3-薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法及其他PVD方法

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薄膜材料的制备和应用领域

薄膜材料的制备和应用领域近年来，薄膜材料在各个领域的应用越来越广泛，如电子、光学、能源等。

薄膜材料的制备技术也在不断发展，以满足不同领域对材料性能与应用需求的不断提高。

一、薄膜材料的制备技术当前，主要有以下几种薄膜制备技术被广泛应用于工业生产和科研实验中。

1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积技术是将固体材料在真空环境下以蒸发、溅射等方式转化为气体，然后在衬底表面沉积成薄膜。

此技术具有较高的原子沉积速率、较小的晶粒尺寸和良好的附着力，可用于制备金属、合金和多层膜等。

2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积技术是通过气相反应将气体分解并生成固态产物，从而在衬底表面沉积形成薄膜。

因其制备过程在常压下进行，能够实现批量制备大面积均匀薄膜，因此被广泛应用于硅、氮化硅、氮化铝等材料的制备。

3. 溶液法溶液法是将材料溶解于适当的溶剂中，然后利用溶液的性质，在衬底上形成膜状材料。

溶液法制备工艺简单、成本较低，适用于生物陶瓷、无机膜、有机膜等材料的制备。

4. 凝胶法凝胶法是在溶液中形成胶体颗粒，然后通过凝胶化的方式得到凝胶体系，再经由热处理、晾干等工艺制得薄膜。

凝胶法可制备出具有较高孔隙度和较大比表面积的纳米级多孔膜材料，适用于催化剂、分离膜等领域。

二、薄膜材料在电子领域的应用随着电子领域的快速发展，薄膜材料作为电子器件的关键组成部分，扮演着越来越重要的角色。

薄膜材料在半导体器件中的应用，如金属薄膜作为电极材料、氧化物薄膜作为绝缘层材料、硅薄膜作为基板等，不仅能够提高电子器件的性能，还能够实现器件的微型化和集成化。

此外，薄膜材料在光电显示技术中也有着广泛应用。

以液晶显示技术为例，通过在衬底上沉积液晶薄膜和驱动薄膜，实现了显示器的高清、高亮度、高对比度等特性。

三、薄膜材料在能源领域的应用薄膜材料在能源领域的应用主要体现在太阳能电池和燃料电池方面。

太阳能电池中的薄膜材料主要是用于吸收太阳能并进行光电转换的薄膜层。

薄膜气相沉积

薄膜气相沉积薄膜气相沉积是一种广泛应用于材料科学和工程领域的薄膜制备方法。

本文将介绍薄膜气相沉积的原理、分类以及应用。

一、原理薄膜气相沉积是利用气相反应在基底表面上生成薄膜的一种方法。

它通过在高温和低压条件下，将气体反应物引入反应室中，使其在基底表面发生化学反应，生成薄膜。

薄膜的成分和性质可以通过调节反应气体的组成、流量和反应条件来控制。

二、分类薄膜气相沉积可以分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两类。

1. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是指在高温条件下，通过气相反应产生薄膜。

常见的化学气相沉积方法包括热CVD、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）等。

热CVD是最常用的方法，它利用热源提供能量，使反应气体在基底表面发生化学反应生成薄膜。

PECVD利用等离子体激发反应气体，提高反应速率和薄膜质量。

LPCVD则在较低的压力下进行反应，可以得到高质量的薄膜。

2. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是利用物理手段将固态物质蒸发或溅射到基底表面形成薄膜的方法。

