物理氣相沉積物理氣相沉積(PhysicalVaporDeposition，PVD)技術(shù)通常指滿意下面三個(gè)步驟的一類薄膜生長(zhǎng)技術(shù)：A.所生長(zhǎng)的材料以物理的方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體；B.生長(zhǎng)材料的蒸汽經(jīng)過一個(gè)低壓區(qū)域到達(dá)襯底；C.蒸汽在襯底表面上凝聚，形成薄膜。物理氣相沉積的主要方法有，蒸發(fā)沉積（蒸鍍）、濺射沉積（濺射）和離子鍍等。發(fā)展到目前，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。沉積膜層厚度一般為為10-1nm~mm。定義一、真空蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）標(biāo)題圖1真空蒸鍍裝置示意圖1.襯底加熱器；2.襯底；3.原料；4.料舟；5.真空罩5利用真空泵將淀積室抽成“真空”，然后用高熔點(diǎn)材料制成的蒸發(fā)源將淀積材料加熱、蒸發(fā)、淀積于基片上。特點(diǎn)：（1）操作方便，沉積參數(shù)易于控制；（2）制膜純度高，可用于薄膜性質(zhì)研究；（3）可在電鏡監(jiān)測(cè)下進(jìn)行鍍膜，可對(duì)薄膜生長(zhǎng)過程和生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行研究。（4）膜沉積速率快，還可多塊同時(shí)蒸鍍；（5）沉積溫度較高，膜與基片的結(jié)合強(qiáng)度不高。蒸鍍分餾問題由于各組分的飽和蒸氣壓不同，因而蒸發(fā)速率不同，造成沉積膜的成分與母體不同（分餾），薄膜本身成分也隨厚度而變化（分層）。合金在蒸發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)生分餾設(shè)：物質(zhì)含A，B成分，MA、MB，PA、PB，則由（3）式，得

：改進(jìn)工藝：1）選擇基片溫度，使之有利于凝聚而不是分凝；2）選用幾個(gè)蒸發(fā)源，不同溫度下分別淀積，但控制困難；3）氧化物，可采用反應(yīng)蒸鍍法，引入活性氣體。蒸發(fā)源類型

（1）電阻加熱蒸發(fā)源

選擇原則：在所需蒸發(fā)溫度下不軟化，飽和蒸氣壓小，不發(fā)生反應(yīng)；一般采用高熔點(diǎn)金屬如鎢、鉭、鉬等材質(zhì)，常作成螺旋絲狀或箔舟狀，如圖2.所示。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，使用廣泛；存在污染，也不能蒸鍍高Tm材料。圖2各種電阻加熱蒸發(fā)源螺旋絲狀加熱器要求熔融的蒸發(fā)料能夠浸潤(rùn)螺絲或者有足夠的表面張力以防止掉落，它的優(yōu)點(diǎn)是可以從各個(gè)方向發(fā)射蒸氣。箔舟狀加熱器的優(yōu)點(diǎn)是可蒸發(fā)不浸潤(rùn)加熱器的材料，效率較高（相當(dāng)于小型平面蒸發(fā)源），缺點(diǎn)是只能向上蒸發(fā)。（2）電子束加熱蒸發(fā)源原理：電子束集中轟擊膜料的一部分而進(jìn)行加熱的方法。優(yōu)點(diǎn):（1）可以直接對(duì)蒸發(fā)材料加熱；（2）裝蒸發(fā)料的容器可以是冷的或者用水冷卻，從而可避免材料與容器的反應(yīng)和容器材料的蒸發(fā)；（3）可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料，例如：鎢（Tm=3380℃）、鉬(Tm=2610℃)和鉭（Tm=3000℃）等耐熱金屬材料。缺點(diǎn)：（1）裝置復(fù)雜；（2）只適合于蒸發(fā)單元元素；（3）殘余氣體分子和蒸發(fā)材料的蒸氣會(huì)部分被電子束電離。

