物理氣相沉積物理氣相沉積(PhysicalVaporDeposition，PVD)技術通常指滿意下面三個步驟的一類薄膜生長技術：A.所生長的材料以物理的方式由固體轉化為氣體；B.生長材料的蒸汽經過一個低壓區域到達襯底；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，蒸發沉積（蒸鍍）、濺射沉積（濺射）和離子鍍等。發展到目前，物理氣相沉積技術不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導體、聚合物膜等。沉積膜層厚度一般為為10-1nm~mm。定義一、真空蒸發鍍膜（蒸鍍）標題圖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”，然后用高熔點材料制成的蒸發源將淀積材料加熱、蒸發、淀積于基片上。特點：（1）操作方便，沉積參數易于控制；（2）制膜純度高，可用于薄膜性質研究；（3）可在電鏡監測下進行鍍膜，可對薄膜生長過程和生長機理進行研究。（4）膜沉積速率快，還可多塊同時蒸鍍；（5）沉積溫度較高，膜與基片的結合強度不高。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）。合金在蒸發時會發生分餾設：物質含A，B成分，MA、MB，PA、PB，則由（3）式，得

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

（1）電阻加熱蒸發源

選擇原則：在所需蒸發溫度下不軟化，飽和蒸氣壓小，不發生反應；一般采用高熔點金屬如鎢、鉭、鉬等材質，常作成螺旋絲狀或箔舟狀，如圖2.所示。特點：結構簡單，造價低，使用廣泛；存在污染，也不能蒸鍍高Tm材料。圖2各種電阻加熱蒸發源螺旋絲狀加熱器要求熔融的蒸發料能夠浸潤螺絲或者有足夠的表面張力以防止掉落，它的優點是可以從各個方向發射蒸氣。箔舟狀加熱器的優點是可蒸發不浸潤加熱器的材料，效率較高（相當于小型平面蒸發源），缺點是只能向上蒸發。（2）電子束加熱蒸發源原理：電子束集中轟擊膜料的一部分而進行加熱的方法。優點:（1）可以直接對蒸發材料加熱；（2）裝蒸發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和容器材料的蒸發；（3）可蒸發高熔點材料，例如：鎢（Tm=3380℃）、鉬(Tm=2610℃)和鉭（Tm=3000℃）等耐熱金屬材料。缺點：（1）裝置復雜；（2）只適合于蒸發單元元素；（3）殘余氣體分子和蒸發材料的蒸氣會部分被電子束電離。

另外，還有高頻加熱蒸發源、激光蒸發源等。（1）蒸鍍合金膜——會產生分餾，解決對策——連續加料，調節熔池成分，同時注意使熔池溫度和體積保持恒定。（2）蒸鍍難熔化合物膜——多數會分解例如：A12O3，解決對策——適當通氧（3）反應鍍膜不同膜層工藝特點蒸鍍的特點和用途特點：鍍膜速率快，可多塊同鍍，操作方便，參數易于控制，可適時監控成膜過程，但膜與基片的結合強度不高，還存在分餾問題。用途：鍍制導電膜、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高質量的晶體薄膜的新技術。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產生的蒸氣，經小孔準直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。應用：分子束外延不僅可用來制備現有的大部分器件，而且也可以制備許多新器件，包括其它方法難以實現的，如借助原子尺度膜厚控制而制備的超晶格結構高電子遷移率晶體管和多量子阱型激光二極管等。我們在公車上看到的車站預告板，在體育場看到的超大顯示屏，其發光元件就是由分子束外延制造的。分子束外延的特點（1）生長速率極慢，大約1um/小時，相當于每秒生長一個單原子層，因此有利于實現精確控制，是一種原子級的加工技術。（2）外延生長的溫度低，因此降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應和襯底雜質對外延層的自摻雜擴散影響。（3）由于生長是在超高真空中進行的，外延過程中可避免沾污，因而能生長出質量極好的外延層。（4）MBE是一個動力學過程，即將入射的中性粒子（原子或分子）一個一個地堆積在襯底上進行生長，而不是一個熱力學過程，所以它可以生長按照普通熱平衡生長方法難以生長的薄膜。（5）MBE是一個超高真空的物理沉積過程，既不需要考慮中間化學反應，又不受質量傳輸的影響，并且利用快門可以對生長和中斷進行瞬時控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調整。二、濺射鍍膜標題1.概述（1）濺射現象（1842，Grove提出）當高能粒子（通常是由電場加速的正離子）沖擊固體表面時，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的現象。濺射鍍膜:1870年，工業應用：1930年以后。（2）區別：蒸鍍：讓材料加熱氣化（發射出粒子），再沉積到基片上成膜；濺射：用離子轟擊，將靶材原子打出來，再沉積到基片上成膜。二、濺射鍍膜濺射鍍膜特點