常见的物理气相沉积方法包括物理气相沉积（PVD）、磁控溅射、分子束外延等。

PVD是最常用的方法之一，它通过蒸发源将固态物质加热蒸发，然后沉积在基底表面形成薄膜。

磁控溅射利用磁场使靶材表面形成等离子体，将靶材溅射到基底表面。

分子束外延则利用高能分子束将物质沉积到基底表面。

三、应用薄膜气相沉积在材料科学和工程领域有着广泛的应用。

1. 电子器件制备薄膜气相沉积可以用于制备电子器件的关键层，如金属导电层、绝缘层、半导体层等。

通过控制薄膜的成分和性质，可以实现不同功能的电子器件。

2. 光学涂层薄膜气相沉积可以制备用于光学器件的涂层。

例如，通过控制薄膜的厚度和折射率，可以制备反射镜、透镜等。

3. 功能薄膜薄膜气相沉积还可以制备具有特殊功能的薄膜材料。

例如，通过掺杂不同元素可以制备导电薄膜、光敏薄膜等。

4. 生物医学应用薄膜气相沉积在生物医学领域也有着广泛的应用。

3薄膜制备技术(PVD)(溅射)解析

下图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag、Cu、Ta表面时得到的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。
c、离子入射角度对溅射产额的影响
随着离子入射方向与靶面法线间夹角θ的增加，溅射产额先呈现 1/cosθ 规律的增加，即倾斜入射有利于提高溅射产额。0-60度左右单调增加，当入射角θ接近70-80 度角时，达到最高，入射角再增加，产额迅速下降。离子入射角对溅射产额的影响如图。
（2) 各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在 10~40eV，只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。
b、入射离子种类和被溅射物质种类
下图是在加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。
气体放电现象气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨论一下气体放电过程。开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。随电压升高，电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）；汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子，参与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。电晕放电：汤生放电的后期称为电晕放电，此时电场强度较高的电极尖端出现一些跳跃的电晕光斑。

薄膜材料制备技术_第04章薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法

直流溅射装置及特性
三极溅射在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。
阳极电位高于基片
4.3 溅射沉积装置
二、射频溅射装置及特性
二、射频溅射装置及特性
射频电源的频率13.56MHz 射频溅射电压1-2KV 射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电
二、射频溅射装置及特性
电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。
射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。
第四章薄膜制备技术-溅射法
4.1 辉光放电与等离子体 4.2 物质的溅射现象 4.3 溅射沉积技术
第四章薄膜制备技术-溅射法
溅射法
利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶材表面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上形成薄膜。
溅射法的分类
4.3 溅射沉积装置
一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
二次电子
气体离子靶材离子
一、直流溅射装置及特性
溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍溅射电压1-5KV。靶材必须为金属。为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。
4.3 溅射沉积装置
五、偏压溅射装置及特性
偏压溅射是在一般溅射的
基础上，在衬底与靶材间加

物理气相沉积及其在薄膜制备中的应用

物理气相沉积及其在薄膜制备中的应用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）是一种广泛应用于薄膜制备领域的表面处理方法。

