《物理气相沉积5504》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理气相沉积5504（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-第二章物理气相沉积一、物理气相淀积Physical Vapor Deposition, PVD的第一类1、电阻热蒸发thermal vaporization蒸发材料在真空室中被加热时，其原子或分子就会从外表逸出，这种现象叫热蒸发。A、饱和蒸气压PV在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸汽压。H：mol汽化热，T：绝对温度。VG、VL：分别为汽相和液相mol体积。lnPVC HR：气体普适常数RT图2-1 *些元素的平衡蒸气压以下列图给出了以lgPV和lgT为坐标而绘制的各种元素的饱和蒸汽压曲线。饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增加。由上图1
2、曲线知，a. 到达正常薄膜蒸发速率所需的温度，即PV=1Pa时温度；b. 蒸发速率随温度变化的敏感性；c. 蒸发形式：蒸发温度高于熔点，蒸发状态是熔化的，否则是升华。下表是几种介质材料的蒸汽压与温度的关系材料Al2O3MgOZrOSiO2ZnS10-5(Torr)105010408701150113092512801260143098014401410162012201050164016001820138011201860180020501830122030002900360022272034267227101710185010-4到达以下蒸汽压的温度10-310-210-11760熔点CB、
3、蒸发粒子的速度和能量平均速度105cm/s，E 0.1 0.2eVC、蒸发速率和淀积速率. z.-dN2ePV Ph/2mkT个/米 秒AdtdN：蒸发粒子数，e：蒸发系数，A：面积Re PV：饱和蒸汽压；Ph：液体静压，m：原子量，K：玻耳兹曼常数。设e=1， Ph=0质量蒸发速率：Rm mRe PV沉积速率：Rdm PV2kTPVAcosM千克/米2秒2RT米/秒r22kT /mD、几种电阻加热法蒸发源形状丝状旋螺形篮形箔加盖舟舟防止材料喷溅，提高蒸汽流的稳定性，用于镀 SiO和ZnS等。装料多，对粉料、块料、湿润的和不湿润的材料均能适用，广泛用于镀多层膜。用于球形夹具镀单层MgF2，高温
4、下不变形。蒸发升华的或不湿润的粒状或丝状材料，如Cr以及Ag和Cu，熔融的湿润金属会造成电短路。U型用于湿润丝状材料，如Al。点源蒸发的场合。应用. z.-状圆筒形蒸汽发射有良好的方向性，蒸发特殊膜厚分布的薄膜。容易保存热量，热效率高。Jacques形辐射源坩埚+辐射丝容量大，分解小，用于红外镀ZnS等。用Al2O3、BeO、BN或TiB2作坩埚，防止坩埚与材料反响，防止材料分解和喷溅，可用于ZnS、SiO、MgF2和Na3AlF6等。“榴弹炮烟筒源闪光蒸发防止材料分馏，特别适用于合金材料。防止材料喷溅，均匀地以分子态蒸发；容量大，分解小，特别适用于红外镀SiO，ZnS等。. z.-石墨源2、
5、电子束加热法电子的动能：电子束的能量：用于蒸发锗、银和钽等，可减小反响。W=neU=IU热量：Q=0.24WtA、直式电子枪图2-2 直枪皮尔斯枪构造示意图B、电磁偏转式电子枪：环枪电偏转e形枪磁偏转图2-3 环枪剖面图图2-4 e枪构造示意图3、激光蒸发激光作为蒸发材料的一种热源。高能量的激光束透过真空室窗口，对蒸发材料进展加热，通过聚焦可使激光束功率密度提高到106w/cm2以上。激光：红宝石激光器、钕玻璃激光器钇铝石榴石激光，巨脉冲CO2激光器：连续可调，大功率。激光器在局部产生很高功率，物质吸收的能量。EA吸收= EI入射ET透射ER反射ES散射透射、反射、散射尽量小，损失小。优点：可
6、蒸发高熔点材料，非接触加热，热源在室外，无污染，简化真空室，适宜于超高真空下制取纯洁薄膜，较高蒸发速率。缺点：费用费，并非所有材料均能适用。图2-5 激光蒸发装置示意图4、反响蒸发图2-6反响蒸发装置示意图在一定的反响气氛中蒸发金属或低价化合物，使之在淀积过程中发生化学反响而生成所需的高价化合物薄膜。. z.-如：2Ti激活蒸汽+ N2激活氮气= 2TiN2SiO + O2激活氧气= 2SiO2发生反响的地方：1、蒸发源外表尽可能防止，2、蒸发源到基板的空间概率很少，3、基板外表希望发生。氧入射率：dNo2Po2分子/米2秒Adt2mkTm：原子量，T：绝对温度，Po2：氧分压Pak：玻尔兹曼
