真空鍍膜技術(shù)與離子鍍膜

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1、第 二 章 薄 膜 制 備 技 術(shù) 2.4 迪 通 恒 業(yè) 科 技 開 發(fā) 的 外 延 制 膜 技 術(shù)2.3 富 森 鈦 金 設(shè) 備 開 發(fā) 的 溶 液 鍍 膜 技 術(shù)2.2 薄 膜 的 化 學(xué) 氣 相 沉 積2.1 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.1 引 言v 薄 膜 生 長 方 法 是 獲 得 薄 膜 的 關(guān) 鍵 。 薄 膜 材 料 的 質(zhì) 量 和 性 能 不 僅 依 賴 于薄 膜 材 料 的 化 學(xué) 組 成 ， 而 且 與 薄 膜 材 料 的 制 備 技 術(shù) 具 有 一 定 的 關(guān) 系 。v 隨 著 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和

2、 各 學(xué) 科 之 間 的 相 互 交 叉 , 相 繼 出 現(xiàn) 了 一 些 新 的薄 膜 制 備 技 術(shù) 。 這 些 薄 膜 制 備 方 法 的 出 現(xiàn) , 不 僅 使 薄 膜 的 質(zhì) 量 在 很 大程 度 上 得 以 改 善 , 而 且 為 發(fā) 展 一 些 新 型 的 薄 膜 材 料 提 供 了 必 要 的 制 備 技 術(shù) 。 第 二 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.1 引 言薄 膜 的 制 備 方 法 可 分 為 ： 1、 氣 相 法 PVD： Physical Vapor Deposition， 不 伴 隨 化 學(xué) 反 應(yīng) 發(fā) 生 CVD： Chemical Vapor De

3、position， 發(fā) 生 化 學(xué) 反 應(yīng) 2、 非 氣 相 法 （ 主 要 是 液 相 ） 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.1 引 言 真 空 蒸 發(fā)濺 射 沉 積離 子 鍍物 理 氣 相 沉 積 （ PVD） 化 學(xué) 氣 相 沉 積 （ CVD）氣 相 沉 積 電 阻 加 熱 、 弧 光 放 電 加熱 、 感 應(yīng) 加 熱 、 電 子 束 加熱 、 激 光 加 熱 化 學(xué) 反 應(yīng) 法 熱 分 解 法 直 流 濺 射 、 射 頻 濺 射 、 磁控 濺 射 、 離 子 束 濺 射直 流 二 極 型 離 子 鍍 、 射 頻放 電 離 子 鍍 、 等 離 子 體 離子 鍍氫 還

4、 原 法 、 鹵 素 輸 運(yùn) 法含 氫 化 合 物 分 解 法 、 有 機(jī)金 屬 熱 分 解 法分 子 束 外 延固 相 外 延離 子 外 延 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.1 引 言非 氣 相 沉 積 氧 化 法離 子 注 入 法擴(kuò) 散 法電 化 學(xué) 法涂 覆 法 液 相 生 長 法Sol-gel 法 高 溫 氧 化 、 低 溫 氧 化 、 陽 極 氧 化 氣 相 擴(kuò) 散 、 固 相 擴(kuò) 散 電 解 電 鍍 、 非 電 解 電 鍍 溶 液 輸 運(yùn) 法 、 溶 液 溫 度 減 少 法 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法物 理 氣 相 沉

5、積(Physical Vapor Deposition， PVD) 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(shí) 現(xiàn) 物 質(zhì) 原 子 從 源 物 質(zhì) 到 薄 膜 的 可 控轉(zhuǎn) 移 的 過 程 。 塊 狀 材 料 (靶 材 )薄 膜 物 質(zhì) 輸 運(yùn)能 量 輸 運(yùn)能 量 襯 底 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法 方 法 的 核 心 點(diǎn) ： 薄 膜 材 料 通 過 物 理 方 法 產(chǎn) 生 并 輸 運(yùn) 到 基 體 表 面 的 鍍 膜方 法 ； 通 常 是 固 體 或

6、 熔 融 源 ； 一 般 來 說 ， 在 氣 相 或 襯 底 表 面 沒 有 化 學(xué) 反 應(yīng) ； 需 要 相 對 較 低 的 氣 體 壓 力 環(huán) 境 ： a)其 他 氣 體 分 子 對 于 氣 相 分 子 的 散 射 作 用 較 小 ； b)氣 相 分 子 的 運(yùn) 動 路 徑 近 似 為 一 條 直 線 ； c)氣 相 分 子 在 襯 底 上 的 沉 積 幾 率 接 近 100%。 代 表 性 技 術(shù) ： 蒸 發(fā) 鍍 膜 、 濺 射 鍍 膜 ； 技 術(shù) 特 點(diǎn) ： 真 空 度 高 、 沉 積 溫 度 低 、 設(shè) 備 相 對 比 較 簡 單 。 薄 膜 質(zhì) 量 可控 度 小 、 表 面 容 易

7、不 均 勻 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 要 點(diǎn) ： 真 空 蒸 發(fā) 原 理 蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 蒸 發(fā) 源 的 類 型 合 金 及 化 合 物 的 蒸 發(fā) 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 (簡 稱 真 空蒸 鍍 )是 在 真 空 室 中 ， 加 熱 蒸 發(fā)容 器 中 待 形 成 薄 膜 的 原 材 料 ，使 其 原 子 或 分 子 從 表 面 氣 化 逸出 ， 形 成 蒸 氣 流 ， 入 射 到 基 片表 面 ， 凝 結(jié) 形 成 固 態(tài) 薄 膜 的 方 法 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物

