PVD基础知识..

物理气相沉积技术PVD(PhysicalVaporDeposition)物理气相沉积包括：真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜PVD过程的三个阶段：1.气相物质的产生2.气相物质的输运3.气相物质的沉积物理气相沉积技术1.气相物质的产生一种方法是使源物质加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜另一种方法是用具有一定能量的粒子轰击源物质靶，从靶上溅出源物质原子，称为溅射镀膜还有一种方法是用激光照射靶，利用热效应使靶材物质蒸发并等离子体化，称为脉冲激光沉积。物理气相沉积技术2.气相物质的输运气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片，并保证薄膜纯度和防止氧化。若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量太差。物理气相沉积技术3.气相物质的沉积气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。沉积过程包括粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜。真空蒸发真空蒸发沉积过程的步骤：1.蒸发源材料由凝聚相转变为气相2.在蒸发源和基片之间蒸发粒子的输运3.蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量使待蒸发材料蒸发出来，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上沉积的过程。真空蒸发真空蒸发系统：真空室蒸发源或蒸发加热装置放置基片及给基片加热装置真空蒸发真空蒸发镀膜原理图真空蒸发根据使蒸发源材料变成气相的不同方法，可将真空蒸发分为：电阻加热蒸发、闪烁蒸发（瞬间蒸发）、电子束蒸发、激光消融蒸发、射频加热蒸发等。真空蒸发优点：简单便利，操作容易，成膜速度快，效率高缺点：形成的薄膜与基片结合较差溅射镀膜溅射镀膜是在真空中利用荷能离子轰击靶表面，使被轰击出的靶材粒子在基片上沉积成膜的技术。溅射镀膜一般来说，当离子照射固体表面时，依入射离子能量E的不同，会引起三种现象：沉积(E≤500eV)溅射(E≥500eV)离子注入(E≥500eV)。溅射镀膜溅射镀膜相对于真空蒸发镀膜，溅射镀膜具有如下特点：1.对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可以实现溅射2.溅射所获得的薄膜与基片结合较好3.溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好4.溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜5.易控制膜成分，可以制取各种不同成分和配比的合金膜6.可以进行反应溅射，制取各种化合物膜和多层膜溅射存在的缺点是：相对于真空蒸发，它的沉积速率低，基片会受到等离子体辐照等作用而产生温升。溅射镀膜溅射镀膜的分类：1.二极溅射2.磁控溅射3.射频（RF）溅射4.离子束溅射5.反应溅射溅射镀膜直流二极溅射是一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电管结构。被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极。阴极上接1～3KV的直流负高压，阳极通常接地。工作时先抽真空，再通氩气，使真空室内达到溅射气压。接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阴极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉积在基片表面，形成靶材料的薄膜。溅射镀膜直流二极溅射示意图：该方法的优点是结构简单、控制方便。缺点是沉积速率低，工作压力高时杂质污染严重，大量二次电子直接轰击基片，使基片温度过高。溅射镀膜在二极辉光放电中，离子轰击会使阴极(靶)放出二次电子。这些二次电子在电场作用下被加速并沿直线运动。在运动过程中和气体分子发生电离碰撞，由此维持放电的正常进行。利用这种辉光放电的二极溅射，溅射镀膜时的工作气压通常要求在2～10Pa的范围。如果压力低于2Pa，放电不能维持。如果在阴极位降区域施加一个和电场垂直的磁场，以控制二次电子的运动，使二次电子跳跃式地沿着环状磁场转圈(如图)。相应地，环状磁场部位是等离子体密度最高的区域。在磁控溅射时，可以看见溅射气体Ar气在这个区域发出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环。处于光环下的靶材是被离子轰击最严重的部位，会溅射出一条环状沟槽。溅射镀膜溅射镀膜二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，与气体分子碰撞的机会大大增加，使原子电离的机会增加，可大大提高溅射产额，使沉积速率提高一个数量级。磁场使气体的离化率大大提高，使系统在比较低的溅射电压和低气压下也能维持放电。高密度等离子体被磁场约束在靶面附近，不与基片接触。电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等离子体的轰击。电子被封闭在等离子体中，只有在其能量耗尽以后才能脱离靶面落在阳极(基片)上，这是基片升温低、低损伤小的主要原因。