薄膜材料的主要制备方法.pptx

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1、会计学1薄膜材料的主要制备方法薄膜材料的主要制备方法第一页，编辑于星期日：十九点 五十分。本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容3.1 3.1 成膜方法的分类成膜方法的分类3.2 3.2 各种成膜方法的比较各种成膜方法的比较3.3 3.3 物理气相沉积物理气相沉积3.4 3.4 化学气相沉积化学气相沉积第1页/共87页第二页，编辑于星期日：十九点 五十分。成膜方法的分类成膜方法的分类 成膜方法有很多，分类方法也各不一样，这里按干式和湿式对成膜方法的分类。成膜方法有很多，分类方法也各不一样，这里按干式和湿式对成膜方法的分类。在干式中，有以真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气

2、相沉积在干式中，有以真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气相沉积(PVD)(PVD)和化学气相沉积和化学气相沉积(CVD)(CVD)等；在湿式中有电镀、化学镀、阳极氧化、等；在湿式中有电镀、化学镀、阳极氧化、LBLB技术、溶胶凝胶以及厚膜印刷法等。技术、溶胶凝胶以及厚膜印刷法等。第2页/共87页第三页，编辑于星期日：十九点 五十分。各种成膜方法的比较各种成膜方法的比较各种成膜方法的比较各种成膜方法的比较表3.21 薄膜的各种制备方法法方物理的制模法优点缺点主要应用干式法真空蒸镀工艺简便，纯度高，膜厚可控制，通过掩膜易于形成所需要的图形蒸镀化合物时由于热分解现象难以控制组分比，低蒸气压物质难以

3、成膜精制，表面光洁，光学工业，电子工业，化学工业溅射镀膜附着性能好，易于保持化合物，合金的组成比需要溅射靶，靶材需要精制，而且利用率低，不便于采用掩模沉积表面光洁，电子工业，保护膜，钟表眼镜，服饰，官学工业离子镀附着性能好，化合物、合金、非金属均可成膜需要引入气体放电，装置及操作均较复杂，不便于采用掩模沉积机械工业（工模具，刀具），特殊材料，医疗等离子喷涂附着性能好，可制成化合物、合金、非金属膜以及大面积复合膜等噪声大，工作环境差机械工程材料，各种复合膜等等离子喷射高熔点材料膜层，微小触点，细线等耐热材料的微小触点切削（切片机）可维持块体材料的组织结构难以获得大面积试样电子显微镜样品制作压延轧

4、制可获得特定取向的加工组织难以获得极薄的膜层，硬而脆的材料不能成膜电子材料，基板用金属箔，装饰，玩具等第3页/共87页第四页，编辑于星期日：十九点 五十分。法方化学的制模法优点缺点主要应用干式法热分解法装置简单整个反应系统处于高温。膜厚控制困难，难以通过掩模形成所需要的图形化学工业，光学工业，电子工业气相反应法装置简单同上保护膜，表面钝化膜，装饰，耐磨抗蚀吸附反应不需要溶剂，蒸发能量小，杂质混入少膜层的生长速率低，反应气体种类的组合、选择等受到限制化学保护，提高电学性能，提高光学性能，装饰效果，提高与生物体的适应性，赋予传感功能等聚合反应同上。可促进反应的进行化学工业，光学工业，电子工业光聚合

5、反应(CVD)既可进行局部处理，又可进行大面积处理，激发能量小，能量的变化范围小，对膜层的损伤范围小，生成膜中的杂质少，可在低温成膜需要对光源进行选择与下述放电（等离子体）聚合的应用相近，特别是可满足要求更高的局部处理，如精细线的光扫描聚合等放电（等离子体）聚合采用低温等离子体，激发能量的变化范围宽，可以制备各种不同的膜层，应用对象范围宽蒸发模式多样，生成机制复杂适用对象广泛，各种类型的聚合物，桥架反应，保护膜，分离膜，光学膜，电子材料膜，耐磨抗蚀膜等蒸镀聚合蒸发能量小，反应平稳，膜层质量好仅限于适用的对象聚酰亚胺，聚酰胺，聚酰亚酰胺等各种有机聚合物第4页/共87页第五页，编辑于星期日：十九点

