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技术(优秀版)word资料
授课学时:3学时
章节名称
第八章气相沉积技术
备注
教学目的和要求
通过本章学****掌握物理气相沉积和化学气相沉积的基本原理与工艺方法,了解各类不同的气相沉积工艺和材料的适用范围。
重点难点
课程重点内容
(1)物理气相沉积典型的工艺技术及涂层类型和特点;
(2)化学气相沉积及其特点。
教学方法教学手段
1、教学方法:课堂讲授法为主;用精讲的方法突出重点,用分析证明、分类举例(特别要分清“复合层次”以免漏层)的方法突破难点。
2、教学手段:以传统的口述,现代的多媒体,再加黑板为辅助的多种手段交叉进行教学。
教学进程设计(含教学内容、教学设计、时间分配等)
气相沉积技术是利用气相之间的反应,在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜(100nm至数微米),从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。
分类:物理气相沉积(PVD),化学气相沉积(CVD)
在真空条件下,利用各种物理方法,将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子,直接沉积到基体表面上的方法。
真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜
PVD法已广泛用于机械、航空、电子、轻工和光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、装饰、润滑、压电和超导等各种镀层,已成为国内外近20年来争相发展和采用的先进技术之一。
把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体,借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。
常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子化学气相沉积
CVD法在电子、宇航、光学、能源等工业中广泛用于制备化合物单晶,同质和异质外延单晶层,制备耐磨、耐热、耐蚀和抗辐射的多晶保护层。
CVD是大规模集成电路制作的核心工艺,已广泛用于制备半导体外延层、PN结、扩散源、介质隔离、扩散掩蔽膜等。
在真空条件下,用加热蒸发的方法使镀料转化为气相,然后凝聚在基体表面的方法称为蒸发镀膜,简称蒸镀。
该方法工艺成熟,设备较完善,低熔点金属蒸发效果高,可用于制备介质膜、电阻、电容等,也可以在塑料薄膜和纸张
上连续蒸镀铝膜。
和液体一样,固体在任何温度下会或多或少的气化(升华),形成该物质的蒸气。
蒸镀过程
被镀材料蒸发过程
蒸发材料粒子迁移过程
篠发材料粒子沉积过程
泰发材料粒子
材料
"J•
■o
基片(匸件)
」
1』J
■
真空蒸镀时,蒸发粒子动能为〜,膜对基体的附着力较弱。
解决措施
加热基极,使基板保持适当的温度,使膜和基体之间形成一薄的扩散层,增大了附着力;
对于蒸镀像Au这样附着力弱的金属,可以先蒸镀像Cr,Al等结合力高的薄膜作底层。
蒸发源:加热待蒸发材料并使之挥发的器具,也称加热器。蒸镀方法:电阻加热法、电子束加热、高频感应加热、激光蒸镀法
电子束加热:用高能电子束直接轰击蒸发物质的表面,使其蒸发。
电子束加热的特点:
由于是直接在蒸发物质中加热,避免了蒸发物质与容器的反应和蒸发源材料的蒸发,故可制备高纯度的膜层。
可用于粉末、块状材料的蒸发。
用电子束加热也可以使高熔点金属(如W,Mo,Ta等)熔化、蒸发。
823蒸发镀膜设备
<1>真空室:用于放置镀件,进行镀膜的场所;
<2>真空系统:一般由机械泵、扩散泵、管道、阀门等组成;
<3>蒸发系统:包括蒸发源,加热蒸发源的电气设备;<4>电气设备:用于测量真空系统,膜厚测量系统,控制台等。
蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜,例如用作电极的导电膜,光学镜头的增透膜等。
蒸镀用于镀制合金膜时,在保证合金成分这点上,要比溅射困难得多,但在镀制纯金属时,蒸镀可以表现出镀膜速度快的优势。
蒸镀纯金属膜中,90%是铝膜。铝膜在IC行业、制镜工业、电子器件、食品包装、着色装饰等领域具有广泛的应用。
