第三章 薄膜材料的主要制備方法ppt課件

.,第三章薄膜的主要制備方法,.,本章的主要內(nèi)容,3.1成膜方法的分類3.2各種成膜方法的比較3.3物理氣相沉積3.4化學(xué)氣相沉積,.,3.1成膜方法的分類成膜方法有很多，分類方法也各不一樣，這里按干式和濕式對(duì)成膜方法的分類。在干式中，有以真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍?yōu)榇淼奈锢須庀喑练e(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)等；在濕式中有電鍍、化學(xué)鍍、陽(yáng)極氧化、LB技術(shù)、溶膠凝膠以及厚膜印刷法等。,.,3.2各種成膜方法的比較,表3.21薄膜的各種制備方法,.,.,3.3物理氣相沉積,物理氣相沉積（physicalvapordeposition,PVD）是利用某種物理過程物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在粒子轟擊下物質(zhì)表面原子的濺射，不涉及化學(xué)反應(yīng)過程的，實(shí)現(xiàn)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的薄膜（及其他材料）制備方法。,物理氣相沉積的特點(diǎn)使用固態(tài)或熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)源物質(zhì)經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相在氣相中及在襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使用相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境低壓PVD環(huán)境下：其他氣體分子的散射作用較小，氣相分子的運(yùn)動(dòng)路徑為一直線；氣相分子在襯底上的沉積幾率接近100%,.,.,3.3.1真空蒸鍍,真空蒸鍍即真空蒸發(fā)鍍膜，這是制作薄膜最一般的方法。這種方法是把裝有基片的真空室抽成真空，使氣體壓強(qiáng)達(dá)到10-2以下，然后加熱鍍料，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。,真空蒸鍍?cè)O(shè)備主要由真空鍍膜室和真空抽氣系統(tǒng)兩大部分組成。真空鍍膜室內(nèi)裝有蒸發(fā)源、被蒸鍍材料、基片支架及基片等，如圖3.31所示。,圖3.31真空蒸鍍?cè)韴D,1-鍍膜室；2-基片（工件）；3-鍍料蒸氣；4-電阻蒸發(fā)源；5-電極；6-電極密封絕緣件；7-推氣系統(tǒng)；8-交流電源,.,真空蒸發(fā)法的特點(diǎn),要實(shí)現(xiàn)真空蒸鍍，必須有“熱”的蒸發(fā)源、“冷”的基片、周圍的真空環(huán)境，三者缺一不可。特別是對(duì)真空環(huán)境的要求更嚴(yán)格。原因如下：防止在高溫下因空氣分子和蒸發(fā)源發(fā)生反應(yīng)，生成化合物而使蒸發(fā)源劣化；防止因蒸發(fā)物質(zhì)的分子在鍍膜室內(nèi)與空氣分子碰撞而阻礙蒸發(fā)分子直接到達(dá)基片表面，以及在途中生成化合物或由于蒸發(fā)分子間的相互碰撞而在到達(dá)基片之前就凝聚等；在基片上形成薄膜的過程中，防止空氣分子作為雜質(zhì)混入膜內(nèi)或者在薄膜中形成化合物。,.,物質(zhì)的熱蒸發(fā),在一定的溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都具有特定的平衡蒸汽壓。只有當(dāng)環(huán)境中被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降低到了它的平衡蒸汽壓以下時(shí)，才可能有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表面的物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率應(yīng)為：,為0-1之間的系數(shù)；pe和ph分別是該物質(zhì)的平衡蒸汽壓和實(shí)際分壓;NA、M、R、T分別為Avogatro常數(shù)、原子質(zhì)量、氣體常數(shù)和絕對(duì)溫度；由于物質(zhì)的平衡蒸汽壓隨著溫度的上升增加很快(呈指數(shù)關(guān)系)，因而對(duì)物質(zhì)蒸發(fā)速度影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫度。,.,元素的平衡蒸氣壓,Clausius-Clapeyron方程指出，物質(zhì)的平衡蒸汽壓p隨溫度的變化率可以定量的表達(dá)為：,其中H為蒸發(fā)過程中單位摩爾物質(zhì)的熱焓變化，它隨溫度的不同而不同，而V為相應(yīng)過程中物質(zhì)體積的變化。由于在蒸發(fā)時(shí)，汽相的體積顯著的大于相應(yīng)的液相或固相，故V近似等于汽相體積V。運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程則有:,作為近似，可以利用物質(zhì)在該溫度的汽化熱He來代替H，從而得到物質(zhì)蒸汽壓的近似表達(dá)時(shí)(B為相應(yīng)的系數(shù)),.,根據(jù)物質(zhì)的蒸發(fā)特性，物質(zhì)的蒸發(fā)模式又被分為二種模式：一是物質(zhì)在固態(tài)情況下，即使是溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)，其平衡蒸汽壓也低于10-1Pa。在這種情況下，要想利用蒸發(fā)方法進(jìn)行物理汽相沉積，就需要將溫度提高到其熔點(diǎn)以上。大多數(shù)金屬的蒸發(fā)屬于這種情況。二是如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等，在熔點(diǎn)附近的溫度下，固相的平衡蒸汽壓已經(jīng)相對(duì)較高。這時(shí)可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的汽相沉積。石墨沒有熔點(diǎn)，而其升華溫度又很高，因而多利用石墨電極的放電過程來使碳元素發(fā)生熱蒸發(fā)。