8、理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法 加 熱 絲 加 熱 舟 坩 堝 盒 狀 源 （ Knudsen Cell） 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法(1)優(yōu) 點(diǎn) ： 成 膜 速 度 快 ： 0.150m/min， 設(shè) 備 比 較 簡 單 ， 操 作 容 易 ； 制 得 薄 膜 純 度 高 ； 用 掩 模 可 以 獲 得 清 晰 的 圖 形 ； 薄 膜 生 長 機(jī) 理 較 單 純 。 (2)缺 點(diǎn) ： 薄 膜 附 著 力 較 小

9、 ； 結(jié) 晶 不 夠 完 善 ； 工 藝 重 復(fù) 性 不 夠 好 ； 膜 厚 不 易 控 制 ； 薄 膜 質(zhì) 量 不 是 很 好 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法基 本 過 程 ：（ 1） 加 熱 蒸 發(fā) 過 程 ， 凝 聚 相 氣 相 該 階 段 的 主 要 作 用 因 素 ： 飽 和 蒸 氣 壓（ 2） 輸 運(yùn) 過 程 ， 氣 化 原 子 或 分 子 在 蒸 發(fā) 源 與 基 片 之 間 的 輸 運(yùn) 該 階 段 的 主 要 作 用 因 素 ： 分 子 的 平 均 自 由 程 （ 工 作 氣 壓 ） ， 源 基 距（ 3）

10、 基 片 表 面 的 淀 積 過 程 ， 氣 相 固 相 凝 聚 成 核 核 生 長 連 續(xù) 薄 膜 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法氣 體 與 蒸 氣 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 對 于 每 一 種 氣 體 都 有 一 個 特 定 的 溫 度 ， 高 于 此 溫 度 時 ， 氣 體 不 能 通過 等 溫 壓 縮 而 液 化 ， 這 個 溫 度 稱 為 該 氣 體 的 臨 界 溫 度 。 溫 度 高 于 臨 界 溫 度 的 氣 態(tài) 物 質(zhì) 稱 為 氣 體

11、 ， 低 于 臨 界 溫 度 的 氣 態(tài) 物 質(zhì)稱 為 蒸 氣 。 注 意 ： 蒸 氣 不 是 理 想 氣 體 ！ 只 有 在 很 低 氣 壓 下 ， 近 似 符 合 理 想 氣 體方 程 。氣 體 與 蒸 氣 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 臨 界 溫 度不 是 沸 點(diǎn) ！ 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 在 一 定 溫 度 下 ， 氣 、 固 或 氣 、 液 兩 相 平 衡 時 ， 蒸 氣 的 壓 力 稱 為該 物 質(zhì) 的 飽 和 蒸 氣 壓 。 飽

12、和 蒸 氣 壓 (Saturation vapor pressure )： 注 意 ： 取 決 于 液 體 (或 固 體 )本 性 和 溫 度 ， 與 液 體 (或 固 體 )存 在 的 量 無 關(guān) 。 飽 和 蒸 氣 壓 一 定 溫 度 下 ， 蒸 發(fā) (或 升 華 )出 來 的 蒸 氣 分 子 的 量標(biāo) 志 著 物 質(zhì) 的 蒸 發(fā) (或 升 華 )能 力 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法飽 和 蒸 氣 壓 ：克 拉 伯 龍 克 勞 修 斯 方 程 ：Pv： 飽 和 蒸 氣 壓 ； vapHm： 溫 度 T時 純 液 體 的

13、 摩 爾 氣 化 熱 ； ln 2RTHdTPd mvapv 假 定 vapHm與 溫 度 無 關(guān) ， 或 因 溫 度 范 圍 較 小 ，vapHm可 以 近 似 作 為 常 數(shù) ， 積 分 上 式 ， 得 ： TBAPCTRHP vmvapv lgln 1 1、 應(yīng) 用 范 圍 ： 蒸 氣 壓 小 于 1Torr；2、 A、 B由 實(shí) 驗(yàn) 確 定3、 合 理 地 選 擇 蒸 發(fā) 材 料 及 確 定 蒸 發(fā) 條 件 。 第 二 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積6.2.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法飽 和 蒸 氣 壓 ： TBAPv lg 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣

14、 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法飽 和 蒸 氣 壓 為 10-2Torr時 的 溫 度 。由 此 ， 蒸 發(fā) 材 料 分 為 兩 種 ： 1） 蒸 發(fā) ： 蒸 發(fā) 溫 度 大 于 熔 點(diǎn) ， 大 多 數(shù) 金 屬 2） 升 華 ： 蒸 發(fā) 溫 度 小 于 熔 點(diǎn) Cr、 Ti、 Mo、 Fe等蒸 發(fā) 溫 度 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.

15、2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 速 率 氣 相 分 子 的 入 射 頻 率 ： 但 并 非 所 有 氣 相 分 子 入 射 到 液 面 時 凝 結(jié)mkTPnVJ a 241 mKTPJ CC 2 C： 冷 凝 系 數(shù)n： 分 子 密 度 ， Va： 平 均 速 度m： 分 子 質(zhì) 量根 據(jù) 分 子 運(yùn) 動 論 ： 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 速 率 若 蒸 發(fā) 進(jìn) 入 動 態(tài) 平 衡 ： 氣 液 與 液 氣 分 子 數(shù) 相 等mkTPPdtAdNJ kvv 2 ）（ N： 蒸 發(fā) 分 子 （

