物理氣相沉積

原理及技術PVD

（PhysicalVaporDeposition）第八章－氣相沉積什麼是等離子體

藉由外加的電場能量來促使氣體內的電子獲得能量並加速撞擊不帶電中性粒子，由於不帶電中性粒子受加速電子的撞擊後會產生離子與另一帶能量的加速電子，這些被釋出的電子，在經由電場加速與其他中性粒子碰撞。如此反覆不斷，進而使氣體產生崩潰效應(gasbreakdown)，形成等離子狀態。等離子體性質

1.整體來說，等離子體的內部是呈電中性的狀態，也就是帶負電粒子的密度與帶正電粒子的密度是相同的。2.因為等離子體中正、負離子的個數幾乎是一比一，因此電漿呈現電中性。3.等離子體是由一群帶電粒子所組成，所以當有一部分受到外力作用時，遠處部份的電漿，乃至整群的電漿粒子都會受到影響，這叫做「等離子體的群體效應」。4.具有良好的導電性和導熱性。PVD顧名思義是以物理機制來進行薄膜堆積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象蒸鍍(Evaporation)濺鍍(Sputtering)PVD1EvaporationMaterialSubstrateHeaterVacuumchamberCloud2SputteringMaterialSubstratePlasma兩種常見的薄膜結構單層膜周期結構多層膜SubstrateASubstrateABABPVD簡介“物理氣相沉積”通常指滿足下面三個步驟的一類薄膜生長技術:所生長的材料以物理的方式由固體轉化為氣體生長材料的蒸汽經過一個低壓區域到達襯底蒸汽在襯底表明上凝結，形成薄膜PVD的特性需要使用固態的或者熔融態的物質作為沉積過程的源物質；源物質經過物理過程而進入氣相；需要相對較低的氣體壓力環境；在氣相中及在襯底表面并不發生化學反應“物理吸附”:約束能<0.434eV/atom(10cal/mol)比外延生長速率快很多襯底與薄膜材料不一定要有聯系厚度范圍:典型薄膜：nm─103nm，也可以生長更厚的膜PVD的物理原理塊狀材料

(靶材)薄膜物質輸運能量輸運能量襯底PVD所需實驗條件高真空(HV)高純材料清潔和光滑的襯底表面提供能量的電源二.真空蒸鍍物質的熱蒸發真空蒸鍍工藝熱蒸發；電子束蒸發；電弧蒸發；脈沖激光沉積1.物質的熱蒸發利用物質在高溫下的蒸發現象，可以制備各種薄膜材料。與濺射法相比，蒸發法的顯著特點之一是其較高的背底真空度。在較高的真空度條件下，不僅蒸發出來的物質原子或分子具有較長的平均自由程，可以直接沉積到襯底表面上，而且還可以確保所制備的薄膜具有較高的純凈程度。2.真空蒸鍍工藝非連續蒸鍍的工藝流程是：鍍前準備抽真空離子轟擊預熱蒸發烘烤鍍后處理檢測抽高真空取件成品2.1熱蒸發基本思想：提高溫度，熔解并蒸發材料將材料置于某種容器內（上）將用高熔點金屬(W,Mo,Ta,Nb)制成的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料在被加熱物質或坩堝通上射頻交流電，利用電磁感應加熱材料（此時被加熱物質或坩堝應具有一定的導電性）熱蒸發的缺點電阻加熱裝置的缺點之一是來自坩堝、加熱元件以及各種支撐部件的可能的污染。另外，電阻加熱法的加熱功率或加熱溫度也有一定的限制。因此電阻加熱法不適用于高純或難熔物質的蒸發。電子束蒸發裝置正好克服了電阻加熱法的上述兩個不足，因而它已成為蒸發法高速沉積高純物質薄膜的一種主要的加熱方法。2.2電子束蒸發用高能聚焦的電子束熔解并蒸發材料材料置于冷卻的坩堝內只有小塊區域被電子束轟擊

-坩堝內部形成一個虛的“坩堝”