溅射镀膜射频溅射磁控溅射一般有两种，直流磁控溅射和中频脉冲磁控溅射，它们适合于沉积金属和半导体薄膜，而不能沉积绝缘材料薄膜。因为当靶材是绝缘材料时，随着溅射过程的进行，阴极电位会不断升高，以至于阳离子无法继续轰击靶材，使溅射过程无法进行下去。溅射镀膜射频溅射在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。射频溅射的两个电极，既然是接在交变的射频电源上，似乎就没有阴极与阳极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极并不是对称的。放置基片的电极与机壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。另一电极对于等离子处于负电位，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。溅射镀膜射频溅射的缺点：1.大功率的射频电源价格昂贵2.对人体有很大伤害溅射镀膜离子束溅射常规的溅射系统的一个缺点是工作压强较高，由此导致溅射获得的膜层中可能有气体分子的进入。在离子束溅射沉积中，由离子源产生的离子束通过引出电压被引入到真空室中，然后直接打到靶材上并将靶材原子溅射出来，最后沉积在附近的基片上。溅射镀膜溅射镀膜离子束溅射的优点：工作压强低减少气体进入薄膜溅射粒子在输运过程中较少受到气体分子的散射作用可以改变离子束的方向以改变离子束入射到靶的角度以及沉积在基片上的角度缺点：离子束可轰击到的靶面积太小，沉积率一般较低，不适宜沉积厚度均匀的大面积薄膜。溅射镀膜反应溅射在存在反应气体的情况下，靶材上溅射出来的原子会和反应气体反应生成化合物（如氧化物，氮化物）而沉积在基片上，这种溅射称为反应溅射。离子镀离子镀是一种利用等离子体进行蒸镀的方法。其原理是将低压气体引入真空蒸镀装置内，外加一电场使气体电离产生等离子体，在等离子体区内由于碰撞作用发生电荷交换，结果使蒸发粒子部分离化。由于蒸发粒子中含有许多离子，在电场中被加速，从而提高了膜基结合力和薄膜的致密性。产生等离子体的方法有直流放电法、射频放电法等多种。类型粒子荷电性能量（eV）沉积速率绕射性基片负荷蒸发中性0.10.3高差接0溅射中性310低差接0或负偏压离子镀带正电10100高好接负蒸发、溅射和离子镀特点比较离子镀对于真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的每个沉积粒子所带的能量是不同的。热蒸镀原子大约0.2eV，溅射原子大约1-50eV，而离子镀中轰击离子大概有几百到几千电子伏特。离子镀一般来说是离子轰击膜层，实际上有些离子在行程中与其他原子发生碰撞时可能发生电荷转移而变成中性原子，但其动能并没有变化，仍然继续前进轰击膜层。由此可见，所谓离子轰击，确切地说应该是既有离子又有原子的粒子轰击。离子镀离子轰击在离子镀过程中的作用1.离子轰击对基片的影响对基片表面起到溅射清洗的作用使基片表面产生缺陷有可能导致基片结晶结构的破坏使基片表面形貌发生变化可能造成气体在基片表面渗入，同时离子轰击的加热作用也会引起渗入气体的释放使基片表面温度升高有可能导致基片化学成分的变化离子镀离子轰击在离子镀过程中的作用2.离子轰击对基材和膜层交界面的影响在膜层－基片所形成的界面形成伪扩散层使表面偏析作用加强，从而增强沉积原子与基片原子的相互扩散使沉积原子和表面发生较强的反应，使其在表面的活动受到限制，而且成核密度增加，促进连续膜的形成会优先清洗掉松散结合的界面原子，使界面变得更加致密，结合更加牢固可以大幅改善基片表面覆盖度，增加绕射性离子镀离子轰击在离子镀过程中的作用3.离子轰击对薄膜生长的过程的影响离子轰击能消除柱状结构的形成。离子轰击往往会增加膜层内应力。离子镀膜过程中，离子轰击通过强迫原子处于非平衡位置从而增加应力。在沉积过程中，离子对膜层的轰击可能影响膜层的形貌、晶体结构、成分、物理性能及许多其他特性。离子镀阴极电弧离子镀的原理阴极电弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属而在基片上沉积。离子镀被蒸发的靶材接阴极，真空室为阳极，当通有几十安培的触发电极与阴极靶瞬间脱离时，就会引起电弧，在阴极表面产生强烈发光的阴极弧斑，弧斑直径在100μm以下，弧斑内的电流密度可达105~107A/cm2，于是在这一区域内的材料就瞬时蒸发并电离。阴极弧斑在阴极表面上，以每秒几十米的速度做无规则运动，使整个靶面均匀的被消耗。外加磁场用来控制弧斑的运动。电弧是一低电压高电流的放电过程，电弧在15～50V的电压范围内达到自持，自持电压的大小取决于阴极靶材，通常产生电弧的电流在30～400A之间。离子镀离子镀离子镀多弧离子镀的特点：①从阴极直接产生等离子体，不用熔池，而且靶可以根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。②入射粒子的能量高，大约为几十电子伏，膜的致密度高，强度和耐久性好，膜层和基体界面产生原子扩散，因此膜层的附着强度好。③离化率高，一般可达60%-80%。④沉积速率快。离子镀多弧离子镀的缺陷目前存在的主要问题是，弧斑喷射的液滴飞溅到膜层上会使膜层粗糙，导致膜层结构疏松，孔隙很多，对耐蚀性极为不利。离子镀阴极材料（也称靶材）一般采用钛、铬、锆等金属，还可使用钛铝等合金材料。常用反应气体为氮气、碳氢化合物气体（如乙炔和甲烷）、氧气等。工作气体一般为氩气。氢气也可作为反应气体使用，但由于其危险性，工业生产中很少用到。常见的PVD镀层有TiN、TiC、ZrN、ZrCN、ZrO等。离子镀PVD镀膜的主要步骤：1.前处理2.抽真空3.辉光清洗4.非反应沉积5.反应沉积