一次能量變?yōu)槎文芰康男问剑?能量變換薄膜與器件部分與能量變換相關(guān)的現(xiàn)象（一次能量變1

能量變換薄膜與器件

部分與能量變換相關(guān)的現(xiàn)象（一次能量變?yōu)槎文芰康男问剑?能量變換薄膜與器件部分與能量變換相關(guān)的現(xiàn)象（一次能量變1

能量變換薄膜與器件光電變換薄膜材料物質(zhì)受光照射，吸收光能，內(nèi)部電子被激發(fā)而向外放出，即產(chǎn)生光電子。利用該性能可以制作太陽能電池。薄膜太陽能電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀1能量變換薄膜與器件光電變換薄膜材料物質(zhì)受光照射，吸收光能1

能量變換薄膜與器件光熱變換薄膜材料

將光能變換為熱的太陽能利用方式為太陽能熱利用。實際采用的有太陽能房、太陽能熱水器等，太陽能熱發(fā)電也在試驗中。后者是由太陽能獲得的高溫（850K前后）水蒸氣，驅(qū)動發(fā)電。薄膜在光熱變換系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。光入射到材料表面的光、熱轉(zhuǎn)換示意1能量變換薄膜與器件光熱變換薄膜材料將光能變1能量變換薄膜與器件熱電變換薄膜材料

在將熱能直接變換為電能的過程中，以薄膜或表面形態(tài)而起作用的固體材料有熱電材料、發(fā)射材料等等。

迄今為止，以在熱電裝置或熱電元件中實用為目標，已研究開發(fā)過多種熱電變換材料。一般說來，除絕緣體之外，許多物質(zhì)都顯示出熱電現(xiàn)象。但半導體材料的熱電現(xiàn)象比金屬材料更為明顯，前者的大小是后者的2～3個數(shù)量級。1能量變換薄膜與器件熱電變換薄膜材料在將熱能1

能量變換薄膜與器件超導薄膜器件對于某些純金屬、合金、金屬間化合物、陶瓷、有機金屬化合物等來說，存在物質(zhì)固有的轉(zhuǎn)變溫度TC（稱為超導臨界溫度），當溫度降低到TC以下時，其直流電阻變?yōu)榱恪＿@種現(xiàn)象即為超導現(xiàn)象。1能量變換薄膜與器件超導薄膜器件對于某些純金2

傳感器所謂傳感器，是指可接受外界信息（刺激），如光、熱、磁、壓力、加速度、濕度、環(huán)境氣氛等，并能在體系內(nèi)變換為可處理信號的器件。傳感器是機器設(shè)備接受外部信息的“五觀”，是執(zhí)行動作的信號源。2傳感器所謂傳感器，是指可接受外界信息（刺激2

傳感器2傳感器3.2真空技術(shù)基礎(chǔ)真空與薄膜工藝有何關(guān)系？

幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進行

都涉及真空下氣相的產(chǎn)生、輸運和反應過程

了解真空的基本概念和知識，掌握真空的獲得和測量技術(shù)基礎(chǔ)知識

是了解薄膜材料制備技術(shù)的基礎(chǔ)！3.2真空技術(shù)基礎(chǔ)真空與薄膜工藝有何關(guān)系？3.2.1

真空的基本知識中學物理內(nèi)容：1643年托里切利(Torricelli)著名的大氣壓實驗

為人類首次揭示了真空這個物理狀態(tài)的存在！

管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在而形成真空(托里切利真空)圖中A、B、C三點壓力相等，A、C點：大氣壓；B點：水銀柱產(chǎn)生的壓力

換句話說：可用水銀柱產(chǎn)生的壓力作為大氣壓力的量度!

把高度為760mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1個大氣壓(1atm)

1atm=760mmHg！結(jié)果：得到了“真空”的定義和大氣壓的定義與量度依據(jù)！3.2.1真空的基本知識中學物理內(nèi)容：真空是什么狀態(tài)？沒有任何物質(zhì)？概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走，

使該空間內(nèi)的氣壓小于1個大氣壓，

則該空間內(nèi)的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。注意：真空，實際上指的是

一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)，

而不是指“沒有任何物質(zhì)存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技術(shù)的極限：每cm3空間內(nèi)僅有數(shù)百個氣體分子

對應氣壓

10-11Pa真空是什么狀態(tài)？1、

真空度的單位

真空的實質(zhì)：一種低壓氣體物理狀態(tài)

真空度采用氣體壓強表征

真空度的單位=氣體壓強的單位

注意：真空度和氣壓的意義相反

真空度

意味著氣壓

主要單位制

換算基礎(chǔ)：1N＝105dyne＝0.225lbf

1atm＝760mmHg（torr）＝1.013×105Pa＝1.013bar薄膜工藝課件

不同真空度單位制間的換算關(guān)系：說明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強單位；

1958年為紀念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1torr＝1mmHg

2、早期的真空度計量常以torr或mbar為單位；

目前隨著標準化進程的推進，SI（MKS）制單位應用日漸廣泛

真空度用Pa作單位薄膜工藝課件相關(guān)物理：1）Knudsen數(shù)

定義：物理意義：是描述稀薄氣體流動狀態(tài)的準數(shù)！

分子平均自由程大于流場特征尺寸時的氣流稱為Knudsen流，其Kn

一般>10！2）真空系統(tǒng)中氣體運動特征的理論劃分：粘滯流（層流、Poiseuille流）粘滯-分子流分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn<0.010.01Kn=0.01~11Kn>>12、