,圖3.32半導(dǎo)體材料的平衡蒸氣壓隨溫度的變化曲線,.,真空蒸發(fā)裝置,真空蒸發(fā)所使用的設(shè)備根據(jù)目的不同可能有很大的差別，從簡(jiǎn)單的電阻加熱蒸鍍到極為復(fù)雜的分子束外延設(shè)備都屬于真空蒸發(fā)沉積的范疇。在蒸發(fā)沉積裝置中，最重要的是蒸發(fā)源，根據(jù)其加熱原理可以分為以下幾種：,A電阻式熱蒸發(fā);B電子束熱蒸發(fā);C激光蒸發(fā);,.,這是應(yīng)用的較多的一種蒸發(fā)加熱方法。對(duì)于電阻材料的要求：耐高溫、高溫下蒸汽壓低、不與被蒸發(fā)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、無放氣現(xiàn)象和其它污染、合適的電阻率。所以一般是難熔金屬：W、Mo和Ta等將鎢絲繞制成各種直徑或不等直徑的螺旋狀即可作為加熱源。在融化以后、被蒸發(fā)物質(zhì)或與鎢絲形成較好的浸潤(rùn)、靠表面張力保持在螺旋鎢絲中、或與鎢絲完全不浸潤(rùn)，被鎢絲螺旋所支撐。顯然，鎢絲一方面起到加熱器的作用，另一方面也起到支撐被加熱物質(zhì)的作用。對(duì)于鎢絲不能加熱的物質(zhì)，如一些材料的粉末，則用難熔金屬板支撐的加熱器。對(duì)于在固態(tài)升華的物質(zhì)來說，也可以用難熔金屬制成的升華用專用容器，這時(shí)不僅要考慮加熱和支撐，還要考慮被加熱物質(zhì)放氣時(shí)的物質(zhì)飛濺。應(yīng)用各種材料，如高熔點(diǎn)氧化物、高溫裂解BN、石墨、難熔金屬等制成的坩堝也可以作為蒸發(fā)器。這時(shí)加熱由二種方式，即傳統(tǒng)的電阻加熱法和高頻加熱法，前者依靠纏于坩堝外的電阻絲加熱，而后者用通水的銅制線圈作為加熱的初級(jí)感應(yīng)線圈，它靠在被加熱的物質(zhì)中或坩堝中感生出的感應(yīng)電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)物質(zhì)的加熱。顯然，后者要求被加熱物或坩堝由一定的導(dǎo)電性。,電阻式加熱,.,.,電子束加熱裝置,電阻加熱方法的局限性：坩堝或其它加熱體以及支撐部件可能的污染，電阻加熱法的加熱功率或溫度也受到一定的限制。因此不適用于高純或難容物質(zhì)的蒸發(fā)。而電子束蒸發(fā)正好克服了電阻加熱方法的上述不足，因而成為蒸發(fā)法高速沉積高純物質(zhì)薄膜的主要的加熱手段。在電子束加熱裝置中，被加熱的物質(zhì)被放置在水冷的坩堝中，電子束只轟擊到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩堝的冷卻作用下仍處于很低的溫度，即它實(shí)際上成了蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝材料。因此電子束蒸發(fā)可以做到避免坩堝材料的污染。在同一蒸發(fā)沉積裝置中可以安置多個(gè)坩堝，這使得可以同時(shí)或分別對(duì)多種不同材料進(jìn)行蒸發(fā)。電子束蒸發(fā)的缺點(diǎn)是電子束能量的絕大部分被坩堝的水冷系統(tǒng)帶走，因而熱效率低。,.,圖3.35電子束加熱裝置結(jié)構(gòu),如圖，由加熱的燈絲發(fā)射出的電子束受到數(shù)千伏的偏置電場(chǎng)的加速，并經(jīng)過橫向部置的磁場(chǎng)線圈偏轉(zhuǎn)270度后到達(dá)被轟擊的坩堝處，這樣的部置可以避免燈絲材料對(duì)于沉積過程可能造成的污染。,.,激光蒸發(fā)鍍膜(LaserAblation)裝置,使用高功率的激光束作為能量進(jìn)行薄膜的蒸發(fā)沉積的方法叫激光沉積法。顯然，這種方法也具有加熱溫度高、可避免坩堝污染、材料的蒸發(fā)速率高、蒸發(fā)過程容易控制等特點(diǎn)。同時(shí)由于在蒸發(fā)過程中，高能激光光子將能量直接傳給被蒸發(fā)的原子，因而激光蒸發(fā)法的粒子能量一般顯著高于其它的蒸發(fā)方法。在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材料將激光束引入真空室中，并要使用透鏡或凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。針對(duì)不同波長(zhǎng)的激光束，需要選用不同光譜透過特性的窗口和透鏡材料。激光加熱方法特別適用于蒸發(fā)那些成分比較復(fù)雜的合金或化合物材料，比如近年來研究較多的高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7等。這種方法也存在容易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜的均勻性的問題。,.,圖3.36LaserAblation薄膜沉積裝置,傳統(tǒng)蒸發(fā)沉積的問題之一是蒸發(fā)和參與沉積的能量低，只相當(dāng)于健合能的數(shù)十分之一，LA法和濺射鍍膜法在這方面有優(yōu)勢(shì)。,.,薄膜沉積的厚度均勻性,在物質(zhì)蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，這時(shí)考慮膜厚均勻性的基礎(chǔ)。物質(zhì)的蒸發(fā)源可以有不同的形狀，其中點(diǎn)蒸發(fā)源是最容易進(jìn)行數(shù)學(xué)處理的一種，而相對(duì)襯底距離較遠(yuǎn)尺寸較小的都可以被認(rèn)為相當(dāng)于點(diǎn)蒸發(fā)源。點(diǎn)源時(shí)我們可以設(shè)被蒸發(fā)物質(zhì)是由面積為Ae的小球面上均勻地發(fā)射出來的，這時(shí)，蒸發(fā)出來的物質(zhì)總量Me為,其中T為單位面積的蒸發(fā)速率，dAe為蒸發(fā)源表面單元，t為時(shí)間。,.,在上述的蒸發(fā)總量中，只有那些運(yùn)動(dòng)方向處在襯底所在空間角內(nèi)的原子才會(huì)落到襯底上。由于已經(jīng)假設(shè)蒸發(fā)源為一點(diǎn)源，因而襯底單位面積源dAs上沉積的物質(zhì)總量取決于其對(duì)應(yīng)的空間角大小，即襯底上沉積的原子質(zhì)量密度為：,其中為襯底表面與空間角法線方向的偏離角度，r是蒸發(fā)源于襯底之間的距離。由此可以進(jìn)一步求出物質(zhì)的質(zhì)量沉積速度和厚度沉積速度。