16、原 子 數(shù) ） ， A： 蒸 發(fā) 表 面 積 ， t： 時 間 ，Pv： 飽 和 蒸 氣 壓 ， Pk： 液 體 靜 壓v： 蒸 發(fā) 系 數(shù) Hertz-Knudsen-Langmuir公 式v是 否 等 于 c沒 有 定 論 ， 但 1 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 速 率 最 大 蒸 發(fā) 速 率 ： HKL公 式 中 令 v=1， Pk=0 )1(1064.22 24max TMPmkTPJ vv Pascm ,/ 2 個TMPPkTmJmG vv 4max 1073.42 質(zhì) 量 最 大 蒸 發(fā) 速 率 ： P

17、ascmkg ,/ 2 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 速 率 在 實(shí) 際 蒸 發(fā) 過 程 中 ， 影 響 蒸 發(fā) 速 度 的 因 素 飽 和 蒸 氣 壓 溫 度 蒸 發(fā) 物 質(zhì) 的 分 子 量 表 面 清 潔 度 蒸 發(fā) 源 的 形 狀 等 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 速 率 影 響 蒸 發(fā) 速 度 的 因 素 ： 溫 度 例 如 Al： 溫 度 變 化 1%， 蒸 發(fā) 速 度 變 化 19%TBAPv lg將 公 式 ： 代 入 HKL

18、公 式 中 ， 并 進(jìn) 行 微 分 ， 可 得 到 ：TdTTBGdG )21( 1、 如 需 精 確 控 制 蒸 發(fā) 速 率 ， 就 必 須 精 確 控 制 源 溫 。2、 在 加 熱 過 程 中 應(yīng) 當(dāng) 注 意 避 免 過 大 的 溫 度 梯 度 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法1、 從 薄 膜 純 度 考 慮 ： 單 位 時 間 內(nèi) 通 過 單 位 面 積 的 氣 體 的 分 子 數(shù) ：mkTPnVN ag 241 25 時 ， 10-5 Torr時 ，Ng大 約 為 10151016個 /cm2s，此 時 蒸 發(fā)

19、原 子 與 雜 質(zhì) 原 子 幾 乎 按 1： 1到 達(dá)基 板本 底 真 空 度 的 選 擇 1. 殘 留 氣 體 的 污 染 。2. 蒸 發(fā) 源 物 質(zhì) 的 純 度 ；3. 加 熱 裝 置 、 坩 堝 的 污 染 ； 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 大 氣 的 殘 余 物 （ O2、 N2、 CO2、 H2O） ， 擴(kuò) 散 泵 油 蒸 氣 ， 真 空 室 吸 氣 對 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 質(zhì) 量 有 重 要 影 響 。 在 設(shè) 計 優(yōu) 良 的 系 統(tǒng) 中 ， 真 空 泵 的 回 流 擴(kuò) 散 作 用 不 明 顯 。 當(dāng) P1

20、0-4Pa時 ， 主 要 為 被 解 吸 的 真 空 室 吸 氣 。 水 汽 影 響 很 大 ， 易 與 金 屬 膜 反 應(yīng) ， 或 與 W， Mo等 加 熱 器 材 料 反 應(yīng) ， 生 成 氧 化 物 和 氫 。 殘 留 氣 體 的 影 響 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法2、 從 碰 撞 幾 率 的 角 度 ：本 底 真 空 度 的 選 擇考 慮 蒸 發(fā) 分 子 與 殘 留 氣 體 分 子 之 間 的 碰 撞 問 題 ： N 0個 蒸 發(fā) 分 子 在 飛 行 x距 離 后 ， 未 受 到 殘 留 氣 體 分 子 碰 撞 的

21、 數(shù) 目 ：xx eNN 0則 被 碰 撞 的 分 子 的 百 分 數(shù) ： xx eNNf 11 0 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 Example: 若 要 求 f 0.1, 源 基 距 為 25cm 則 P 3 10-3Pa xef 1 要 有 效 減 少 蒸 發(fā) 分 子 在 渡越 中 的 碰 撞 現(xiàn) 象 ， 應(yīng) 當(dāng) 使 源 基 距 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 在 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 過 程 中

22、 ， 能 否 在 基 板 上 獲 得 均 勻 膜 厚 ， 是 制 膜 的 關(guān) 鍵 問 題 。膜 厚 的 影 響 因 素 A、 蒸 發(fā) 源 的 特 性 ； B、 基 板 與 蒸 發(fā) 源 的 幾 何 形 狀 ， 相 對 位 置 ； C、 蒸 發(fā) 物 質(zhì) 的 蒸 發(fā) 量 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 為 了 對 膜 厚 進(jìn) 行 理 論 計 算 ， 找 到 其 分 布 的 規(guī) 律 ， 作 如 下 假 設(shè) ： 1） 在 蒸 發(fā) 源 附 近 的 蒸 發(fā) 原 子 間 或 分 子 之

23、間 不 發(fā) 生 碰 撞 ； 2） 蒸 發(fā) 原 子 或 分 子 與 殘 余 氣 體 分 子 之 間 不 發(fā) 生 碰 撞 ； 3） 蒸 發(fā) 原 子 到 達(dá) 基 板 上 后 不 發(fā) 生 再 蒸 發(fā) 現(xiàn) 象 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源 蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 特 點(diǎn) ： 向 各 個 方 向 等 量 蒸 發(fā) dmdm 4 cos 221 dSdrdS 22222 coscos xhdSrdSd 22cos44 dSrmdmdm 2dStdm 23223 )(44 xhmhrmht ： 蒸 發(fā) 膜 的 密 度 t

24、： 蒸 發(fā) 膜 的 厚 度 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法一 、 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源 蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 23223 44 )( xhm hrm ht 最 大 厚 度 ： =0時 ： 2320 1 1 hxtt 其 它 情 況 下 ： 20 4 hmt 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法二 、 小 平 面 蒸 發(fā) 源 蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 特 點(diǎn) ： 發(fā) 射 特 性 具 有 方 向 性 在 角 方 向 蒸 發(fā) 的 材 料 質(zhì) 量 與 cos成 正 比 dmdm cos