真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域：指不同的真空度范圍；

劃分目的：為了研究真空和實際應用的便利；

劃分依據(jù)：按照各個壓強范圍內(nèi)氣體運動特征的不同進行劃分；

劃分準則：理論上，可依據(jù)Knudsen數(shù)的不同進行劃分。

—氣體分子的平均自由程—流場特征尺寸（如：管徑）相關(guān)物理：—氣體分子的平均自由程3）理想氣體狀態(tài)方程：

，式中：n—分子密度(個/m3)；k—玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；P—氣體壓強(Pa)；T—氣體溫度(K)；V—氣體體積(m3)；m—氣體質(zhì)量(kg)；M—氣體分子量(kg/mol)；R—普適氣體常數(shù)，R=NA·k=8.314J/mol·K；NA—Avogadro常數(shù)，6.02×1023

個/mol；4）氣體分子的自由程（

）：每個氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運動經(jīng)歷的路程。平均自由程（）：氣體分子自由程的統(tǒng)計平均值。

式中：

—分子直徑（m）；

Avogadro定律：

一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內(nèi)含有的分子數(shù)相同。表明：1）與P成反比，而與T成正比；2）在氣體種類和溫度一定的情況下：3）理想氣體狀態(tài)方程：，A5）真空區(qū)域的工程劃分：空氣在室溫下滿足

5）真空區(qū)域的工程劃分：空氣在室溫下滿足3、氣體的吸附及脫附

真空下，氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象總是存在的！一、基本概念

氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象氣體脫附：逆過程

氣體從固體表面釋出二、為什么需要關(guān)注（意義？）1）氣體在固體表面的吸附/脫附常常影響真空的實現(xiàn)和保持；2）吸附原理還被用來制作各種吸附泵來獲得高真空。三、吸附的主要機制：物理吸附：分子間作用力引起、無選擇性、低溫有效、易脫附化學吸附：僅當氣固接觸生成化合物時發(fā)生、高溫有效、不易脫附四、可能的影響因素：P氣、T固、

氣、表面光潔度、清潔度等，如：T固

易脫附！薄膜工藝課件1.2真空的獲得真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！

利用各種真空泵把容器內(nèi)的空氣抽出，使其內(nèi)部壓強保持在<1atm的特定壓強范圍！獲得真空的主要工具各種真空泵（Pump）！真空泵的分類1.2真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強范圍說明：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1atm到10-11Pa的工作范圍

真空泵往往需要多種泵組合構(gòu)成復合抽氣系統(tǒng)

實現(xiàn)以更高的抽氣效率達到所需的高真空！薄膜工藝課件1、旋片式機械泵（RotaryPump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)機械泵：利用機械運動部件轉(zhuǎn)動或滑動形成的輸運作用獲得真空的泵。分類：旋片式（最常見）、定片式、滑閥式1、旋片式機械泵（RotaryPump）（a）外觀（b）內(nèi)運轉(zhuǎn)模式：吸氣壓縮排氣（不斷循環(huán)）1、擴張（吸氣）2、容積最大3、壓縮4、排氣（c）工作原理基本特點：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作；

真空度要求低可單獨使用；真空度要求高

作為前級泵使用工作區(qū)間：單級：105~1Pa；雙級：105~10-2Pa優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；缺點：有油污染的問題。運轉(zhuǎn)模式：吸氣壓縮排氣（不斷循環(huán)）1、擴張（吸2、油擴散泵（DiffusionPump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、油擴散泵（DiffusionPump）（a）外觀（b）工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200℃）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；

3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；

4）氣體分子向排氣口方向運動，并在動壓作用下排出泵體；

5）油氣霧滴飛向低溫介質(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。真空油歷經(jīng)循環(huán)：

蒸發(fā)

噴射

碰撞

冷凝

回流工作原理：工作區(qū)間：

1~10-6Pa（因此需要前級機械泵提供1Pa的出口壓力）優(yōu)點：

1）造價較低的高真空泵方案；

2）沒有機械運動部件。缺點：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng)（不宜在分析儀器和超高真空場合使用）。（d）典型高真空系統(tǒng)組合前級：羅茨泵+機械泵后級：油擴散泵工作區(qū)間：（d）典型高真空系統(tǒng)組合3、渦輪分子泵（TurbomolecularPump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)3、渦輪分子泵（TurbomolecularPump）（a（c）工作原理工作原理：1）泵內(nèi)交錯布置轉(zhuǎn)向不同的多級轉(zhuǎn)子和定子；

2）轉(zhuǎn)子葉片以20k~60kr/min的高速旋轉(zhuǎn)；

3）葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；

4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。工作區(qū)間：1~10-8Pa

也需前級泵提供1Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優(yōu)點：無油、抽速較高。缺點：1）抽取低原子序數(shù)氣體能力較差；

2）造價高；

3）不易維護。（c）工作原理工作原理：工作區(qū)間：4、低溫吸附泵（Cyropump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)4、低溫吸附泵（Cyropump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實現(xiàn)抽氣。

1）初級冷頭（外側(cè)溫度=50~80K）：吸附水氣、CO2

等；

2）多級深冷頭（T<20K）：外側(cè)光滑金屬表面

吸附N2、O2、Ar；

內(nèi)側(cè)活性炭表面

吸附H2、He、Ne多級深冷頭示意圖工作區(qū)間：10-4~10-11Pa優(yōu)點：可實現(xiàn)目前最高的極限真空度：10-11Pa。缺點：1）屬于捕獲泵的一種，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷機）；

2）需要“再生”處理。工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實現(xiàn)抽氣1.3真空的測量概念：采用特定的儀器裝置，對某一特定空間內(nèi)的真空度（即：氣壓）進行測定。

這些儀器常被稱為真空計（Manometer）或真空規(guī)（VacuumGauge）分類：1.3真空的測量分類：因此：P

時，氣體稀薄化氣體導熱能力

Qg

相同燈絲電流下Ql

熱電偶溫度T

電壓表上測得的熱電勢V

特定氣壓范圍內(nèi)（102~10-1Pa間），成立：！工作原理：利用一個燈絲持續(xù)加熱，燈絲旁有一熱電偶，燈絲放熱總量（Qt）等于輻射熱損失（Qr）、熱電偶-燈絲間熱傳導（Ql）及氣體分子與燈絲碰撞攜帶走的熱量（Qg）之和：1、熱偶真空計（ThermoCoupleGauge）熱偶真空計的工作原理示意圖因此：工作原理：熱偶真空計的工作原理示意圖工作范圍：