在PVD制备过程中，原料材料以固体或液体的形式添加到真空室中，然后被加热和蒸发至其气态。

这些气态分子蒸发出来后，会沉积在需要处理的表面上，形成一个均匀的薄膜。

PVD技术可以分为多种方法，其中包括热蒸发沉积、磁控溅射沉积和电弧溅射沉积等。

在这些方法中，热蒸发沉积是最古老的PVD技术。

将固体材料放入真空腔体中并施加热量，从而使原料氧化或转移为气态物质。

然后，气态物质穿过真空室并Form一个稳定的薄膜沉积在待处理物体表面上。

磁控溅射沉积是一种使用磁场将原料转移到待处理表面的技术。

在磁控溅射沉积过程中，原料被打碎和离子化，然后被引入一个磁场中。

在磁场的作用下，电离原料可以沉积在待处理物体表面上，最终形成一个薄膜。

电弧溅射沉积是一种高能量的PVD技术，通过将电弧加热金属原料，使其氧化并形成气态原料，然后在真空室内通过电场进行沉积。

与其他PVD技术相比，电弧溅射利用了高能量的优势，可以形成高质量的薄膜。

PVD技术及其应用在制备平整、致密和均匀的薄膜方面具有非常重要的作用。

物理气相沉积可以应用于生产各种对表面特性有特殊要求的设备和零件，包括线路板、光学元件以及高频电子设备等。

在半导体工业中，PVD技术被广泛应用于微电子器件的制备。

通过控制气压和温度等条件，可制备出各种形状、厚度和化学特性的薄膜。

其制备出来的薄膜可用于制备各种高精度微电子器件，如存储器、传感器、LED显示屏和光纤通信器件等。

同时，在纳米技术领域，PVD技术可以制备出极薄的纳米材料薄膜。

由于这些薄膜厚度只有纳米级别，因此在制备纳米光电设备方面具有很大的应用前景。

例如，PVD技术制备出的具有不同光响应波段的多层纳米结构可以形成多色的光电器件，而这种器件已广泛应用于基于光子学的新型显示器件和光纤通信中。

薄膜的物理气相沉积

三.分类
蒸发法： 1、较高的沉积速度；
2、相对较高的真空度，导致较高的薄膜质量。
最常见的 PVD方法
溅射法： 1、在沉积多元合金薄膜时化学成
分容易控制； 2、沉积层对衬底的附着力较好。
脉冲激光沉积法
第一节物质的热蒸发（Thermal Evaporation）
一、元素的蒸发速率二、元素的蒸气压三、化合物和合金的
二、元素的平衡蒸气压
一.平衡蒸气压的推导
克劳修斯-克莱普朗方程指出，物质的平衡蒸气压pe随温度T的变化率可以定量地表达为：
dpe H dT TV
（2-3）
其中，ΔH——蒸发过程中单位摩尔物质的热焓变化，随着温度不同而不同，
ΔV——相应过程中物质体积的变化。
由于在蒸发时， V气 V固(V液)
故
VV V气 V固(V液) V气 V
nRT
利用理想气体状态方程
P NA
，
1mol气体的体积为： V NA RT VV 代入
nP
克-克方程，则有
dpe dT
pH RT2
（2-4）
作为近似，可以利用物质在某一温度时的气化热 ΔHe代替ΔH，从而得到物质蒸气压的两种近似表达方式：
lnpe
He RT
其中α为一个系数，它介于0~1之间；
Pe——平衡蒸气压；
ph——实际分压
当α=1速率
( pe ph) M 2 RT
（2-2）
二.影响蒸发速率的因素
由于物质的平衡蒸气压随着温度的上升增加很快，因而对物质蒸发速度影响最大的因素是蒸发源的温度。。
C例外
三、化合物和合金的热蒸发
一.化合物的蒸发
1.化合物蒸发中存在的问题： a) 蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分；

薄膜沉积方法

薄膜沉积方法一、引言薄膜沉积方法是一种用于制备薄膜材料的关键技术。

它在电子器件、光学器件、太阳能电池等领域具有广泛的应用。

本文将介绍薄膜沉积方法的原理、分类以及一些常用的技术。

二、薄膜沉积方法的原理薄膜沉积方法是通过将材料原子或分子逐层沉积在基底上，形成具有特定功能和性质的薄膜。

常用的薄膜沉积方法主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）以及溶液法等。

三、薄膜沉积方法的分类1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是利用物理手段将材料蒸发、溅射或者离子轰击后沉积在基底上。

