物理气相沉积工艺

（PVD）

物理气相沉积（PVD）工艺与依赖于化学反应的化学方法存在本质差异，其核心在于金属原子从金属源向晶圆基片的物理输运过程。在微电子器件、光学镀膜及纳米材料制备领域，热蒸发作为最为经典的物理气相沉积技术，凭借其设备结构简单、所得膜层纯度高等优势，在特定的应用场合中依然发挥着不可替代的作用。本文将从真空物理与薄膜生长的基础理论入手，系统阐述热蒸发技术的完整工艺流程。

蒸发沉积常简称为“蒸发”，

是一种相对简便的金属沉积工艺。

其基本原理是通过充分加热金属使其汽化，产生的金属蒸气经扩散后凝结在待镀的衬底表面。该过程通常在高真空环境下（压力低于10⁻⁶ Torr）进行，旨在减少气体分子对蒸气流的影响，从而维持高纯度的工艺条件。需注意的是，蒸发源金属处于高温状态，而晶圆衬底若不进行额外的加热或冷却处理，则通常保持室温。由于腔体内压力极低，金属蒸气近似直线传播，具有强烈的方向性，这也导致该工艺对侧壁的覆盖能力较差。

典型的蒸发系统主要由沉积腔室、

真空系统以及金属加热系统构成。

待加工的晶圆片通常倒置于密封腔室的半球形顶部，为提高膜层均匀性，腔室内常设有样品旋转装置。蒸发源金属（称为蒸发料）置于金属舟或陶瓷坩埚中。工艺开始时，先封闭腔室并抽至高真空（通常不高于10⁻⁶ Torr），随后加热蒸发料至500~2500°C（具体温度依金属种类而定），使其蒸气压显著上升。经过一段时间的加热后，通过精确控制蒸发源上方的挡板开合，即可在晶圆衬底上完成金属沉积。系统中通常安装有石英晶体微天平（QCM），用于实时监测沉积速率与厚度，并为自动化控制提供反馈信号。

热蒸发

a）简单导电加热蒸发系统

最简单的蒸发系统使用焦耳热加热金属料，直接传导电流或磁场感应涡流产生耗散热。在这样一个简单的导电加热系统中，高电流通过线圈或装有蒸发料的小金属舟(通常用钨)进行加热。这种金属舟的电阻式加热一般用于淀积熔点相对较低的金属，如银、铝和金。

b）高熔点金属蒸发的感应加热法

具有挑战性的金属蒸发是淀积那些高熔点的金属，如，钨，钼，钛等，因此它们需要非常高的温度才能达到合适的蒸气压力和淀积速率。正因为如此，不能使用金属舟直接传导加热，而是通过环绕在陶瓷坩埚周围的线圈进行感应加热，射频激励磁线圈能够在金属中产生感应涡流。这种方法适用范围广，可用于很多金属，但坩埚本身可能会变得非常热而造成污染。

c）详细地，如下图所示

将基片放入真空室内，以电阻、电子束、激光等方法加热膜料，使膜料蒸发或升华，气化为具有一定能量（0.1～0.3eV）的粒子（原子、分子或原子团）。气态粒子以基本无碰撞的直线运动飞速传送至基片，到达基片表面的粒子一部分被反射，另一部分吸附在基片上并发生表面扩散，沉积原子之间产生二维碰撞，形成簇团，有的可能在表面短时停留后又蒸发。粒子簇团不断地与扩散粒子相碰撞，或吸附单粒子，或放出单粒子。此过程反复进行，当聚集的粒子数超过某一临界值时就变为稳定的核，再继续吸附扩散粒子而逐步长大，最终通过相邻稳定核的接触、合并，形成连续薄膜。

电子束蒸发

另一种蒸发方法是利用电子束直接轰击蒸发料。电子束发射源通常置于蒸发料的下方，用强磁场控制电子束形成270°C圆弧分布形式的辐射，轰击待蒸发的金属料。这种方法虽然比较复杂，但优势也很明显，电子束可以做到只加热蒸发料的中央部分，而外围和坩埚仍保持较低温度，从而可尽量减少污染。

合金问题

a）合金蒸发的成分控制难点

在合金蒸发中，精确控制合金成分具有相当的难度。主要是因为合金蒸发靠加热来提高蒸气压以控制淀积速率。金属的蒸气压和淀积速率通常对温度非常敏感，而不同金属对蒸发温度的要求范围存在很大差异。对于单一元素的淀积，精确控制淀积速率相对来说并不是很重要，只要能控制薄膜的最终厚度即可，这一点使用QCM很容易做到。

b）二元合金淀积的难点与对策

然而，二元合金的淀积困难得多。在一个单源系统中，蒸发料为金属合金，而对于给定的温度，合金中的两种金属会以不同的速率蒸发，从而导致淀积层上的合金比例发生变化。为了弥补这一点，需要非常精确地控制温度，这实际上无法实现。另一种方法是不同金属分别置于不同加热坩埚中，设法使它们共沸。这就要求能够独立控制不同金属的蒸发速率，但由于蒸发过程对温度非常敏感，且在蒸发过程中很难独立监控每种金属的蒸发速率，因此精确的合金控制依然很具有挑战性。有一种替代方法是通过交替淀积组成合金的不同成分产生一个多层叠层。淀积后进行热处理，使各金属间相互扩散形成所需的合金。然而，这种做法更复杂、更费时，并且要求衬底能够经受后道热处理工序的高温。

c）蒸发方法的适用范围

应该指出，利用多源蒸发系统可以方便地实现梯度或多层蒸镀层。然而，由于合金控制存在一定难度，因此蒸发方法更适合纯金属或对组分无精确要求的那些金属合金。

核心蒸发技术类型对比

技术

类型

加热原理

典型工作参数

适用材料

主要特点

电阻蒸发

大电流通过高熔点金属蒸发源（舟/丝）产生焦耳热

真空度：10⁻²-10⁻³ Pa

电流：100-500 A

沉积速率：1-10 nm/s

低熔点金属（Al, Au, Ag, Cr）、部分有机物

设备简单、成本低；易受蒸发源污染；加热功率有限

电子束蒸发

经高压加速的电子束（~10 keV）轰击材料局部，动能转化为热

真空度：<10⁻³ Pa

束流：0.1-1 A

加速电压：5-10 kV

沉积速率：1-20 nm/s

高熔点金属/合金（W, Ta, Ti）、氧化物（SiO₂, Al₂O₃）

能量密度高、可蒸发难熔材料；材料纯度极高；易诱发薄膜缺陷（如晶格损伤）

感应加热蒸发

高频交流电（~100 kHz）在导电坩埚中产生涡流加热

真空度：10⁻²-10⁻³ Pa

功率：10-50 kW

沉积速率：5-15 nm/s

大量、大颗粒金属或合金的蒸发

加热均匀、可连续加料；坩埚可能引入污染；设备较复杂

常见蒸镀材料及蒸发装置选择：

镀膜过程精确可控，可对膜厚进行比较精确的控制和测量，从而保证了膜厚均匀性。

镀膜过程可以连续化，大大提高产品产量。

蒸镀所得膜附着力强，纯度高，密实性好，表面光亮。其机械性能和化学性能远远高于电镀膜和化学膜。

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