-“skulling”不與坩堝材料交叉污染，清潔。2.3電弧蒸發裝置與電子束加熱方式相類似的一種加熱方式是電弧放電加熱法。它也具有可以避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染，加熱溫度較高的特點，特別適用于熔點高，同時具有一定導電性的難熔金屬、石墨等的蒸發。同時，這一方法所用的設備比電子束加熱裝置簡單，因而是一種較為廉價的蒸發裝置。在電弧蒸發裝置中，使用欲蒸發的材料制成放電的電極。在薄膜沉積時，依靠調節真空室內電極間距的方法來點燃電弧，而瞬間的高溫電弧將使電極端部產生蒸發從而實現物質的沉積?？刂齐娀〉狞c燃次數或時間就可以沉積出一定厚度的薄膜。

電弧加熱方法既可以采用直流加熱法，又可以采用交流加熱法；這種方法的缺點之一是在放電過程中容易產生微米量級大小的電極顆粒的飛濺，從而會影響被沉積薄膜的均勻性2.4脈沖激光沉積用高能聚焦激光束轟擊靶材蒸發只發生在光斑周圍的局部區域蒸發材料被直接從固體轉化為等離子體能轟擊出來大尺寸的顆粒光束滲透深度小

~100A,蒸發只發生在靶材表面三.濺射鍍膜濺射鍍膜原理真空鍍磁控濺射關于濺射薄膜物理氣相沉積的第二大類方法是濺射法。這種方法利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引向預被濺射的物質做成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中將后者濺射出來。這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，從而實現薄膜的沉積。在此過程中，離子的產生過程與等離子體的產生或氣體的放電現象密切相關。因而，我們首先需要對氣體放電這—物理現象有所了解，其后再詳細介紹離子濺射以及薄膜的沉積過程。最后，我們還將簡要介紹各種不同的濺射方法，以及多種比較特殊的物理氣相沉積技術。氣體放電現象與等離子體直流電場作用下物質的濺射現象：在真空系統中，靶材是需要濺射的材料，它作為陰極，相對于作為陽極并接地的真空室處于一定的負電位。沉積薄膜的襯底可以是接地的，也可以是處于浮動電位或是處于一定的正、負電位。在對系統預抽真空以后，充入適當壓力的惰性氣體，例如以Ar作為放電氣體時，其壓力范圍一般處于10－1-10Pa之間。在正負電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離。電離過程使Ar原子電離為Ar＋離子和可以獨立運動的電子，其中的電子會加速飛向陽極，而帶正電荷的正離子則在電場的作用下加速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出相應的能量。離子高速撞擊靶材的結果之一是使大量的靶材表面原子獲得了相當高的能量，使其可以脫離靶材的束縛而飛向襯底。當然，在上述濺射的過程中，還伴隨有其他粒子，包括二次電子等從陰極的發射過程。擇優濺射靶材中的不同成分的濺射產值不一樣不同成分的出射速度不一樣薄膜的化學配比與靶材會有差別濺射沉積法(sputterdeposition濺射sputtering)-1852年威廉?羅勃?葛洛夫(WilliamRobertGrove)爵士設計，廣泛用在人工珠寶鍍色，光學透鏡或玻璃上的鍍膜，可將任何材料沈積在任何基材上-物理氣相沈積

(physicalvapordeposition,PVD)濺射原理

－靶(target原料)被接地(負電

)－氬原子被電離(正電)－氬離子被靶板吸引，撞擊靶板－氬離子將靶板原子及二次電子被擊出敲出(濺射的動作sputtering)－濺射出的靶原子，一部分到達晶圓上－二次電子被加速至陽極途中促成更多的解離。濺鍍(Sputter)原理VacuumpumpTakesplaceinavacuumchamberElectricalchargeisformedbetweenthesubstrateandcathodeGasisinjectedinchamberIonshitthetargetandknockoffatomsTargetatomsland(condense)onsubstratetoformathinfilmTargetMaterial(Cathode)SubstrateEnergyIonsmoveinplasmaGasPlasmaGasionizes-formsaplasma主要特色靶材沈積在晶圓上時，不會造成任何化學變化或成分改變直接利益