常见的物理气相沉积方法有热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等。

这些方法能够得到高纯度、致密度高的薄膜，但是制备过程中需要高真空环境。

2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是利用化学反应将材料原子或分子沉积在基底上。

常见的化学气相沉积方法有热CVD、等离子CVD、低压CVD等。

这些方法能够制备多种材料的薄膜，具有较好的均匀性和控制性。

3. 溶液法溶液法是将溶解有所需材料的溶液倾倒在基底上，通过溶剂的挥发或者化学反应使溶质沉积在基底上。

常见的溶液法有旋涂法、浸渍法、喷雾法等。

这些方法制备简单、成本低，适用于大面积薄膜的制备。

四、常用的薄膜沉积技术1. 热蒸发热蒸发是将材料加热至其沸点，使其蒸发并沉积在基底上。

这种方法适用于蒸发温度较低的材料，如金属薄膜。

2. 磁控溅射磁控溅射是利用高能离子轰击靶材，使其溅射出的原子或分子沉积在基底上。

这种方法能够制备各种材料的薄膜，但需要高真空环境。

3. 化学气相沉积化学气相沉积是通过化学反应将材料原子或分子沉积在基底上。

这种方法可以制备复杂的多层薄膜，并具有较好的控制性和均匀性。

4. 旋涂法旋涂法是将溶解有所需材料的溶液倒在基底上，然后通过高速旋转基底使溶液均匀涂布在基底上。

这种方法适用于制备有机薄膜。

五、总结薄膜沉积方法是制备薄膜材料的重要技术，不同的方法适用于不同的材料和应用领域。

物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法是常用的薄膜沉积方法。

薄膜的物理气相沉积第三章薄膜的物理气相沉积—溅射法及其他PVD方法

薄膜的物理气相
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沉积
典型工作条件：工作气压，溅射电压600V，靶电流密度20mA/cm2，薄膜沉积速率。沉积速率高的原因：磁场中电子的电离效率较高，有效地提高了靶电流密度和溅射效率，降低了靶电压；磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率，工作气压较低，较低的气压下溅射原子被气体分子散射的几率较小。 ➢降低了薄膜污染的可能性 ➢提高了入射到衬底表面原子的能量，改善薄膜质量
绝缘靶：直流溅射时，靶表面带正电位，阳极和靶之间电位差消失，不能继续维持溅射放电；使用高频电源时，离子和电子交又轰击绝缘靶表面，靶表面正电位消失，可维持辉光放电；等离子体中电子具有比离子更大的迁移率，靶表面电子过剩，出现直流负偏压，使绝缘靶溅射。
薄膜的物理气相
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沉积
当交流电源的频率低于50kHz时：气体放电的情况与直流情况无根本改变，
合金靶材预溅射: 要使合金靶材表面成分达到溅射动态平衡对应的
成分，需要经过一定的溅射时间。可以将靶材预先溅射一段时间，使其表面成分达到平衡后，再开始正式溅射过程。预溅射层的深度一般需要达到几百个原子层左右。
薄膜的物理气相
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沉积
例如，合金靶材成分为80％Ni-20％Fe， Ar+离子能量lkeV，元素溅射产额：，。
薄膜的物理气相
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沉积
磁控溅射可显著降低溅射过程的气体压力范围
薄膜的物理气相
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沉积
阴极发射出的电子在电场的作用下有向阳极运动的趋势，在垂直磁场的作用下，运动轨迹被弯曲而重新返回靶面。
薄膜的物理气相
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沉积
薄膜的物理气相
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沉积
Computational Studies on Generation and Control of a Magnetron Sputtering Plasma

第三章薄膜的物理气相沉积-溅射法

能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子碰撞过程中
将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，
并且会沿着一定的方向射向衬底，实现薄膜的沉积。由溅射现象的发现到离子溅射在镀膜技术中的应用，期间经历了一个漫长的发展过程。
1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管
12
为维持放电进行，下述两个过程必不可少 1）、电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个
电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用
下，向阳极运动。当电子能量超过一定值后，使气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子，重复这一过程，即实现电子的所谓繁衍。
2）、二次电子发射过程：离子在阴极电位降的
气体分子以游离状态存在着。当两电极上加直流电压时，
这些少量的正离子和电子将在电场下运动，形成电流。曲线的开始阶段。由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的，所以，当正离子和电子一产生，便被电极拉过去。即使再
升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。此时的电流
密度很小，一股情况下仅有10-16—10-11安培左右。此区是导电而不发光，所以称为无光放电区。
气体辉光放电形成等离子体之后，放电过程就进入了可以自持
（自我维持）的阶段，气体中的荷电粒子，也就是带电荷的粒子，在吸收了一定的电场能量之后，已经可以不断地复制出新的电子和离子。
26
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3.1 气体放电现象与等离子体
放电的自持阶段：原先由于辉光放电形成的等离子体当中的荷电粒子，开始不断地轰击气体分子，产生新的电子和离子；这些新的电子和离子产生之后，又去不断地轰击
玻璃内壁上有金属沉积现象； 1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物；

