物理气相沉积讲解

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1、薄膜物理气相沉积 一、真空蒸发沉积的物理原理 在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸 发所必须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝 结形成薄膜。 真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽 压进行薄膜制备。 薄膜制备技术-蒸发法 二、真空蒸发的设备 真空蒸发设备示意图如下图所示 真空蒸发设备主要由三部分组成： 1. 真空系统：为蒸发过程提供真空环境 2. 蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置 3. 基板及加热系统：该系统是用来放置衬底，对衬底加 热及测温装置 二、真空蒸发的设备 真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: 1.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达

2、到蒸发材 料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相 2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过 程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞 3.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到 达基片后凝结、成核、生长、成膜 二、真空蒸发的设备 三、汽化热和蒸汽压 汽化热： 真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加热到足够 高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，克服 固相原子的束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动 能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热。 物质的饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物 质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增

3、大，一定的饱和 蒸气压则对应着一定的温度。规定物质在饱和蒸气压 为1.3Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度。 三、汽化热和蒸汽压 在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡 蒸汽压。当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压以 下，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的净蒸 发速率为： 四、物质的蒸发速率 单位物质表面的质量蒸发速度: pe为平衡蒸汽压，ph为实际分气压。 四、物质的蒸发速率 1、元素的蒸汽压 克劳修斯-克莱普朗方程： 物质平衡蒸汽压P随温度的变化率为： 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 V为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反应室的体积。 lgP与1/T

4、基本满足线性关系 利用物质在一定温度时的汽化热He代替H， 得到近似表达式。 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线 （点表示相应元素的熔点） 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 液相蒸发 对大多数金属，温度达到熔点 时，其平衡气压低于10-1 Pa, 需将物质加热到熔点以上 固相升华 在熔点附近，固体的平衡蒸汽 压已相对较高，如 Cr, Ti, Mo, Fe, Si等，可以直接利用 由固态物质的升华，实现物质 的气相沉积 图2.1b 半导体元素的平衡蒸汽压随温度的 变化曲线（点标为相应元素的熔点） 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 2、化合物的蒸发 化

5、合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或 液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程： 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 3、金属合金的蒸发 金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合 力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独立 蒸发过程，可由热力学定律来描述： n理想合金AB：A-B间的作用能等于A-A 或B-B的作用能. n拉乌尔定律：平衡蒸汽压正比于纯组元蒸汽压，系数为摩尔分数 PA = APA(0) ；PB = BPB(0) ； PA(0) 、PB(0)分别为纯组元A、B的平衡蒸气压， A、 B分别为 A、B 组元在合金中的摩尔分数。 因此，即使对于理想合

6、金A、B两组元的蒸气压之比，或蒸发速度 之比，不等于合金中的元素摩尔分数之比，出现成分分离。 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。 PA = A APA(0) ；PB = B BPB(0) ； A， B 分别为元素A、B在合金中的活度系数 合金中A、B组元的蒸发速率之比为 对于初始成分确定的蒸发源，易于蒸发的组元优先蒸发，造成该 组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降。 实际采取的措施：采用双源或多源，分别加热至不同温度来控制 每一组元的蒸发速率。 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 4、多组分薄膜的蒸发方法 利用蒸发法制备多组分薄膜的方法主要有

7、三种方法 （1）单源蒸发法：先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，然后 对合金靶进行蒸发、沉积形成固态薄膜。基本要求是合金靶 中各组分材料的蒸汽压比较接近。 （2）多源同时蒸发法：利用多个坩埚，在每个坩埚中放入薄膜 所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。 （3）多源顺序蒸发法：把薄膜所需材料放在不同坩埚中，但 不是同时蒸发，而是按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制相应 的层厚，然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 五、元素、化合物、合金蒸发的特点 六、真空蒸发源 随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量 要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已 有

8、各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单 的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有： n电阻式加热蒸发 n电子束加热蒸发 n激光加热蒸发 n电弧加热蒸发 n高频感应加热蒸发 1、电阻式加热蒸发 n普通电阻加热： 利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo, Ta等）制 成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加 热的物质。（低压大电流） 六、真空蒸发源 六、真空蒸发源 六、真空蒸发源 加热装置的分类和特点： （1）丝状（0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电阻丝，通过表面 张 力得到支撑。只能蒸发金属或合金；有限的蒸发材料被蒸发 ；蒸发材料必须润湿加热丝；加热丝容易变脆。

9、 （2）凹箔：蒸发源为粉末。 （3）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。 六、真空蒸发源 缺点 （1）加热装置与蒸发物会反应 （2）难以蒸发电介质材料（Al2O3,Ta2O5,TiO2等） （3）蒸发率低 （4）加热蒸发时合金和化合物会分解。 六、真空蒸发源 2、电子束加热装置及特点 n电子束通过5-10KV 的电场后被加速， 然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能 量传递给待蒸发的材料使其熔 化并蒸发。 n无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保 持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反 应的可能性很小。（坩埚水冷） 电子束蒸发装置示意图 六、真空蒸发源 难熔物质的蒸发： 适合制备高纯，难熔物质薄膜 可同时安置多个坩埚