102~10-1Pa之間；應用場合：

大量用于真空度較低、精度要求不高的場合；特點：

1）結(jié)構(gòu)簡單、使用方便；

2）對不同氣體測量結(jié)果不同，需要校正；

3）不能測量過高或過低的氣壓；

4）熱慣性較大，易發(fā)生零點漂移現(xiàn)象。1、熱偶真空計（ThermoCoupleGauge）工作范圍：工作原理：1）由兩組燈絲組成，一組燈絲置于密封定壓空間內(nèi)作為參考，另一組與待測壓腔體相通。2）兩組燈絲同時被視為兩個電阻組成Wheatstone電橋。3）兩組燈絲同時被通電加熱，若其所處環(huán)境壓力不同（空氣稀薄程度不同）導致熱耗散速度也不同，因而燈絲電阻會因溫度不同而產(chǎn)生差異，流過之電流隨之改變。4）因參考端氣壓固定，因而溫度、電阻、流過電流不變，借助其補償作用可比對求出待測腔體內(nèi)的氣體壓力。2、皮拉尼真空計（PiraniGauge）

熱偶真空計的改進形式！皮拉尼真空計的工作原理工作原理：2、皮拉尼真空計（PiraniGauge）工作范圍：

102~10-1Pa之間（與熱偶真空計相當）；應用場合：

大量用于真空度較低、精度要求不高的場合；特點：

1）響應速度比熱偶真空計快得多；

2）一定程度上解決了零點漂移的問題。2、皮拉尼真空計（PiraniGauge）

熱偶真空計的改進形式！工作范圍：2、皮拉尼真空計（PiraniGauge）3、電離真空計（IonizationGauge）（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)3、電離真空計（IonizationGauge）（a）內(nèi)部（b）工作原理示意圖工作原理：利用氣體分子與振蕩電子的碰撞電離作用測得氣壓！

1）電子的振蕩與捕獲：①熱電子發(fā)射

②加速飛向柵極

③部分被捕獲

④漏網(wǎng)飛離柵極

⑤反向減速掉頭后再加速飛回柵極

⑥再捕獲漏網(wǎng)逃離柵極

⑦再次減速并掉頭加速重復②以后過程（在劫難逃?。?）氣體分子碰撞電離：電子往復振蕩與氣體分子不斷碰撞使之發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的二次電子繼續(xù)加入振蕩-捕獲過程，而氣體離子則飛向離子收集極形成回路電流，且滿足Ie

—燈絲電流；S—常數(shù)。3）獲得相對氣壓測值：燈絲電流Ie一定時，就可由離子電流I+

的大小測得氣壓P。（b）工作原理示意圖工作原理：利用氣體分子與振蕩電子的碰撞電

1）工作范圍：普通三極型：10-6~10-1Pa；B-A型：10-8~10-1Pa（高真空適用）；S-P型：10-2~10Pa（低真空適用）2）優(yōu)點：①可快速、連續(xù)測量；3）缺點：

不適于低真空測量（改進的S-P型也要求P<10Pa）；測量結(jié)果與氣體種類有關(guān)；需要定期除氣處理。3、電離真空計（IonizationGauge）3、電離真空計（IonizationGauge）3.3

薄膜沉積的物理方法

薄膜沉積

的

物理方法注意：其中除了LPE技術(shù)外，都可劃入廣義的PVD技術(shù)范疇！

本節(jié)重點學習蒸發(fā)、濺射、離子鍍?nèi)惢綪VD方法！3.3薄膜沉積的物理方法PVD的概念：在真空度較高的環(huán)境下，通過加熱或高能粒子轟擊的方法使源材料逸出、沉積物質(zhì)粒子（可以是原子、分子或離子），這些粒子在基片上沉積形成薄膜的技術(shù)。

其技術(shù)關(guān)鍵在于：如何將源材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗔Ｗ樱ǘ荂VD的化學反應）！PVD的三個關(guān)鍵過程：PVD的工程分類：

基于氣相粒子發(fā)射方式不同而分！PVD的概念：3.1真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.1真空蒸發(fā)沉積的概念及物理學基礎(chǔ)一、概念在真空環(huán)境下，以各種加熱方式賦予待蒸發(fā)源材料以熱量，使源材料物質(zhì)獲得所需的蒸汽壓而實現(xiàn)蒸發(fā)，所發(fā)射的氣相蒸發(fā)物質(zhì)在具有適當溫度的基片上不斷沉積而形成薄膜的沉積技術(shù)。二、兩個關(guān)鍵

真空度：P≤10-3Pa（保證蒸發(fā)，粒子具分子流特征，以直線運動）

基片距離

(相對于蒸發(fā)源)：10~50cm（兼顧沉積均勻性和氣相粒子平均自由程）3.1真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）一、概念三、蒸發(fā)條件分壓Pi<平衡蒸汽壓Pei1、物理機制：■蒸發(fā)與凝聚同時發(fā)生，動態(tài)雙向進行；■T一定時，動態(tài)平衡時的蒸汽壓即平衡蒸汽壓■

Pi>Pei

凝聚；

Pi<Pei

蒸發(fā)(凈蒸發(fā)>0)2、怎樣實現(xiàn)蒸發(fā)條件？

升溫

T

Pei

真空系統(tǒng)總壓P

目標物質(zhì)分壓Pi

也隨之

充入其它氣體

P=∑Pi

總壓不變、目標物質(zhì)分壓Pi

T/℃三、蒸發(fā)條件分壓Pi<平衡蒸汽壓PeiT3、材料分類（基于蒸發(fā)特性）

易升華材料(Cr、Ti、Si等)

