第六章(物理方法薄膜沉积技术)

物理气相沉积(PVD)技术第一节 概述物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。

物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。

发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。

溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。

如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。

磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。

电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。

因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。

离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。

这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。

物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。

薄膜沉积薄膜的沉积，是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结，以渐渐形成薄膜并成长的过程。

分类及详述：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）——CVD反应气体发生化学反应，并且生成物沉积在晶片表面。

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）——PVD蒸镀（Evaporation）利用被蒸镀物在高温（近熔点）时，具备饱和蒸汽压，来沉积薄膜的过程。

溅镀（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极（Electrode）的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），沉积薄膜。

化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)用高温炉管来进行二氧化硅层的成长，至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。

既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。

由于化学反应随温度呈指数函数变化，故当高温时，迅速完成化学反应，对于化学气相沉积来说，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程的重复性。

高温制程有几项缺点：1．高温制程环境所需电力成本较高。

2．安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积材料。

3．高温成长的薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。

所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，如此一来，在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。

按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」：1．常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD；APCVD)最早研发的CVD系统，是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。

离子注入和薄膜沉积离子注入和薄膜沉积是两种重要的表面工程技术，它们都能够改变材料表面的物理和化学性质，从而提高材料的性能和功能。

离子注入是一种将离子束注入固体材料中的技术。

离子注入常常被用来提高材料的硬度、耐磨性、化学稳定性等性质。

离子注入的原理是将电荷载体称为离子的高能量束，投射到材料表面或者表面下一定深度的位置。

离子注入时，需要控制离子束的能量、束流密度和注入时间等参数，以达到最佳效果。

离子注入通常需要使用离子源、加速器、注入系统和检测系统等设备。

离子注入主要有两种类型：浅层离子注入和深层离子注入。

浅层离子注入是将离子注入到材料表面下使用小于几十纳米的深度中的表面层。

这种注入能够改善材料表面的性能，并产生新的材料特性和功能，例如渗碳和渗硼处理在表面制备具有高耐磨性和高耐蚀性的工具和零件。

深层离子注入是在材料表面以下的深度中形成未均匀分布的点缺陷，以改善材料的辐射、耐腐蚀性、氢脆裂性等性能。

深层注入会在深层产生有利的物理和化学特性，使材料能够更好地抵抗环境中的攻击。

薄膜沉积技术是在基板表面沉积非常薄的材料层，以改善材料表面的性能。

薄膜沉积技术是一种制备单晶薄膜、多晶薄膜和非晶薄膜的表面工程技术。

薄膜沉积技术通常使用化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、离子束沉积（IBD）或电泳沉积等方法。