10、，同时或分别蒸发多种不同物质。 大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物 质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄 膜材料。 如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等 等。 2、电子束加热装置及特点 六、真空蒸发源 3、激光加热蒸发 利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。 激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光源 放在真空室外边，激光束通过真空室窗口打到待蒸发材 料上使其蒸发，沉积在衬底上。 适合制备高纯，难熔物质薄膜 六、真空蒸发源 激光蒸发示意图 3、激光加热蒸发 六、真空蒸发源 六、真空蒸发源 可用来制备光学薄膜 Sb

11、2S3, ZnTe, MoO3, PbTe, Ge, Si 制备陶瓷薄膜：Al2O3, Si3N4, 氧化物薄膜：SnO2，ZnO 超导薄膜YBCO 注：Sb(锑ti) Te(碲） 3、激光加热蒸发 六、真空蒸发源 4、电弧加热蒸发 n利用电弧放电加热 n无污染 n适合制备高纯，难熔导电物质薄膜 n缺点：产生微米级的电极颗粒 n原理：用欲蒸发的材料做电极，通过调节 真空室内电极间的距离来点燃电弧，而瞬 间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而 实现薄膜的沉积 真空室 电极 衬底 六、真空蒸发源 在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到一些陶 瓷薄膜。如在氮气氛下，对金属Ti和Zr（锆）起弧制 的T

12、iN和ZrN薄膜，在氧气氛下，Al起弧制得氧化铝薄 膜。 4、电弧加热蒸发 六、真空蒸发源 5、高频感应加热： 在高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被加 热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加热。（高 频高压小电流） 六、真空蒸发源 七、真空蒸发法的优缺点 优点： 设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚 度控制比较准确，成膜速率快。 缺点： 薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，台阶覆 盖能力差。 5、高频感应加热： 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 一、薄膜沉积的方向性和阴影效应 物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。 蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组

13、 织都会产生影响。 物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可 以被认为是点蒸发源。设想被蒸发的物质是由表面积为Ae的 小球面上均匀地发射出来的。 一、薄膜沉积的方向性和阴影效应 蒸发出来的物质总量Me应等于 MedAedtAet 其中，是物质质量蒸发速度，；dAe为蒸发源的表面积元；t为时间。 只有运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于 已经假设蒸发源为一点源，因而衬底面积元dAs上沉积的物质量取决于 其对应的空间角的大小，即衬底上沉积的物质的质量密度为 dMs/dAs=Mecos/4r2 -衬底表面法线与空间方向间的偏离角度；r-蒸发源与衬底间距离。 薄膜沉积

14、的厚度均匀性和纯度 二、蒸发沉积薄膜的纯度 薄膜的纯度是制备薄膜材料时十分关心的问题。在蒸发沉 积时，薄膜的纯度将取决于： （）蒸发源物质的纯度； （）加热装置、坩埚等可能造成的污染； （）真空系统中残留的气体。 前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源以及 改善蒸发装置的设计得以避免，而后一个因素则需要从改善 设备的真空条件入手来加以解决。 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 二、蒸发沉积薄膜的纯度 u在沉积的过程中，残余气体的分子和蒸发物质的原子将分别 射向衬底，并可能同时沉积在衬底上。蒸发物质的原子的沉 积速率为G=NAS/MA u其量纲为原子数/cm2s。为沉积物质的密度；s为厚度沉

15、积速率。残余气体分子的沉积速率可以借助式 求出。 u求出气体杂质在沉积物中的浓度为 C=P MA/NAS(2MgRT)1/2 MA和Mg分别为蒸发物质和残余气体的相对原子质量；是 残余气体的压强。 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 二、蒸发沉积薄膜的纯度 由上式可以看出，沉积物质中杂质的含量与残余气体 的压强成正比，与薄膜的沉积速度s成反比。 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度 溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定 动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在 离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子碰撞过程 中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能 ，并且会沿着一定的方

16、向射向衬底，实现薄膜的沉积。 薄膜制备技术-溅射法 由溅射现象的发现到离子溅射在镀膜技术中的应用，期间经历了一个漫长的发 展过程。 1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉 积现象； 1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物； 20世纪30年代，已经有人利用溅射现象在实验室中制备薄膜； 60年代初，Bell实验室和Western Electric公司利用溅射制取集成电路用的Ta 膜，开始了它在工业上的应用； 1963年已经制作出全长约10m的连续溅射镀膜装置； 1965年IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜称为可能； 1974年，J.Chapin使高速、低温溅射镀膜称为现实，并发表了关于平面磁控溅 射装置的文章。 由于这种溅射装置的日臻完善和普及，使得溅射镀膜能以崭新的面貌