6、 五十分。3.33.3物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积 物理气相沉积（物理气相沉积（physical vapor deposition,PVDphysical vapor deposition,PVD）是利用某种物理过程）是利用某种物理过程 物质的热蒸发或在粒子轰击下物质表面原子的溅射，不涉及化学反物质的热蒸发或在粒子轰击下物质表面原子的溅射，不涉及化学反应过程的，实现原子从源物质到薄膜的可控转移的薄膜（及其他材料）应过程的，实现原子从源物质到薄膜的可控转移的薄膜（及其他材料）制备方法。制备方法。物理气相沉积的特点使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质源物质经过物理过程进入

7、气相在气相中及在衬底表面并不发生化学反应使用相对较低的气体压力环境低压PVD环境下：u其他气体分子的散射作用较小，气相分子的运动路径为一直线；u气相分子在衬底上的沉积几率接近100%第5页/共87页第六页，编辑于星期日：十九点 五十分。法方化学的制模法优点缺点主要应用湿式法电镀装置较简单，可形成厚膜需要浸入电解液中，需要采用导电性基板，难以采用掩模电镀，需要考虑环保问题精制，工件表面处理，电子工业，PWB,装饰，表面保护，一般用品等化学镀装置较简单，可形成厚膜需要浸入水溶液中。附着力差，表面需要特殊处理装饰，电子工业，PWB,一般用品等阳极氧化容易控制膜厚不能形成单独的膜层（只能形成表面层）电

8、子工业，保护膜蚀刻可保持块体材料的组织结构需要浸入蚀刻液中表面加工，电子工业，回路制作，PWB,装饰丝网印刷装置和操作都比较简单，可直接印刷图形，生产效率高，在电子封装工程中采用最多膜厚的均匀性略差，图形精度较低，需要热处理电子工业，回路制作，电阻膜，焊料接点，Ag-Pd,Sn-Pb,Ag-Pt,Re,Au等涂敷简便多样（毛刷涂布、浸渍、滴下、摔胶、喷涂、吹附等）难以形成高纯度膜，膜层中有缺陷，需要烧成处理等导体膜，电阻膜，光刻胶膜，显示层溶胶-凝胶由于原料为液体，精制容易，便于获得均质且高纯度的膜层需要烧成处理（高温热处理）玻璃，陶瓷，塑料的覆层，触媒层，光学层，光电子学层，显示层等L-B法

9、由分子层的堆积便于形成三维结构生物材料，生物分子工程，生物电子学第6页/共87页第七页，编辑于星期日：十九点 五十分。真空蒸镀真空蒸镀真空蒸镀真空蒸镀 真空蒸镀即真空蒸发镀膜，这是制作薄膜最一般的方法。这种方法真空蒸镀即真空蒸发镀膜，这是制作薄膜最一般的方法。这种方法是把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到是把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到1010-2-2以下，然后加热镀以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。凝结形成固态薄膜。真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和真空抽

10、气系统两大部分组成。真空镀膜室内装有蒸发源、被蒸镀材料、基片支架及基片等，如图所示。图真空蒸镀原理图1-镀膜室；2-基片（工件）；3-镀料蒸气；4-电阻蒸发源；5-电极；6-电极密封绝缘件；7-推气系统；8-交流电源第7页/共87页第八页，编辑于星期日：十九点 五十分。真空蒸发法的特点真空蒸发法的特点真空蒸发法的特点真空蒸发法的特点 要实现真空蒸镀，必须有要实现真空蒸镀，必须有“热热”的蒸发源、的蒸发源、“冷冷”的基片、周围的真空环的基片、周围的真空环境，三者缺一不可。特别是对真空环境的要求更严格。原因如下：境，三者缺一不可。特别是对真空环境的要求更严格。原因如下：防止在高温下因空气分子和蒸发

11、源发生反应，生成化合物而使蒸发源劣化；防止在高温下因空气分子和蒸发源发生反应，生成化合物而使蒸发源劣化；防止因蒸发物质的分子在镀膜室内与空气分子碰撞而阻碍蒸发分子直接到达基片表面，以及在途中生成化合物或由于蒸发分防止因蒸发物质的分子在镀膜室内与空气分子碰撞而阻碍蒸发分子直接到达基片表面，以及在途中生成化合物或由于蒸发分子间的相互碰撞而在到达基片之前就凝聚等；子间的相互碰撞而在到达基片之前就凝聚等；在基片上形成薄膜的过程中，防止空气分子作为杂质混入膜内或者在薄膜中形成化合物。在基片上形成薄膜的过程中，防止空气分子作为杂质混入膜内或者在薄膜中形成化合物。第8页/共87页第九页，编辑于星期日：十九点