顯然，薄膜的沉積速度與距離平方成反比，并與襯底和蒸發(fā)源之間的方向角有關(guān)。當(dāng)=0，r較小時(shí)沉積速率較大。,.,沉積厚度的均勻性是一個(gè)經(jīng)常需要考量的問題。而且需要同時(shí)沉積的面積越大，則沉積的均勻性越難以保證。圖示為對(duì)于點(diǎn)蒸發(fā)源和面蒸發(fā)源計(jì)算得出的沉積厚度隨襯底尺寸大小的變化情況。從曲線可以看出，點(diǎn)蒸發(fā)源所對(duì)應(yīng)的沉積均勻性稍好于面蒸發(fā)源的情況。,圖3.37點(diǎn)蒸發(fā)源與面蒸發(fā)源情況下薄膜相對(duì)沉積速率與襯底大小的關(guān)系,.,均勻性對(duì)策之一,在同時(shí)需要沉積的樣品數(shù)較多、而每個(gè)樣品的尺寸相對(duì)較小時(shí)，可采用下圖所示那樣的實(shí)驗(yàn)部置來改善樣品的厚度均勻性。其原理是當(dāng)蒸發(fā)源和襯底處在同一圓周上時(shí)，有cos=cos=0.5r/r0,其中r0為相應(yīng)圓周的半徑。,圖3.38為提高蒸發(fā)沉積的厚度均勻性采取的襯底放置方法,這時(shí)即使離蒸發(fā)源較遠(yuǎn)的襯底處于較為有利的空間角度，而較近的襯底處于不利的角度位置，因而使得薄膜的沉積厚度變得與角度無關(guān)。利用襯底轉(zhuǎn)動(dòng)還可以進(jìn)一步改進(jìn)蒸發(fā)沉積厚度的均勻性。,.,均勻性對(duì)策二,當(dāng)蒸發(fā)源與襯底之間存在某種障礙物時(shí)，物質(zhì)的沉積會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)，即蒸發(fā)來的物質(zhì)被障礙物阻擋而未能沉積到襯底上。顯然，蒸發(fā)沉積的陰影效應(yīng)可能破壞薄膜沉積的均勻性。在需要沉積的襯底不平甚至有一些較大的起伏時(shí)，薄膜的沉積將會(huì)受到蒸發(fā)源方向性的限制，造成有的部位沒有物質(zhì)沉積。同時(shí)，也可以在蒸發(fā)沉積時(shí)有目的地使用一些特定形狀地掩膜，從而實(shí)現(xiàn)薄膜地選擇性沉積。,圖3.39襯底不平及使用掩模選擇性沉積,.,常用MEMS物質(zhì)的蒸發(fā)工藝特性,圖3.31常用MEMS物質(zhì)的蒸發(fā)工藝,.,3.3.2離子濺射鍍膜,另外一種常用薄膜物理汽相沉積方法，它利用帶有電荷的離子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射的離子將在與靶表面的原子的碰撞過程中使后者濺射出來。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向飛向襯底，從而實(shí)現(xiàn)在襯底上的薄膜沉積。在這個(gè)過程中，離子的產(chǎn)生過程與等離子體的產(chǎn)生或氣體的輝光放電過程密切相關(guān)。因而需要對(duì)氣體放電這一物理現(xiàn)象有所了解。這也是離子刻蝕的基礎(chǔ)。,輝光放電與等離子體物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積裝置,.,輝光放電與等離子體,濺射的基本過程(以DC作用下的濺射為例)。在下圖的真空系統(tǒng)中，靶材是需要濺射的材料，它作為陰極，相對(duì)于陽(yáng)極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。陽(yáng)極可以為接地的，也可以處于浮動(dòng)電位或處于一定的正負(fù)電位。在對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空之后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，例如Ar作為氣體放電的載體，壓力一般處于10-110Pa的范圍內(nèi)。在正負(fù)電極高壓的作用下，極間的氣體原子被大量電離。電離過程使Ar原子變成Ar+離子和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中電子飛向陽(yáng)極，而帶正電的Ar+,則在高壓電場(chǎng)的作用下高速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放處其能量。離子高速撞擊的結(jié)果之一就是相當(dāng)多的原子獲得高能量，使其可以脫離靶材而飛向襯底。相對(duì)而言，濺射過程比蒸發(fā)過程要復(fù)雜得多，其定量描述也要困難得多。,圖3.310直流濺射沉積裝置示意圖,.,輝光放電的物理基礎(chǔ),圖3.311直流氣體放電模型(a)和氣體放電的伏安特性曲線(b),.,濺射現(xiàn)象,濺射僅是離子對(duì)物體表面轟擊時(shí)所可能發(fā)生的物理過程之一。每一種物理過程的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。利用不同能量的離子與固體表面相互作用過程不同，不僅可以實(shí)現(xiàn)原子的濺射，還可以觀察到諸如離子注入(離子能量1000keV)、離子的蘆瑟福背散射(1MeV)等。,圖3.311離子轟擊固體表面時(shí)發(fā)生的物理過程,a、b正向和大角度直接碰撞散射；c、d碰撞和通道效應(yīng)引起的離子注入；e多級(jí)碰撞散射f表面多原子散射；g表面吸附雜質(zhì)的去除及表面活化；h表面原子濺射位移；i、j濺射和原子位移誘發(fā)空位k吸附雜質(zhì)的注入；l薄膜物質(zhì)原子的自注入,.,濺射產(chǎn)額,濺射是一個(gè)離子轟擊物質(zhì)表面，并在碰撞過程中發(fā)生能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移，從而最終將表面原子激發(fā)出來的復(fù)雜過程。濺射產(chǎn)額是被濺射出來的原子數(shù)與入射原子數(shù)之比，它是衡量濺射效率的一個(gè)參數(shù)。它與入射離子能量、物質(zhì)種類、和入射角等因素有關(guān)。,.,只有當(dāng)入射離子能量超過一定的閥值以后、才會(huì)出現(xiàn)被濺射物表面濺射。每一種物質(zhì)的濺射閥值與入射離子的種類關(guān)系不大、但是與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定的比例關(guān)系。