溅射镀膜:在真空室中,利用荷能粒子轰击材料表面,使其原子获得足够的能量而溅出进入气相,然后在工件表面沉积的过程。
•在溅射镀膜中,被轰击的材料称为靶。
•由于离子易于在电磁场中加速或偏转,所以荷能粒子一般为离子,这种溅射称为离子溅射。
靶是一平板,由欲沉积的材料组成,一般将它与电源的负极相连。故此法又常称为阴极溅射。
真空室中需要充入气体作为媒介,使辉光放电得以启动和维持,最常用的气体是氩。
接通高压电源时,阴极发出的电子在电场作用下向阳极运动,速度不断增加,和气体原子相撞发生辉光放电,引起气体原子电离,产生大量离子。离子在电场作用下加速撞击靶,发生溅射,产生待镀材料原子
沉积于基体上。溅射过程•溅射机理
溅射完全是动能的交换过程。
入射离子-弹性碰撞-动能传递-级联碰撞,其中某一个原子获得指向靶表面外的动量,并且具有了克服表面势垒,溢出靶面而成为溅射原子。
Momentumtransfer
OOOOOOOO
00000000
OOOOOOOO□OOOOOCO
OOO
ooo
oooooooooo
Repulsiveforces
Ejection孑oooznooooooCboooOOQVOOOOOOOOOOOO
•在溅射过程中,通过动量传递,95%的离子能量作为热量而被
损耗,仅有5%的能量传递给二次发射的粒子。
影响溅射率的主要因素
①入射离子
包括入射离子的能量、入射角、靶原子质量与入射离子质量之比、入射离子种类等;
O1OO200SO<
IonKnL^roy(cVJ
与靶有关
包括靶原子的原子序数、靶表面原子的结合状态、结晶取向以及靶材是纯金属、合金或化合物等;
与元素的升华热有关,呈明显周期性;随外层d电子数的增加,溅射率提高。
与温度有关
一般认为:在某一温度内,溅射率几乎不随温度变化而变化,当温度超过这一范围时,溅射率有迅速增加。
溅射镀膜的方式
具体的溅射工艺:二极溅射、三(四)极溅射、磁控溅射、射频溅射、离子束溅射
磁控溅射:磁控溅射特点是在阴极靶面上建立一个环状磁靶,以控制二次电子的运动。
ANODE
+
£-0
CA1HODE
的
对
优点
且.
CAtHOOE
ANODE
+
•抑制由靶产
环形磁场的目的
•延长电_
碰撞电应夬而增
增
生的高
+低温和(低损伤:基片的温升低、对膜层的损伤少小。
与真空蒸镀相比,溅
结合力咼;
ANODE
氐损伤一....扌射镀膜的特点
GATHODE
向阳极的
让电子尽可能多产生几次高溅射效率。
,避免基片温度升高。
'Bt1
高速:高速是指沉积速率快;磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。
可以在较大面积上得到均一的薄膜;容易控制膜的组成;
几乎可制造一切物质的薄膜。
利用溅射法不仅可获得纯金属膜,也可以获得多组元膜。<1>合金、化合物靶
<2>复合靶
<3>多靶
机械功能膜:包括耐摩、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料;
物理功能膜:包括电、磁、声、光等功能薄膜材料等。
离子镀是在真空条件下,借助于惰性气体的辉光放电使被蒸发物质部分离化,经电场加速后对带负电荷的基体轰击的同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。
离子镀的过程
离子镀的技术基础是真空蒸气镀,其过程包括镀膜材料的受热,蒸发,离子化和电场加速沉积等过程。
两个必要条件
造成一个气体放电的空间;
将镀料原子引进放电空间,使其部分离子化。
离子镀的特点
由于电场的作用,待镀材料离子以几千电子伏特的能量射到工件表面上,可以打入基体约几纳米的深度,从而大大提高涂层的结合力。
未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。
惰性气体离子与镀膜材料离子在基板表面上发生溅射,还可以清除工件表面污染物,改善结合力。
离子镀设备由真空室、蒸发源(或气源、溅射源等)、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。
由于不冋的加热蒸发方式;不冋的电离及激发方式等,离子镀的种类很多。
气体放电离子镀
射频放电离子镀
多弧离子镀
粘着力强;
均镀能力好;
被镀基体材料和镀层材料可广泛搭配;
工艺无污染
相当咼的温度下,混和气体与基体的表面相互作用,使混和气体中的某些成分分解,并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。