12、 五十分。物质的热蒸发物质的热蒸发物质的热蒸发物质的热蒸发 在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。只有当环境中被蒸发物质的分压降低到了它的平衡蒸汽压以下时，才可只有当环境中被蒸发物质的分压降低到了它的平衡蒸汽压以下时，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为：能有物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为：为0-1之间的系数；pe和ph分别是该物质的平衡蒸汽压和实际分压;NA、M、R、T分别为Avogatro常数、原子质量、气体常数和绝对温度；由于物质的平衡蒸汽压 随着温度的上升增加很快(呈

13、指数关系)，因而对物质蒸发速度影响最大的因素是蒸发源的温度。第9页/共87页第十页，编辑于星期日：十九点 五十分。元素的平衡蒸气压元素的平衡蒸气压元素的平衡蒸气压元素的平衡蒸气压Clausius-ClapeyronClausius-Clapeyron方程指出，物质的平衡蒸汽压方程指出，物质的平衡蒸汽压p p随温度的变化率可以定随温度的变化率可以定量的表达为：量的表达为：其中H为蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化，它随温度的不同而不同，而V为相应过程中物质体积的变化。由于在蒸发时，汽相的体积显著的大于相应的液相或固相，故 V近似等于汽相体积V。运用理想气体状态方程则有:作为近似，可以利用物质在该温

14、度的汽化热 He来代替 H，从而得到物质蒸汽压的近似表达时(B为相应的系数)第10页/共87页第十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式又被分为二种模式：式又被分为二种模式：式又被分为二种模式：式又被分为二种模式：一是一是一是一是物质在固态情况下，即使是温度物质在固态情况下，即使是温度物质在固态情况下，即使是温度物质在固态情况下，即使是温度达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低于达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低于达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低于达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低于1

15、0-1Pa10-1Pa。在这种情况下，要想利用。在这种情况下，要想利用。在这种情况下，要想利用。在这种情况下，要想利用蒸发方法进行物理汽相沉积，就需蒸发方法进行物理汽相沉积，就需蒸发方法进行物理汽相沉积，就需蒸发方法进行物理汽相沉积，就需要将温度提高到其熔点以上。大多要将温度提高到其熔点以上。大多要将温度提高到其熔点以上。大多要将温度提高到其熔点以上。大多数金属的蒸发属于这种情况。数金属的蒸发属于这种情况。数金属的蒸发属于这种情况。数金属的蒸发属于这种情况。二是二是二是二是如如如如CrCr、TiTi、MoMo、FeFe、SiSi等，在熔等，在熔等，在熔等，在熔点附近的温度下，固相的平衡蒸汽压点

16、附近的温度下，固相的平衡蒸汽压点附近的温度下，固相的平衡蒸汽压点附近的温度下，固相的平衡蒸汽压已经相对较高。这时可以直接利用由已经相对较高。这时可以直接利用由已经相对较高。这时可以直接利用由已经相对较高。这时可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的汽相沉固态物质的升华，实现物质的汽相沉固态物质的升华，实现物质的汽相沉固态物质的升华，实现物质的汽相沉积。积。积。积。石墨没有熔点，而其升华温度又很高，因石墨没有熔点，而其升华温度又很高，因石墨没有熔点，而其升华温度又很高，因石墨没有熔点，而其升华温度又很高，因而多利用石墨电极的而多利用石墨电极的而多利用石墨电极的而多利用石墨电极的放电放电放电放电过

17、程来使碳元过程来使碳元过程来使碳元过程来使碳元素发生热蒸发。素发生热蒸发。素发生热蒸发。素发生热蒸发。图3.32 半导体材料的平衡蒸气压随温度的变化曲线第11页/共87页第十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。真空蒸发装置真空蒸发装置真空蒸发装置真空蒸发装置 真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源