25、222 22 )(coscos xhm hrmt 20 hmt 最 大 厚 度 ： 正 上 方 ： =0， =0時 ： 220 1 1 hxtt 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 點(diǎn) 源 與 小 平 面 蒸 發(fā) 源 相比 ， 厚 度 的 均 勻 性 要 好一 些但 淀 積 速 率 要 低 得 多 ， 單 位 質(zhì) 量 的 原 料 所 得 膜厚 1/4 2320 1 1 hxtt 20 4 hmt 20 hmt 220 1 1 hxtt 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法 三 、 克

26、 努 曾 蒸 發(fā) 源 蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 2r, l， 分 子 流 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法四 、 細(xì) 長 平 面 蒸 發(fā) 源蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 相 當(dāng) 于 熱 絲 ， 由 許 多 小 平 面 蒸 發(fā) 源 構(gòu) 成由 ds蒸 發(fā) 到 d上 的 質(zhì) 量 dSlmrdm 22cos dSlmdme 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法四 、 細(xì) 長 平 面 蒸 發(fā) 源蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 ddtdm 2)(cos 2222 aSx dS

27、lmhlr dSmdt 由 ： 可 推 導(dǎo) 出 膜 厚 變 化 ：積 分 后 ： 41164)()( )4(2 2221422222 22222 lxa latgallxaxa lxalalmht 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法五 、 環(huán) 狀 蒸 發(fā) 源蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 特 性 及 膜 厚 分 布 蒸 發(fā) 特 性 dS1相 當(dāng) 于 小 平 面 源 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法實(shí) 際 蒸 發(fā) 源 的 發(fā) 射 特 點(diǎn) 1） 點(diǎn) 源 ： 發(fā) 針 形 蒸 發(fā) 源 、 電 子 束 蒸 發(fā) 源2） 小 平 面 蒸 發(fā) 源 ：

28、蒸 發(fā) 舟3） 平 面 蒸 發(fā) 源 ： 坩 堝 、 錐 形 藍(lán) 式 蒸 發(fā) 源4） 柱 狀 蒸 發(fā) 源 ： 蒸 發(fā) 料 潤 濕 的 螺 旋 絲 狀 蒸 發(fā) 源 5） 可 視 為 大 面 積 （ 平 面 或 柱 面 ） 蒸 發(fā) 源 ： 磁 控 靶 源 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 與 基 板 的 相 對 位 置 配 置1. 點(diǎn) 源 蒸 發(fā) 源 放 在 球 心 ， 基 板 放 在 球 面上 ， 可 得 到 均 勻 薄 膜 。2cos4 rmht =0時 ， t為 常 數(shù) ： 蒸 發(fā) 源 、 基 板 放 在 同 一 球 面 上 ，可 得 到 均 勻

29、 薄 膜 。第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 與 基 板 的 相 對 位 置 配 置2.小 平 面 源 2coscos rmt cos2Rr 24 Rmt 可 將 蒸 發(fā) 源 直 接 配 置 于 基 板的 中 心 線 上 ：第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 與 基 板 的 相 對 位 置 配 置3.小 面 積 基 板 的 情 況 DH ).( 511 A、 基 板 公 轉(zhuǎn) 加 自 轉(zhuǎn) 的 “ 行 星 ” 方 式 運(yùn) 動 B、 采 用 多 個 分 離 的 點(diǎn) 源 代 替 單 一 蒸 發(fā) 源第 一 節(jié) 薄 膜

30、的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 與 基 板 的 相 對 位 置 配 置4. 大 面 積 基 板 的 情 況1個 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源 等 間 隔 、 等 蒸 發(fā) 速 率 的 4個 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源 不 等 間 隔 、 等 蒸 發(fā) 速 率的 4個 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源 等 間 隔 、 不 等 蒸 發(fā) 速 率 的4個 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源： 膜 厚 最 大 相 對 偏 差 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法 蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式u 電 阻 加 熱 法u 電 子 束 加 熱 法u 高 頻 感 應(yīng) 加 熱 u 激 光 加 熱 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物

31、理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 蒸 發(fā) 源 材 料 的 要 求 1） 熔 點(diǎn) 要 高 ， 熔 點(diǎn) 要 高 于 被 蒸 發(fā) 物 質(zhì) 的 蒸 發(fā) 溫 度 （ 多 在 10002000 ） ； 2） 飽 和 蒸 氣 壓 低 ， 減 少 蒸 發(fā) 源 材 料 蒸 氣 的 污 染 。 要 求 ： 蒸 發(fā) 材 料 的 蒸 發(fā) 溫 度 低 于 蒸 發(fā) 源 材 料 在 平 衡 蒸 氣 壓 為 10 -8托 時 的 溫 度 。 3） 化 學(xué) 性 能 穩(wěn) 定 ， 不 與 蒸 發(fā) 材 料 發(fā) 生 反 應(yīng) 。 4） 耐 熱 性 好 ， 熱 源 變 化 時 ，

32、功 率 密 度 變 化 較 小 。 5） 經(jīng) 濟(jì) 耐 用 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 加 工 性 能 ： W最 差 ， 室 溫 很 脆 ， 需 400 高 溫 退 火 ， Mo好 ， Ta最 好 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 金 屬 蒸 發(fā) 源 與 鍍 料 的 反 應(yīng) 鉭 與 金 ； 鋁 、 鐵 、 鎳 、 鈷 等 與 鎢 、 鉬 、 鉭改 進(jìn) 方 法 ： 陶 瓷 坩 堝 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 一 理 氣