隨著入射離子能量的增加、濺射產(chǎn)額先是提高、其后能量達(dá)到10kev左右時(shí)趨于平緩。其后、當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時(shí)濺射產(chǎn)額反而下降當(dāng)入射離子能量達(dá)到100kev左右時(shí)發(fā)生注入。,圖3.312Ni的濺射產(chǎn)額與入射離子種類和能量之間的關(guān)系,.,濺射沉積裝置：,主要有以下四種濺射方法(1)直流濺射；(2)射頻濺射；(3)磁控濺射；(4)反應(yīng)濺射。,.,直流濺射,在直流濺射過程中，常用Ar作為工作氣體。工作氣壓是一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)濺射速率以及薄膜質(zhì)量都具有很大影響。,圖3.313濺射沉積速度與工作氣壓間的關(guān)系,.,在相對(duì)較低的氣壓條件下，陰極鞘層厚度較大，原子的電離過程多發(fā)生在距離靶材很遠(yuǎn)的地方，因而離子運(yùn)動(dòng)至靶材處的幾率較小。同時(shí)，低壓下電子的自由程較長(zhǎng)，電子在陽(yáng)極上消失的幾率較大，而離子在陽(yáng)極上濺射的同時(shí)發(fā)射出二次電子的幾率又由于氣體較低而相對(duì)較小。這使得低壓下的原子電離成為離子的幾率很低，在低于1Pa的壓力下甚至不易發(fā)生自持放電。這些均導(dǎo)致低壓條件下濺射速率很低。隨著氣體壓力的升高，電子的平均自由程減小，原子的電離幾率增加，濺射電流增加，濺射速率提高。但當(dāng)氣體壓力過高時(shí)，濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會(huì)受到過多的散射，因而其沉積到襯底上的幾率反而下降。因此隨著氣壓的變化，濺射沉積的速率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極值，如圖所示。一般來講，沉積速度與濺射功率（或?yàn)R射電流的平方）成正比，與靶材和襯底之間的間距成反比。,.,射頻濺射,使用直流濺射方法可以很方便地濺射沉積各類金屬薄膜，但這一方法的前提之一是靶材應(yīng)具有較好的導(dǎo)電性。由于一定的濺射速率就需要一定的工作電流，因此要用直流濺射方法濺射導(dǎo)電性較差的非金屬靶材的話，就需要大幅度地提高直流濺射裝置電源的電壓。顯然，對(duì)于導(dǎo)電性很差的非金屬材料的濺射，我們需要一種新的濺射方法。射頻濺射是適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。設(shè)想在圖3.310中設(shè)備的兩電極之間接上交流電源時(shí)的情況。當(dāng)交流電源的頻率低于50kHz時(shí)，氣體放電的情況與直流時(shí)候的相比沒有什么根本的改變，氣體中的離子仍可及時(shí)到達(dá)陰極完成放電過程。唯一的差別只是在交流的每半個(gè)周期后陰極和陽(yáng)極的電位互相調(diào)換。這種電位極性的不斷變化導(dǎo)致陰極濺射交替式地在兩個(gè)電極上發(fā)生。,.,當(dāng)頻率超過50kHz以后，放電過程開始出現(xiàn)以下兩個(gè)變化。第一，在兩極之間不斷振蕩運(yùn)動(dòng)的電子將可從高頻電場(chǎng)中獲得足夠的能量并使得氣體分子電離，而由電極過程產(chǎn)生的二次電子對(duì)于維持放電的重要性相對(duì)下降。第二，高頻電場(chǎng)可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進(jìn)入沉積室，而不必再要求電極一定要是導(dǎo)電體。因此，采用高頻電源將使濺射過程擺脫靶材導(dǎo)電性的限制。一般來說，在濺射中使用的高頻電源頻率已屬于射頻范圍，其頻率區(qū)間為530MHz。國(guó)際上通常采用的射頻頻率多為美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）建議的13.56MHz。使得射頻方法可以被用來產(chǎn)生濺射效應(yīng)的另一個(gè)原因是它可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場(chǎng)起作用的同時(shí)，靶材會(huì)自動(dòng)地處于一個(gè)負(fù)電位下，這導(dǎo)致氣體離子對(duì)其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。,.,上述電極自發(fā)產(chǎn)生負(fù)偏壓的過程與所用的靶材是否是導(dǎo)體或絕緣體無關(guān)。但是，對(duì)于靶材是金屬的情況，電源須經(jīng)電容C耦合至靶材，以隔絕電荷流通的路徑并形成自偏壓。另外，由于射頻電壓周期性地改變每個(gè)電極的電位，因而每個(gè)電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。解決這一問題的辦法在于加大非濺射極的極面面積，從而降低該極的自偏壓鞘層電壓。實(shí)際的做法常常是將樣品臺(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。在這種情況下，我們可以將兩個(gè)電極及其中間的等離子體看做是兩個(gè)電容的串聯(lián)，其中靶電極與等離子體間的電容因靶面積小而較小，另一電極與等離子體間的電容因電極面積大而較大。這樣一來，由于鞘層電壓降V與電極面積A的四次方成反比，即,其中，角標(biāo)c和d分別表示電極是經(jīng)過電容C或是直接耦合至射頻電源。,.,圖3.314射頻濺射裝置(a)和射頻濺射時(shí)靶電極子偏壓作用(b)示意圖,濺射靶,陽(yáng)極,.,磁控濺射,濺射沉積方法具有兩個(gè)缺點(diǎn)：第一，濺射方法沉積薄膜的沉積速度較低；第二，濺射所需的工作氣壓較高，這兩者的綜合效果是氣體分子對(duì)薄膜產(chǎn)生污染的可能性提高。因而，磁控濺射技術(shù)作為一種沉積速度較高，工作氣體壓力較低的濺射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。,.,我們知道，速度為v的電子在電場(chǎng)E和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中將受到洛侖茲力的作用：F=-q(E+vB)其中q為電子電量。