<1>热分解反应:
SiH4--->Si+2H2
<2>还原反应:
SiCl4+2H2--->Si+4HC1
<3>氧化反应:
SiH4+02--->SiO2+2H2
<4>水解反应:
2A1C13+3CO2+3H2--->Al2O3+6HC1+3CO
v5>氮化反应或氨解反应:
3SiH4+4NH3--->Si3N4+12H2
<6>碳化反应:
TiCl4+CH4--->TiC+4HC1
<7>歧化反应:
2SiI2--->Si+SiI4
<8>合成反应:(CH3)3Ga+AsH3--->GaAs+3CH4
<9>基体反应:
Ti+2BCl3+3H2--->TiB2+6HC1
<10>等离子体激发反应:
用等离子体放电使反应气体活化,可以在较低温度下成膜。
<11>光激发反应:
如在SiH-O2反应系中使用水银蒸气为感光物质,用紫外线照射,可在100°C左右制备硅氧化物。
<12>激光激发反应:
如有机金属化合物在激光激发下有
W(C0)6--->W+6C0
✓反应气体扩散至工件表面;
✓反应气体分子被基材表面吸附;
✓在基材表面产生化学反应,形核等;
✓生成物从基材表面扩散。
将反应气体及其稀释剂通入反应器,并能进行测量和调节;
能为反应部位提供热量,并通过自动系统将热量反馈至加热源,以控制涂覆温度。
将沉积区域内的副产品气体抽走,并能安全处理。
工艺方法的主要参量
反应器内的温度。
进入反应器的气体或蒸气的量与成分。
保温时间及气体流速。
低压CVD必须控制压强。
在中温或咼温下,通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体;
可以在大气压(常压)或者低于大气压(低压)下进行沉积。
采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应,使沉积可在较低的温度下进行;
镀层的化学成分可以改变,从而获得梯度沉积物或者得到混和镀层;
可以控制镀层的密度和纯度;
绕镀性好,可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制;
沉积层通常具有柱状晶结构,不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动,可以得到细晶粒的等轴沉积层;
可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。
CVD的应用
CVD镀层可用于要求抗氧化、耐磨、耐蚀以及某些电学、光学和摩擦学性能的部件。
现在,越来越受到重视的一项应用是制备难熔材料的粉末和晶须,因此,CVD法在发展复合材料方面也具有非常大的作用。
温度:CVD法的工艺温度超过了高速钢的回火温度,用CVD法镀制的咼速钢工件,必须进行镀膜后的真空热处理,以恢复硬度。
清洁度:CVD工艺对进入反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些,因为附着在工件表面的一些脏东西很容易在咼温下烧掉。咼温下得到的镀层结合强度要更好些。
镀层厚度:CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些,前者厚度在
左右,后者通常不到厚。
表面粗糙度:CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。相反,PVD镀膜如实地反映材料的表面,不用研磨就具有很好的金属光泽,这在装饰镀膜方面十分重要。
绕镀性:CVD具有很好的绕镀性,除去支承点之外,全部表面都能完全镀好,甚至深孔、内壁也可镀上。PVD由于气压较低,绕镀性较差,因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。
工艺条件:在CVD工艺中,要严格控制工艺条件,否则系统中的反应气体或反应产物的腐蚀作用会使基体脆化,高温会使TiN镀层的晶粒粗大。
成本:有人认为最初的设备PVD是CVD的3—4倍,而PVD工艺的生产周期是CVD的1/10。
安全:PVD是一种完全没有污染的工序。而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性,可燃性及毒性,因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防范。
思考题
1、物理与化学气相沉积原理,特点及分类。
2、化学气相反应类型有哪些?