薄膜制备-PVD篇

到⽬前为⽌,最常⽤的物理⽅法是蒸发和溅射。两者都是⽓相⽅法,源材料逐个原⼦地转移到基板上。这些通常被称为物理⽓相沉积 (PVD)。 PVD 通常在⾼真空室中进行,以减少与环境中⽓体种类的相互干扰。

蒸发

蒸发有两种主要类型。它们的不同之处在于向源供电的⽅法。在⼀种⽅法中,将颗粒形式的源放置在⾦属蒸发⾈中,并通过在 100 A 范围内的⾮常⾼的电流对它来加热,这被称为电阻加热蒸发。这种技术的⼀个优点是简单,因为只需要⼀个⼤电流(低电压)直流电源来为电源供电。缺点是缺乏加热效率和污染。因为加热电路的所有部分都⽐源颗粒更热,它们也会在⼀定程度上蒸发,这会导致污染和脱⽓。

第⼆种⽅法是电⼦束加热。在这种技术中,从加热的灯丝发射的电⼦被 10 kV 范围内的⾼压加速并聚焦到源颗粒上的⼀个⼩点。因为这个过程是在真空中完成的,所以电⼦可以很容易地被磁场加速和操纵,⽽不会与⽓体分⼦发⽣碰撞。这种⽅法更有效,因为能量可以准确地传递到源颗粒,⽽对其他固定装置的加热最少。结果,污染被保持在最低限度。这种⽅法的⼀个缺点是电源的复杂性。⾼压电源的设计⽐低压⼤电流电源更复杂。安全功能也是⼀个主要考虑因素,因为 10 kV DC 可能是致命的。尽管如此,电⼦束蒸发仍然是薄膜研发中最常⽤的蒸发⽅法之⼀。

由于蒸发物质的物理轨迹和⾼真空环境,蒸发产⽣的薄膜往往是定向的和⾮共形的。这在许多应⽤中可能是⼀个优势,例如剥离光刻。蒸发通量的⾼度定向性也被⽤于⼀类特殊的薄膜,称为纳⽶结构薄膜。这些薄膜不包含随机堆积的各向同性结构,⽽是包含纳⽶柱和纳⽶⼿性结构,可⽤于设计这些薄膜的电学和光学特性。⼀类称为阴影掩模光刻的图案化也依赖于视线沉积,蒸发⾮常适合。

溅射

溅射沉积利⽤真空系统中的电激发⽓体等离⼦体。等离⼦体中的离⼦向阴极加速,在轰击时从阴极表⾯喷出中性原⼦。喷射的原⼦聚集在所有表⾯上包括基板表⾯。因此,阴极必须由与沉积材料相同的来源构成。不像蒸发,这里的源材料通过流动冷却保持在低温后⾯的⽔。原⼦从源中弹出(在此上下⽂中称为作为⽬标)通过动量传递⽽不是通过热量。这是溅射和蒸发之间的根本区别。由于事件的势头,与蒸发相⽐,所得薄膜将更加致密和致密。低⽬标温度还能够沉积某些化合物,例如氧化物和氮化物,否则它们可能会在蒸发过程中遇到的⾼温下分解。然⽽,对于复杂的化合物,脉冲激光沉积是优于溅射的⾸选技术。

溅射⽐蒸发更通⽤,并且更⼴泛地⽤于⼯业过程,因为靶材和等离⼦源可以构造成各种形状以适应不同的涂层配置。它们可以是圆形、矩形、圆柱形或其他特殊形状以满⾜特定需求。

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