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1、8.2 物理汽相沉积（物理汽相沉积（PVD）uu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 DepositionPhysical Vapor Deposition 缩写为：缩写为：PVDPVD；u通常用于沉积薄膜和涂层通常用于沉积薄膜和涂层 沉积沉积膜层厚度：膜层厚度：膜层厚度：膜层厚度：1010-1-1nmnmmmmm；u一一类类应应应应用用用用极极极极为为为为广广广广泛泛泛泛的的成成膜膜技技术术，从从装装饰饰涂涂层层到到各各种种功功能能薄薄膜膜，涉涉及及化化工工、核核工工程程、微微电电子子以以及它们的相关工业工程。及它们的相关工业工程。uu包包包包括括括
2、括 蒸蒸蒸蒸发发发发沉沉沉沉积积积积（蒸蒸蒸蒸镀镀镀镀）、溅溅溅溅射射射射沉沉沉沉积积积积（溅溅溅溅射射射射）和和离子镀离子镀离子镀离子镀等。等。1一、真空蒸发镀膜（蒸镀）一、真空蒸发镀膜（蒸镀）蒸蒸蒸蒸镀镀镀镀利利利利用用用用真真真真空空空空泵泵泵泵将将将将淀淀淀淀积积积积室室室室抽抽抽抽成成成成“真真真真空空空空”，然然然然后后后后用用用用高高高高熔熔熔熔点点点点材材材材料料料料制制制制成成成成的的的的蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源将将将将淀淀淀淀积积积积材材材材料料料料加加加加热热热热、蒸蒸蒸蒸发发发发、淀淀淀淀积积积积于于于于基基基基片片片片上。上。上。上。图图图图8.2.1 8.2.1 蒸
3、镀装置示意图蒸镀装置示意图蒸镀装置示意图蒸镀装置示意图1.衬底加热器；衬底加热器；2.衬底；衬底；3.原料；原料；4.料舟料舟特点：特点：特点：特点：（1 1）操作方便操作方便操作方便操作方便，沉积，沉积参数易于控制参数易于控制参数易于控制参数易于控制；（2 2）制制膜纯度高膜纯度高膜纯度高膜纯度高，可用于，可用于薄膜性质研究薄膜性质研究薄膜性质研究薄膜性质研究；（3 3）可可在在在在电电电电镜镜镜镜监监监监测测测测下下下下进进进进行行行行镀镀镀镀膜膜膜膜，可可对对薄薄膜生长过程和生长膜生长过程和生长机理进行研究机理进行研究机理进行研究机理进行研究。（4 4）膜膜沉积速率快沉积速率快沉积速率快
4、沉积速率快，还可，还可多块同时蒸镀多块同时蒸镀多块同时蒸镀多块同时蒸镀；（5 5）沉沉沉沉积积积积温温温温度度度度较较较较高高高高，膜膜与与基基片片的的结结结结合合合合强强强强度不高度不高度不高度不高。21.1.物理基础物理基础物理基础物理基础（1 1）物理阶段：）物理阶段：）物理阶段：）物理阶段：(淀积材料的淀积材料的)升华升华升华升华：SVSV；输运输运输运输运：蒸发源蒸发源基片上；基片上；沉积沉积沉积沉积：VS VS；重新排列重新排列重新排列重新排列：淀积粒子在基片上重新排列或键合淀积粒子在基片上重新排列或键合 蒸发淀积蒸发淀积不平衡过程不平衡过程；恒定条件恒定条件高质量膜高质量膜。3（
5、2 2）封闭体系内的）封闭体系内的）封闭体系内的）封闭体系内的PTPT关系：关系：关系：关系：积分：积分：（1）（2）4图图8.2.2 几种材料的蒸气压几种材料的蒸气压温度曲线温度曲线 5（3 3）蒸发速率和凝结速率）蒸发速率和凝结速率）蒸发速率和凝结速率）蒸发速率和凝结速率 蒸发速率蒸发速率蒸发速率蒸发速率NeNe：热平衡条件下，热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位面单位时间内，从蒸发源每单位面单位时间内，从蒸发源每单位面单位时间内，从蒸发源每单位面积上射出的平均原子数积上射出的平均原子数积上射出的平均原子数积上射出的平均原子数。（1/cm2s）成立条件：成立条件：S几个几个cm2，且，
