薄膜沉积物理方法超强总结
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直流加热法 ❖ 交流加热法
电弧加热蒸发装置示意图
真空蒸发沉积
三、电弧放电加热蒸发：
3、主要优点： 与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； ❖加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导 电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
4、主要缺点： 电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质 量。
薄膜制备物理方法总结
蒸发（Evapor)
Physical
Vapor
Deposition
溅射（Sputtering ） 离化PVD（离子镀、IBAD、IBD等）
的物 理方 法
外延技术 Epitaxy
分子束外延 (MBE，Molecular Beam Epitaxy 液相外延 (LPE，Liquid Phase Epitaxy ) 热壁外延 (HWE，Hot Wall Epitaxy )
轰击坩埚
电子束蒸发装置 示意图
薄膜沉积
采用电场 (5~10 kV) 加速获得高能电子束。 磁场偏转法的使用可以避免灯丝材料的蒸发 对于沉积过程可能造成的污染。
真空蒸发沉积
二、电子束蒸发：
➢ 应用场合：适用于高纯度（高真空度）、高熔点、易污染 薄膜材料的沉积。
➢ 优点： 加热温度高，可蒸发任何材料； 可避免来自坩锅、加热体和支撑部件的污染；
5、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜.
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
PLD也被称为脉冲激光烧蚀:pulsed laser ablation，PLA.
1，原理： 将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面，
使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子 体，等离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜。真空 度～10-6 Pa，可实现multilayer的沉积
)
蒸发、溅射、离子镀 三类基本PVD方法！
真空蒸发沉积
两个关键： 1，真空度：P ≤ 10-3 Pa （保证粒子具分子流特征，以直线运动）
真空室压力过高，会出现以下情况。a)粒子频繁碰撞，难以匀的薄 膜； b)污染薄膜（轰击基片并吸附）； c)蒸发形成均源被氧化。
2，基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm 能使用情况：蒸发时不发生化学变化。 沉积物中杂质的含量与残余气体的压强成正比，与 沉积的速度成反比。
子 (Ar+) 和自由电子 (e)，并分别在电场作用下被 加速，进而飞向阴极（靶材）和阳极。
溅射沉积法
➢ 与蒸发法相比：溅射法易于保证所制备薄膜的化学成分 与靶材基本一致。
(1)与不同元素溅射产额间的差别相比，元素之间在平衡蒸气压 方面的差别太大，但是溅射产额方面差别小。
➢ 基本过程：
a, 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气 体Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子
b,Ar+受到电场加速飞向置于阴极的靶材，撞击出靶材原子，以及 二次电子，使自由电子数 ；
c,电子在飞行过程中，还可能与Ar+相撞，使之恢复中性状态，但 此过程中电子由激发态回到基态，需要放出能量，这部分能量 以发射光子形式释放。因有大量光子释出，放电形成的等离子 体出现了发光现象，这就是所谓的“辉光”放电
真空蒸发沉积
• 一、电阻式蒸发装置: 电阻热 • 二、电子束蒸发装置： 电子束轰击 • 三、电弧蒸发装置： 电弧 • 四、激光蒸发装置： 激光
真空蒸发沉积
一：电阻加热蒸发沉积
电阻加热蒸发沉积装置
真空蒸发沉积
一：电阻加热蒸发沉积
➢ 应用：是制备单质金属、氧化物、介电材料和半导体化合物薄膜最常 用的蒸发方法。
溅射沉积法
➢离子轰击固体表面的各种物理过程：
1）入射离子弹出；
2）入射离子注入； 3）二次电子、溅射原子/
