6　　物理气相沉积技术
6．1 概　　述　　
6．1．1 气相沉积技术与物理气相沉积
　　气相沉积是镀膜方法之一种，它有三个环节，即需镀物料一气相输运一沉积成固相薄膜。它的主要特点在于不管原来需镀物料是固体、液体或气体，在输运时都要转化成气相形态进行迁移，最终到达工件表面沉积凝聚成固相薄膜。
　　为研究方便，人们把各种不同特点的气相沉积过程进行了分类。最初，利用易挥发的液体TiCl，稍加热获得TiCl，气，和NH，气一起导人高温反应室，让这些反应气体分解，再在高温固体表面上进行遵循热力学原理的化学反应，生成TiN和HCI，HCl被抽走，TiN沉积在固体表面上成硬质固相薄膜。人们把这种通过含有构成薄膜元素的挥发性化合物与气态物质，在固体表面上进行化学反应，且生成非挥发性固态沉积物的过程，称为化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，CVD)。
　　在早期，人们把另一类气相沉积，即通过高温加热金属或化合物蒸发成气相，或者通过电子、离子、光子等荷能粒子的能量把金属或化合物靶溅射出相应的原子、离子、分子(气态)，月．在固体表面上沉积成固相膜，其中不涉及到物质的化学反应(分解或化合)，称为物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition，PVD)。　　’
　　随着气相沉积技术的发展和应用，上述两类型气相沉积各自都有新的技术内容，两者相互交叉，你中有我，我中有你，致使难以严格分清是化学的还是物理的。比如，人们把等离子体、离子束引入到传统的物理气相沉积技术的蒸发和溅射中，参与其镀膜过程，同时通入反应气体，也可以在固体表面进行化学反应，生成新的合成产物固体相薄膜，称其为反应镀。在溅射Ti等离子体中通过反应气体N2最后合成TiN就是一例。这就是说物理气相沉积也可以包含有化学反应。又如，在反应室内通入甲烷，借助于W靶阴极电弧放电，在Ar，W等离子体作用下使甲烷分解，并在固体表面实现碳键重组，生成掺w的类金刚石碳减摩膜，人们习惯上把这种沉积过程仍归入化学气相沉积，但这是在典型的物理气相沉积技术——金属阴极电弧离子镀中实现的。另外，人们把等离子体、离子束技术引入到传统的化学气相沉积过程，化学反应就不完全遵循传统的热力学原理，因为等离子体有更高的化学活性，可以在比传统热力学化学反应低得多的温度下实现反应，这种方法称为等离子体辅助化学气相沉积，它赋予化学气相沉积更多的物理含义。
　　在今天，讨论化学气相沉积与物理气相沉积的不同点，恐怕只剩下用于镀膜物料形态的区别，前者是利用易挥发性化合物或气态物质，而后者则利用固相(或液相)物质。这种区分似乎已失去原来定义的内涵实质。
　　我们仍然按照已有的习惯，主要以上述镀料形态的区别来区分化学气相沉积和物理气相沉积。在本章中，把固态(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、离子束、激光

第385页

束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚(包括与其他反应气相物质进行化学反应生成反应产物)，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积，
　　沉积方法的归类目的是方便研究讨论，现在的分类也许不科学，我们相信随着气相沉积技术的发展，将来会出现更合理的分类和定义。
6．1．2 离子与等离子体干预的物理气相沉积
　　人们把等离子体与离子束技术引入到真空蒸发与溅射沉积过程，使传统的物理气相沉积技术得到迅猛的发展，出现厂许多非常有效的气相沉积技术门类。等离子体与离子束的介入，使镀料蒸发或靶材溅射出来的粒子和反应气体分子在等离子体或离子束的作用下，其粒子形态和能量发生变化，如受等离子体中的粒子碰撞使其离解变成离子，并增加能量，甚至可在外加电场和磁场的作用下，再受到激励而提高荷能，提高反应活性，促使其在墓材表面更容易进行化学反应和改善成膜质量。
　　等离子体与离子束引人物理气相沉积主要产生离子镀技术和离子束辅助沉积技术。
　　离子镀技术是在真空条件下，利用气体放电使工作气体、反应气体或被蒸发物料粒子部分离化，在气体离子或被蒸发物料离子轰击作用的同时．把蒸发物或其反应产物沉积在基体上，其特点是：离子、高速中性粒子干预着镀膜的全过程。
　　离子镀技术门类很多，已成为物理气相沉积新发展的主流技术。
　　离子束辅助沉积技术是指在同一真空系统中，以蒸发或溅射沉积薄膜的同时，用具有一定能量的离子束对其进行轰击，利用沉积原子与离子之间一系列物理化学作用，来改善膜层与基体的结合和膜层质量。离子束辅助沉积的离子束是用各种离子源产生。
　　离子镀与离子束辅助沉积技术结合在一起，更强化了离子干预镀膜的过程，是新近出现的复合型物理气相沉积技术的发展动态。
6．1．3 物理气相沉积的特点
　　物理气相沉积技术除传统的真空蒸发和溅射沉积技术外，还包括近30多年来蓬勃发展起来的各种离子束沉积，离子镀和离子束辅助沉积技术。物理气相沉积类型包括有：真空蒸发，直流二极溅射，直流三极溅射，磁控溅射，反应磁控溅射，射频溅射，非平衡磁控溅射，中频交流磁控溅射，磁控溅射离子镀，直流二极、三极型离子镀，中空阴极电弧离子镀，阴极电弧离子镀，强电流电弧(热弧)离子镀，离子束沉积，离子束辅助沉积，离子束辅助溅射沉积，离子束辅助电弧沉积等等。在本章中，着重介绍常用的溅射技术和离子镀技术及其新发展。
　　物理气相沉积的技术类型虽然五花八门，但它们都必须实现气相沉积三个环节，即镀料(靶材)气化一气相输运，沉积成膜。各种沉积技术类型的不同点，主要表现为在上述三个环节中能量供给方式不同，固—气相转变的机制不同，气相粒子形态不同，气相粒子荷能大小不同，气相粒子在输运过程中能量补给的方式及粒子形态转变不同，镀料粒子与反应气体的反应活性不同，以及沉积成膜的基体表面条件不同而已。以下讨论物理气相沉积各种技术类型的一些异同点和特点：
　　从镀料(或靶材)气化供给能量的方式看，第一种方法是利用高温加热使镀料蒸发气化，产生热能的方式有电阻发热，感应加热，电子束加热，等离子体加热，激光束加热等。采用这些供能方式。镀料要经过固—液—气相转变，往往要用坩埚盛载镀料，镀料受热在坩埚内熔化并蒸发。有的采用大电流通过电阻丝快速升温，镀料(丝状或片状)就挂在发热电阻丝上，瞬间受高热熔融气

第386页

<<上一章	下一章>>

工成网