7、常数，A：基板外表积A、金属原子和氧分子入射到基板上。B、入射到基板上的金属原子或氧分子一局部被吸附，另一局部可能被反射或短暂停留后解吸，吸附能越小，或温度越高，解吸越快。C、吸附的金属原子或氧分子产生外表迁移，通过氧的离解，化学吸附发生化学反响，形成氧化物。二、在PVD中的第二大类一溅射sputtering1、根本原理荷能粒子轰击固体外表靶材，而使固体原子或分子射出的现象称为溅射。在溅射过程中，通过动量传递， 95%的离子能量作为热量而被损耗，仅有5%的能量传递给二次发射的粒子。溅射的中性粒子:二次电子:二次离子=100:10:1图2-7 伴随着离子轰击固体外表的各种现象气体辉光放电。图2-
8、8直流辉光放电过程的形成均匀稳定的“异常辉光放电，这个放电区就是溅射区域。当离子轰击覆盖整个阴极外表后，继续增加电源功率，可同时提高放电区的电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系：E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数。弧光放电区：U阴极强电场暗区收缩. z.-dc：暗区厚度，A、B为常数。j0.1A/cm2, Uj气压P太低，两极间太小，均会使辉光放电熄灭，这是因为没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子。气压 P太高，二次电子因屡次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电。溅射过程机理解释： 1离子轰击局部瞬时加热而蒸发。 2动量理论：离子撞击在靶上把一局部动
9、量传递给靶原子，如果原子的获得的动能大于升华热，则它就脱离点阵而射出。2、溅射阈和溅射率溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系，但在周期中随着原子序数增加而减小。溅射阈为10-30evV，4倍升华热。下面是一些金属的溅射阈。表2-5 一些金属的溅射阈金属Ne+Ar+Ke+*e+升华热电子伏/分子. z.-BeAlTiVCrFeCoNiCuGeZrNbMoRhPdAgTaWRePtAuThU12132221222220231723232724252012253535272020201513202322202521172522252424201526333525202423151517251825
10、222516221826282520153030252220252515181828202322201518253227251517303030221825224.053.604.383.516.322.958.098.763.80溅射率又称溅射产额表示正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。溅射率与入射粒子的类型离化气体，能量，角度；靶材的类型，晶格构造，外表状态；升华热，单晶材料外表晶向有关。晶格聚集最密的方向上溅射率最高。E：入射粒子能量，E0：升华热ev，mI：入射粒子质量，mA：靶材原子的质量，r：mA/mI函数。表2-6 不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率. z.
11、-靶电压 keVLiFCdSGaAsPbTeSiCSiO2Al2O30.20.50.40.60.61.20.91.40.4510.130.0421.30.40.1151.83、溅射粒子的速度和能量He+：速度V 4105cm/s靶材：铜平均能量：E 1mv2 4.5eV2Ar：V 36105cm/sE 3040eV轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV。4、溅射速率和淀积速率1溅射速率：RS max NSM / NAN：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率，M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。P P12扩散速率：RDDM2RTdD：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温
12、度，P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。3淀积速率：Rd1P1M2RT11：基板外表凝结系数，T1：基板温度。磁控溅射：平面，圆柱型，S枪。二反响溅射应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：一种是前面所述的高频溅射；另一种是反响溅射，特别是磁控反响溅射。例如在 O2气氛中产生反响而获得氧化物，在N2或NH3中获得氮化物，在 O2+N2混合气体中得到氮氧化物，在 C2H2或CH4中得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等。. z.-反响物之间产生反响的必要条件是，反响物分子必须有足够高的能量以抑制分子间的势垒。势垒与能量关系为：Ea=NAEa为反响活化能，NA为阿佛伽德罗常