當(dāng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)同時(shí)存在的時(shí)候，若E、v、B三者相互平行，則電子的軌跡仍是一條直線；但若v具有與B垂直的分量的話，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將是沿電場(chǎng)方向加速，同時(shí)繞磁場(chǎng)方向螺旋前進(jìn)的復(fù)雜曲線。即磁場(chǎng)的存在將延長(zhǎng)電子在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了它參與原子碰撞和電離過程的幾率，因而在同樣的電流和氣壓下可以顯著地提高濺射的效率和沉積的速率。,.,一般磁控濺射的靶材與磁場(chǎng)的布置形式如圖3.315所示。這種磁場(chǎng)設(shè)置的特點(diǎn)是在靶材部分表面上方使磁場(chǎng)與電場(chǎng)方向相垂直，從而進(jìn)一步將電子的軌跡限制到靶面附近，提高電子碰撞和電離的效率，而不讓它去轟擊作為陽(yáng)極的襯底。實(shí)際的做法可將永久磁體或電磁線圈放置在靶的后方，從而造成磁力線先穿出靶面，然后變成與電場(chǎng)方向垂直，最終返回靶面的分布，即如圖中所示的磁力線方向那樣。,圖3.315磁控濺射靶材表面磁場(chǎng)及電子的運(yùn)動(dòng)軌跡,.,在濺射過程中，由陰極發(fā)射出來的電子在電場(chǎng)的作用下具有向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。但是，在垂直磁場(chǎng)的作用下，它的運(yùn)動(dòng)軌跡被其彎曲而重新返回靶面，就如同在電子束蒸發(fā)裝置中電子束被磁場(chǎng)折向盛有被蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝一樣。目前，磁控濺射是應(yīng)用最廣泛的一種濺射沉積方法，其主要原因是這種方法的沉積速率可以比其他濺射方法高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這一方面要?dú)w結(jié)于在磁場(chǎng)中電子的電離效率提高、另一方面還因?yàn)樵谳^低氣壓下濺射原子被散射的概率減低。另外，由于磁場(chǎng)有效地提高了電子與氣體分子的碰撞幾率、因而工作氣壓可以顯著降低，即可由1Pa降低至10-1Pa。這一方面降低了薄膜污染的傾向，另一方面也將提高入射到襯底表面原子的能量，因而將可以在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。,.,3.3.3離子鍍,離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時(shí)，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诨?。離子鍍把輝光放電、等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合在一起，不僅可明顯提高鍍層的各種性能，而且可大大地?cái)U(kuò)充鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。離子鍍除兼有真空蒸鍍和真空濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)外，還具有膜層的附著力強(qiáng)、繞射性好、可鍍材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。,.,離子鍍?cè)?當(dāng)真空室抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性氣體。接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立起一個(gè)低壓氣體放電的等離子區(qū)。由于基片處于負(fù)高壓并被等離子體包圍，不斷受到正離子的轟擊，因此可有效地清除基片表面的氣體和污染物，使成膜過程中膜層表面始終保持清潔狀態(tài)。,圖3.316離子鍍?cè)韴D,.,離子鍍?cè)?同時(shí)，鍍材氣化蒸發(fā)后，蒸發(fā)粒子進(jìn)入等離子區(qū)，與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子以及電子發(fā)生碰撞，其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，正離子在負(fù)高壓電場(chǎng)加速作用下，沉積到基片表面成膜。被電離的鍍材離子和氣體離子一起受到電場(chǎng)的加速，以較高的能量轟擊基片或鍍層表面，這種轟擊作用一直伴隨著離子鍍的全過程。,圖3.316離子鍍?cè)韴D,.,離子鍍?cè)?在成膜過程中，同時(shí)存在沉積和濺射作用，只有當(dāng)沉積作用超過濺射作用時(shí)，才能發(fā)生薄膜的沉積。,圖3.316離子鍍?cè)韴D,.,離子鍍特點(diǎn),膜層附著性能好。因?yàn)樵陔x子鍍過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對(duì)基片表面產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)，對(duì)基片表面吸附的氣體和污染物進(jìn)行濺射清洗，使基片表面凈化，而且伴隨鍍膜過程這種凈化清洗隨時(shí)進(jìn)行，直至整個(gè)鍍膜完成；另一方面，離子鍍膜過程中濺射和沉積兩種現(xiàn)象并存，在鍍膜初期，可在膜基界面形成組分過渡層或膜材與基材的成分混合層，D.M.Mattox稱之為偽擴(kuò)散層。膜層的密度高(通常與大塊材料密度相同)。離子鍍過程中，膜材離子和高能中性原子帶有較高的能量到達(dá)基片，可以在基片上擴(kuò)散、遷移。而且膜材原子在空間飛行過程中即使形成了蒸氣團(tuán)，到達(dá)基片時(shí)也能被離子轟擊碎化，形成細(xì)小的核心，生長(zhǎng)為細(xì)密的等軸結(jié)晶。在此過程中，高能氬離子對(duì)改善膜層的結(jié)構(gòu)，并使之形成接近塊材的密度值發(fā)揮了重要作用。,.,離子鍍特點(diǎn),繞射性能好。離子鍍過程中，部分膜材原子被電離后，它們將沿著電場(chǎng)的電力線方向運(yùn)動(dòng)，凡是電力線分布之處，膜材離子都能到達(dá)工件的所有表面。