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蒸镀溅射沉积
§8.2 物理汽相沉积(PVD) 物理气相沉积 —— Physical Vapor Deposition 缩写为: PVD; 通常用于沉积薄膜和涂层 沉积膜层厚度:10-1nm~mm; 一类应用极为广泛的成膜技术,从装饰涂层到各种功能薄膜,涉及化工、核工程、微电子以及它们的相关工业工程。 包括 蒸发沉积(蒸镀)、溅射沉积(溅射)和离子镀等。 一、真空蒸发镀膜(蒸镀) 蒸镀——利用真空泵将淀积室抽成“真空”,然后用高熔点材料制成的蒸发源将淀积材料加热、蒸发、淀积于基片上。 1. 物理基础 (1)物理阶段: ① (淀积材料的)升华:S→V; ② 输运:蒸发源→基片上; ③ 沉积: V→S ; ④ 重新排列:淀积粒子在基片上重新排列或键合 蒸发淀积——不平衡过程; 恒定条件——高质量膜。 (2)封闭体系内的P—T关系: ∵ ∴ 积分: (3)蒸发速率和凝结速率 ① 蒸发速率Ne: ——热平衡条件下,单位时间内,从蒸发源每单位面积上射出的平均原子数。 (1/cm2·s) 成立条件:S几个cm2,且P1Pa 质量蒸发速率G: ——单位时间内,从单位面积上蒸发的质量。 ② 凝结速Na: ——蒸发源对基片单位面积的沉积速率。 Na与系统的几何形状、源与基片的相对位置、蒸发速率有关 设:a. 忽略碰撞,直线运动; b. (4)蒸发制膜的厚度 ∵τ时间内,蒸发材料的总量:m =ANe?,密度:? ∴ 膜厚: 点蒸发源: 小型平面蒸发源: 令: , 在x=0处:cos?=cos?=1 ∴ (9) 代入(7),可得 : 2. 残存气体对制膜的影响 (1)残存气体的蒸发速率Ng: (2)到达基片的气体分子与蒸气分子之比(面源): 讨论:减小污染的途径 1)Pg越小,Ng/Nd小,污染小; Nd较大, Ng/Nd小,污染小; 2) ?大,cos ?小,污染大;远离中心处的膜片薄,污染大,膜生长速率低,质量不好; 3)膜质还与蒸发材料和残存气体的性质、膜结构、基片温度以及基片自身的污染有关; 4)净化处理:对真空系统——烘烤;对基片——加热去污。 3. 蒸镀分馏问题 由于各组分的饱和蒸气压不同,因而蒸发速率不同,造成沉积膜的成分与母体不同(分馏),薄膜本身成分也随厚度而变化(分层)。 合金在蒸发时会发生分馏 设:物质含A,B成分,MA、MB,PA、PB, 则由(3)式,得 : 4. 蒸发源类型 (1)电阻加热蒸发源 选择原则:在所需蒸发温度下不软化,饱和蒸气压小,不发生反应; 一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质,常作成螺旋丝状或箔舟状,如图8.2.4所示。 特点:结构简单,造价低,使用广泛;存在污染,也不能蒸镀高Tm材料。 (2)电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。 优点: (1)可以直接对蒸发材料加热; (2)装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却,从而 可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发; (3)可蒸发高熔点材料,例如:钨(Tm=3380℃)、钼(Tm=2610℃)和钽(Tm=3000℃)等耐热金属材料。 缺点: (1)装置复杂; (2)只适合于蒸发单元元素; (3)残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。 5. 真空蒸镀工艺 (1)蒸镀合金膜 会产生分馏,对策——连续加料,调节熔池成分 例如:镀A4B1 膜,已知: 控制镀料成分:A1B25, 保证: A4B1膜料成分 若:一次性加料,A消耗快; ∴ 连续加料,保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为A4B1; 在蒸镀过程中,还应注意使熔池温度和体积保持恒定。 (2)蒸镀难熔化合物膜——多数会分解 例如:A12O3 Al、AlO、(AlO)2、Al2O、O和O2 等, 解决对策——适当通氧 (3)反应镀膜 6.蒸镀的特点和用途 特点:镀膜速率快,可多块同
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