T<Tm時，Pe

就已很高(>>0.1Pa)

升華難升華材料(石墨)無Tm，升華溫度(Ts)

又很高

往往需借助電弧等高溫放電熱源才能蒸發(fā)！液態(tài)蒸發(fā)材料(大多數(shù)金屬)

T＝Tm時，Pe

仍較低(Pe<0.1Pa)，

但可以繼續(xù)

T獲得高的Pe

！

需加熱到Tm以上一定溫度才能實現(xiàn)蒸發(fā)！3、材料分類（基于蒸發(fā)特性）四、蒸發(fā)速率1、Knudsen公式：

式中：-單位面積上元素的凈蒸發(fā)速率；-蒸發(fā)因子(0~1)；

M—氣體的原子/分子量；2、Langmuir公式：可知：

=1，Pi=0時，蒸發(fā)速率最大；

由于T

時Pei

T是

的主要影響因素！薄膜工藝課件五、沉積厚度及沉積速率：1、影響沉積速率的因素：蒸發(fā)源尺寸；

源-基片距離；凝聚系數(shù)。2、物理學表述(Knudsen余弦定律)：點源：

小平面源：

式中：d0

—距蒸發(fā)源最近位置（中心處）的膜厚；

d—距該中心距離為l處的膜厚；

—沉積角度；r—沉積半徑。五、沉積厚度及沉積速率：3、規(guī)律：

距蒸發(fā)源近：則膜厚不均勻程度增加、但沉積速率提高；

距蒸發(fā)源遠：則膜厚均勻程度好、但沉積速率降低。Knudsen余弦定律3、規(guī)律：Knudsen余弦定律

實現(xiàn)蒸發(fā)：源材料氣相粒子蒸發(fā)Pi<Pei2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空蒸發(fā)源基片氣相粒子的輸運實現(xiàn)蒸發(fā)：源材料氣相粒子蒸發(fā)Pi<Pei2真空蒸發(fā)沉2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空蒸發(fā)源基片

實現(xiàn)蒸發(fā)：源材料氣相粒子蒸發(fā)Pi<Pei氣相粒子的輸運2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空蒸發(fā)源基片實現(xiàn)2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空真空！蒸發(fā)源基片

實現(xiàn)蒸發(fā)：源材料氣相粒子蒸發(fā)Pi<Pei氣相粒子的輸運2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空真空！蒸發(fā)源基片2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空殘余氣體分子與蒸發(fā)粒子的碰撞幾率：

真空度

(P>10-1Pa)

→1真空度

(P<10-2Pa)

→0

真空！蒸發(fā)源基片氣相粒子的輸運(P<10-2Pa)2真空蒸發(fā)沉積的條件（二）真空殘余氣體分子與蒸3.1.2蒸發(fā)沉積裝置一、概述：1、基本系統(tǒng)構(gòu)成：

2、蒸發(fā)源的作用：3、蒸發(fā)設(shè)備及方法的主要分類：蒸發(fā)裝置蒸發(fā)材料的加熱方法3.1.2蒸發(fā)沉積裝置一、概述：蒸發(fā)裝置二、電阻加熱蒸發(fā)將待蒸發(fā)材料放置在電阻加熱裝置中，利用電阻熱加熱待沉積材料提供蒸發(fā)熱使待蒸發(fā)材料氣化的蒸發(fā)沉積技術(shù)。1、支撐加熱材料可做成絲、箔片、筐、碗等形狀，常采用金屬W、Mo等高Tm、低Pe

材料。2、應用

是制備單質(zhì)金屬、氧化物、介電材料和半導體化合物薄膜最常用的蒸發(fā)方法。電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置二、電阻加熱蒸發(fā)電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置支撐加熱材料(蒸發(fā)舟)電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置3、主要問題：

支撐材料與蒸發(fā)物之間可能會發(fā)生反應；

一般工作溫度在1500~1900℃，難以實現(xiàn)更高蒸發(fā)溫度，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。支撐加熱材料(蒸發(fā)舟)電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置3、主要問題：三、閃爍蒸發(fā)：待蒸發(fā)材料以粉末形式被送入送粉機構(gòu)，通過機械式或電磁式振動機構(gòu)的觸發(fā)，被周期性少量輸送到溫度極高的蒸發(fā)盤上，待蒸發(fā)材料瞬間蒸發(fā)形成粒子流，隨后輸運到基片完成薄膜的沉積。1、蒸發(fā)溫度：

與電阻加熱蒸發(fā)基本相同(1500~1900℃)。2、主要改進：

解決了薄膜成分偏離源材料組分的問題！3、應用場合：

制備蒸發(fā)溫度較低的半導體、金屬陶瓷和氧化物薄膜。閃爍蒸發(fā)裝置示意圖三、閃爍蒸發(fā)：閃爍蒸發(fā)裝置示意圖4、主要問題：

蒸發(fā)溫度依然有限；

待蒸發(fā)材料是粉末態(tài)，易于吸附氣體且除氣難度較大；

蒸發(fā)過程中釋放大量氣體，易導致“飛濺”，影響成膜質(zhì)量。閃爍蒸發(fā)裝置示意圖4、主要問題：閃爍蒸發(fā)裝置示意圖四、電子束蒸發(fā)

采用電場(5~10kV)加速獲得高能電子束，在磁場作用下聚焦到蒸發(fā)源材料表面，實現(xiàn)對源材料的轟擊，電子的動能轉(zhuǎn)換為源材料的熱能，從而使材料氣化蒸發(fā)。1、初衷

為克服電阻加熱蒸發(fā)的缺點而引入2、電子槍分類(電子發(fā)射機制不同)

