物理氣相淀積第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日物理氣相淀積—PVD(physicalvapordeposition)—利用某種物理過(guò)程（蒸發(fā)或?yàn)R射），實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，淀積成薄膜。淀積特點(diǎn)：物理過(guò)程技術(shù)：①真空蒸發(fā)：優(yōu)點(diǎn)：淀積速率較高，相對(duì)高的真空度，薄膜質(zhì)量較好缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力差，淀積多元化合金薄膜時(shí)，組分難以控制。②濺射：優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)成分易控制，淀積薄層與襯底附著性好。第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.1真空蒸發(fā)的基本原理材料的三態(tài)：solid，liquid，gas；蒸氣：任何溫度下，材料表面都存在蒸氣；蒸氣壓：平衡時(shí)的飽和蒸氣壓；升華：低于熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程；蒸發(fā)：熔化時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程；真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料熔化時(shí)產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)行薄膜淀積；優(yōu)點(diǎn)：工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積速率快；缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋差，薄膜與襯底附著力較小，工藝重復(fù)性不夠理想。第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.1.1真空蒸發(fā)設(shè)備①真空系統(tǒng)-為蒸發(fā)過(guò)程提供真空環(huán)境；②蒸發(fā)系統(tǒng)-放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測(cè)溫裝置；③基板及加熱系統(tǒng)-放置襯底，對(duì)襯底加熱及測(cè)溫裝置等。第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日蒸發(fā)淀積過(guò)程①加熱蒸發(fā)：加熱蒸發(fā)源（固態(tài)），產(chǎn)生蒸氣；②輸運(yùn)：氣化的原子、分子擴(kuò)散到基片表面；③淀積：氣化的原子、分子在表面凝聚、成核、生長(zhǎng)、成膜；5.1.2汽化熱和蒸汽壓汽化熱△H—使蒸發(fā)源材料的原子或分子克服固相（或液相）的原子束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動(dòng)能的氣相原子或分子所獲得的能量。△H—用來(lái)克服凝聚相中原子間的吸引力。飽和蒸汽壓P—一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的壓力。凈蒸發(fā)：分壓﹤P蒸發(fā)溫度—規(guī)定在P=133.3×10-2Pa時(shí)的溫度。第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.1.3真空度與分子平均自由程高純薄膜淀積必須在高真空度系統(tǒng)中進(jìn)行的理由：①被蒸發(fā)原子或分子在真空中輸運(yùn)是直線運(yùn)動(dòng)（有效的淀積）。②真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會(huì)使金屬原子或分子在輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生氧化，并使加熱的襯底表面發(fā)生氧化。③殘余氣體及所含雜質(zhì)原子或分子淀積在襯底上，嚴(yán)重影響淀積薄膜質(zhì)量。

﹥﹥蒸發(fā)源到放置硅片的基座距離原子或分子平均自由程—粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離。第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.1.4蒸發(fā)速率—蒸發(fā)源的溫度影響最大5.1.5多組分蒸發(fā)方法：（按蒸發(fā)源分類）①單源蒸發(fā)：具有薄膜組分比例的單一合金靶；靶源的要求：各組分蒸汽壓接近；②多源同時(shí)蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，同時(shí)蒸發(fā)；③多源順序蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，順序蒸發(fā)，最后高溫退火。工藝關(guān)鍵：根據(jù)薄膜組分控制各層厚度；