薄膜的物理气相沉积——溅射法

溅射沉积的T发hom展son形简象的史把溅射现象
类比于水滴从高处落在平静的水面所引
• • • •
1122从890050而世世22开年年纪纪始，，36起后00了WG年的年来o工.代代G水l在d业rs，初o花印te上便v已，ie飞n刷“的在被证有B溅的Se应研用明人lpl现过实用u究上开作tt验象；程辉e述始科r室，光i中金利n学g和放并属用，”术W，电沉溅称将语e的不积射其s字t“时e久是现为母rE溅候正象这l““e发射离c在一tSli现””子c实p词漏公l了u轰验。司印tt溅击室e利而r射i阳中n用成现g极制”溅为象，溅取射；射薄制出膜取的；集产成物电；路用的Ta膜，
• 阳极暗区，电子被阳极吸收，离子被阳极排斥，形成负的空间电荷区，电位升高，形成阳极位降区；
• 阳极辉光，电子在阳极区被加速，足以在阳极前产生电离和激发，形成阳极辉光区。
3 .2 辉光放电与等离子体
等离子鞘层
• 电子与离子具有不同的速度的一个直接后果是形成所谓的等离子体鞘层，即相对于等离子体来讲，任何位于等离子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电位，并且在其表面外将伴随有电荷的积累。
• 当M1<<M2，有 E 2 0 ，说明轻粒子转移给重粒子的能量很小。
E1
3 .2 辉光放电与等离子体
辉光放电中的碰撞过程
• 非弹性碰撞碰撞后粒子所获能量的最大值与碰撞前粒子能量之比
U M2 co2s
E1 2(M1M2)
• 当M1和M2相等时，有 U 1cos2 ，说明粒子最多将其能量的一半交出；
• 1963年，指出全长10m的连续溅射镀膜装置；
• 1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体材料的溅射成为可能；

薄膜物理总结

一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法溅射法离子镀方法化学方法：电镀方法化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

3,流导：真空管路中气体的通过能力。

分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。

4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积：中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积：高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析：高真空;材料表面分析：超高真空。

6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。

特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。

（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。

粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。

紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。

克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。

性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。

chapter 3 薄膜物理气相沉积 ——溅射法及其他PVD方法

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3.2 气体放电现象与等离子体
在辉光放电时，电极之间有明显的放电辉光产生，典型的放电区域划分如图：
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3.2 气体放电现象与等离子体
电弧蒸发法利用弧光放电过程中物质的蒸发。
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3.2 气体放电现象与等离子体
气体的放电类型： •Townsend放电：气体击穿的初期，放电电压比较高，且随输入功率的增加变化很小；放电电流随输入功率的增加而增加，但比较小； •正常辉光放电：当放电达到一定值以后，足够多的电子和离子使得放电可以自持，气体放电转化为正常辉光放电，此时的气体电导率比较大，极板间电压下降； •异常辉光放电：当电离度达到比较高以后，电流随功率增加变缓，但电压迅速增加； •弧光放电：进一步增加功率导致电弧出现，从而放电转化为弧光放电，气体电导率再次增加，极板间电压再次下降
20世纪30年代，溅射现象在实验室中被用于制备薄膜；
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概述
60年代初，Bell实验室和Western Electric公司将溅射制膜技术应用于工业领域； 1963年制作出全长约10m的连续溅射镀膜装置； 1965年 IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能； 1974年，J.Chapin实现了高速、低温溅射镀膜，并发表了关于平面磁控溅射装置的文章。

第五讲_薄膜的物理气相沉积-离子束沉积及其他PVD方法

真空室反应气体偏置极工件活化极电源
HCD电子枪
使用45或90偏转型HCD电子枪 HCD: hollow cathode discharge
(1972)
蒸发源
空心阴极电弧离子镀
用空心阴极电子枪代替了普通的电子枪，即构成了空心阴极离子镀。空心阴极与坩埚间构成了蒸发源，与活化极间构成了离化源空心阴极电弧放电的情况下,可产生数百安培的电子束，比其他离子镀方法高100倍；使其偏转后即可用于热蒸发。浓度极高的蒸气流通过蒸发源上方的等离子区时被激发和电离，形成大量的离子和高能中性粒子，不仅可形成密度达 1015/cm2.s的离子流，还携带了比其他离子镀方法高2-3数量级的高能中性粒子，飞向施加负偏压的基底，沉积形成薄膜。物质的蒸发速率高，薄膜的沉积速率快
最有代表性的
偏置极
二极直流放电离子镀装置的示意图
有一个具有偏置电压（-V）的气体放电空间被沉积的物质（金属原子、气体分子）在放电空间内部分离化
(1963) 地电极
——
——
结合了蒸发和溅射法的优点
二极直流放电离子镀的操作环境
使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质
（在早期，溅射法还不成熟，真空电弧法还未出现）
离子镀技术 —— 发展历史
1938年，Berghau 申请了离子镀的第一份专利 1963年，Mattox 发明了二极直流放电离子镀 1972年，Bunshah发展了活化反应离子镀 1972年，Morley发明了空心阴极电弧离子镀 1973年，村山洋一发明了射频放电离子镀 20世纪80年代初，国内外相继开发了真空阴极电弧离子镀、多弧离子镀如今,离子镀技术已发展成为在工业中广泛应用的一种重要的 PVD 薄膜沉积技术