这些方法具有独特的优缺点，需要根据材料的性质和应用需求选择合适的方法。

例如，CVD可用于沉积非晶薄膜，PVD可用于沉积多晶薄膜，IBD可用于沉积单晶薄膜，而电泳法则可用于沉积均相或弥散的材料。

薄膜沉积能够改善材料的表面性能，例如增加硬度、降低摩擦系数、改善光学特性等。

这些应用非常广泛，如金属离子沉积可以形成具有高导电性能的导电膜，而非晶氮化硅沉积可以制备具有耐热、耐腐蚀性能的电气元件。

总之，离子注入和薄膜沉积是两种表面工程技术，是改善材料表面性能的重要手段。

这些技术为制造高品质的电子元件、导电器、半导体器件、光学器件和涂层等提供了支撑。

薄膜制备工艺技术薄膜制备工艺技术是指通过化学合成、物理沉积、溶液制备等方法制备出具有一定厚度和特殊性能的薄膜材料的技术。

薄膜广泛应用于光电子、微电子、光学、传感器、显示器、纳米技术等领域。

本文将详细介绍几种常见的薄膜制备工艺技术。

第一种是物理沉积法。

物理沉积法主要包括物理气相沉积法（PVD）和物理溶剂沉积法（PSD）两种。

其中，物理气相沉积法是将固态材料加热至其熔点或升华点，然后凝华在基底表面上形成薄膜。

而物理溶剂沉积法则是通过在沉积过程中溶剂的挥发使溶剂中溶解的材料沉积在基底表面上。

物理沉积法具有较高的沉积速度和较低的工艺温度，适用于大面积均匀薄膜的制备。

第二种是化学沉积法。

化学沉积法通过在基底表面上进行化学反应，使反应物沉积形成薄膜。

常见的化学沉积法有气相沉积法（CVD）、溶液法和凝胶法等。

气相沉积法是将气体反应物输送至反应室内，通过热、冷或化学反应将气体反应物沉积在基底表面上。

而溶液法是将溶解有所需沉积材料的溶液涂覆在基底表面上，通过溶剂挥发或加热使溶液中的沉积材料沉积在基底上。

凝胶法则是通过凝胶溶胶中的凝胶控制沉积材料的沉积，形成薄膜。

化学沉积法成本低、制备工艺简单且适用于大面积均匀薄膜的制备。

第三种是离子束沉积法（IBAD）、激光沉积法和磁控溅射法。

离子束沉积法是通过加速并聚焦离子束使其撞击到基底表面形成薄膜。

激光沉积法则是将激光束照射在基底表面上，通过激光能量转化和化学反应形成薄膜。

磁控溅射法是将材料附着在靶上，通过离子轰击靶表面并溅射出材料颗粒，最终沉积在基底表面上。

这些方法制备的薄膜具有优异的结构和性能，适用于制备复杂结构和功能薄膜。

综上所述，薄膜制备工艺技术包括物理沉积法、化学沉积法、离子束沉积法、激光沉积法和磁控溅射法等多种方法。

不同的方法适用于不同的材料和薄膜要求，可以根据具体需求选择合适的工艺技术。

薄膜沉积技术在人类的生产生活中，许多方面都要求材料具有耐腐蚀性。

这就需要采取措施，提高金属的抗腐蚀性。

在很久以前，由于材料本身和外界环境因素的影响，它们容易被腐蚀或被污染而降低了使用价值，所以人们便开始探索提高材料耐腐蚀性的方法，经过漫长的发展历程，形成了一套完整的防护技术——保护技术。

沉积薄膜的原理是基于物质的吸附与表面的微观作用，通过对不同的金属进行电解处理，然后在金属的表面涂覆一层导电的金属氧化物或非金属氧化物，最终在金属的表面沉积出一层均匀且完整的金属氧化物薄膜。

沉积薄膜的工艺方法大致可分为两大类：物理气相沉积和化学气相沉积。

而化学气相沉积又包括热分解沉积、溶胶凝胶沉积、氧化还原沉积和离子束沉积等。

薄膜沉积技术简介随着科学技术的不断发展，薄膜沉积技术也在不断地发展与改进，在传统的化学沉积方式之外，人们还尝试使用其他方式来制备金属氧化物薄膜。

在化学气相沉积中，选择性激光烧蚀法（ SLAM）、电子束蒸发沉积法（ EBSD）、原子溅射沉积法（ RIE）等都属于选择性激光烧蚀法。

这种方法首先将金属粉末（或金属熔体）制成一定尺寸的粉末颗粒，然后用氧气等惰性气体作为保护气体充分混合，在惰性气体的气流下，将粉末颗粒置于蒸发源的前方，高能量的激光束直接照射到粉末颗粒上，就会将粉末颗粒激发出等离子体，最终将粉末颗粒烧蚀掉，从而得到金属氧化物薄膜。

总的来说，沉积薄膜的工艺过程是基于物质的吸附与表面的微观作用，它要求被沉积的金属有较高的活性，并具有较好的纯度。

薄膜沉积技术的应用薄膜沉积技术就是利用一种能在固体上生成特殊有序、高强度Affordable晶体层的薄膜沉积技术。

晶体层可以在晶体表面形成极高密度的致密的耐腐蚀层，从而达到延长设备寿命及减少维修费用的目的。

薄膜沉积技术的主要优点有：①薄膜的机械性能比较稳定；②可以实现各向异性的功能转换；③加工精确度高，操作安全性好。

薄膜沉积技术已广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、石油化工、核工业、医疗器械、电子仪器、建筑装饰、冶金、农业等领域。