優點：

a.使用范圍寬，原則上任何物質均可濺射，尤其是高Tm、低分解壓的材料；

b.膜質好，膜密度高，無氣孔，附著性好；

c.可制備摻雜膜、氧化物膜和超高純膜等。缺點：

a.設備復雜，沉積參數控制較難；

b.沉積速率低，約0.01～0.5

m/min，而蒸鍍為0.1～5

m/min濺射的基本原理：濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應，整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎之上，即濺射離子都來源于氣體放電，不同的濺射技術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；磁控濺射是利用環狀磁場控制下的輝光放電。

設備——真空二極管；陰極——被濺射的材料；陽極——基片；

10Pa一1Pa；數百伏的電壓。機制：放電產生的等離子體中的正離子經陰極暗區的電場加速而飛向陰極靶，不僅能打出靶面原子（濺射材料），而且還會轟擊出二次電子，二次電子在飛向陽極的過程中，又與其它氣體分子碰撞使之電離，使輝光放電持續不斷的進行下去。圖3輝光放電輝光放電3.濺射機理的兩種假說（1）Hippel理論（1926提出）離子轟擊靶產生的局部高溫使靶材料（陰極材料）的局部蒸發，在陽極上沉積制膜。（2）動能轉移機理（Stark,1909，Langmuir,Henschk）(I)濺射出的原子能量比熱蒸發原子能量高一個數量級；(II)轟擊離子存在一個臨界能量，低于這個能量，不能產生濺射；(Ⅲ)濺射系數=濺射原子數/轟擊離子數,既與轟擊離子的能量有關，也與轟擊離子的質量有關；(Ⅳ)離子能量過高，濺射系數反而下降,可能是因為離子深入到靶材內部，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，對于單晶靶材，粒子主要沿幾個方向出射。最強的出射方向對應于晶格中原子最密集排列的方向，這種現象可用“聚焦碰撞”解釋。4.二級濺射圖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P；b.放電電壓VDC；c.放電電流IDC；d.可調參量：IDC；P；特點：方法及設備簡單；放電不穩，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，現在已經漸趨于淘汰。5.磁控濺射基本原理：

電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰撞，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：成膜速率高，基片溫度低，膜的粘附性好，可實現大面積鍍膜。6.離子束濺射

——通過采用單獨的離子源產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：優點

a.能夠獨立控制轟擊離子的能量和束流密度，有利于控制膜層質量；b.真空度比磁控濺射高兩個數量級，有利于降低膜層中雜質氣體的含量。缺點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，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術，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，是真空蒸鍍與真空濺射的有機結合。特點：（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產品）原理如圖所示：陰極——鉭管，陽極——鍍料；弧光放電時，電子轟擊鍍料（陽極），使其熔化便實現蒸鍍。蒸鍍時，基片加上負偏壓即可從等離子體中吸引氬離子向其自身轟擊，從而實現離子鍍。圖8空心陰極孤光放電示意圖應用：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，甚至有高達數十倍。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金屬，蒸發物是從陰極弧光輝點放出的陰極物質的離子，從而在基材表面沉積成為薄膜的方法。優點：（1）從陰極直接產生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據工件形狀在任意方向布置，