另外，由于膜材在壓強(qiáng)較高情況下(1Pa)被電離，氣體分子的平均自由程比源基之間距離小，由于碰撞將產(chǎn)生非定向的氣體散射效應(yīng)，使膜材粒子散射在整個(gè)工件的周圍?？慑儾馁|(zhì)范圍廣泛?？稍诮饘倩蚍墙饘俦砻嫔襄兘饘倩蚍墙饘俨牧?。有利于化合物膜層的形成。在離子鍍技術(shù)中，在蒸發(fā)金屬的同時(shí)，向真空室內(nèi)通入某些反應(yīng)性氣體，則可反應(yīng)生成化合物。沉積速率高，成膜速度快，可鍍較厚的膜。,.,主要物理氣相沉積方法的特點(diǎn)比較,表3.32主要物理氣相沉積方法比較,.,主要物理氣相沉積方法的特點(diǎn)比較,圖3.317真空蒸鍍和離子鍍的比較,.,離子轟擊在離子鍍過程中的作用,1.在膜層沉積之前離子轟擊的效果(1)濺射濺射是一個(gè)動(dòng)量傳遞過程。入射粒子在近表面附近產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)。碰撞級(jí)聯(lián)中的離位原子與表面相互作用引起表面原子射出，即產(chǎn)生濺射。一般說來，隨著入射粒子質(zhì)量和能量的增加，濺射產(chǎn)額提高，而當(dāng)大部分能量在表面區(qū)耗散得較深時(shí)，則產(chǎn)生的碰撞級(jí)聯(lián)的主要部分不再和表面相互作用，致使濺射產(chǎn)額不再增加。濺射產(chǎn)額隨著粒子入射方向與樣品表面法線之間夾角的增加而增加，而當(dāng)此角度大于6070時(shí)，由于入射粒子從表面被反射作用的增強(qiáng)，濺射產(chǎn)額重又變小。,.,離子轟擊在膜層沉積之前離子轟擊的效果,(2)產(chǎn)生缺陷轟擊粒子傳遞給晶格原子的能量Ei決定于粒子的相對(duì)質(zhì)量并由下式給出：,式中,E為質(zhì)量為Mi的入射粒子的能量；Mt為靶原子質(zhì)量。如果傳遞的能量超過離位閾（大約是25eV），則晶格原子可以被離位到間隙位置并形成點(diǎn)缺陷。,(3)結(jié)晶學(xué)破壞如果離子轟擊產(chǎn)生的缺陷是十分穩(wěn)定的，則表面晶體結(jié)構(gòu)將被破壞而變成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，氣體的摻入也有破壞表面晶態(tài)結(jié)構(gòu)的效果。,.,離子轟擊在膜層沉積之前離子轟擊的效果,(4)改變表面形貌無論對(duì)晶體還是對(duì)非晶體來說，表面的離子轟擊都會(huì)造成表面形貌變化，造成表面粗糙化并引起濺射產(chǎn)額的變化。,(5)氣體參入低能離子轟擊會(huì)造成氣體摻入，并沉積在表面下層的薄膜之中。,(6)溫度升高,(7)表面成分變化,(8)進(jìn)表面材料的物理混合近表面材料的物理混合造成了所謂的偽擴(kuò)散層，因?yàn)檫@種混合過程既不需要溶解度，又不需要擴(kuò)散即可發(fā)生。,.,離子轟擊在離子鍍過程中的作用,2.離子轟擊對(duì)基體和鍍層交界面的影響(1)物理混合由于高能粒子注入，被濺射原子的背散射以及表面原子的反沖注入，將引起樣品近表面區(qū)的非擴(kuò)散型的混合。(2)增強(qiáng)擴(kuò)散(3)改善成核模式受離子轟擊的表面由于形貌變化和其他破壞作用，與沒有被轟擊的表面比較，可以提供更多的成核位置。(4)優(yōu)先去除松散結(jié)合的原子(5)改善表面覆蓋度,.,離子轟擊在離子鍍過程中的作用,3.離子轟擊在薄膜生長(zhǎng)中的作用在沉積過程中，對(duì)膜層的離子轟擊可能影響膜層形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分、物理性能及許多其他特性。(1)對(duì)形貌的影響,圖3.318真空中沉積薄膜的結(jié)構(gòu)模型,沉積膜的形貌取決于沉積原子是如何參加到現(xiàn)存的結(jié)構(gòu)中去的。對(duì)于光滑的表面來說，某一部位上的擇優(yōu)生長(zhǎng)可能來源于沉積原子不同的表面活動(dòng)性。擇優(yōu)生長(zhǎng)會(huì)引起晶粒的擇優(yōu)取向，并且隨著厚度增加造成表面粗糙化。隨著表面粗糙化，由于幾何陰影的作用，較高的部位更容易優(yōu)先生長(zhǎng)，由此便得到柱狀形貌的沉積物。預(yù)先存在的表面凹凸不平或優(yōu)先形成的核心，也將引起陰影和柱狀形貌。高的基體溫度由于增加了表面活動(dòng)性及鍍層與基體間的擴(kuò)散，并有可能發(fā)生再結(jié)晶，從而也會(huì)影響表面形貌。Movchan和Demchishan的結(jié)構(gòu)區(qū)域模式可以說明基體溫度對(duì)沉積膜層表面形貌的影響。,.,離子轟擊在薄膜生長(zhǎng)中的作用,(2)對(duì)結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)的影響結(jié)晶結(jié)構(gòu)一般受沉積原子表面遷移率的控制。低遷移率會(huì)得到非晶結(jié)構(gòu)或細(xì)晶粒材料。高遷移率會(huì)得到大晶粒材料并使結(jié)構(gòu)更加完善。(3)對(duì)沉積膜組分的影響正如前面所述，離子轟擊通過優(yōu)先濺射掉松散結(jié)合的原子，或把原子注入到生長(zhǎng)的表面區(qū)以形成亞穩(wěn)相，可以改變沉積材料的組分。(4)對(duì)膜層物理性能的影響殘余應(yīng)力大概是離子轟擊最顯著的影響之一。一般說來，蒸發(fā)沉積膜具有拉應(yīng)力，而濺射沉積膜具有壓應(yīng)力。應(yīng)力的大小常常達(dá)到塊體材料的屈服點(diǎn)，而在某些情況下，由于雜質(zhì)原子的摻入，應(yīng)力還可以超過純的塊體材料的屈服點(diǎn)。,.,離化率,由上面的敘述可以看到，離子鍍膜區(qū)別于一般真空鍍膜的許多特性都與離子、高速中性粒子參與了沉積過程有關(guān)。顧名思義，離子鍍是在等離子體內(nèi)，蒸發(fā)或?yàn)R射的原子部分或大部分被離化的情況下進(jìn)行沉積的。因此，離化率（即被電離的原子占全部蒸發(fā)原子的百分比）是離子鍍、過程中的一個(gè)重要指標(biāo)。特別是在活性反應(yīng)離子鍍的情況下，該指標(biāo)尤為重要，因?yàn)樗腔罨潭鹊闹饕笜?biāo)之一。蒸發(fā)原子和反應(yīng)氣體的離化程度對(duì)鍍層的各種性質(zhì)（如附著力、硬度、耐熱耐蝕性、結(jié)晶結(jié)構(gòu)等）都產(chǎn)生直接的影響。