33、 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 鍍 料 與 蒸 發(fā) 源 的 浸 潤 性浸 潤 時 ， 為 面 蒸 發(fā) 源不 浸 潤 時 ， 為 點(diǎn) 蒸 發(fā) 源 ，若 用 絲 式 蒸 發(fā) 源 時 鍍 料 應(yīng) 浸 潤 ， 若 不 浸 潤 易 脫 落 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 各 種 形 狀 的 電 阻 蒸 發(fā) 源 1） 絲 式ua)、 b)要 求 浸 潤 性 ， 鍍 料 為 絲 狀 。 但 浸 潤 好 意 味 著 有 輕 微 合 金 化 ， 只 能 用 一 次 。

34、 uc)不 要 求 浸 潤 性 ， 鍍 料 可 絲 狀 、 塊 狀 易 升 華 材 料 (Cr)、 不 潤 濕 材 料 (Ag、 Cu)u蒸 發(fā) 加 熱 絲 的 直 徑 ： 0.5-1mm， 特 殊 1.5mm,多 股 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 各 種 形 狀 的 電 阻 蒸 發(fā) 源 2） 蒸 發(fā) 舟u用 金 屬 箔 制 成 ， 箔 厚 0.05-0.15mm， 可 蒸 發(fā) 塊 狀 、 絲 狀 、 粉 狀 鍍 料 u注 意 避 免 局 部 過 熱 ， 發(fā) 生 飛 濺 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣

35、 相 沉 積2.2.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式1.電 阻 蒸 發(fā) 源 各 種 形 狀 的 電 阻 蒸 發(fā) 源 3） 外 熱 坩 堝 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電 子 束 蒸 發(fā) 源電 阻 蒸 發(fā) 源 的 缺 點(diǎn) ： 1） 不 能 蒸 發(fā) 某 些 難 熔 金 屬 和 氧 化 物 2） 不 能 制 備 高 純 度 薄 膜 將 鍍 料 放 入 水 冷 銅 坩 堝 中 ，利 用 高 能 電 子 束 轟 擊 鍍 料 ， 使其 受 熱 蒸 發(fā) 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸

36、發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電 子 束 蒸 發(fā) 源1） 采 用 聚 焦 電 子 束 ， 功 率 密 度 高 ， 可 蒸 發(fā) 高 熔 點(diǎn) 鍍 料 （ 3000 以 上 ） 如 W， Mo， Ge， SiO 2， Al2O3等 。2） 采 用 水 冷 坩 堝 ， 可 避 免 坩 堝 材 料 的 蒸 發(fā) ， 及 坩 堝 與 鍍 料 的 反 應(yīng) ， 制 得 高 純 度 薄 膜 。3） 熱 量 直 接 加 在 鍍 料 上 ， 熱 效 率 高 ， 傳 導(dǎo) ， 輻 射 的 熱 損 失 少 。優(yōu) 點(diǎn) ： 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電

37、子 束 蒸 發(fā) 源缺 點(diǎn) ：1） 電 子 槍 發(fā) 出 的 一 次 電 子 和 蒸 發(fā) 材 料 發(fā) 出 的 二 次 電 子 會 使 蒸 發(fā) 原 子 和 殘 留 氣 體 電 離 ， 影 響 膜 層 質(zhì) 量 。 解 決 辦 法 ： 設(shè) 計 和 選 用 不 同 結(jié) 構(gòu) 的 電 子 槍2） 多 數(shù) 化 合 物 在 受 到 電 子 轟 擊 時 會 部 分 分 解 。 3） 設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 昂 貴 。4） 當(dāng) 加 速 電 壓 過 高 時 產(chǎn) 生 軟 X射 線 會 對 人 體 有 傷 害 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電 子

38、 束 蒸 發(fā) 源電 子 束 蒸 發(fā) 源 的 結(jié) 構(gòu) ： A、 環(huán) 形 槍 ： 環(huán) 狀 陰 極 發(fā) 射 電 子 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單缺 點(diǎn) ：1、 陰 極 與 坩 堝 近 導(dǎo) 致 ： 陰 極 材 料 的 蒸 發(fā) 污 染 ； 陰 極 與 坩 堝 加 有 高 壓 ， 閃 火 、輝 光 放 電 ， 并 隨 蒸 氣 壓 力 和 電 壓 增 加 而 增 加 ， 功 率 、 效 率 上 不 去 。2、 功 率 和 效 率 都 不 高 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電 子 束 蒸 發(fā) 源電 子 束 蒸 發(fā) 源 的 結(jié) 構(gòu) ： 缺 點(diǎn) ：是 體

39、 積 大 ， 成 本 高 ， 蒸 鍍 材 料 會 污 染 槍體 ， 燈 絲 逸 出 的 Na+離 子 污 染 膜 層 。 軸 對 稱 的 直 線 加 速 電 子槍 ， 陰 極 發(fā) 射 電 子 ， 陽 極 加 速B、 直 槍 (皮 爾 斯 槍 ) 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電 子 束 蒸 發(fā) 源電 子 束 蒸 發(fā) 源 的 結(jié) 構(gòu) ： C、 e型 槍 偏 轉(zhuǎn) 270偏 轉(zhuǎn) 180 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式2.電 子 束 蒸 發(fā) 源e型 槍 的 優(yōu) 點(diǎn) ：

