PVD沉積簡介課件

2023/12/231薄膜材料的生長方法——PVD沉積法

PhysicalVaporDeposition

2023/12/2321、從正裝LED結(jié)構(gòu)了解PVD2、PVD簡介3、PVD原理及方法4、PVD—離子鍍膜法目錄AuSiO2ITOP-GaNMQWN-GaNAl3O2DBRAu2023/12/233金屬電極：引入電流。生長方式：電子束蒸鍍藍寶石襯底：作為外延基底生長方式：垂直提拉法DBR反射鏡：增加正面出光率生長方式：電子束蒸鍍從正裝LED結(jié)構(gòu)了解PVDITO透明電極：擴散電流生長方式：磁控濺射法PN層&量子阱：發(fā)光層生長方式：MOCVDSiO2：保護膜生長方式：CVD（化學氣相沉積）2023/12/234PVD簡介2023/12/235PVD簡介真空鍍膜法：是一類重要的優(yōu)秀制膜方法，它在微電子、電子材料與元器件等電子工業(yè)，鐘表工業(yè)，照相機等光學工業(yè)，窗玻璃等建材工業(yè)中已經(jīng)成為一項不可缺少的重要技術(shù)。此外，在以電子信息產(chǎn)業(yè)為代表的高新技術(shù)中，真空鍍膜技術(shù)起著舉足輕重的作用。PVD簡介2023/12/236PVD簡介PVD第一類蒸發(fā)(Evaporation)脈沖激光沉積(Pulsedlaserdeposition)第二類濺射(Sputtering)離子鍍(Ionplating)PVD沉積概念：利用某種物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過程。2023/12/237種類方法具體方法應用PVD沉積真空蒸鍍法熱蒸鍍電子束蒸發(fā)脈沖激光沉積蒸鍍金屬、SiO2、某些半導體薄膜等濺射法高頻二極直流磁控,高頻磁控,ECR(液相濺射),對向靶濺射金屬薄膜、半導體&絕緣體薄膜其他方法，如離子鍍等離子體鍍膜、離子鍍、噴涂高速鋼工具，熱鍛模PVD簡介一般而言，“氣相沉積”多指的是非晶形態(tài)薄膜的成長，這種成長方式歸類于“沉積”(Deposition)；而“VPE”所指的是具有單晶形態(tài)的薄膜成長方式，這種方式歸類于“外延"(Epitaxy)。2023/12/238PVD簡介外延的定義：在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長。液相外延：將生長外延層的原料在溶劑中溶解成飽和溶液。當溶液與襯底溫度相同時，將溶液覆蓋在襯底上，緩慢降溫，溶質(zhì)按基片晶向析出單晶。這種方法常用于外延生長砷化鎵等材料。異質(zhì)外延：襯底與外延層不是同一種物質(zhì)，但晶格和熱膨脹系數(shù)比較匹配。這樣就能在一個襯底上外延生長出不同的晶膜，如在藍寶石或尖晶石襯底上外延生長硅單晶。分子束外延：這是一種最新的晶體生長技術(shù)。將襯底置于超高真空腔中，將需要生長的單晶物質(zhì)按元素不同分別放在噴射爐中。每種元素加熱到適當?shù)臏囟?使其以分子流射出,即可生長極?。ㄉ踔潦菃卧訉樱┑膯尉雍蛶追N物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。一般而言，“氣相沉積”多指的是非晶形態(tài)薄膜的成長，這種成長方式歸類于“沉積”(Deposition)；而“VPE”所指的是具有單晶形態(tài)的薄膜成長方式，這種方式歸類于“外延"(Epitaxy)。2023/12/239PVD簡介PVD：物理過程；固態(tài)源；臺階覆蓋差，純度高，適合淀積金屬CVD：化學過程；氣態(tài)源；臺階覆蓋好，純度較差，適合淀積介質(zhì)共形覆蓋非共形覆蓋2023/12/2310PVD沉積原理2023/12/2311塊狀材料(靶材)薄膜物質(zhì)輸運能量輸運能量襯底PVD沉積示意圖PVD原理完成PVD過程需要：能量真空度襯底蒸發(fā)源or靶材PVD沉積原理蒸鍍法：采用鉬、鎢等耐高溫金屬制作襯鍋來盛放蒸鍍源，或不使用襯鍋濺射法：制作各類外形、密度事宜的靶材蒸鍍法：要求高真空以保證蒸發(fā)源到基片的距離小于蒸氣分子在殘余氣體中的平均自由程濺射法：對真空的要求也很高2023/12/2312能量襯底（加不加熱）蒸鍍法：電阻絲加熱、電子槍加熱、激光加熱濺射法：荷能Ar離子高速撞擊蒸發(fā)源or靶材真空度蒸鍍法：如果想得到一般的片子，不需要加熱濺射法：一般會加熱PVD原理薄膜材料的制備過程是:atombyatom

幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的。真空在薄膜制備過程中的作用（1）減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞；（2）抑制它們之間的反應；2023/12/2313能量蒸發(fā)源or靶材PVD原理2023/12/2314電子束蒸發(fā)機臺磁控濺射機臺真空度PVD原理2023/12/2315各類薄膜生長所需要的真空度一覽表（注：1mbar=100pa=0.75torr）約10E-3—10E-1pa約10E-6—10E-4pa低真空：10E5-10E2中真空：10E2-10E1高真空：10E-1-10E-5超高真空：10E-5-10E-9極高真空：＜10E-9宏觀壓力差減小空氣粘滯阻力真空干燥熱電子源防止高溫金屬氧化避免殘留氣體分子的碰撞減少殘留氣體的混入防止殘留氣體分子在表面的吸附存留真空度PVD原理16真空度PVD原理2023/12/232023/12/2317機械泵（前級泵）：包括各類油泵、旋片式機械泵、魯式泵等，真空度可達10E-2pa各類真空泵。真空是PVD沉積的重要條件高真空泵（次級泵）：包括渦輪分子泵、冷泵。真空度可達10E-5paPVD原理2023/12/2318真空是PVD沉積的重要條件一般的PVD為什么需要真空：

a、λ增大，λ>源基距，淀積粒子直線運動

b、防止氧化等化學反應。

c、提高膜層質(zhì)量

d、降低蒸發(fā)溫度PVD原理分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。假設某種氣體分子的有效截面直徑為d，則該氣體分子的平均自由程應該等于2023/12/2319兩種不同形態(tài)的PVD沉積示意圖基板原材料在真空中加熱

真空

真空蒸鍍法磁控濺射法PVD原理2023/12/2320PVD—離子鍍PVD—離子鍍技術(shù)2023/12/2321PVD—離子鍍

離子鍍膜技術(shù)（簡稱離子鍍）是美國Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出來的。離子鍍的英文全稱IonPlating,簡稱IP。原理：在真空條件下，應用氣體放電實現(xiàn)鍍膜，即在真空室中使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子的轟擊下，同時將蒸發(fā)物質(zhì)或其反應產(chǎn)物蒸鍍在基片上。與蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜相比較，除具有二者的特點外，還特別具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛等一系列優(yōu)點，因此受到人們的重視。離子鍍PVD—離子鍍技術(shù)2023/12/2322PVD—離子鍍離子鍍2023/12/2323PVD—離子鍍離子鍍1.真空室抽至10－4Pa的高真空后，通入惰性氣體（如氬氣），使真空度達到1~10-1Pa。2.接通高壓電源，在蒸發(fā)源與基片之間建立起一個低壓氣體放電的等離子區(qū)。3.由于基片處于負高壓并被等離子體包圍，不斷受到正離子的轟擊，因此可有效地清除基片表面的氣體和污物，使成膜過程中膜層表面始終保持清潔狀態(tài)。

4.與此同時，鍍材氣化蒸發(fā)后，蒸發(fā)粒子進入等離子區(qū)，與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子以及電子發(fā)生碰撞，其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，正離子在負高壓電場加速作用下，淀積到基片表面成膜。

由此可見，離子鍍膜層的成核與生長所需的能量，不是靠加熱方式獲得，而是由離子加速的方式來激勵的。2023/12/2324PVD—離子鍍離子鍍與蒸發(fā)和濺射相比，離子鍍有如下幾個特點：（1）膜層附著性好。a.在離子鍍過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對基片表面產(chǎn)生陰極濺射效應，對基片表面吸附的氣體和油污進行濺射清洗，使基片表面凈化，直至整個鍍膜過程完成。

b.可在膜基界面形成組分過渡層或膜材與基材的成分混合層，Mattox稱之為“偽擴散層”，能有效改善膜層附著性能。

（2）膜層的致密度高（通常與大塊材料密度相同）。離子鍍過程中，膜材離子和高能中性原子帶有較高的能量到達基片，可以在基片上擴散、遷移。而且膜材原子在空間飛行過程中即使形成蒸汽團，到達基片時也能被離子轟擊碎化，形成細小的核心，生長為細密的等軸晶體。（3）繞射性能好。離子鍍過程中，部分膜材原子被離化成正離子后，沿著電場的電力線方向運動，凡是電力線分布之處，膜材離子都能到達。

（4）可鍍材質(zhì)范圍廣泛?？稍诮饘倩蚍墙饘俦砻嫔襄兘饘倩蚍墙饘俨牧?。

（5）有利于化合物膜層的形成。在蒸發(fā)金屬的同時，向真空室通入某些反