熱陰極型

由難熔金屬制成的燈絲發(fā)射熱電子；

空心陰極型

由惰性氣體電離形成的等離子體引出電子。a)電子束蒸發(fā)裝置(熱陰極電子槍)b)采用空心陰極電子槍的蒸發(fā)裝置四、電子束蒸發(fā)a)電子束蒸發(fā)裝置(熱陰極電子槍)b)采a)電子束蒸發(fā)裝置(熱陰極電子槍)b)采用空心陰極電子槍的蒸發(fā)裝置3、應用場合

適用于高純度、高熔點、易污染薄膜材料的沉積。4、優(yōu)、缺點

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；

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)復雜，設(shè)備昂貴。a)電子束蒸發(fā)裝置(熱陰極電子槍)b)采用空心陰極電子激光蒸發(fā)裝置示意圖五、激光蒸發(fā)采用激光作為熱源照射待蒸發(fā)材料，實現(xiàn)其蒸發(fā)和沉積。

主要優(yōu)點

熱源清潔，無來自加熱體的污染；

表面局部加熱，無來自支撐物的污染；

聚焦可獲得高功率，可沉積陶瓷等高熔點材料以及

復雜成分材料（瞬間蒸發(fā)）；光束集中，激光裝置可遠距離放置，可安全沉積一

些特殊材料薄膜（如高放射性材料）；可引導激光束，實現(xiàn)多源同步或有序蒸發(fā)；脈沖激光可實現(xiàn)超高功率脈沖加熱，實現(xiàn)超高溫瞬時蒸發(fā)。激光蒸發(fā)裝置示意圖五、激光蒸發(fā)電弧加熱蒸發(fā)裝置示意圖六、電弧放電加熱蒸發(fā)：

采用真空電弧作為蒸發(fā)熱源，電源可以是直流或交流。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，須導電)；

設(shè)備遠比電子束蒸發(fā)簡單，成本較低。主要問題

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。主要應用

沉積高熔點難熔金屬及其化合物薄膜、碳材料薄膜電弧加熱蒸發(fā)裝置示意圖六、電弧放電加熱蒸發(fā)：Adv.Mater.2011,23,4381–4385舉例：薄膜在太陽能電池中的應用CdTe薄膜太陽能電池0.8~3μm0.87美元/W厚度

成本1.6美元/W晶硅太陽能電池100~300μm1.6美元/W如何制備？Adv.Mater.2011,23,4381–438Adv.Mater.2011,23,4381–4385如何制備？CdTe薄膜太陽能電池源材料：CdTe粉末熱源：電阻熱蒸發(fā)溫度：>450℃真空：10-4Pa電阻加熱蒸發(fā)Adv.Mater.2011,23,4381–4383.2濺射沉積技術(shù)3.2.1濺射的基本概念及原理一、濺射與濺射鍍膜概述：1、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。！發(fā)現(xiàn)：1852年首次在對輝光放電的研究中發(fā)現(xiàn)。3.2濺射沉積技術(shù)一、濺射與濺射鍍膜概述：2、基本過程：

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

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)

電子在飛行過程中，還可能與Ar+相撞，使之恢復中性狀態(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。2、基本過程：3、濺射與蒸發(fā)的根本區(qū)別

沉積粒子來自高能離子的轟擊作用，濺射粒子的高動能特征貫穿于三個基本沉積過程！復習：PVD實現(xiàn)薄膜沉積的三階段

比較：

蒸發(fā)：依靠源材料的晶格振動能克服逸出功形成沉積粒子的熱發(fā)射，

即：外加能量(電阻/電子束/激光/電弧/射頻)加熱

晶格振動能克服逸出功氣態(tài)逸出

濺射：高能離子輸入動能彈性碰撞傳遞能量更高動能粒子逸出

(碰撞發(fā)射！)即：濺射是高能轟擊粒子(離子)與靶材原子間動能/動量傳遞的結(jié)果！3、濺射與蒸發(fā)的根本區(qū)別證據(jù)：①濺射產(chǎn)物粒子以一定空間角發(fā)射，且與入射離子的方向有關(guān)；

②單個入射離子轟擊出的產(chǎn)物粒子數(shù)與入射離子的能量/質(zhì)量都有關(guān)；

均可用彈性碰撞理論解釋！

③濺射產(chǎn)物粒子的平均速度>>蒸發(fā)出的粒子。濺射是高能轟擊粒子(離子)與靶材原子間動能/動量傳遞的結(jié)果！證據(jù)：濺射是高能轟擊粒子(離子)與靶材原子間動能/動4、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。離子轟擊固體表面的各種物理現(xiàn)象轟擊后的物理現(xiàn)象主要取決于入射離子的能量(Ei)：由于：轟擊離子的能量/產(chǎn)率離子的產(chǎn)生過程氣體放電/等離子體的產(chǎn)生過程，因此：氣體放電/等離子體的產(chǎn)生是濺射的基礎(chǔ)

需首先予以關(guān)注和澄清！4、離子轟擊固體表面的各種物理過程：離子轟擊固體表面的各種物4、濺射鍍膜何以實現(xiàn)？氣體放電

等離子體

帶電離子

電場作用

離子加速

高能離子

撞擊靶材

濺射

發(fā)射靶材原子

飛向基板

形成沉積

獲得薄膜！濺射鍍膜的實現(xiàn)過程4、濺射鍍膜何以實現(xiàn)？濺射鍍膜的實現(xiàn)過程二、放電系統(tǒng)的構(gòu)成與放電條件：1、系統(tǒng)構(gòu)成：2、放電條件：