40、1） 電 子 束 偏 轉(zhuǎn) 180 以 上 ， 多 為 270 ， 避 免 了 鍍 膜 材 料 對 槍 體 的 污 染 ， 并 給 鍍 膜 留 出 了 更 大 的 空 間 。2） 收 集 極 使 正 離 子 對 膜 的 影 響 減 少 。 3） 吸 收 極 使 二 次 電 子 對 基 板 的 轟 擊 減 少 。4） 內(nèi) 藏 式 陰 極 結(jié) 構(gòu) 防 止 極 間 放 電 ， 又 避 免 了 燈 絲 污 染 。5） 可 通 過 調(diào) 節(jié) 磁 場 改 變 電 子 束 的 轟 擊 位 置 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式3. 高 頻 感 應(yīng)

41、 蒸 發(fā) 源 原 理 ： 將 鍍 料 放 在 坩 堝 中 ， 坩堝 放 在 高 頻 螺 旋 線 圈 的 中 央 ，使 鍍 料 在 高 頻 電 磁 場 的 感 應(yīng) 下產(chǎn) 生 渦 流 損 失 和 磁 滯 損 失 （ 對 鐵 磁 體 ） 而 升 溫 蒸 發(fā) 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式3. 高 頻 感 應(yīng) 蒸 發(fā) 源 特 點(diǎn) ：1） 蒸 發(fā) 速 率 大 ， 可 比 電 阻 蒸 發(fā) 源 大 10倍 左 右 。2） 蒸 發(fā) 源 的 溫 度 均 勻 穩(wěn) 定 ， 不 易 產(chǎn) 生 飛 濺 現(xiàn) 象 。3） 鍍 料 是 金 屬 時 可 自 身

42、 產(chǎn) 生 熱 量 。 缺 點(diǎn) ：1） 蒸 發(fā) 裝 置 必 須 屏 蔽 ， 否 則 會 對 廣 播 通 訊 產(chǎn) 生 影 響 。2） 線 圈 附 近 壓 強(qiáng) 超 過 10-2Pa時 ， 高 頻 電 場 會 使 殘 余 氣 體 電 離 。3） 高 頻 發(fā) 生 器 昂 貴 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式4. 激 光 蒸 發(fā) 源 利 用 高 能 激 光 作 為 熱 源 來 蒸鍍 薄 膜 的 方 法 。優(yōu) 點(diǎn) ： 1） 加 熱 溫 度 高 ， 可 蒸 發(fā) 任 何 吸 收 激 光 的 材 料 （ 如 石 墨 ， 熔 點(diǎn) 為 3500 ）

43、。 2） 采 用 非 接 觸 式 加 熱 ， 避 免 了 蒸 發(fā) 源 的 污 染 ， 非 常 適 宜 于 制 備 高 純 薄 膜 。 3） 蒸 發(fā) 速 率 可 極 高 （ 如 Si可 得 到 106/s） 。 4） 方 便 于 多 源 順 序 蒸 發(fā) 或 多 源 共 蒸 發(fā) 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式4. 激 光 蒸 發(fā) 源 材 料 波 長 脈 沖 寬 度 脈 沖 頻 率 功 率連 續(xù) 激 光 器 CO 2 10.6m 100W脈 沖 激 光 器 紅 寶 石 6943 30ns 0.2Hz 104W/cm2YAG 1.0

44、6m 200ns 10002000Hz 105106Nd玻 璃 可 調(diào) 0.4ms 0.1Hz 105W/cm2準(zhǔn) 分 子激 光 器 XeF 351nm XeCl 308nm 2030ns 120Hz 0.11JKrF 248nm 2530ns 5Hz 650mJArF 193nm 10Hz 34J 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式4. 激 光 蒸 發(fā) 源 特 點(diǎn) ： 閃 爍 蒸 發(fā) ， 有 利 于 控 制化 學(xué) 成 分 和 防 止 分 解 ； 又 由 于材 料 氣 化 時 間 短 ， 不 足 以 使 周圍 材 料 達(dá) 到 蒸 發(fā)

45、 溫 度 ， 所 以 不 易 出 現(xiàn) 分 餾 現(xiàn) 象 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式脈 沖 激 光 燒 蝕 ( Pulsed Laser Ablation, PLA Pulsed Laser Deposition, PLD)原 理 ： 將 準(zhǔn) 分 子 激 光 器 所 產(chǎn) 生 的高 強(qiáng) 度 脈 沖 激 光 束 聚 焦 于 靶 材表 面 ， 使 之 產(chǎn) 生 高 溫 并 熔 蝕 ， 并 進(jìn) 一 步 產(chǎn) 生 高 溫 高 壓 等 離 子體 ， 等 離 子 體 作 定 向 局 域 膨 脹發(fā) 射 并 在 襯 底 上 淀 積 形 成 薄 膜

46、 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式PLD成 膜 過 程1. 激 光 表 面 熔 蝕 及 等 離 子 體 產(chǎn) 生2. 等 離 子 體 的 定 向 局 域 等 溫 絕 熱 膨 脹 發(fā) 射3. 在 基 板 上 沉 積 形 成 薄 膜 激 光 脈 沖 期 間 靶 表 面 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 A： 固 態(tài) 靶B： 熔 化 的 液 態(tài) 層C： 氣 態(tài) 和 等 離 子 層D： 膨 脹 后 的 等 離 子 體 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式PLD 的 主 要 特 點(diǎn)1. P