18、，根据其加热原理可以分为以下几种：几种：A 电阻式热蒸发电阻式热蒸发;B 电子束热蒸发电子束热蒸发;C 激光蒸发激光蒸发;第12页/共87页第十三页，编辑于星期日：十九点 五十分。这是应用的较多的一种蒸发加热方法。对于电阻材料的要求：耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。所以一般是难熔金属：W、Mo和Ta等 将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源。在融化以后、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。显然，钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。对于钨

19、丝不能加热的物质，如一些材料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也可以用难熔金属制成的升华用专用容器，这时不仅要考虑加热和支撑，还要考虑被加热物质放气时的物质飞溅。应用各种材料，如高熔点氧化物、高温裂解BN、石墨、难熔金属等制成的坩埚也可以作为蒸发器。这时加热由二种方式，即传统的电阻加热法和高频加热法，前者依靠缠于坩埚外的电阻丝加热，而后者用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。显然，后者要求被加热物或坩埚由一定的导电性。电阻式加热电阻式加热电阻式加热电阻式加热第13页/共87页第十四页，编辑于星期日

20、：十九点 五十分。图3.33 各种形状的电阻蒸发源图3.34 坩埚式蒸发器结构 丝状 螺旋丝状锥形篮状箔状或板状直接加热式块状间接加热式第14页/共87页第十五页，编辑于星期日：十九点 五十分。电子束加热装置电子束加热装置电子束加热装置电子束加热装置 电阻加热方法的局限性：坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，电阻加热法的加热功率或温度也受到一定的限制。因此不适用于高纯或难容物质的蒸发。而电子束蒸发正好克服了电阻加热方法的上述不足，因而成为蒸发法高速沉积高纯物质薄膜的主要的加热手段。在电子束加热装置中，被加热的物质被放置在水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩埚的冷

21、却作用下仍处于很低的温度，即它实际上成了蒸发物质的坩埚材料。因此电子束蒸发可以做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得可以同时或分别对多种不同材料进行蒸发。电子束蒸发的缺点是电子束能量的绝大部分被坩埚的水冷系统带走，因而热效率低。第15页/共87页第十六页，编辑于星期日：十九点 五十分。图3.35 电子束加热装置结构 如图，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电场的加速，并经过横向部置的磁场线圈偏转270度后到达被轰击的坩埚处，这样的部置可以避免灯丝材料对于沉积过程可能造成的污染。第16页/共87页第十七页，编辑于星期日：十九点 五十分。激光蒸发镀膜激光蒸发镀

22、膜激光蒸发镀膜激光蒸发镀膜(LaserAblation)(LaserAblation)装置装置装置装置 使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般显著高于其它的蒸发方法。在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化

23、合物材料，比如近年来研究较多的高温超导材料YBa2Cu3O7等。这种方法也存在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。第17页/共87页第十八页，编辑于星期日：十九点 五十分。图3.36 Laser Ablation薄膜沉积装置 传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一，LA法和溅射镀膜法在这方面有优势。第18页/共87页第十九页，编辑于星期日：十九点 五十分。薄膜沉积的厚度均匀性薄膜沉积的厚度均匀性薄膜沉积的厚度均匀性薄膜沉积的厚度均匀性 在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，

24、这时考虑膜厚均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是膜厚均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是最容易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被最容易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被认为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为认为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为AeAe的小的小球面上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量球面上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量MeMe为为其中T为单位面积的蒸发速率，dAe为蒸发源表面单元，t为时间。第19页/共87页第二十页，编辑于星期日：十九

25、点 五十分。在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源dAsdAs上沉积的物质总量取决上沉积的物质总量取决上沉积的物质总量取决上沉积的物质总量取决

26、于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为：于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为：于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为：于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为：其中为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度，r是蒸发源于衬底之间的距离。由此可以进一步求出物质的质量沉积速度和厚度沉积速度。显然，薄膜的沉积速度与距离平方成反比，并与衬底和蒸发源之间的方向角有关。当=0，r较小时沉积速率较大。第20页/共87页第二十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的面沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且

27、需要同时沉积的面沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的面沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的面积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸发源所对应出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸发源所对应出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出

28、，点蒸发源所对应出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。图3.37 点蒸发源与面蒸发源情况下薄膜相对沉积速率与衬底大小的关系第21页/共87页第二十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。均匀性对策之一均匀性对策之一均匀性对策之一均匀性对策之一在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图所示那样的的尺寸相对较小时，可采用下图所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理实验部