6、且P 表面吸附表面吸附表面吸附表面吸附气体的物理吸附能气体的物理吸附能(0.10.5eV)，化学吸附能化学吸附能化学吸附能化学吸附能(l10eV)，因而还能，因而还能起清洗作用起清洗作用起清洗作用起清洗作用；这样的离子能量还可以这样的离子能量还可以避免膜层因严重溅射而变得表面粗避免膜层因严重溅射而变得表面粗避免膜层因严重溅射而变得表面粗避免膜层因严重溅射而变得表面粗糙糙糙糙和和降低镀膜速率降低镀膜速率降低镀膜速率降低镀膜速率；应用：应用：应用：应用：广泛用于镀制广泛用于镀制广泛用于镀制广泛用于镀制TiNTiN超硬膜超硬膜超硬膜超硬膜；镀制镀制镀制镀制TiNTiN仿金装饰膜仿金装饰膜仿金装饰膜仿
7、金装饰膜 镀镀TiN膜的高速钢刀具可提高寿命膜的高速钢刀具可提高寿命3倍以上，甚至有倍以上，甚至有高达数十倍。高达数十倍。374.4.4.4.多弧离子镀多弧离子镀多弧离子镀多弧离子镀 阴极阴极阴极阴极镀料靶材镀料靶材镀料靶材镀料靶材；电弧引燃电弧引燃电弧引燃电弧引燃：引弧阳极与阴极的触发引弧阳极与阴极的触发引弧阳极与阴极的触发引弧阳极与阴极的触发；弧斑直径弧斑直径弧斑直径弧斑直径：0.010.01100m100m；弧斑移动速率弧斑移动速率弧斑移动速率弧斑移动速率：100m100ms s；温度温度温度温度：8000800040000K40000K，靶材气化，靶材气化，靶材气化，靶材气化；尽管弧斑
8、的温度很高，但整个尽管弧斑的温度很高，但整个靶材靶材靶材靶材由于加以水冷，温度只由于加以水冷，温度只有有50502020。可以认为是。可以认为是冷阴极冷阴极冷阴极冷阴极。优点：优点：优点：优点：生产效率高，冷阴极，可保证膜与靶材成分一致；生产效率高，冷阴极，可保证膜与靶材成分一致；生产效率高，冷阴极，可保证膜与靶材成分一致；生产效率高，冷阴极，可保证膜与靶材成分一致；不必通不必通不必通不必通ArAr气；气；气；气；缺点：缺点：缺点：缺点：膜层粗糙，结构疏松，孔穴多，耐蚀性差。膜层粗糙，结构疏松，孔穴多，耐蚀性差。膜层粗糙，结构疏松，孔穴多，耐蚀性差。膜层粗糙，结构疏松，孔穴多，耐蚀性差。图图8
9、.2.17 多孤离子镀装置示意图多孤离子镀装置示意图385.5.5.5.双离子束镀双离子束镀双离子束镀双离子束镀 采用两个宽束离子源：采用两个宽束离子源：采用两个宽束离子源：采用两个宽束离子源：一个进行一个进行溅射镀膜溅射镀膜溅射镀膜溅射镀膜，另一个另一个直接轰击基片直接轰击基片直接轰击基片直接轰击基片。这种镀膜技术这种镀膜技术实质上实质上实质上实质上是是以离以离以离以离子束镀膜为基础而实现的离子束镀膜为基础而实现的离子束镀膜为基础而实现的离子束镀膜为基础而实现的离子镀子镀子镀子镀。图图8.2.18 双离子束镀膜装置双离子束镀膜装置396.6.6.6.离子注入成膜法离子注入成膜法离子注入成膜法
10、离子注入成膜法 将大量离子注入基片，与基片元素发生化学反应，将大量离子注入基片，与基片元素发生化学反应，将大量离子注入基片，与基片元素发生化学反应，将大量离子注入基片，与基片元素发生化学反应，形成化合物薄膜。形成化合物薄膜。形成化合物薄膜。形成化合物薄膜。例如：对硅片注入大量的氧离子或氮离子后，就能在例如：对硅片注入大量的氧离子或氮离子后，就能在硅片表面形成硅片表面形成SiO2薄膜或薄膜或Si3N4薄膜；薄膜；l l可以在低温下进行，所成的膜质量很好可以在低温下进行，所成的膜质量很好可以在低温下进行，所成的膜质量很好可以在低温下进行，所成的膜质量很好；l可以可以精确控制精确控制精确控制精确控制
11、入射离子的入射离子的能量能量能量能量大小，大小，束流强度束流强度束流强度束流强度和和时间时间时间时间等，等，故这种成膜技术将成为故这种成膜技术将成为研究薄膜改性研究薄膜改性研究薄膜改性研究薄膜改性的的良好工艺手段良好工艺手段良好工艺手段良好工艺手段。l与离子束沉积成膜相比，离子注入成膜法与离子束沉积成膜相比，离子注入成膜法使用的离子束使用的离子束使用的离子束使用的离子束能量能量能量能量要大得多，约为要大得多，约为2020400KeV400KeV，束流强度束流强度束流强度束流强度通常在通常在几几几几十至几千十至几千十至几千十至几千 A A；l l束流强度越大，注入效率越高，成膜也就越快。束流强度越大，注入效率越高，成膜也就越快。束流强度越大，注入效率越高，成膜也就越快。束流强度越大，注入效率越高，成膜也就越快。40谢谢 谢！谢！41