薄膜沉積的物理方法簡介.ppt

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1、引言-薄膜沉積的物理方法簡介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(xué)反應(yīng)）！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！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(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，所發(fā)射的氣相蒸發(fā)物質(zhì)在具有適當(dāng)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

2、，以直線運(yùn)動）如果真空室壓力過高，會出現(xiàn)什么情況？a)氣化原子或分子在飛行過程中被空氣分子頻繁碰撞，難以形成均勻的薄膜b)污染薄膜（轟擊基片并吸附）c)蒸發(fā)源被氧化；蒸發(fā)原子或分子被氧化基片距離(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）使得蒸發(fā)分子幾乎不發(fā)生碰撞就到達(dá)襯底表面。2真空蒸發(fā)沉積2.1真空蒸發(fā)沉積的概念及物理學(xué)基礎(chǔ)2、怎樣實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)條件？?升溫：?T?Pe???真空：系統(tǒng)總壓P??目標(biāo)物質(zhì)分壓Ph也隨之??充入其它氣體：P=∑Ph?總壓不變、目標(biāo)物質(zhì)分壓Ph?三、蒸發(fā)條件：實(shí)際分壓Ph<平衡蒸汽壓PeT/℃Pe/T

3、orr2真空蒸發(fā)沉積2真空蒸發(fā)沉積根據(jù)物質(zhì)的蒸發(fā)特性，物質(zhì)的蒸發(fā)模式可被劃分為兩種類型：1、將物質(zhì)加熱到其熔點(diǎn)以上（固-液-氣）例如：多數(shù)金屬2、利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積。（固-氣）例如：Cr，Ti，Mo，F(xiàn)e，Si等T>0.1Pa)?升華四.元素的蒸發(fā)2真空蒸發(fā)沉積六.化合物及合金的蒸發(fā)化合物的蒸發(fā)1.化合物蒸發(fā)中存在的問題：蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分；（蒸氣組分變化）在氣相狀態(tài)下，還可能發(fā)生化合物各組元間的化合與分解過程。后果是沉積后的薄膜成分可能偏離化合物正確的化學(xué)組成。2.化合物

4、蒸發(fā)過程中可能發(fā)生的各種物理化學(xué)變化2真空蒸發(fā)沉積六.化合物及合金的蒸發(fā)合金的蒸發(fā)1.合金蒸發(fā)與化合物蒸發(fā)的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：也會發(fā)生成分偏差。區(qū)別：合金中原子間的結(jié)合力小于在化合物中不同原子間的結(jié)合力，因而合金中各元素原子的蒸發(fā)過程實(shí)際上可以被看做是各自相互獨(dú)立的過程，就像它們在純元素蒸發(fā)時的情況一樣。2真空蒸發(fā)沉積七.陰影效應(yīng)定義：當(dāng)蒸發(fā)源與襯底之間存在某種障礙物的時候，物質(zhì)的沉積將會產(chǎn)生陰影效應(yīng)，即蒸發(fā)出來的物質(zhì)將被障礙物阻擋而不能沉積在襯底上。缺點(diǎn)：陰影效應(yīng)可能破壞薄膜沉積的均勻性；薄膜的沉積將會受到蒸發(fā)源方向性的限制，造成有些部位沒有物質(zhì)沉積。

5、優(yōu)點(diǎn)：可以在蒸發(fā)沉積的時候，有目的地使用一些特定形狀的掩膜(Mask)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的選擇性沉積。2真空蒸發(fā)沉積2.2蒸發(fā)沉積薄膜的純度1、影響薄膜純度的因素：1）蒸發(fā)源的純度；（使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源）2）加熱裝置、坩堝可能造成的污染；（改善實(shí)驗(yàn)裝置）3）真空系統(tǒng)中的殘留氣體。（改善真空條件）結(jié)論：同一沉積速率，真空度越高，雜質(zhì)含量越低；同一真空度，沉積速率越大，雜質(zhì)含量越低。殘余氣體對蒸發(fā)薄膜的污染3.制備高純的薄膜材料要求：1）改善沉積的真空條件2）提高物質(zhì)的蒸發(fā)以及薄膜的沉積速度一、概述：1、基本系統(tǒng)構(gòu)成：2、蒸發(fā)源(蒸發(fā)加熱裝置)的作用：2薄

6、膜沉積的物理方法2.3蒸發(fā)沉積裝置3、蒸發(fā)設(shè)備及方法的主要分類：2薄膜沉積的物理方法2.3蒸發(fā)沉積裝置蒸發(fā)裝置蒸發(fā)材料的加熱方法一、電阻式蒸發(fā)裝置:電阻熱二、電子束蒸發(fā)裝置：電子束轟擊三、電弧蒸發(fā)裝置：電弧四、激光蒸發(fā)裝置：激光二、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：對電阻材料的要求?高熔點(diǎn)且在高溫下具有較低的蒸氣壓?不與被蒸發(fā)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?無放氣現(xiàn)象和其他污染?具有合適的電阻率可做成絲、箔片、筐、碗等形狀，常采用金屬W、Mo等高Tm、低Pe材料。2.3

7、蒸發(fā)沉積裝置支撐加熱材料(蒸發(fā)舟)電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置二、電阻加熱蒸發(fā)：2、應(yīng)用：是制備單質(zhì)金屬、氧化物、介電材料和半導(dǎo)體化合物薄膜最常用的蒸發(fā)方法。3、存在的主要問題：支撐材料與蒸發(fā)物之間可能會發(fā)生反應(yīng)；造成污染?一般工作溫度在1500~1900℃，難以實(shí)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。2.3蒸發(fā)沉積裝置三、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(shí)現(xiàn)對源材料的轟擊，電子的動

8、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(diǎn)而引入：2、應(yīng)用