29、置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处在同一圆周上时，有是当蒸发源和衬底处在同一圆周上时，有coscos=cos=cos r r0 0,其中其中r r0 0为相应圆周的半径。为相应圆周的半径。图3.38 为提高蒸发沉积的厚度均匀性采取的衬底放置方法这时即使离蒸发源较远的衬底处于较为有利的空间角度，而较近的衬底处于不利的角度位置，因而使得薄膜的沉积厚度变得与角度无关。利用衬底转动还可以进一步改进蒸发沉积厚度的均匀性。第22页/共87页第二十三页，编辑于星期日：十九点 五十分。均匀性对策二均匀性对策二均匀性对策二均匀性对策二 当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效当

30、蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状地掩膜，从而实现薄膜地选择性沉积。特定形

31、状地掩膜，从而实现薄膜地选择性沉积。图3.39 衬底不平及使用掩模选择性沉积第23页/共87页第二十四页，编辑于星期日：十九点 五十分。常用常用常用常用MEMSMEMS物质的蒸发工艺特性物质的蒸发工艺特性物质的蒸发工艺特性物质的蒸发工艺特性物质最低蒸发温度(C)蒸发源状态坩埚材料电子束蒸发时沉积速率nm/sAl1010熔融态BN2Cr1157升华W1.5Cu1017熔融态石墨，Al2O35Ge1167熔融态石墨2.5Au1132熔融态BN,Al2O33Fe1180熔融态Al2O35Pb497熔融态Al2O33Mg327升华石墨10Mo2117熔融态-4Pt1747熔融态石墨2Si1337熔融态

32、B2O31.5图3.31 常用MEMS物质的蒸发工艺第24页/共87页第二十五页，编辑于星期日：十九点 五十分。离子溅射镀膜离子溅射镀膜离子溅射镀膜离子溅射镀膜 另外一种常用薄膜物理汽相沉积方法，它利用带有电荷的离子在电另外一种常用薄膜物理汽相沉积方法，它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靶电极。在离场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着后者溅射出来

33、。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜沉积。在这个过程中，一定的方向飞向衬底，从而实现在衬底上的薄膜沉积。在这个过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。因离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。因而需要对气体放电这一物理现象有所了解。这也是离子刻蚀的基础。而需要对气体放电这一物理现象有所了解。这也是离子刻蚀的基础。辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体物质的溅射现象物质的溅射现象溅射沉积装置溅射沉积装置第25页/共87页第二十六页，编辑于星期日：十九点 五十分。辉光放电与等离子体辉光放电与等离子

34、体辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体 溅射的基本过程溅射的基本过程(以以DCDC作用下的溅射为例作用下的溅射为例)。在下图的真空系统中，靶材是需。在下图的真空系统中，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。阳极可以为要溅射的材料，它作为阴极，相对于阳极的衬底加有数千伏的电压。阳极可以为接地的，也可以处于浮动电位或处于一定的正负电位。在对系统预抽真空之后，接地的，也可以处于浮动电位或处于一定的正负电位。在对系统预抽真空之后，充入适当压力的惰性气体，例如充入适当压力的惰性气体，例如ArAr作为气体放电的载体，压力一般处于作为气体放电的载体，压力一般处于1010-1-1

35、10Pa10Pa的范围内。在正负电极高压的作用下，极间的气体原子被大量电离。电离过程使的范围内。在正负电极高压的作用下，极间的气体原子被大量电离。电离过程使ArAr原子变成原子变成ArAr+离子和可以独立运动的电子，其中电子飞向阳极，而带正电的离子和可以独立运动的电子，其中电子飞向阳极，而带正电的ArAr+则在高压电场的作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放处其能量。离子高速撞击的结果之一就是相当多的原子获得高能量，使其可以脱离靶材而飞向衬底。相对而言，溅射过程比蒸发过程要复杂得多，其定量描述也要困难得多。图3.310 直流溅射沉积装置示意图第26页/共87页第二十七页，编辑

36、于星期日：十九点 五十分。辉光放电的物理基础辉光放电的物理基础辉光放电的物理基础辉光放电的物理基础图3.311 直流气体放电模型(a)和气体放电的伏安特性曲线(b)第27页/共87页第二十八页，编辑于星期日：十九点 五十分。溅射现象溅射现象溅射现象溅射现象 溅射仅是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。每一种物理过溅射仅是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。每一种物理过程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固体表面相互程的相对重要性取决于入射离子的能量。利用不同能量的离子与固体表面相互作作用过程不同，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸如离子注入用过程不同

