气相沉积技术.ppt

* 气相沉积技术 第一页，共三十八页，2022年，8月28日 气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。 Target Medium Substrate 气相沉积的物理基础 相变驱动力是亚稳定的气相与沉积固相之间的吉布斯自由能差，沉积的相变阻力还是形成新相表面能的增加。 气相沉积的必要条件是沉积物质的过饱和蒸汽压，过饱和度是气相沉积的动力，遵守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变，形成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。 第二页，共三十八页，2022年，8月28日 气相沉积的特点 ① 气相沉积都是在密封系统的真空条件下进行，除常压化学气相沉积系统的压强约为一个大气压外，都是负压。沉积气氛在真空室内进行，原料转化率高，可以节约贵重材料资源。 ② 气相沉积可降低来自空气等的污染，所得沉积膜或材料纯度高。 ③ 能在较低温度下制备高熔点物质。 ④ 便于制备多层复合膜、层状复合材料和梯度材料。 第三页，共三十八页，2022年，8月28日 真空技术基础 所谓“真空”是指低于101.3kPa的气体状态，即与正常的大气相比，是较为稀薄的一种气体状态。因此，我们所说的“真空”均指相对真空状态。 “真空度”和“压强” 真空度是对气体稀薄程度的—种度量，最直接的物理量应该是每单位体积中的分子数， 气体的压强是指气体作用于单位面积器壁上的压力。 真空度的高低通常都用气体的压强来表示。 为了方便起见，常根据压强的高低，习惯将真空划分为以下几个区域： 粗真空： 低真空： 高真空： 超高真空： 极高真空： 真空 第四页，共三十八页，2022年，8月28日 真空的获取 气体传输泵：旋片式机械真空泵、油扩散泵、分子泵；——前级泵 气体捕获泵：分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵。——次级泵。 旋片式机械泵结构示意图 低温泵结构示意图 第五页，共三十八页，2022年，8月28日 几种常用真空泵的真空使用范围 根据成膜过程机理的不同，可将气相沉积技术分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和物理化学气相沉积（PCVD)三个大类 。 第六页，共三十八页，2022年，8月28日 物理气相沉积 一般说来，物理气相沉积是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸发、溅射、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、等离子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在基体上沉积为固相薄膜的过程。 第七页，共三十八页，2022年，8月28日 真空蒸镀 真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀膜简称蒸发镀，是在真空条件下用蒸发器加热待蒸发物质，使其汽化并向基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。 真空蒸镀的基本过程 (1) 加热蒸发过程：包括固相或液相转变为气相的相变过程(固相或液相→气相)，每种物质在不同的温度有不同的饱和蒸气压。 (2) 汽化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，此过程中汽化原子或分子与残余气体分子发生碰撞的次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及源—基距离。 (3)蒸发原子或分子在基片表团的沉积过程，即蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜(气相→固相的相变过程)。 第八页，共三十八页，2022年，8月28日 蒸发源 蒸发源是蒸镀材料蒸发汽化的热源。目前使用的蒸发源主要有以下几类： 电阻加热蒸发源 用丝状或片状的高熔点金属（钨、钼、钽）做成适当形状的蒸发源，将膜料放在其中，接通电阻加热膜料而使其蒸发。 特点：结构简单、操作方便、造价低廉 电子束加热蒸发源 e型电子枪电子枪发出的电子束直接照射镀料表面，将高速电子的动能转化为加热材料的热能，使镀料熔化蒸发，而进行蒸镀。 特点：能量可高度集中，使膜料的局部表面获得很高的温度，能准确而方便的控制蒸发温度。适用于制备高纯度的膜层。 激光束蒸发源 通过聚焦可使激光束密度达到106W/cm2以上，它以无接触加热方式使膜料迅速气化，然后沉积在基片上形成薄膜。 特点：实现化合物沉积，不会产生分流现象，能蒸发高熔点材料。 真空蒸镀的特点及应用 优点：工艺过程真空度高，因而膜层致密度及纯度高；镀膜工艺过程及设备比较简单、易控制。 缺点：膜层与基片结合力差，绕镀性差。 第九页，共三十八页，2022年，8月28日 溅射 溅射现象 入射核能离子轰击靶材表面产生相互作用，结果会产生如图所示的一系列物理化学现象，主要包