真空環(huán)境：

P=10-1~102Pa！

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，電子被加速并與放電氣體分子碰撞，

這種碰撞使放電氣體被電離，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。直流放電體系模型最簡單的二極直流輝光放電系統(tǒng)二、放電系統(tǒng)的構(gòu)成與放電條件：直流放電體系模型最簡單的二極直3.2.2濺射的主要工藝控制參數(shù)一、濺射閾值(記為Et)：1、概念將靶材原子濺射出來，入射離子需要具備的最小能量水平。2、規(guī)律

Et與入射離子的質(zhì)量無明顯相關(guān)性；

Et主要取決于靶材：靶材的原子序數(shù)越大，則其Et值越??；

大多數(shù)金屬的Et≈10~40eV，約為其升華熱的數(shù)倍。3.2.2濺射的主要工藝控制參數(shù)一、濺射閾值(記為Et)二、濺射產(chǎn)額(記為P)：1、概念：平均每個正離子轟擊靶材時，可從靶材中濺射出的原子個數(shù)。2、規(guī)律：與入射離子的種類、能量及角度，以及靶材種類及溫度有關(guān)。入射離子的影響：■種類(圖1)：周期性升高！對應元素的原子序數(shù)

P

、且同周期內(nèi)惰性氣體離子的P最高；■能量(圖2)：E

>Et

后，升

飽和

降！

E<150eV，P

E2；E=150~104eV，P

飽和；E>104eV，P

■入射角(圖3)：緩升

急升急降！

=0~60o，Pcos-1

；=60~80o，P

max；

=80~90o，P

0123二、濺射產(chǎn)額(記為P)：123靶材的影響：■種類(圖4)：也是周期性升高！靶材的原子序數(shù)

P

、但有周期性“回頭”現(xiàn)象；■溫度(圖5)：高于臨界溫度后急劇升高！臨界溫度以下：P基本與溫度無關(guān)；

高于臨界溫度：靶材原子鍵合減弱

T

則P

因此：控制靶材的溫升很重要，不能過高！5454三、濺射原子的能量特征：高于蒸發(fā)原子1~2個數(shù)量級，一般1-20eV或更高；原子序數(shù)

，則能量越

；反之，則逸出速度越

；

入射離子能量不變時，其質(zhì)量

，則濺射原子的能量

；濺射原子的平均能量隨入射離子能量

而

，

但當入射能量高到一定水平后，則趨于飽和而不再

。三、濺射原子的能量特征：3.2.3濺射沉積技術(shù)的主要優(yōu)、缺點一、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、Ta、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，工藝重復性好；6、沉積原子能量較高，還可以改善薄膜對復雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜的表面粗糙度。二、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。3.2.3濺射沉積技術(shù)的主要優(yōu)、缺點一、優(yōu)點(與蒸發(fā)技術(shù)3.2.4濺射沉積裝置簡介一、分類及主控工藝參數(shù)：1、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：3.2.4濺射沉積裝置簡介一、分類及主控工藝參數(shù)：按靶2、主要工藝控制參數(shù)：2、主要工藝控制參數(shù)：二、直流濺射1、二極系統(tǒng)2、三極/四極系統(tǒng)

是在二極系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一種改進！改進思路

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、沉積效率最簡單的二極直流輝光放電系統(tǒng)直流三極濺射系統(tǒng)示意圖二、直流濺射最簡單的二極直流輝光放電系統(tǒng)直流三極濺射系統(tǒng)示意比較：■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)自持放電

污染

效率■射頻濺射系統(tǒng)高頻耦合放電，放電電壓、真空度

不同濺射系統(tǒng)的典型工作參數(shù)比較比較：不同濺射系統(tǒng)的典型工作參數(shù)比較3、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)。3、多極直流濺射裝置的優(yōu)、缺點：三、磁控濺射：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(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！三、磁控濺射：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，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，并有效防止高能電子對基片的轟擊。

磁場力：電子受洛侖茲力作用：F洛

=-qv×B，形成的加速度垂直于電子瞬時速度，迫使其不斷改變運動方向；

電場力：電子受庫倫力作用：F庫=-qE，形成的加速度不變，且永遠指向陽極表面；

運動：橫向受F洛水平分量作用

電子不斷漂移；縱向受F洛垂直分量和F庫聯(lián)合作用

周期性速、振蕩！

結(jié)果：電子被束縛在靶面附近區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)長程振蕩運動！磁約束的實現(xiàn)3、原理：磁約束的實現(xiàn)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

氣體離化率

正離子產(chǎn)率

濺射速率

幾個數(shù)量級?。∽⒁猓哼@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。磁控濺射系統(tǒng)平面式磁控管的靶面電子軌道4、磁控濺射的優(yōu)勢分析：

磁約束磁控濺射系統(tǒng)5、磁控濺射的典型工作參數(shù)及比較分析

真空度P(濺射氣體采用Ar氣）：<0.5Pa

與普通直流濺射相比：真空度更高

薄膜污染幾率更?。?/p>

放電電壓：一般在600V以下

無須高壓直流電源！

離子電流密度：>20mA/cm2

顯著提高

顯示有更多濺射氣體被離化

離化率

沉積速率：>數(shù)十m/min

鍍膜速度顯著提高！

基片溫升：<300~500℃，甚至可以低于100℃！

有效防止二次電子對基片的轟擊，甚至可在聚合物表面安全鍍膜！磁控濺射系統(tǒng)5、磁控濺射的典型工作參數(shù)及比較分析磁控濺射系統(tǒng)四、射頻濺射1、出發(fā)點：解決不具導電性的非金屬材料濺射鍍膜問題！