,.,離化率,在離子鍍過程中，被沉積的中性粒子所帶的能量：,Wv=nvEv,nv:單位時(shí)間在單位面積上所沉積的粒子數(shù)Ev:蒸發(fā)粒子的動(dòng)能Ev=3kTv/2,離子的能量Wi主要由陰極加速電壓決定：,Wi=niEi,ni:單位時(shí)間對(duì)單位面積轟擊的離子數(shù)Ei:離子的平均能量,Ei=eUiUi是沉積離子的平均加速電壓,.,離化率,薄膜表面的能量活性系數(shù)：,當(dāng)nvEv遠(yuǎn)小于niEi時(shí)有：,ni/nv：離子鍍過程的離化率C：可調(diào)節(jié)參數(shù),離子鍍過程中由于加速電壓Ui的存在，即使離化率很低也會(huì)影響離子鍍的能量活性系數(shù)。,.,離化率,下表為各種不同的方法在各自的ni/nv和Ui數(shù)值下，可以達(dá)到的能量活性系數(shù)。,由此表可以看出，在離子鍍中，可以通過改變Ui和ni/nv，將能量活性系數(shù)提高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。例如，使用Ui500V，ni/nv310-3的離子鍍就可以得到與濺射相同的能量活性系數(shù)。,表3.33真空鍍、濺射、離子鍍過程中膜層表面能量活性系數(shù),.,離子鍍的蒸發(fā)源,從原理上講，普通真空蒸鍍的蒸發(fā)源都可以用于離子鍍，其中包括電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、真空電弧加熱等。在實(shí)際選用蒸發(fā)源的過程中，需要綜合考慮被蒸發(fā)材料的性能，其中包括：熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、蒸氣壓；同氣氛的反應(yīng)性；蒸發(fā)速率和沉積速率等。對(duì)膜層性能的要求，包括膜厚及均勻性、可控性、膜層和基體的附著力，同時(shí)還要考慮到系統(tǒng)的真空度、維修和價(jià)格等。當(dāng)然，在離子鍍過程中，還要特別注意不同蒸發(fā)源工作的壓力范圍（圖3.319）、離化率以及活性反應(yīng)蒸鍍等問題。,圖3.319各種蒸發(fā)源工作的壓力范圍,.,離子鍍類型,如前所述，離子鍍膜的基本過程包括鍍料氣化蒸發(fā)、離化、離子加速、離子轟擊工件表面、離子之間的反應(yīng)、中和并在工件上成膜等，而且離子鍍?cè)O(shè)備要在真空、氣體放電的條件下完成這一系列過程。因此，一般說來，離子鍍?cè)O(shè)備要由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成；而不同類型的離子鍍方法采用不同的真空度，鍍料氣化采用不同的加熱蒸發(fā)方式，蒸發(fā)粒子及反應(yīng)氣體采用不同的電離及激發(fā)方式。下面簡(jiǎn)要介紹幾種國(guó)內(nèi)外常用的離子鍍類型。,.,直流二極型離子鍍,利用二電極間的輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的負(fù)偏壓對(duì)粒子加速。按照巴邢定律和氣體放電理論，其輝光放電氣壓只能維持6.671011Pa。由于工作壓、強(qiáng)較高，故對(duì)蒸鍍?nèi)埸c(diǎn)1400以下的金屬，如Au、Ag、Cu、Cr等多采用電阻加熱式蒸發(fā)源。,圖3.320直流二級(jí)型離子鍍示意圖,1-陽(yáng)極；2-蒸發(fā)源；3-進(jìn)氣口；4-輝光放電區(qū)；5-陰極暗區(qū)；6-基片；7-絕緣支架；8-直流電源；9-真空室；10-蒸發(fā)電源；11-真空系統(tǒng),.,優(yōu)點(diǎn)：鍍制的膜層均勻、具有較好的附著力和較強(qiáng)的繞射性，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，鍍膜工藝容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)：由于轟擊粒子能量大，對(duì)形成的膜層有剝離的作用，同時(shí)會(huì)引起基片的升溫，結(jié)果使膜層表面粗造，質(zhì)量差；低的真空度會(huì)對(duì)膜層造成污染，特別是輝光放電電壓和離子加速電壓電壓不易分別調(diào)整，工藝參數(shù)較難控制。,直流二級(jí)型離子鍍,.,三極或多陰極型離子鍍,將低能電子引入等離子區(qū)并使電子在等離子區(qū)的平均自由程增加，可顯著地提高蒸鍍粒子的離化效果。利用熱陰極6發(fā)射大量熱電子，在收集極的作用下橫向穿過被蒸發(fā)粒子流，發(fā)生碰撞電離。,圖3.321三型離子鍍示意圖,1-陽(yáng)極；2-進(jìn)氣口；3-蒸發(fā)源；4-電子吸收極；5-基片；6-熱電子發(fā)射極；7-直流電源；8真空室；9-蒸發(fā)電源；10-真空系統(tǒng),.,三極或多陰極型離子鍍,多陰極型是把被鍍基片作為陰極(主陰極)，在其旁側(cè)配置幾個(gè)熱陰極(多陰極)，利用熱陰極發(fā)出的電子促進(jìn)氣體電離，實(shí)際上是在熱陰極和陽(yáng)極的電壓下維持放電。,圖3.322多陰極方式離子鍍,1-陽(yáng)極；2-蒸發(fā)源；3-基片；4-發(fā)生熱電子陰極；5-可調(diào)電阻；6-燈絲電源；7-直流電源；8真空室；9-真空系統(tǒng)；10-蒸發(fā)電源；11-進(jìn)氣口,.,活性反應(yīng)離子鍍(ARE),活性反應(yīng)離子鍍(ActivatedReactiveEvaporation)在離子鍍過程中，在真空室內(nèi)導(dǎo)入能和金屬蒸氣起反應(yīng)的氣體，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或?qū)⑵鋼饺階r氣中，并利用各種放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活離化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面上獲得化合物薄膜。此技術(shù)是由美國(guó)R.F.Bunshan于1972年首先發(fā)明的，這種方法具有廣泛的適用價(jià)值。