分子/离子、光子从固体表面释出； 4）轰击 固体表面刻蚀、温升、结构损伤；
5）表面吸附气体分解、逸出；
离子轰击固体表面的各种物理现象
6）部分溅射原子可能返回。
轰击后的物理现象主要取决于入射离子的能量 (Ei)： 较低 入射离子沉积为主(离子束沉积)
➢ 缺点： 支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应，造成污染； 一般工作温度在1500~1900 ℃，所以可蒸发材料受到限制； 蒸发率低； 加热速度不高，蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物，则有可能
分解或蒸发速率不同，造成薄膜成分偏离蒸发物材料成分。
真空蒸发沉积
二、电子束蒸发：
发射电子束
加速（数千伏）
偏转（横向磁场）
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
2，装置示意图：
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
3，PLD的优点：
激光是清洁的，使来自热源的污染减少到最低； ❖ 激光光束只对待蒸镀材料的表面施加热量，可减少来自坩埚等支
撑物的污染； 蒸发速率高，蒸发过程容易控制，高熔点的材料也可以以较高的
沉积速率被蒸发； 聚焦可获得高功率，可沉积陶瓷等高熔点材料以及复杂成分材料
（瞬间蒸发），不会发生组分的偏离现象； 如： 氧化物超导薄膜（YBCO）、氧化物铁电介电薄膜、铁氧体
薄膜等。
4，缺点：
薄膜存在表面颗粒问题 ❖很难进行大面积薄膜的均匀沉积
溅射沉积法
➢ 溅射 (Sputtering)：
一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能 通过与高能入射离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质 表面发射原子的方式被称为溅射。
Ei 适中 碰撞弹出(溅射出)靶材原子 很高 入射离子注入(离子注入改性、掺杂)
因此：气体放电/等离子体的产生是溅射的基础
溅射沉积法
➢ 放电条件：
真空环境： P = 10-1~102 Pa ！
❖ 放电气体： 需要充入惰性气体 (一般为Ar气)！
外加电场： 在其作用下，放电气体被电离，形成阳离
➢ 缺点： 电子束的绝大部分能量会被坩锅的水冷系统带走，热效
率较低； 过高的加热功率会对薄膜沉积系统造成强烈的热辐射； 电子枪系统复杂，设备昂贵。
真空蒸发沉积
三、电弧放电加热蒸发：
1.原理： 将欲蒸发的材料制成放电电
极，在薄膜沉积时，依靠调 节真空室内电极间距的方法 来点燃电弧，而瞬间的高温 电弧将使电极端部产生蒸发 从而实现薄膜的沉积。 2.方法：
电弧加热蒸发装置示意图
真空蒸发沉积
三、电弧放电加热蒸发：
3、主要优点： 与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； ❖加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导 电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
4、主要缺点： 电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质 量。
薄膜制备物理方法总结
蒸发（Evapor)
Physical
Vapor
Deposition
溅射（Sputtering ） 离化PVD（离子镀、IBAD、IBD等）
的物 理方 法
外延技术 Epitaxy
分子束外延 (MBE，Molecular Beam Epitaxy 液相外延 (LPE，Liquid Phase Epitaxy ) 热壁外延 (HWE，Hot Wall Epitaxy )
轰击坩埚
电子束蒸发装置 示意图
薄膜沉积
采用电场 (5~10 kV) 加速获得高能电子束。 磁场偏转法的使用可以避免灯丝材料的蒸发 对于沉积过程可能造成的污染。
真空蒸发沉积
二、电子束蒸发：
➢ 应用场合：适用于高纯度（高真空度）、高熔点、易污染 薄膜材料的沉积。
➢ 优点： 加热温度高，可蒸发任何材料； 可避免来自坩锅、加热体和支撑部件的污染；
5、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜.
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
PLD也被称为脉冲激光烧蚀:pulsed laser ablation，PLA.