使用直流電源，靶材同時是陰極，不導電無法實現(xiàn)濺射！2、實現(xiàn)方法：使用交變頻率>>50kHz的交流電源；

在電源和放電室之間配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使交變電場能量耦合

到放電室內(nèi)；

電子與高頻交變電場共振獲得能量，繼而不斷與氣體分子碰撞

使之電離；

靶材是絕緣體，且基片接地極為重要。射頻濺射裝置四、射頻濺射1、出發(fā)點：解決不具導電性的非金屬材料濺射鍍膜問等離子體的鞘層電位及自偏壓3、原理：

利用靶材相對于等離子體的周期性自偏壓實現(xiàn)濺射！

靶材非導體，離子質(zhì)量大

運動慣性>>電子，

交變電場下：

電子可全部到達絕緣靶材表面，陽離子只有部分到達

靶材表面形成周期性負電荷富集

形成相對于等離子體的負電位

等離子體始終處于正電位Vp，且始終成立：

Vp

>Vc（靶電極電位）

Vp>Vd（地電極電位

爐體及基片）等離子體的鞘層電位及自偏壓3、原理：

利用靶4、特點：電場耦合形成高能電子振蕩，離化率比二極濺射高得多，可在高真空下實現(xiàn)濺射沉積(P≤1Pa)；

電場通過交變阻抗網(wǎng)絡(luò)而非導電電極形式實現(xiàn)耦合，電極(靶材+基片)不要求一定是導體，

可以實現(xiàn)各種材料(金屬、非金屬、半導體等)薄膜的沉積！由于靶材的負電位Vc

遠低于基片和爐體的負電位Vd，且相對于等離子體的正電位Vp

永遠處于更負的負值，從而實現(xiàn)絕緣的靶電極在此負壓作用下，受到來自于等離子體的陽離子的不斷轟擊而實現(xiàn)濺射！射頻濺射過程中電極電位的變化4、特點：由于靶材的負電位Vc遠低于基片和爐體的負電位五、離子束濺射：1、出發(fā)點：輝光放電需較低的真空度環(huán)境(0.1~10Pa)才能維持放電，

不能避免濺射氣體對薄膜的污染；

離子的能量水平、入射方向、束流的大小不能精確控制，

不能沉積結(jié)構(gòu)、成分更精細的薄膜！離子束濺射裝置五、離子束濺射：離子束濺射裝置離子束濺射裝置2、實現(xiàn)方法：使入射離子的產(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<10-3Pa)下，保證薄膜沉積質(zhì)量。

如右圖所示前者實際上是一個獨立的離子源，被稱為離子槍，

其作用是提供一定強度(如：I+

=10~50mA)、一定能量(如：500~2000eV)的Ar+束流；離子槍發(fā)射出的Ar+流以一定角度轟擊靶材，濺射出靶材粒子并在更高真空度下輸運并沉積到基片成膜。離子束濺射裝置2、實現(xiàn)方法：3、特點：

濺射系統(tǒng)真空度遠高于一般濺射裝置

氣體污染、薄膜純度；

等離子體環(huán)境遠離基片

避免荷電粒子轟擊基片

基片溫升、薄膜內(nèi)部因遭受轟擊的損傷、缺陷；

入射離子流和濺射物質(zhì)束流高度可控

可以精細控制薄膜的成分與結(jié)構(gòu)！設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、離子槍成本很高、薄膜的沉積速率也非常有限。3、特點：

濺射系統(tǒng)真空度遠高于一般濺射裝置一、概念

通過將成膜材料高度電離化形成膜材料離子，從而其增加沉積動能，并使之在高化學活性狀態(tài)下沉積薄膜的技術(shù)。二、出發(fā)點

以其它手段激發(fā)沉積物質(zhì)粒子，然后使之與高度電離的等離子體交互作用(類似PECVD)，促使沉積粒子離化，使之既可被電場加速而獲得更高動能，同時在低溫狀態(tài)下具有高化學活性。三、基本特點

大多數(shù)是蒸發(fā)/濺射(氣相物質(zhì)激發(fā))與等離子體離化過程(賦能、激活)的交叉結(jié)合！3.3離化PVD技術(shù)3.3.1概述一、概念3.3離化PVD技術(shù)五、主要優(yōu)勢：

低溫沉積、甚至可以低溫外延生長；

薄膜性能≥濺射(結(jié)合力

、致密度

)、沉積速率≥蒸發(fā)(>>濺射)；

可沉積化合物薄膜；

薄膜表面形貌、粗糙程度高度可控。四、沉積離子的轟擊作用對膜基界面的作用：形成偽擴散層(沉積物/基體物質(zhì)的物理混合梯度層)；

輸入動能，增強擴散/形核，易于成膜；

界面致密化；

改善沉積粒子的繞射性，提高薄膜的均勻程度及其對基片表面復雜形狀的覆蓋能力。五、主要優(yōu)勢：四、沉積離子的轟擊作用六、主要沉積技術(shù)分類：六、主要沉積技術(shù)分類：3.3.2離子鍍一、概念：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)或其化學反應產(chǎn)物在基片上的沉積。二、技術(shù)關(guān)鍵：1、膜材料的氣化激發(fā)：既可蒸發(fā)、也可濺射；2、氣相粒子的離化：輸運過程中必須路經(jīng)等離子體，并被離化！3.3.2離子鍍一、概念：三、實現(xiàn)原理：1、基片置于陰極，等離子體中的正離子轟擊基片并成膜。

2、成膜時沉積物中約20~40%來自離化的膜材料離子，其余為原子。

3、離化后的膜材料離子具有高化學活性和高動能，并轟擊基片對薄

膜的生長形成有利影響。

4、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。離子鍍沉積裝置示意圖三、實現(xiàn)原理：離子鍍沉積裝置示意圖3.3.3離子束輔助沉積一、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。二、出發(fā)點