另外，還有高頻加熱蒸發(fā)源、激光蒸發(fā)源等。（1）蒸鍍合金膜——會(huì)產(chǎn)生分餾，解決對(duì)策——連續(xù)加料，調(diào)節(jié)熔池成分，同時(shí)注意使熔池溫度和體積保持恒定。（2）蒸鍍難熔化合物膜——多數(shù)會(huì)分解例如：A12O3，解決對(duì)策——適當(dāng)通氧（3）反應(yīng)鍍膜不同膜層工藝特點(diǎn)蒸鍍的特點(diǎn)和用途特點(diǎn)：鍍膜速率快，可多塊同鍍，操作方便，參數(shù)易于控制，可適時(shí)監(jiān)控成膜過程，但膜與基片的結(jié)合強(qiáng)度不高，還存在分餾問題。用途：鍍制導(dǎo)電膜、增透膜、Al膜等。

分子束外延分子束外延的英文縮寫為MBE，是一種特殊的真空鍍膜工藝。這是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。應(yīng)用：分子束外延不僅可用來(lái)制備現(xiàn)有的大部分器件，而且也可以制備許多新器件，包括其它方法難以實(shí)現(xiàn)的，如借助原子尺度膜厚控制而制備的超晶格結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管和多量子阱型激光二極管等。我們?cè)诠嚿峡吹降能囌绢A(yù)告板，在體育場(chǎng)看到的超大顯示屏，其發(fā)光元件就是由分子束外延制造的。分子束外延的特點(diǎn)（1）生長(zhǎng)速率極慢，大約1um/小時(shí)，相當(dāng)于每秒生長(zhǎng)一個(gè)單原子層，因此有利于實(shí)現(xiàn)精確控制，是一種原子級(jí)的加工技術(shù)。（2）外延生長(zhǎng)的溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對(duì)外延層的自摻雜擴(kuò)散影響。（3）由于生長(zhǎng)是在超高真空中進(jìn)行的，外延過程中可避免沾污，因而能生長(zhǎng)出質(zhì)量極好的外延層。（4）MBE是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，即將入射的中性粒子（原子或分子）一個(gè)一個(gè)地堆積在襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)，而不是一個(gè)熱力學(xué)過程，所以它可以生長(zhǎng)按照普通熱平衡生長(zhǎng)方法難以生長(zhǎng)的薄膜。（5）MBE是一個(gè)超高真空的物理沉積過程，既不需要考慮中間化學(xué)反應(yīng)，又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?，并且利用快門可以對(duì)生長(zhǎng)和中斷進(jìn)行瞬時(shí)控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。二、濺射鍍膜標(biāo)題1.概述（1）濺射現(xiàn)象（1842，Grove提出）當(dāng)高能粒子（通常是由電場(chǎng)加速的正離子）沖擊固體表面時(shí)，固體表面的原子、分子與這些高能粒子交換能量，從而由固體表面飛濺出來(lái)的現(xiàn)象。濺射鍍膜:1870年，工業(yè)應(yīng)用：1930年以后。（2）區(qū)別：蒸鍍：讓材料加熱氣化（發(fā)射出粒子），再沉積到基片上成膜；濺射：用離子轟擊，將靶材原子打出來(lái)，再沉積到基片上成膜。二、濺射鍍膜濺射鍍膜特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

a.使用范圍寬，原則上任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高Tm、低分解壓的材料；

b.膜質(zhì)好，膜密度高，無(wú)氣孔，附著性好；

c.可制備摻雜膜、氧化物膜和超高純膜等。缺點(diǎn)：

a.設(shè)備復(fù)雜，沉積參數(shù)控制較難；

b.沉積速率低，約0.01～0.5

m/min，而蒸鍍?yōu)?.1～5

m/min濺射的基本原理：濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，整個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來(lái)源于氣體放電，不同的濺射技術(shù)采用的輝光放電方式有所不同。例如:直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場(chǎng)控制下的輝光放電。