第七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日第八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.2蒸發(fā)源（按加熱方式分類）①電阻加熱源②電子束加熱源③高頻感應(yīng)加熱源④激光加熱源第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.2.1電阻加熱源—利用電流通過(guò)加熱源時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)加熱蒸發(fā)材料直接加熱源：加熱體與蒸發(fā)源的載體是同一物體；加熱體-W、Mo、石墨。間接加熱源：坩堝盛放蒸發(fā)源；坩堝-高溫陶瓷、石墨。1.對(duì)加熱材料的要求：不產(chǎn)生污染①熔點(diǎn)高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度；②飽和蒸汽壓低：低于蒸發(fā)源；③化學(xué)性能穩(wěn)定：不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不形成合金。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，蒸發(fā)速率快；缺點(diǎn)：難以制備高熔點(diǎn)、高純度薄膜。第十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2.蒸發(fā)材料對(duì)加熱材料的“濕潤(rùn)性”“濕潤(rùn)性”—指在高溫下，熔化的蒸發(fā)材料在加熱源的材料上有擴(kuò)展傾向（易濕潤(rùn)）。蒸發(fā)材料與加熱源材料十分親合，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。尤其絲狀加熱源。面蒸發(fā)–濕潤(rùn)情況下，材料蒸發(fā)面積大且較穩(wěn)定。點(diǎn)蒸發(fā)—濕潤(rùn)較差情況下。第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.2.2電子束蒸發(fā)源原理：電場(chǎng)作用下，電子獲得動(dòng)能轟擊陽(yáng)極蒸發(fā)材料，使其加熱氣化。特點(diǎn)：淀積高熔點(diǎn)、高純薄膜。第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：①蒸發(fā)溫度高（能量密度高于電阻源）；蒸發(fā)速率較高，可蒸發(fā)W,Mo,Ge,SiO2,Al2O3。②高純度淀積：水冷坩堝可避免容器材料的蒸發(fā)；③熱效率高：熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少。缺點(diǎn)：①電子槍發(fā)出的一次電子與蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離；②設(shè)備及工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴。第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.2.3激光加熱源激光束加熱蒸發(fā)法—利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱。加熱特點(diǎn)：加熱溫度高，可避免坩堝的污染，材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過(guò)程易控制。激光源：連續(xù)輸出的CO2激光器。適應(yīng)于蒸發(fā)成份較復(fù)雜的合金或化合物材料。蒸發(fā)源的特點(diǎn)：（1）功率密度高達(dá)106W/cm2，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料；（2）光斑小，可提高淀積薄膜的純度；（3）能量密度高，可保證薄膜成份的比例；（4）真空室內(nèi)裝置簡(jiǎn)單，易獲得高真空度；（5）激光器價(jià)格昂貴，影響了廣泛使用。第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.2.4高頻感應(yīng)加熱源—通過(guò)高頻感應(yīng)對(duì)坩堝加熱，使蒸發(fā)材料在高頻磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失，使蒸發(fā)材料升溫，直至汽化蒸發(fā)。優(yōu)點(diǎn)：①蒸發(fā)速率快；②溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。③溫度控制精確；工藝簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)：①成本高；②電磁干擾。第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.3氣體輝光放電熱蒸發(fā)—能量轉(zhuǎn)化引起的濺射—含有動(dòng)量的轉(zhuǎn)換，濺射出的原子有方向性。濺射過(guò)程：建立在輝光放電的基礎(chǔ)上濺射定義：具有一定能量的入射離子在對(duì)固體表面轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過(guò)程中將發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來(lái)。5.3.1直流輝光放電圖5.6所示討論：平板電極間的電壓V與電流I的關(guān)系。第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日（1）無(wú)光放電區(qū)—ab段。導(dǎo)電而不發(fā)光。電離產(chǎn)生的離子和電子在外電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度隨電壓增加而加快。直至達(dá)到飽和值，即電流從0逐漸增加至達(dá)到某一極大值。電壓再↑，電流并不↑。原因：電離量很少且恒定。電壓再↑，到達(dá)電極的電子和離子數(shù)目不變。（2）湯生放電區(qū)–bc段。離子和電子數(shù)目雪崩式的增加，放電電流迅速增大。電壓是常數(shù)（受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限制）原因：α作用（電離倍增作用）中性氣體分子間的碰撞使氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子。

γ作用—正離子對(duì)陰極的碰撞將產(chǎn)生二次電子。（1）和（2）--非自持放電，即以存在自然電離源為前提。第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日（3）輝光放電—?dú)怏w突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，電流↑↑，放電電壓顯著↓。