第三章薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)

电的主要微观机制！！！

电子与其他离子的碰撞有两类：
弹性碰撞非弹性碰撞
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1.

弹性碰撞
粒子2的运动方向据经典力学，弹性碰撞过程中E间的夹角 1与E2的关系：
参加碰撞的粒子的总动能和总能量保持不变，粒子内能不变化，即没有粒子的激发、电离碰撞前粒子1的运动方向与碰撞后或复合过程。以粒子1高速撞击粒子 2为例：
处于中性状态，只有极少量的游离离子和电子，数量有限，
因此形成的电流非常微弱；
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BC段：汤生放电区（Townsend discharge）。随着两极间电压的升
高，带电粒子获得足够能量运动速度加快，并与系统中的气体分子发生碰撞并使其电离从而使电流持续增加。在此区域，电流可在电
压不变的情况下增大，当电流增大到一定值时（C点），会发生“雪
比较有代表性的非弹性碰撞过程如下：（1）电离过程（反之为复合），如
当电子能量较高时，发生非弹性碰撞的几率就非常高。

e- + Ar → Ar+ + 2 e（2）激发过程，如
e- + O2 → O2* + e（3）分解反应，如 e- + CF4 → CF3* + F* + e-
31 其他碰撞（原子、离子间）也在发生，但电子参与的碰撞在放电过程中最为重要。

在150eV以前，溅射率与入射离子能量的平方成正比；在150eV~10keV范围内，溅射率变化不明显；入射能量再增加，溅射率将呈下降趋势（离子注 34 入）。

（2）入射离子和被溅射物质种类对溅射产额的影响 A. 随着被溅射物质元素外层d电子数的增加溅射产

薄膜沉积的物理方法精品PPT课件

2、污染薄膜（轰击基片并吸附）：引入残余气体分子对基片的撞击率 (Ng)予以表征： N g 3.5131022
式中：Pg — 残余气体分压；Mg — 残余气体分子量；Tg — 残余气体的温度
Pg M gTg
cm-2 s-1
课本 P38 表2.2 显示：常用真空度及沉积率下，残余气体分子可能污染薄膜；
3.1.2 蒸发沉积装置
五、激光蒸发：
采用激光作为热源照射待蒸发材料，实现其蒸发和沉积。
1、蒸发装置：见课本 P44 图2.12 或右图。
2、主要优点：热源清洁，无来自加热体的污染； ❖ 表面局部加热，无来自支撑物的污染；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）；光束集中，激光装置可远距离放置，可安全沉积一
课后作业：
1、什么是物理气相沉积（PVD）？举例说明PVD的主要过程。 2、真空蒸发装置一般包括哪三个组成部分？何者为最关键的部分，主要需要完成哪些功能？ 3、真空蒸发装置主要包括哪些类别？选择三种典型蒸发装置，比较其原理、特点和适用领域。
3 薄膜沉积的物理方法
3.2 溅射沉积技术
3.2.1 溅射的基本概念及原理
❖ 基片距离 (相对于蒸发源)：10~50 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自由程）
三、蒸发条件：分压 Pi < 平衡蒸汽压 Pei
1、物理机制：
■ 蒸发与凝聚同时发生，动态双向进行；
■ T 一定时，动态平衡时的蒸汽压即平衡蒸汽压
Pe /Torr
■ Pi > Pei 凝聚； Pi < Pei 蒸发 (净蒸发 > 0)
些特殊材料薄膜（如高放射性材料）；可引导激光束，实现多源同步或有序蒸发；脉冲激光可实现超高功率脉冲加热，实现超高温瞬时蒸发。