設(shè)備——真空二極管；陰極——被濺射的材料；陽(yáng)極——基片；

10Pa一1Pa；數(shù)百伏的電壓。機(jī)制：放電產(chǎn)生的等離子體中的正離子經(jīng)陰極暗區(qū)的電場(chǎng)加速而飛向陰極靶，不僅能打出靶面原子（濺射材料），而且還會(huì)轟擊出二次電子，二次電子在飛向陽(yáng)極的過程中，又與其它氣體分子碰撞使之電離，使輝光放電持續(xù)不斷的進(jìn)行下去。圖3輝光放電輝光放電3.濺射機(jī)理的兩種假說(shuō)（1）Hippel理論（1926提出）離子轟擊靶產(chǎn)生的局部高溫使靶材料（陰極材料）的局部蒸發(fā)，在陽(yáng)極上沉積制膜。（2）動(dòng)能轉(zhuǎn)移機(jī)理（Stark,1909，Langmuir,Henschk）(I)濺射出的原子能量比熱蒸發(fā)原子能量高一個(gè)數(shù)量級(jí)；(II)轟擊離子存在一個(gè)臨界能量，低于這個(gè)能量，不能產(chǎn)生濺射；(Ⅲ)濺射系數(shù)=濺射原子數(shù)/轟擊離子數(shù),既與轟擊離子的能量有關(guān)，也與轟擊離子的質(zhì)量有關(guān)；(Ⅳ)離子能量過高，濺射系數(shù)反而下降,可能是因?yàn)殡x子深入到靶材內(nèi)部，能量沒有交給表面附近原子的緣故；(Ⅴ)濺射原子出射的角分布，對(duì)于單晶靶材，粒子主要沿幾個(gè)方向出射。最強(qiáng)的出射方向?qū)?yīng)于晶格中原子最密集排列的方向，這種現(xiàn)象可用“聚焦碰撞”解釋。4.二級(jí)濺射圖4二極濺射裝置示意圖影響濺射工藝的主要因素：a.放電氣體壓強(qiáng)P；b.放電電壓VDC；c.放電電流IDC；d.可調(diào)參量：IDC；P；特點(diǎn)：方法及設(shè)備簡(jiǎn)單；放電不穩(wěn)，常因局部放電引起IDC變化；沉積速率低。

最早采用的一種濺射方法，現(xiàn)在已經(jīng)漸趨于淘汰。5.磁控濺射基本原理：

電子在電場(chǎng)的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場(chǎng)的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。特點(diǎn)：成膜速率高，基片溫度低，膜的粘附性好，可實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜。6.離子束濺射

——通過采用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子

圖5離子束濺射示意圖圖6寬束離子源寬束離子源濺射特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

a.能夠獨(dú)立控制轟擊離子的能量和束流密度，有利于控制膜層質(zhì)量；b.真空度比磁控濺射高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于降低膜層中雜質(zhì)氣體的含量。缺點(diǎn)a.鍍膜速率低，～0.1

m/min；b.不宜鍍制大面積膜。三、離子鍍

——在鍍膜的同時(shí)，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術(shù)，其目的在于改善膜層的性能。

原理：利用低壓氣體放電，使膜材原子電離，用這種帶能離（粒）子轟擊基片表面而淀積成膜的技術(shù)，是真空蒸鍍與真空濺射的有機(jī)結(jié)合。特點(diǎn)：（1）可在較低的溫度下鍍膜，不需后處理；（2）膜層附著性好；圖7離子鍍Ti裝置示意圖空心陰極離子鍍（HCD,Moley,1972提出,1979產(chǎn)品）原理如圖所示：陰極——鉭管，陽(yáng)極——鍍料；弧光放電時(shí)，電子轟擊鍍料（陽(yáng)極），使其熔化便實(shí)現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時(shí)，基片加上負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引氬離子向其自身轟擊，從而實(shí)現(xiàn)離子鍍。圖8空心陰極孤光放電示意圖應(yīng)用：廣泛用于鍍制TiN超硬膜；鍍制TiN仿金裝飾膜鍍TiN膜的高速鋼刀具可提高壽命3倍以上，甚至有高達(dá)數(shù)十倍。多弧離子鍍多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，蒸發(fā)物是從陰極弧光輝點(diǎn)放出的陰極物質(zhì)的離子，從而在基材表面沉積成為薄膜的方法。優(yōu)點(diǎn)：（1）從陰極直接產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，