47、LD法 可 以 生 長 和 靶 材 成 份 一 致 的 多 元 化 合 物 薄 膜 ， 甚 至 是 含 有 易 揮 發(fā) 元 素的 多 元 化 合 物 薄 膜 。 主 要 原 因 ：A、 由 于 采 用 閃 爍 蒸 發(fā) ， 脈 沖 作 用 時 間 短 ， 表 面 熔 蝕 區(qū) 只 有 1 10m， 而 靶 的 其他 部 分 （ 包 括 夾 具 、 墊 板 等 ） 處 于 絕 熱 狀 態(tài) ， 不 受 激 光 加 熱 的 影 響 ， 從 而 保證 了 蒸 發(fā) 原 子 與 靶 材 的 一 致 性 。 B、 由 于 等 離 子 體 的 瞬 間 爆 炸 式 發(fā) 射 ， 以 及 等 離 子 體 沿 軸 向 空

48、 間 的 約 束 效 應(yīng) ， 防止 了 在 輸 運(yùn) 過 程 中 可 能 出 現(xiàn) 的 成 份 偏 析 。C、 成 膜 的 的 原 子 、 分 子 和 離 子 具 有 極 快 的 運(yùn) 動 速 度 ， 增 強(qiáng) 了 原 子 間 的 結(jié) 合 力 ，消 除 了 由 于 不 同 種 類 原 子 與 襯 底 之 間 粘 接 系 數(shù) 不 同 所 引 起 的 成 份 偏 離 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式PLD的 主 要 特 點(diǎn)2. 準(zhǔn) 分 子 激 光 波 長 短 ， 其 輻 射 頻 率 位 于 紫 外 波 段 ， 易 于 被 金 屬 、 氧

49、化 物 、 陶瓷 、 玻 璃 、 高 分 子 材 料 和 塑 料 等 多 種 材 料 吸 收 。 用 其 加 熱 可 以 達(dá) 到 極 高 的溫 度 ， 可 蒸 發(fā) 任 何 高 熔 點(diǎn) 材 料 ， 并 且 可 以 獲 得 很 高 的 沉 積 速 率 (1050nm/min)。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式PLD的 主 要 特 點(diǎn)3. 由 于 采 用 等 離 子 體 成 膜 ， 能 量 高 ， 入 射 原 子 在 襯 底 表 面 的 擴(kuò) 散 劇 烈 。 并 且 由于 脈 沖 頻 率 低 ， 使 得 成 膜 原 子 的 擴(kuò) 散 時

50、間 也 足 夠 長 。 因 此 薄 膜 的 附 著 力 好 ，易 于 在 低 溫 下 實(shí) 現(xiàn) 外 延 生 長 ， 特 別 適 合 于 制 作 高 溫 超 導(dǎo) 、 鐵 電 、 壓 電 、 電 光等 功 能 薄 膜 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法蒸 發(fā) 源 的 加 熱 方 式PLD 的 主 要 特 點(diǎn)4. 由 于 等 離 子 體 具 有 極 高 的 前 向 速 度 ， 真 空 室 中 殘 留 氣 體 的 散 射 作 用 相 對 減弱 ， 因 此 PLD往 往 不 要 求 在 高 真 空 下 進(jìn) 行 （ 例 如 ， 制 備 YBa 2Cu3O7-高 溫超 導(dǎo)

51、薄 膜 的 本 底 真 空 通 常 為 10Pa） ， 簡 化 了 設(shè) 備 ， 縮 短 了 生 產(chǎn) 周 期 。PLD的 缺 點(diǎn) ： (1) 薄 膜 表 面 存 在 微 米 -亞 微 米 尺 度 的 顆 粒 物 ； (2) 薄 膜 面 積 較 小 ； (3) 某 些 靶 膜 成 分 不 一 致 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法合 金 的 蒸 發(fā) 問 題主 要 問 題 ： 蒸 發(fā) 材 料 在 氣 化 過 程 中 ， 由 于 各 成 分 的 飽 和 蒸 氣 壓 不 同 ， 使 得 其蒸 發(fā) 速 率 也 不 同 ， 會 發(fā) 生 分 解 和 分 餾 等 問 題 ，

52、從 而 引 起 薄 膜 成 分 的 偏 離 。)/(058.0 2 scmgTMPG AA A )/(058.0 2 scmgTMPG BB B BABA MMPPGG BA =1？ ？ ？ 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法假 設(shè) 合 金 中 各 成 分 的 飽 和 蒸 氣 壓 服 從 拉 烏 爾 定 律 ：A BA AAA Pnn nPXPA BBA BBB Pnn nPXPB BA AA mm mW nA、 nB： 合 金 中 A、 B組 分 的 摩 爾 數(shù)BA BB mm mW BB AABABA Mn MnmmWW AB BABA MW MWnn AB

53、BABABABA MMWWPPMMPPGG BA 在 質(zhì) 量 百 分 含 量 一 定 的 情 況 下 ，蒸 發(fā) 速 率 與 該 組 元 成 正 比 。MP/ 合 金 的 蒸 發(fā) 問 題 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法Example： 1527 時 蒸 發(fā) 鎳 鉻 合 金 （ Ni80%， Cr20%） 。 Pcr=10-1Torr， PNi=10-2Torr 8.20.52 7.5880201010 21 CrNiNiCrNiCrNiCr MMWWPPGG A、 Cr先 蒸 發(fā) 完 ， 薄 膜 組 分 偏 離 合 金 化 學(xué) 計 量 比 ； B、 靠 近 基

54、 片 膜 層 為 富 Cr層 ， 由 于 Cr容 易 氧 化 ， 使 薄 膜 有 良 好 附 著 力 ； C、 膜 層 結(jié) 構(gòu) ： 先 富 Cr， NiCr， 表 面 富 Ni。合 金 的 蒸 發(fā) 問 題 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法對 于 合 金 來 說 ， 拉 烏 爾 定 律 不 嚴(yán) 格 成 立 ， 通 常 需 要 引 入 活 度 系 數(shù) S進(jìn) 行 修 正 ：)/(058.0 2 scmgTMPXSG AAAAA 合 金 的 蒸 發(fā) 問 題 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法 又 稱 “ 閃 蒸 法 ” ， 將 細(xì) 小