-沈積合金和介電材料

-善階梯的覆蓋性

-膜和晶圓表面間的黏著性比蒸鍍法好濺鍍方法二極式電偶diode(直流)

二極式電偶diode(射頻RF高週波)

三極式電偶triode

磁控濺射magnetron濺射鍍膜方法方法：

直流濺射：濺射沉積各類金屬薄膜

射頻濺射：濺射沉積非金屬材料（導電性差）

磁控濺射：提高沉積速率反應濺射：在濺射過程中實現物質之間的化學反應制備所需要的物質薄膜。

3.1直流濺射直流濺射的設備較為簡單。但它具有一個很大的缺點，即它不能獨立地控制各個工藝參量，包括陰極電壓、電流以及濺射氣壓。另外，直流濺射使用的氣體壓力也較高(10Pa左右)，濺射速率較低，這不利于減小氣氛中的雜質對薄膜的污染以及濺射效率的提高，因而目前直流濺射方法已較少采用。

3.2射頻濺射沉積直流濺射可以沉積各類合金薄膜，但靶材應有好的導電性。一定的濺射速率需要一定的工作電流，因此直流濺射方法濺射導電性差的非金屬靶材，就需大幅提高濺射電壓，以彌補靶材引起的電壓降。射頻濺射適用于各種金屬和非金屬材料。在兩電極之間接上交流電源，當交流電源的頻率低于50kHz時，氣體放電的情況與直流的時候相比沒有什么根本的改變，離子仍可及時到達陰極完成放電過程。惟一差別是在交流的每半個周期后陰極和陽極的電位互相調換。這種電位極性的不斷變化導致陰極濺射交替式地性兩個電極上發生。射頻濺射沉積裝置示意圖當頻率超過50kHz以后，放電過程開始出現以下兩個變化：1.在兩極之間等離子體中不斷振蕩運動的電子將可從高頻電場中獲得足夠的能量，并更有效地與氣體分子發生碰撞并使后者發生電離；由電極過程產生的二次電子對于維持放電過程的相對重要性下降。因此，射頻濺射可以在1Pa左右的低壓下進行，沉積速率也因氣體分子散射少而較直流濺射時高。2.高頻電場可以經由其他阻抗形式耦合進入沉積室，而不必再要求電極一定要是導體。因此，采用高頻電源將使濺射過程擺脫對靶材導電性能的限制。一般濺射法的兩個缺點相對于蒸發沉積來說，一般的濺射沉積方法具有兩個缺點濺射方法沉積薄膜的沉積速度較低；濺射所需的工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長，放電現象不易維持。這兩個缺點的綜合效果是氣體分子對薄膜產生污染的可能性較高。因而，磁控濺射技術作為一種沉積速度較高，工作氣體壓力較低的濺射技術具有其獨特的優越性。3.3磁控濺射磁控濺射是一種高濺射速率、低基片加熱的濺射技術，稱為高速低溫濺射技術，它是工業應用實際中最有成效和最有發展前景的濺射工藝，是最重要的薄膜制備和工業生產的手段。磁控濺射是在“磁控管模式”運行下的二極濺射，它不依靠外加能源來提高放電電離效率，而是利用濺射引起的二次電子本身來實現高速低溫的目標。磁控濺射原理磁控濺射在與二極濺射靶表面平行的方向上施加磁場，利用電場和磁場相互垂直的磁控原理建立垂直于電場(亦即垂直于靶面)的一個環形封閉磁場，該電、磁正交場形成一個平行于靶面的電子捕集阱，來自濺射靶面的二次電子落人正交場捕集阱中，不能直接飛向陽極，而是在正交場作用下來回振蕩，近似作擺線運動，并不斷與氣體分子發生碰撞，把能量傳遞給氣體分子，使之電離，而其本身變為低能電子，最終沿磁力線漂移到陰極附近的陽極進而被吸收。由于磁控濺射裝置的陽極在陰極的四周，基片不在陽極上，而放置在靶對面浮動電位的基片架上，這就避免了高能粒子對基片的強烈轟擊，消除了二極濺射中基片被轟擊加熱和被電子輻射引起損傷的根源，體現了磁控濺射中基片“低溫”的特點。另外，由于磁控濺射產生的二次電子來回振蕩，使二次電子到達陽極的行程大大加長，電離概率大大增大，濺射速率大大提高，體現了“高速”濺射的特點。磁控濺射裝置DC(導電材料