c點(diǎn)—放電的著火點(diǎn)。處于陰極的邊緣和不規(guī)則處

cd段—前期輝光放電。電流↑，電壓↓（負(fù)阻現(xiàn)象）原因：氣體已被擊穿，氣體內(nèi)阻隨電離度的↑顯著↓

de段—正常輝光放電。電壓已定，電流的↑與電壓無(wú)關(guān)，只與陰極上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。有效放電面積隨電流↑而↑陰極有效放電區(qū)內(nèi)的電流密度保持恒定。（3）屬于自持放電，即不存在自然電離源，電子和正離子來(lái)源于電子的碰撞和正離子的轟擊。第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日氣體擊穿—從非自持放電過(guò)渡到自持放電。影響輝光放電電流密度的因素：陰極材料、氣體種類、氣體壓強(qiáng)及陰極的形狀。（4）反常輝光放電--ef段。放電電壓和電流密度同時(shí)增大。（濺射區(qū)域）特點(diǎn)：電流增大時(shí)，兩個(gè)放電極板之間電壓升高，且陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。（5）電弧放電—fg段。電流繼續(xù)↑，放電電壓再次突然大幅度↓，電流急劇↑。放電區(qū)域的劃分如圖5.8（a）所示。阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱（等離子）區(qū)、陽(yáng)極輝光區(qū)和陽(yáng)極暗區(qū)。（共八個(gè)）第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日1.陰極區(qū)—極間電壓大部分加在這里，電子被加速與氣體原子碰撞，使原子激發(fā)或電離。由Aston暗區(qū)，陰極輝光區(qū)和陰極暗區(qū)三部分組成。Aston暗區(qū)：位于陰極右邊，通過(guò)陰極電子被加速。這里電子密度和能量都太低，不能激發(fā)氣體，因此呈現(xiàn)暗區(qū)。陰極輝光：由向陰極運(yùn)動(dòng)的正離子與陰極發(fā)射出的二次電子復(fù)合產(chǎn)生的處于陰極附近的明亮發(fā)光層。陰極暗區(qū)（克羅克斯暗區(qū)）：二次電子和離子的主要加速區(qū)—電壓降占整個(gè)放電電壓的絕大部分。2.負(fù)輝光區(qū)和法拉第暗區(qū)負(fù)輝光區(qū)：發(fā)光最強(qiáng)的區(qū)域，是已獲加速的電子與氣體原子發(fā)生碰撞而電離的區(qū)域。法拉第暗區(qū)：這里電子能量太低，不足以激發(fā)氣體原子。第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日3.正柱區(qū)：在陰極端能保持足夠的電離度。電子密度1015~1016電子數(shù)/m3,電場(chǎng)強(qiáng)度為常數(shù)?；≈袩崃康纳⑹е饕揽繜醾鲗?dǎo)、對(duì)流和輻射。4.陽(yáng)極區(qū)—陽(yáng)極附近發(fā)光區(qū)和陽(yáng)極鞘層。由陽(yáng)極輝光區(qū)和陽(yáng)極暗區(qū)兩部分組成陽(yáng)極輝光區(qū):由陽(yáng)極加速電子引起激發(fā)和電離而產(chǎn)生。陽(yáng)極暗區(qū):實(shí)質(zhì)上是陽(yáng)極與正柱區(qū)等離子體間的鞘層。注意：隨著極間距離的縮小，正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)將縮短直至消失；而陰極暗區(qū)和負(fù)輝光區(qū)不受影響。第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日輝光放電（glowdischarge）小結(jié)1〉定義：氣體在低氣壓狀態(tài)下的一種自持放電。對(duì)玻璃圓柱狀放電管兩端施加電壓，當(dāng)壓力處于1～0.1托的范圍時(shí)，由陰極逸出的電子在氣體中發(fā)生碰撞電離和光電離，此時(shí)放電管的大部分區(qū)域都呈現(xiàn)彌漫的光輝，其顏色因氣體而異，故稱輝光放電。2〉放電通道：八個(gè)區(qū)域3〉產(chǎn)生原因：這些光區(qū)是空間電離過(guò)程及電荷分布所造成的結(jié)果，與氣體類別、氣體壓力、電極材料等因素有關(guān)，4〉主要應(yīng)用：①利用它的發(fā)光效應(yīng)（如霓虹燈）和正常輝光放電的穩(wěn)壓特性(如氖穩(wěn)壓管)。②利用輝光放電的正柱區(qū)產(chǎn)生激光的特性，制做氦氖激光器。

第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日等離子體：具有一定導(dǎo)電能力的氣體。由正離子、電子、光子及原子、原子團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。（電子是其導(dǎo)電過(guò)程中的主要載流子）特點(diǎn)：正、負(fù)帶電粒的數(shù)目相等，宏觀呈現(xiàn)電中性。輝光放電屬于等離子體中粒子能量和密度較低、放電電壓較高類型。其特點(diǎn)：質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團(tuán)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子的能量，是一種非熱平衡狀態(tài)的等離子體。等離子體鞘層：是電子與離子具有不同速度的一個(gè)直接后果。即任何處于等離子體中的物體相對(duì)于等離子體來(lái)講都呈現(xiàn)出負(fù)電位，并且在物體的表面附近出現(xiàn)正電荷積累。第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.3.2輝光放電中的碰撞過(guò)程等離子體中高速運(yùn)動(dòng)的電子與其它粒子的碰撞

—維持氣體放電的主要微觀機(jī)制。彈性碰撞：總動(dòng)能不變，粒子內(nèi)能不變。不會(huì)造成氣體分子的電離。非彈性碰撞：部分電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為粒子的內(nèi)能。