37、，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸如离子注入(离子能量离子能量1000keV)1000keV)、离子的芦瑟福背散射、离子的芦瑟福背散射(1MeV)(1MeV)等。等。图3.311 离子轰击固体表面时发生的物理过程a、b 正向和大角度直接碰撞散射；c、d 碰撞和通道效应引起的离子注入；e 多级碰撞散射f表面多原子散射；g 表面吸附杂质的去除及表面活化；h 表面原子溅射位移；i、j溅射和原子位移诱发空位k吸附杂质的注入；l 薄膜物质原子的自注入第28页/共87页第二十九页，编辑于星期日：十九点 五十分。溅射产额溅射产额溅射产额溅射产额 溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量和动量

38、转溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量和动量转移，从而最终将表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被溅射出来移，从而最终将表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被溅射出来的原子数与入射原子数之比，它是衡量溅射效率的一个参数。它与入射的原子数与入射原子数之比，它是衡量溅射效率的一个参数。它与入射离子能量、物质种类、和入射角等因素有关。离子能量、物质种类、和入射角等因素有关。第29页/共87页第三十页，编辑于星期日：十九点 五十分。只有当入射离子能量超过一定的只有当入射离子能量超过一定的只有当入射离子能量超过一定的只有当入射离子能量超过一定的阀值以后、才会出现被溅射物表阀值以后、才会

39、出现被溅射物表阀值以后、才会出现被溅射物表阀值以后、才会出现被溅射物表面溅射。每一种物质的溅射阀值面溅射。每一种物质的溅射阀值面溅射。每一种物质的溅射阀值面溅射。每一种物质的溅射阀值与入射离子的种类关系不大、但与入射离子的种类关系不大、但与入射离子的种类关系不大、但与入射离子的种类关系不大、但是与被溅射物质的升华热有一定是与被溅射物质的升华热有一定是与被溅射物质的升华热有一定是与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。的比例关系。的比例关系。的比例关系。随着入射离子能量的增加、溅射随着入射离子能量的增加、溅射随着入射离子能量的增加、溅射随着入射离子能量的增加、溅射产额先是提高、其后能量达到产额先是

40、提高、其后能量达到产额先是提高、其后能量达到产额先是提高、其后能量达到10kev10kev左右时趋于平缓。其后、当左右时趋于平缓。其后、当左右时趋于平缓。其后、当左右时趋于平缓。其后、当离子能量继续增加时溅射产额反而离子能量继续增加时溅射产额反而离子能量继续增加时溅射产额反而离子能量继续增加时溅射产额反而下降当入射离子能量达到下降当入射离子能量达到下降当入射离子能量达到下降当入射离子能量达到100kev100kev左右时发生注入。左右时发生注入。左右时发生注入。左右时发生注入。图3.312 Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系第30页/共87页第三十一页，编辑于星期日：十九点 五十分。

41、溅射沉积装置：溅射沉积装置：溅射沉积装置：溅射沉积装置：主要有以下四种溅射方法主要有以下四种溅射方法主要有以下四种溅射方法主要有以下四种溅射方法 (1)(1)直流溅射直流溅射直流溅射直流溅射；(2)(2)射频溅射；射频溅射；射频溅射；射频溅射；(3)(3)磁控溅射；磁控溅射；磁控溅射；磁控溅射；(4)(4)反应溅射。反应溅射。反应溅射。反应溅射。第31页/共87页第三十二页，编辑于星期日：十九点 五十分。直流溅射直流溅射直流溅射直流溅射 在直流溅射过程中，常用在直流溅射过程中，常用ArAr作为工作气体。工作气压是一个重要的作为工作气体。工作气压是一个重要的参数，它对溅射速率以及薄膜质量都具有很

42、大影响。参数，它对溅射速率以及薄膜质量都具有很大影响。图3.313 溅射沉积速度与工作气压间的关系第32页/共87页第三十三页，编辑于星期日：十九点 五十分。在相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较大，原子的电离过程多发生在距离靶在相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较大，原子的电离过程多发生在距离靶在相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较大，原子的电离过程多发生在距离靶在相对较低的气压条件下，阴极鞘层厚度较大，原子的电离过程多发生在距离靶材很远的地方，因而离子运动至靶材处的几率较小。同时，低压下电子的自由程较长，材很远的地方，因而离子运动至靶材处的几率较小。同时，低压下电子的自由程较长，材很远的地