13、数。根据过渡态模型理论，两种反响物的分子进展反响时，首先经过过渡态一活化络合物，然后再生成反响物，如图2-2所示。图中：Ea和Ea分别为正、逆向反响活化能； *为反响物初态能量；W为终态能量；T为活化络合物能量；E是反响物与生成物能量之差。由图可见，反响物要进展反响，必须有足够高的能量去抑制反响活化能。如前所述，热蒸发粒子的平均能量只有0.10.2eV，而 溅射粒 子可达1020eV，比热蒸发高出二个数量级。参照图2-4，溅射和热蒸发粒子的能量分布示于图2-3。其中能量大于反响活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为：A exp Ea/kT5由于平均能量E 2kT，因此溅射分子或原子的能量大于Ea
14、的分数3 3EaAs exp 2Es 3EaAs exp 2Ee67同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数式中Es和Ee分别为溅射和蒸发粒子的平均动能。由图 2-3可以看出，能量EEa的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数：假设只有能量大于 Ea的粒子能参与反响，则，溅射粒子的反响度必然远远大于蒸发粒子。举例来说，Ti和Zn与氧反响，反响方程式是假设两种反响物处在同一能量状态，则 Ti和O2的反响活化能Ea大约分别为0.2eV和0.17eV，但常温基板外表的氧分子完全处于钝化态可能有百分之几的离子氧，因此，膜料粒子最小的反响能阈值至少增加一倍，即 Ti、Zn与O2反响至少要有0.4和0.34eV
15、的能量。设溅射原子的平均动能为 15eV，由式(2-1)和(2-2)，则大约有98%的溅射Ti原子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只有10%和0.5%左右。参加反响的高能粒子越多，反响速度越快。反响速度与活化能Ea的关系为C exp Ea/ RT2-3式中：是反响速度常数； R是气体常数；C是有效碰撞的频率因子。假设. z.-用平均动能E代替温度T，则式2-3可改写成EsEe，故溅射的反响速度要比热蒸发快得多。三离子镀：1963年马托克Matto*首先使用。真空热蒸发与溅射相结合一种新工艺。1、直流法离子镀A、薄膜材料电阻加热 蒸发B、蒸发源与基板间加一直流电场ArC、抽真
16、空10-3-10-5Pa充 1Pa辉光放电加电场4KV基板升温300CD、优点：Ar 蒸发材料暂时电离高能到达基板1-100eV一面溅射一边淀积沉积成膜1膜层附着力强。因溅射清洗衬底外表，产生高温；使附着力差的分子解脱；促进外表扩散。2膜层致密。抑制阴影效应。3沉积速率快，Ma*=50m/min。4膜厚均匀性好。基板前、后外表均能沉积薄膜。图 2-9 直流法离子镀装置示意图2、高频法离子镀在玻璃和塑料绝缘体上制备介质膜。图 2-10 高频法离子镀装置示意图在直流法的基板和蒸发源之间装上一个高频线圈，f=13.56MHz ，Pw=1kw，产生高频振荡场。基板500-1000V负高压。因高频电场电
17、子运动路径增加离化率提高。较高真空度10-110-2Pa，较低放电电压1Pa 3KV能维持放电，离化率有所提高。3、聚团离子束法。带有小孔的坩埚使蒸发材料加热，由于坩埚内部压力较高，蒸集成团从小孔喷出，在另一离化室发生离化，向基板加速。后面两种离子镀，在较高的真空度下成膜，基板温度低，但装置复杂，价格贵一些。离子镀的主要用途：1在高硬度机械刀具上沉积耐磨、高硬度的膜。. z.-2沉积耐磨的固体润滑膜。3金属、塑料制品上沉积一层耐久的装饰膜。下面是一个低压反响离子镀膜机：BALZERS，BAP800镀膜机的真空室简图：图 2-11聚团离子束沉积装置示意图低压：5060V，大电流5060A放电区：
18、等离子源与绝缘的电子枪坩埚阳极之间。基板夹具510V对地，5565V对坩埚，热蒸发：MetalM+，氧化物：MO+四总结：PVD1、热蒸发A、电阻加热蒸发B、电子束加热蒸发C、激光蒸发D、反响蒸发1饱和蒸汽压2蒸发粒子的速度和能量105cm/s，0.10.2eV1.610-203.210-20J3蒸发速率和沉积速率2、溅射A、直流溅射，却二极溅射，阴极溅射，B、三极溅射C、高频溅射D、磁控溅射1溅射的根本原理，动量理论2溅射阈和溅射率cos定律3溅射粒子的速度和能量4溅射速率和淀积速率3、离子镀热蒸发+溅射1直流法. z.-2高频法3聚团离子束法1膜层附着力强2膜层密度高3膜层均匀4膜层淀积速率快. z.优点：