1，原理： 将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面，
使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子 体，等离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜。真空 度～10-6 Pa，可实现multilayer的沉积
)
蒸发、溅射、离子镀 三类基本PVD方法！
真空蒸发沉积
两个关键： 1，真空度：P ≤ 10-3 Pa （保证粒子具分子流特征，以直线运动）
真空室压力过高，会出现以下情况。a)粒子频繁碰撞，难以匀的薄 膜； b)污染薄膜（轰击基片并吸附）； c)蒸发形成均源被氧化。
2，基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm 能使用情况：蒸发时不发生化学变化。 沉积物中杂质的含量与残余气体的压强成正比，与 沉积的速度成反比。
子 (Ar+) 和自由电子 (e)，并分别在电场作用下被 加速，进而飞向阴极（靶材）和阳极。
溅射沉积法
➢ 与蒸发法相比：溅射法易于保证所制备薄膜的化学成分 与靶材基本一致。
(1)与不同元素溅射产额间的差别相比，元素之间在平衡蒸气压 方面的差别太大，但是溅射产额方面差别小。
➢ 基本过程：
a, 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气 体Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子
b,Ar+受到电场加速飞向置于阴极的靶材，撞击出靶材原子，以及 二次电子，使自由电子数 ；
c,电子在飞行过程中，还可能与Ar+相撞，使之恢复中性状态，但 此过程中电子由激发态回到基态，需要放出能量，这部分能量 以发射光子形式释放。因有大量光子释出，放电形成的等离子 体出现了发光现象，这就是所谓的“辉光”放电
真空蒸发沉积
• 一、电阻式蒸发装置: 电阻热 • 二、电子束蒸发装置： 电子束轰击 • 三、电弧蒸发装置： 电弧 • 四、激光蒸发装置： 激光
真空蒸发沉积
一：电阻加热蒸发沉积
电阻加热蒸发沉积装置
真空蒸发沉积
一：电阻加热蒸发沉积
➢ 应用：是制备单质金属、氧化物、介电材料和半导体化合物薄膜最常 用的蒸发方法。
溅射沉积法
➢离子轰击固体表面的各种物理过程：
1）入射离子弹出；
2）入射离子注入； 3）二次电子、溅射原子/
分子/离子、光子从固体表面释出； 4）轰击 固体表面刻蚀、温升、结构损伤；
5）表面吸附气体分解、逸出；
离子轰击固体表面的各种物理现象
6）部分溅射原子可能返回。
轰击后的物理现象主要取决于入射离子的能量 (Ei)： 较低 入射离子沉积为主(离子束沉积)
➢ 缺点： 支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应，造成污染； 一般工作温度在1500~1900 ℃，所以可蒸发材料受到限制； 蒸发率低； 加热速度不高，蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物，则有可能
分解或蒸发速率不同，造成薄膜成分偏离蒸发物材料成分。
真空蒸发沉积
二、电子束蒸发：
发射电子束
加速（数千伏）
偏转（横向磁场）
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
2，装置示意图：
真空蒸发沉积
四，脉冲激光沉积
3，PLD的优点：
激光是清洁的，使来自热源的污染减少到最低； ❖ 激光光束只对待蒸镀材料的表面施加热量，可减少来自坩埚等支
撑物的污染； 蒸发速率高，蒸发过程容易控制，高熔点的材料也可以以较高的
沉积速率被蒸发； 聚焦可获得高功率，可沉积陶瓷等高熔点材料以及复杂成分材料
（瞬间蒸发），不会发生组分的偏离现象； 如： 氧化物超导薄膜（YBCO）、氧化物铁电介电薄膜、铁氧体
薄膜等。
4，缺点：
薄膜存在表面颗粒问题 ❖很难进行大面积薄膜的均匀沉积
溅射沉积法
➢ 溅射 (Sputtering)：
一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能 通过与高能入射离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质 表面发射原子的方式被称为溅射。
Ei 适中 碰撞弹出(溅射出)靶材原子 很高 入射离子注入(离子注入改性、掺杂)
因此：气体放电/等离子体的产生是溅射的基础
溅射沉积法
➢ 放电条件：
真空环境： P = 10-1~102 Pa ！
❖ 放电气体： 需要充入惰性气体 (一般为Ar气)！
外加电场： 在其作用下，放电气体被电离，形成阳离
➢ 缺点： 电子束的绝大部分能量会被坩锅的水冷系统带走，热效
率较低； 过高的加热功率会对薄膜沉积系统造成强烈的热辐射； 电子枪系统复杂，设备昂贵。
真空蒸发沉积
三、电弧放电加热蒸发：
1.原理： 将欲蒸发的材料制成放电电
极，在薄膜沉积时，依靠调 节真空室内电极间距的方法 来点燃电弧，而瞬间的高温 电弧将使电极端部产生蒸发 从而实现薄膜的沉积。 2.方法：