,圖3.323多陰極方式離子鍍,1-電源；2-反應(yīng)氣體；3-真空機(jī)組；4-基板；5-等離子體；6-電子槍；7-電子束蒸發(fā)源；8真空室；9-真空機(jī)組；10-差壓板；11-鍍料蒸發(fā)原子束流；12-反應(yīng)氣體導(dǎo)入環(huán)；13-探測(cè)電極,.,活性反應(yīng)離子鍍的特點(diǎn),基片加熱溫度低。由于電離增加了反應(yīng)物的活性，故容易在較低的溫度下獲得附著性能良好的碳化物、氮化物等膜層可在任何基材上制備薄膜，如金屬、玻璃、陶瓷、塑料等，并可獲得多種化合物膜沉積速率高。每分鐘可達(dá)數(shù)微米，比濺射沉積速率至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且可以制備厚膜調(diào)整或改變蒸發(fā)速度以及反應(yīng)氣體的壓力，可十分方便地制取不同配比和不同性質(zhì)的同類化合物清潔無公害,.,射頻離子鍍,采用了射頻激勵(lì)方式，所以被蒸鍍物質(zhì)氣化分子的離化率可達(dá)10左右，工作壓力一般為10-110-3Pa，僅為直流二極型的1，一般射頻線圈為7圈，高度為7cm。,圖3.324射頻離子鍍示意圖,1-熔化坩堝；2-熱電偶；3-基片支持架（陰極）；4-真空室；5-基片；6-RF線圈；7-匹配箱；8-同軸電纜；9-高頻電源；10-加速用直流電源；11-蒸發(fā)電源；12-真空系統(tǒng)；13-真空計(jì)；14-調(diào)節(jié)閥；15-反應(yīng)氣體入口,.,射頻離子鍍的特點(diǎn),蒸發(fā)、離化和加速三種過程可分別獨(dú)立控制；離化率介于直流放電型和空心陰極型之間在10-110-3Pa的高真空下也能穩(wěn)定放電，且離化率高，鍍層質(zhì)量好易進(jìn)行反應(yīng)離子鍍膜和其他離子鍍相比，基片溫升低，且容易控制這種方法由于工作真空度高，故鍍膜的繞射性差，射頻對(duì)人體有害,.,離子鍍類型,除了上述所列的離子鍍外，還有磁控濺射離子鍍、真空電弧離子鍍、空心陰極放電離子鍍等。,圖3.325空心陰極放電離子鍍,圖3.326多弧離子鍍示意圖,.,3.3.4其他物理氣相沉積法,活化反應(yīng)蒸發(fā)沉積,活化反映沉積技術(shù)可以被用于制備各種氧化物、碳化物、氮化物硬質(zhì)涂層的沉積。,圖3.327活化反應(yīng)蒸發(fā)沉積示意圖,.,離子束輔助沉積,偏壓濺射過程中離子對(duì)襯底表面的轟擊可以有效地改善薄膜的組織與性能。但是在上述方法中，等離子體的放電過程不易控制，因而入射離子的方向、能量、密度等很難得到綜合優(yōu)化。在離子束沉積中，使用單獨(dú)的離子源來完成對(duì)襯底的表面的轟擊。,圖3.328離子束輔助沉積裝置示意圖,.,離子團(tuán)束沉積,離子團(tuán)束沉積是利用具有一定能量的離化原子團(tuán)實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積。這種離化的原子團(tuán)可以包括幾百個(gè)甚至上千個(gè)原子，它在電場(chǎng)的加速下沉積在襯底上。在與襯底接觸的瞬間，原子團(tuán)發(fā)生破裂，原子分散開來并沉積在襯底表面。,圖3.329離子束團(tuán)束沉積裝置示意圖,.,離子團(tuán)束沉積的特點(diǎn),原子團(tuán)高速?zèng)_擊襯底將造成襯底局部溫度升高原子表面擴(kuò)散能力強(qiáng)創(chuàng)造活化的形核位置促進(jìn)各個(gè)薄膜核心連成一片，成膜性好高能量原子團(tuán)的轟擊具有濺射清潔襯底表面和離子淺注入作用促進(jìn)襯底表面發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)沉積速率高等,.,3.4化學(xué)氣相沉積,化學(xué)氣相沉積(Chemicalvapordeposition)是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積法是把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能源，借助氣相作用或在基片表面的化學(xué)反應(yīng)(熱分解或化合反應(yīng))生成要求的薄膜。,.,化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn),化學(xué)氣相沉積法(CVD)完全不同于物理氣相沉積法，但等離子體氣相沉積法等兼?zhèn)浠瘜W(xué)氣相沉積和物理氣相沉積的特點(diǎn)。CVD法是利用各種氣體反應(yīng)來組成薄膜，所以可任意控制薄膜組成，從而制備許多膜材。采用CVD法制備薄膜時(shí)，其生長(zhǎng)溫度顯著低于薄膜組成物質(zhì)的熔點(diǎn)，所得膜層均勻性好，具有臺(tái)階覆蓋性能，適宜于復(fù)雜形狀的基板。,.,化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用,化學(xué)氣相沉積法(CVD)應(yīng)用非常廣泛，可制備多種物質(zhì)薄膜，如各種單晶、多晶或非晶態(tài)物質(zhì)薄膜。所制備的薄膜包括固體電子器件所需的各種薄膜，軸承和工具的耐磨涂層，發(fā)動(dòng)機(jī)或核反應(yīng)堆部件的高溫防護(hù)涂層等。特別是在高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶體外延技術(shù)以及各種介電薄膜的制備中，大量使用了化學(xué)沉積技術(shù)。,.,化學(xué)氣相沉積裝置,各種CVD裝置都包括以下幾個(gè)部分：反應(yīng)氣體輸入部分，反應(yīng)激活能源供應(yīng)部分和氣體排出部分,圖3.41臥式開管CVD裝置,.,化學(xué)氣相沉積裝置,如同在物理氣相沉積是的情景一樣，針對(duì)不同的材料和使用目的，化學(xué)氣相沉積裝置可以有各種各樣不同的形式。以下介紹幾種常用的CVD裝置高溫和低溫CVD低壓CVD(LPCVD)等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD),.,高溫和低溫CVD,薄膜制備最重要的二個(gè)物理量，一個(gè)是氣相反應(yīng)物的過飽和度，另一個(gè)是沉積溫度。兩者相結(jié)合，確定了沉積過程的形核率、沉積速度和薄膜結(jié)構(gòu)的完整性。通過調(diào)整上述兩個(gè)參數(shù)，獲得的沉積產(chǎn)物可以是單晶狀態(tài)的、多晶態(tài)、甚至是非晶態(tài)的。要想得到高純度的單晶沉積，一般的條件是需要?dú)庀嗟倪^飽和度要低、沉