偏壓濺射、離子鍍等過程中，陽離子對基片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。

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。三、技術(shù)關(guān)鍵

離子源(離子槍)！IBAD沉積裝置示意圖3.3.3離子束輔助沉積一、概念I(lǐng)BAD沉積裝置示意圖四、特點：

可以顯著改善薄膜的性能，特別是結(jié)合力；

設(shè)備復雜、沉積率低。IBAD沉積裝置示意圖四、特點：IBAD沉積裝置示意圖一、概念

直接將離子源發(fā)出的低能離子束打向基片，形成薄膜沉積的方法。二、特點

沉積離子的能量和薄膜質(zhì)量高度可控，可高純精細沉積；薄膜的沉積速率很低。3.3.4離子束沉積IBD沉積裝置示意圖一、概念3.3.4離子束沉積IBD沉積裝置示意圖薄膜工藝課件3.4

薄膜沉積的化學方法

1

化學氣相沉積（CVD）

CVD的主要化學反應類型3.4薄膜沉積的化學方法1化學氣相沉積（CVD）一、熱解反應：薄膜由氣體反應物的熱分解產(chǎn)物沉積而成。1）反應氣體：氫化物、羰基化合物、有機金屬化合物等。2）典型反應■硅烷沉積多晶Si和非晶Si薄膜

SiH4(g)

Si(s)+2H2(g)650~1100℃■

羰基金屬化合物低溫沉積稀有金屬薄膜

Ni(CO)4(g)

Ni(s)+4CO(g)140~240℃

Pt(CO)2Cl2(g)

Pt(s)+2CO(g)+Cl2(g)600℃■有機金屬化合物沉積高熔點陶瓷薄膜：

2Al(OC3H7)3(g)Al2O3(s)+6C3H6(g)+3H2O(g)420℃

異丙醇鋁Tm≈2050℃丙烯■單氨絡(luò)合物制備氮化物薄膜：

AlCl3·NH3(g)AlN(s)+3HCl(g)800-1000℃一、熱解反應：薄膜由氣體反應物的熱分解產(chǎn)物沉積而成。二、還原反應：薄膜由氣體反應物的還原反應產(chǎn)物沉積而成。1）反應氣體熱穩(wěn)定性較好的鹵化物、羥基化合物、鹵氧化物等+還原性氣體。2）典型反應■H2還原SiCl4外延制備單晶Si薄膜

SiCl4(g)+2H2(g)

Si(s)+4HCl(g)1200℃■六氟化物低溫制備難熔金屬W、Mo薄膜

WF6(g)+3H2(g)

W(s)+6HF(g)300℃

Tm≈3380℃二、還原反應：薄膜由氣體反應物的還原反應產(chǎn)物沉積而成。三、氧化反應：薄膜由氣體氧化反應產(chǎn)物沉積而成。1）反應氣體氧化性氣氛（如：O2）+其它化合物氣體。2）典型反應■制備SiO2薄膜的兩種方法

SiH4(g)+O2(g)

SiO2(s)+2H2(g)

450℃SiCl4(g)+2H2(g)+O2(g)

SiO2(s)+4HCl(g)1500℃三、氧化反應：薄膜由氣體氧化反應產(chǎn)物沉積而成。四、置換反應

薄膜由置換反應生成的碳化物、氮化物、硼化物沉積而成。1）反應氣體：鹵化物+碳、氮、硼的氫化物氣體。2）典型反應■硅烷、甲烷置換反應制備碳化硅薄膜

SiCl4(g)+CH4(g)

SiC(s)+4HCl(g)1400℃■

二氯硅烷與氨氣反應沉積氮化硅薄膜

3SiCl2H2(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+6H2(g)+6HCl(g)750℃■四氯化鈦、甲烷置換反應制備碳化鈦薄膜

TiCl4(g)+CH4(g)TiC(s)+4HCl(g)四、置換反應五、歧化反應

對具有多種氣態(tài)化合物的氣體，可在一定條件下促使一種化合物轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

另一種更穩(wěn)定的化合物，同時形成薄膜。1）反應氣體：可發(fā)生歧化分解反應的化合物氣體。2）典型反應■二碘化鍺（GeI2）歧化分解沉積純Ge薄膜

2GeI2(g)

Ge(s)+GeI4(g)300~600℃五、歧化反應六、輸運反應

把需要沉積的物質(zhì)當作源物質(zhì)（不具揮發(fā)性），

借助于適當?shù)臍怏w介質(zhì)與之反應而形成一種氣態(tài)化合物，

這種氣態(tài)化合物再被輸運到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，

并在基片上發(fā)生逆向反應，從而獲得高純源物質(zhì)薄膜的沉積。1）反應氣體：固態(tài)源物質(zhì)+鹵族氣體。2）典型反應■鍺（Ge）與碘（I2）的輸運反應沉積高純Ge薄膜：

（類似于Ti的碘化精煉過程）：六、輸運反應

CVD化學反應和沉積原理一、反應過程【以TiCl4(g)+CH4(g)

TiC(s)+4HCl(g)為例】■各種氣體反應物流動進入擴散層；■第①步（甲烷分解）：CH4

C+H2■第②步（Ti的還原）：H2+TiCl4

Ti+HCl■第③步（游離Ti、C原子化合形成TiC）：Ti+CTiCCVD化學反應和沉積原理一、反應過程二、CVD形成薄膜的一般過程：1）反應氣體向基片表面擴散；2）反應物氣體吸附到基片；3）反應物發(fā)生反應；4）反應產(chǎn)物表面析出、擴散、分離；5）反應產(chǎn)物向固相中擴散，形成固溶體、化合物。隨析出溫度提高，析出固相的形態(tài)一般按照下圖所示序列變化：二、CVD形成薄膜的一般過程：

CVD沉積裝置一、概述：1）基本系統(tǒng)構(gòu)成：2）最關(guān)鍵的物理量：Why？二者決定：薄膜沉積過程中的

進而決定獲得的是薄膜！CVD沉積裝置一、概述：

3）分類：薄膜工藝課件二、高溫和低溫CVD裝置1）選用原則：2）高溫CVD的加熱裝置：一般可分為電阻加熱、感應加熱和紅外輻射加熱三類。

a–電阻加熱