第九章 气相沉积技术

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1、气相沉积技术是 用气相材料，或使材料气化后，沉积在固体表面形成薄膜形成薄膜，从而使固体获得特殊表面性能的技术1. 薄膜材料的概念薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料材料) )的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。 简而言之，简而言之，薄膜薄膜是由离子、原子或分子的是由离子、原子或分子的沉积过沉积过程程形成的形成的二维材料二维材料。薄膜材料的特点薄膜材料的特点 厚度 至

2、微米， 二维， 基底支撑 与块体材料不同的结构和性能 （非 箔） 形成方式2. 薄膜材料分类薄膜材料分类 （2 2）晶体结构）晶体结构单晶，单晶， 多晶，多晶， 非晶。非晶。（1 1）材料种类）材料种类 金属，陶瓷，半导体，高分子。金属，陶瓷，半导体，高分子。（3 3）厚度）厚度纳米薄膜，纳米薄膜， 微米薄膜微米薄膜 。（4 4）组成结构）组成结构单层，单层， 多层多层 。2. 薄膜的制备方法薄膜的制备方法 物理气相沉积：Physical Vapor Deposition （PVD）在真空条件下，用物理的方法，将材料汽化成原子、分在真空条件下，用物理的方法，将材料汽化成原子、分子或使其电离成离

3、子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜。积一层具有某些特殊性能的薄膜。 包括包括 蒸发沉积蒸发沉积( (蒸镀蒸镀) )、溅射沉积溅射沉积( (溅射溅射)和和离子镀离子镀等。等。化学气相沉积：Chemical Vapor Deposition （CVD） 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激光等能源，借助气基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激光等能源，借助气相作用或在基板表面的化学反应（热分解或化学合成）生长要相

4、作用或在基板表面的化学反应（热分解或化学合成）生长要求的薄膜。求的薄膜。 物理气相沉积技术物理气相沉积技术nPVD（Physical Vapor Deposition）l是一种物理气相反应生长方法，沉积过程通常是在是一种物理气相反应生长方法，沉积过程通常是在真空或者低气压条件下进行（可能伴有气体放电），真空或者低气压条件下进行（可能伴有气体放电），即在低温等离子体中进行的，涂层的物质源通常是即在低温等离子体中进行的，涂层的物质源通常是固态物质，经固态物质，经“蒸发蒸发”或者或者“溅射溅射”后在零件表面后在零件表面生成与基材性能完全不同的新的固态物质涂层。生成与基材性能完全不同的新的固态物质涂层

5、。n 基本分类基本分类l蒸发法蒸发法(真空蒸镀真空蒸镀)l溅射法溅射法l离子镀离子镀块状材料块状材料 (靶材靶材)扩散、吸附、凝扩散、吸附、凝结成薄膜结成薄膜物质输运物质输运能量输运能量输运能量能量衬底衬底块状材料块状材料 (靶材靶材)物质输运物质输运能量输运能量输运能量能量扩散、吸附、凝扩散、吸附、凝结成薄膜结成薄膜衬底衬底 原理：将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。主要优点u操作方便，沉积参数易于控制；操作方便，沉积参数易于控制；u制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；u可监测镀膜，对薄膜生长过程和生长机理进行研究；可监测镀膜，

6、对薄膜生长过程和生长机理进行研究；u膜沉积速率快还可以多块同时蒸镀；膜沉积速率快还可以多块同时蒸镀；缺点缺点 沉积温度较高，膜与基片的结合强度不高。沉积温度较高，膜与基片的结合强度不高。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程： 蒸发或升华蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。蒸发或升华，由固态或液态变成气态。输运到衬底输运到衬底。气态原子或

7、分子在真空状态及一定蒸。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。气压条件下由蒸发源输运到衬底。吸附、成核与生长吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。 1. 工艺原理工艺原理装置 真空系统、蒸发系统、基片撑架、挡板、监控系统真空系统、蒸发系统、基片撑架、挡板、监控系统真空蒸发设备主要部分：真空蒸发设备主要部分：1. 真空系统：为蒸发过程提供真空环境真空系统：为蒸发过程提供真空

8、环境2. 蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测 温装置温装置3. 基板及加热系统：该系统是用来放置硅片或其基板及加热系统：该系统是用来放置硅片或其 它衬底，对衬底加热及测温装置它衬底，对衬底加热及测温装置2. 2. 工艺方法工艺方法（1）对于单一成分，常见加热方式有）对于单一成分，常见加热方式有电阻加热、电子束电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。1 1）电阻加热）电阻加热 电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。使用的材料有：使用的材料有：W、Mo、N

9、b、Ta等。等。 加热丝加热丝加热舟加热舟坩埚坩埚盒状源（盒状源（Knudsen Cell） 缺点缺点（1）坩埚、加热元件以及各种支撑部件可能造成污坩埚、加热元件以及各种支撑部件可能造成污染；染；（2）电阻加热的加热功率和加热温度受到限制电阻加热的加热功率和加热温度受到限制（3）不适用于高纯和难熔物质的蒸发）不适用于高纯和难熔物质的蒸发Natural World “Atomic-World”Target/evaporated sourceSubstrate surfaceAtomic rainClustersParticlesDischargeImpurity, ContaminationVa

10、cuumCloudEarth surface - groundNatural rainSnowHailThunder stormDust, PollutionEnvironmental protectionCloudtargetsubstrate原子层的晶体生长原子层的晶体生长“世界世界”与自然世界的比拟与自然世界的比拟3 3、薄膜生长的三种模式：岛状、层状和层状、薄膜生长的三种模式：岛状、层状和层状- -岛状岛状1）岛状生长）岛状生长(Volmer-Weber)模式模式 ： 被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键

11、合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。岛状生长型薄膜生长的四个阶段： a. 成核：在此期间形成许多小的晶核； b. 晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小晶体 的形状； c. 岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络 d. 沟道被填充：在薄膜的生长过