55、的 合 金 顆 粒 ，逐 次 送 到 非 常 熾 熱 的 蒸 發(fā) 器 中 ， 使 顆 粒 在瞬 間 完 全 蒸 發(fā) 。 常 用 于 合 金 中 元 素 的 蒸 發(fā) 速 率 相差 很 大 的 場 合 。 關(guān) 鍵 是 選 取 粉 末 料 的 粒 度 ， 蒸發(fā) 溫 度 和 進(jìn) 料 的 速 率 。1. 瞬 時 蒸 發(fā) 法 合 金 的 蒸 發(fā) 問 題 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法 將 合 金 的 每 一 成 分 ， 分 別 裝 入 各 自 的 蒸 發(fā)源 中 ， 然 后 獨(dú) 立 地 控 制 各 蒸 發(fā) 源 的 蒸 發(fā) 速率 ， 以 控 制 薄 膜 的 組 成 。 為

56、了 使 膜 厚 均 勻 ， 通 常 需 要 基 片 旋 轉(zhuǎn) 。2. 雙 源 或 多 源 蒸 發(fā) 法 合 金 的 蒸 發(fā) 問 題 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法化 合 物 的 蒸 發(fā) 問 題化 合 物 的 蒸 發(fā) 方 式 常 見 的 有 三 類 ：（ 1） 已 講 述 過 的 蒸 發(fā) 方 法 ： 電 阻 加 熱 法 、 電 子 束 加 熱 等 ；（ 2） 反 應(yīng) 蒸 發(fā) 法 ；（ 3） 雙 源 或 多 源 蒸 發(fā) 法 三 溫 度 法 和 分 子 束 外 延 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法化 合 物 的 蒸 發(fā) 問 題電

57、阻 加 熱 的 缺 點(diǎn) ： A) 化 合 物 的 熔 點(diǎn) 較 高 ， 電 阻 加 熱 溫 度 不 夠 。 B) 許 多 化 合 物 在 高 溫 下 會 分 解 ， 如 Al 2O3， TiO2等 會 失 氧 。 C) 有 些 化 合 物 飽 和 蒸 氣 壓 低 ， 難 于 用 電 阻 蒸 發(fā) 法 。1、 電 阻 加 熱 法 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法化 合 物 的 蒸 發(fā) 問 題 原 理 ： 將 活 性 氣 體 導(dǎo) 入 真 空室 ， 使 之 與 被 蒸 發(fā) 的 金 屬 原子 ， 低 價 化 合 物 分 子 在 基 板表 面 反 應(yīng) ， 形 成 所 需 化

58、 合 物薄 膜 。2、 反 應(yīng) 蒸 發(fā) 法 Al（ 蒸 發(fā) ） +O2（ 活 性 氣 體 ） Al2O3Sn（ 蒸 發(fā) ） +O2（ 活 性 氣 體 ） SnO2Si（ 蒸 發(fā) ） +C2H2（ 活 性 氣 體 ） SiC 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法化 合 物 的 蒸 發(fā) 問 題2、 反 應(yīng) 蒸 發(fā) 法反 應(yīng) 的 位 置 ： A） 蒸 發(fā) 源 表 面 ， 會 降 低 蒸 發(fā) 速 率 ， 盡 量 避 免 。 B） 源 與 基 片 之 間 ， 由 于 氣 壓 為 10 -2Pa， =50cm， 反 應(yīng) 的 幾 率 很 小 。 C） 基 片 表 面 ， 氣 體

59、 的 吸 附 時 間 比 空 間 中 氣 體 原 子 與 蒸 發(fā) 原 子 碰 撞 的 馳 豫 時 間 長 得 多 。 在 安 裝 上 將 氣 體 直 接 噴 到 基 片 表 面 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法化 合 物 的 蒸 發(fā) 問 題3、 特 殊 的 蒸 發(fā) 法 在 高 真 空 下 ， 將 鍍 料 做 成 兩 個 棒 狀 電極 ， 通 電 使 其 發(fā) 生 電 弧 放 電 ， 使 接 觸 部 分達(dá) 到 高 溫 而 蒸 發(fā) 。電 弧 蒸 發(fā) 法 優(yōu) 點(diǎn) ： 可 蒸 發(fā) 高 熔 點(diǎn) 材 料 ， 克 服 了電 阻 加 熱 可 能 存 在 的 污 染 及 反

60、應(yīng) ，又 比 電 子 束 蒸 發(fā) 便 宜 。 不 足 ： 適 用 于 導(dǎo) 電 材 料 ， 蒸 發(fā) 速 率難 以 控 制 ， 放 電 時 飛 濺 的 電 極 材 料微 粒 會 對 膜 層 有 影 響 。 第 一 節(jié) 薄 膜 的 物 理 氣 相 沉 積2.1.2 PVD法化 合 物 的 蒸 發(fā) 問 題3、 特 殊 的 蒸 發(fā) 法熱 壁 法1） 蒸 發(fā) 在 石 英 管 中 進(jìn) 行 ， 通 常 石英 管 溫 度 比 基 片 高 ， 使 蒸 發(fā) 原 子 、分 子 通 過 石 英 管 被 導(dǎo) 向 基 板 ， 生 成 薄 膜 。2） 是 個 熱 平 衡 過 程 ， 可 制 備 外 延薄 膜 ， 但 可 控 性 、 重 復(fù) 性 差 。