--維持自持放電過(guò)程的主要機(jī)制。①電離過(guò)程–使電子數(shù)目增加，放電過(guò)程繼續(xù)；

e-+Ar→Ar++2e-反過(guò)程為復(fù)合過(guò)程②激發(fā)過(guò)程：e-+O2→O2

*+e-③分解反應(yīng)—分子被分解成為兩個(gè)反應(yīng)基團(tuán)。

e-+CF4→CF3

*+F*+e-第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.3.3射頻輝光放電特點(diǎn)：（1）電場(chǎng)周期性的改變方向，使帶電粒子不易到達(dá)電極和器壁而離開(kāi)放電空間，減少了帶電粒子的損失；低電場(chǎng)可維持放電；二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿的必要條件。（2）電極可以是導(dǎo)體，絕緣體。激發(fā)源：（1）E型放電—用高頻電場(chǎng)直接激發(fā)；（2）H型放電—用高頻磁場(chǎng)感應(yīng)激發(fā)。第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.4濺射原理：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，具有能量的離子轟擊靶材，靶材原子獲得能量從靶表面逸出-被濺射出，濺射原子淀積在表面。特點(diǎn)：被濺射出的原子動(dòng)能很大，10-50eV；（蒸發(fā)：）還可實(shí)現(xiàn)離子注入。優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋好（遷移能力強(qiáng)），附著力得到改善。第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.4.1濺射特性1.濺射閾值—判斷發(fā)生濺射現(xiàn)象的值。10~30eV。主要取決于靶材料本身的特性。2.濺射率S—濺射產(chǎn)額，表示正離子轟擊作為陰極的靶材時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶材上打出的原子數(shù)目。

S=被濺射出的原子數(shù)/入射離子數(shù)（1）S與入射離子能量的關(guān)系圖5.12

隨著入射離子能量的↑，S先↑，接著是一個(gè)平緩區(qū)；當(dāng)離子能量繼續(xù)↑，S↓（發(fā)生離子注入）第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日（2）S與入射離子種類的關(guān)系圖5.13依賴于：a)入射離子原子量↑，S↑；b)入射離子原子序數(shù)，隨其周期性變化。電子殼云填滿的元素，S最大。一般選氬為工作氣體，原因：惰性氣體S最高，可避免與靶材起化學(xué)反應(yīng)。（3）S與被濺射物質(zhì)的種類的關(guān)系—即隨靶材元素的原子序數(shù)呈周期性變化。（4）S與離子入射角的關(guān)系圖5.14入射角θ—離子入射方向與被濺射靶材表面法線間夾角

θ↑,S以1/cosθ規(guī)律↑，當(dāng)θ接近80°時(shí)，S迅速↓其他因素：靶溫、靶的晶格結(jié)構(gòu)、靶的表面情況、濺射壓強(qiáng)、升華熱的大小第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日3.濺射原子的能量和速度具有的特點(diǎn)：（1）靶材上：重元素—被濺射出原子有較高逸出能量輕元素—被濺射出原子有較高逸出速度（2）不同靶材料，不同的原子逸出能量。S高的靶材，原子平均逸出能較低。（3）相同轟擊能量，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕的入射離子較低（10eV），重的較大（30~40eV）（4）濺射原子的平均逸出能量隨入射離子能量的增加而增加。1keV（5）傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.4.2濺射方法直流、射頻、磁控、反應(yīng)、離子束、偏壓等濺射；1.直流濺射濺射靶：陰極襯底：陽(yáng)極（接地）工作氣體：Ar氣要求：靶材導(dǎo)電性好特點(diǎn)：只適于金屬靶材第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2.RF濺射原因：①高頻電場(chǎng)經(jīng)其他阻抗形式耦合進(jìn)入淀積室。②可在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)—即在射頻電場(chǎng)起作用時(shí)，靶材會(huì)自動(dòng)處于一個(gè)負(fù)電位，導(dǎo)致氣體離子對(duì)其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。特點(diǎn)：適于各種金屬與非金屬靶材。第三十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日避免每個(gè)電極產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)辦法：加大非濺射電極的極面面積。具體做法：將樣品臺(tái)、真空室器壁與地電極并聯(lián)在一起，形成一個(gè)面積很大的電極。注意：射頻濺射中，交流頻率不能太低。3.磁控濺射原理：磁場(chǎng)在靶材表面與電場(chǎng)垂直，電子沿電場(chǎng)方向加速、繞磁場(chǎng)方向螺旋前進(jìn)，提高了電子碰撞效率，從而也提高了原子的電離幾率。特點(diǎn)：淀積速率最高；工作氣體壓力較低。第三十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日磁控濺射第三十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4.反應(yīng)濺射—利用化合物直接作為靶材。特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)多組分的薄膜淀積。利用的化合物主要包括：（1）氧化物：Al2O3,SiO2,In2O3,SnO2等;（2）碳化物：