43、方，因而离子运动至靶材处的几率较小。同时，低压下电子的自由程较长，材很远的地方，因而离子运动至靶材处的几率较小。同时，低压下电子的自由程较长，电子在阳极上消失的几率较大，而离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由电子在阳极上消失的几率较大，而离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由电子在阳极上消失的几率较大，而离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由电子在阳极上消失的几率较大，而离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气体较低而相对较小。这使得低压下的于气体较低而相对较小。这使得低压下的于气体较低而相对较小。这使得低压下的于气体较低而相对较小。这使得低压下的原子电离成

44、为离子的几率很低原子电离成为离子的几率很低原子电离成为离子的几率很低原子电离成为离子的几率很低，在低于，在低于，在低于，在低于1Pa1Pa的压力下甚至不易发生自持放电。这些均导致低压条件下溅射速率很低。的压力下甚至不易发生自持放电。这些均导致低压条件下溅射速率很低。的压力下甚至不易发生自持放电。这些均导致低压条件下溅射速率很低。的压力下甚至不易发生自持放电。这些均导致低压条件下溅射速率很低。随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射随着气体

45、压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率提高。电流增加，溅射速率提高。电流增加，溅射速率提高。电流增加，溅射速率提高。但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，因而其沉积到衬底上的几率反而下降。因此随着气压的变化，溅射沉积的散射，因而其沉积到衬底上的几率反而下降。因此随着气压的变化，溅射沉积的散射，因而其沉积到衬底上的几率反

46、而下降。因此随着气压的变化，溅射沉积的散射，因而其沉积到衬底上的几率反而下降。因此随着气压的变化，溅射沉积的速率会出现一个极值，如图所示。一般来讲，沉积速度与溅射功率（或溅射电的速率会出现一个极值，如图所示。一般来讲，沉积速度与溅射功率（或溅射电的速率会出现一个极值，如图所示。一般来讲，沉积速度与溅射功率（或溅射电的速率会出现一个极值，如图所示。一般来讲，沉积速度与溅射功率（或溅射电流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。第33页/共87页第三

47、十四页，编辑于星期日：十九点 五十分。射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射 使用直流溅射方法可以很方便地溅射沉积各类金属薄膜，但这一方使用直流溅射方法可以很方便地溅射沉积各类金属薄膜，但这一方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。由于一定的溅射速率就需要法的前提之一是靶材应具有较好的导电性。由于一定的溅射速率就需要一定的工作电流，因此要用直流溅射方法溅射导电性较差的非金属靶材一定的工作电流，因此要用直流溅射方法溅射导电性较差的非金属靶材的话，就需要大幅度地提高直流溅射装置电源的电压。显然，对于导电的话，就需要大幅度地提高直流溅射装置电源的电压。显然，对于导电性很差的非金属材料的溅射，我们需要一种新

48、的溅射方法。性很差的非金属材料的溅射，我们需要一种新的溅射方法。射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。设射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。设想在想在图图中设备的两电极之间接上交流电源时的情况。当交流电源的频中设备的两电极之间接上交流电源时的情况。当交流电源的频率低于率低于50kHz50kHz时，气体放电的情况与直流时候的相比没有什么根本的改时，气体放电的情况与直流时候的相比没有什么根本的改变，气体中的离子仍可及时到达阴极完成放电过程。唯一的差别只是在变，气体中的离子仍可及时到达阴极完成放电过程。唯一的差别只是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换。

49、这种电位极性的不断交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换。这种电位极性的不断变化导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。变化导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。第34页/共87页第三十五页，编辑于星期日：十九点 五十分。当频率超过当频率超过当频率超过当频率超过50kHz50kHz以后，放电过程开始出现以下两个变化。第一，以后，放电过程开始出现以下两个变化。第一，以后，放电过程开始出现以下两个变化。第一，以后，放电过程开始出现以下两个变化。第一，在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分在两极之

50、间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。第二，子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。第二，子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。第二，子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。第二，高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不