)RF(絕緣介質材料

)反應(氧化物、氮化物)或不反應

(金屬)磁控濺射裝置（2）：實/空心柱狀磁控、槍形磁控、平面磁控濺射靶柱狀磁控靶結構簡單，可有效地利用空間，可在更低的氣壓下濺射成膜，適用于形狀復雜幾何尺寸變化大的鍍件。平面磁控靶按靶面形狀分，又有圓形和矩形兩種，它制備的膜厚均勻性好，對大面積的平板可連續濺射鍍膜，適合于大面積和大規模的工業化生產。

槍型靶呈圓錐形，制作困難，可直接取代蒸發鍍膜機上的電子槍，用于對蒸發鍍膜設備的改造，適于小型制作，科研用。磁控濺射中的重要參數濺射電流

(生長速率

)壓強(濺射粒子的最高能量

)反應氣體混合比

(化學配比

)襯底溫度

(晶體性、密度和均勻性)襯底偏壓

(薄膜結構和化學配比

)四.離子鍍離子鍍膜技術簡稱離子鍍，是在真空蒸發和濺射技術基礎上發展起來的一種新的鍍膜技術。離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質部分電離，在氣體離子或被蒸發物質離子轟擊作用的同時把蒸發物質或其反應產物沉積在基片上。它把真空蒸發技術與氣體的輝光放電、等離子體技術結合在一起，使鍍料原子沉積與帶能離子轟擊改性同時進行，不但兼有真空蒸發鍍的沉積速度快和濺射鍍的離子轟擊清潔表面的特點，而且具有鍍制膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛等優點，因此獲得了迅速的發展。離子鍍原理鍍前將真空室抽至10-4～10-3Pa的高真空，隨后通人惰性氣體(如氬)，使真空度達到10-1～1Pa。接通高壓電源，則在蒸發源(陽極)和基片(陰極)之間建立起一個低壓氣體放電的低溫等離子體區。放電產生的高能惰性氣體離子轟擊基片表面，可有效地清除基片表面的氣體和污物。與此同時，鍍料氣化蒸發后，蒸發粒子進入等離子體區，與等離子體區中的正離子和被激活的惰性氣體原子以及電子發生碰撞，其中一部分蒸發粒子被電離成正離子。正離子在負高壓電場加速作用下，沉積到基片表面成膜。由此可見，離子鍍膜層的成核與生長所需的能量，不是靠加熱方式獲得而是由離子加速的方式來激勵的。在離子鍍的全過程中，被電離的氣體離子和鍍料離子一起以較高的能量轟擊基片或鍍層表面。因此，離子鍍是指鍍料原子沉積與帶能離子轟擊同時進行的物理氣相沉積技術。離子轟擊的目的是改善膜層與基片之間的結合強度，并改善膜層性能。顯然，只有當沉積作用超過濺射剝離作用時，才能發生薄膜沉積過程反應離子鍍空心陰極放電離子鍍空心陰極放電(HCD)離子鍍又稱空心陰極蒸鍍，是在空心熱陰極技術和離子鍍技術的基礎上發展起來的，它是一種利用空心熱陰極放電產生等離子電子束的離子鍍工藝。它由水平放置的HCD槍、水冷銅坩堝、基片和真空系統所組成。HCD產生大電流低電壓的等離子電子束?？招年帢O是鉭管。鉭管收小口，使氬氣經過鉭管和輔助陽極流進真空室，能維持管內的壓力在幾百帕，而真空室的壓力在1.33Pa左右。工