第四讲_薄膜的物理气相沉积-溅射沉积
第四章_薄膜的物理气相沉积
4.1 蒸发沉积 4.2 溅射沉积 4.3 离子束沉积 4.4 脉冲激光沉积
4.1 蒸发沉积
蒸发沉积薄膜的基本过程：
1） 原材料被加热蒸发而气化 2） 气化的原子或分子从蒸发源向基片表面输运 3）蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、 核长大，继而形成连续薄膜
4.1.1 蒸发源
缺点：需要较复杂且昂贵的高频电源
4.1.2 原材料的蒸发与输运
1.
蒸发速率 假设在原材料表面液相和气相分子处于动态平 衡，则蒸发速率
dN r Pr P0 Je Adt 2 mkT
蒸发速率与蒸发源温度的关系
dG B 1 dT 2.3 G T 2 T
4.1.3 蒸发镀膜的膜厚分布
膜厚的分布取决于蒸发源的几何形状 与蒸发特性、基片的几何形状、基片与蒸 发源的相对位置等因素。
膜厚理论计算的简化假设： 1）蒸发凝结成薄膜
4.2 溅射沉积
溅射：荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（或 分子）逸出的现象叫溅射。 使用范围：金属、合金、半导体、氧化物、氮化 物、碳化物、超导薄膜等。 溅射率：当粒子轰击靶阴极时，平均每个粒子从 阴极上打出的原子数。 溅射阈值：当入射粒子能量高于溅射阈值时才发 生溅射。
脉冲激光沉积的优点
相比其他制膜技术，PLD具有如下特点：1） 采用紫外脉冲激光器作为等离子体的能源，它 具有高光子能量、无污染且易于控制的特点； 2）可以比较精确的控制化学计量比，实现靶 膜成分接近一致。3） 可以引入反应气体，提 供了另一种改变薄膜组分的办法；4）四个靶 材托板随意更换，可以实现多层膜、异质结的 制备，尤其适合制备量子阱结构薄膜。5）工 艺相对简单，灵活性很大，可以实现诸多不同 种类的薄膜制备；6）可以使用激光器对薄膜 进行后续处理等。
物理气相沉积(PVD)
控制镀料成分：A1B25, 保证：P A :P B 1: 0 2 0 5 4 :1 A4B1膜料成分 若：一次性加料，A消耗快； ∴ 连续加料，保证熔池料为 A1B25, 从而膜料成分为A4B1；
dP Lv dT TV
（1）
∵ ∴
积分：
VV汽V固 、液V汽P 1R， T
dP dT
PLV RT 2
lnp ALV 1 RT
（2）
图8.2.2 几种材料的蒸气压——温度曲线
（3）蒸发速率和凝结速率
① 蒸发速率Ne：
——热平衡条件下，单位时间内，从蒸发源每单位 面积上射出的平均原子数。
N e1 4n 2 P m k3 .5 T1 13 20 2M P（T 1/cm2·s） (3)
设：物质含A，B成分，MA、MB，PA、PB， 则由（3）式，得 ：
NA CA PA MB NB CB PB MA
(14)
改进工艺：
1）选择基片温度，使之有利于凝聚而不是分凝；
2）选用几个蒸发源，不同温度下分别淀积，但控制困难； 3）氧化物，可采用反应蒸镀法，引入活性气体。
4. 蒸发源类型
（1）电阻加热蒸发源
70年代，在阴极溅射基础上发展起来，能有效克服溅射速 率低，电子碰撞使基片温度升高的弱点。
（1）基本原理
在阴极靶面上加一环行磁场，使 BE , 控制二次电子运动轨迹，
电子运动方程： d e (EB)
(16)
dt m
运动轨迹为一轮摆线，电子在靶面上沿着垂直于E、B的方向前进，电 子被束缚在一定的空间内，减少了电子在器壁上的复合损耗；同时，延长 了电子路径，增加了同工作气体的碰撞几率，提高了原子的电离几率，使
薄膜与物理气相沉积
M etalloberfl che,2001,55(3):27(德文)使用次磷酸镍化学镀镍至少能提高镀槽2倍的寿命,指出了该镀液的优缺点,提出了典型工艺配方,研究了次磷酸镍的溶解性与温度的关系。
该工艺的最大优点是利用氢氧化钙沉淀进行化学回收。
20020728 化学镀镍合金工艺中的添加剂———Reda G M.Metal Fin,2001,99(2):77(英文)讨论了化学镀Ni2P2B槽中无机和有机添加剂的影响,测定了沉积层的磁性、导电性、导热性、偶电常数等性能。
介绍了镀层的结合力试验和热稳定性试验,研究了槽液稳定性、沉积速度、镀层外观以及基体材料的影响。
20020729 无污染的氨溶液镀铜工艺———Magdy A M I.Plating and Surface Finishing,2000,87(7):67(英文)研究了钢铁基体在氨溶液中的电沉积铜,测量了槽液组成、操作条件对镀层质量的影响,利用SE M测量了镀层表面结构。
结果表明,获得光亮镀铜层的最佳条件为:CuS O4・5H2O80g/L, NH3100g/L,(NH4)2S O450g/L,K OH15g/L,S DBS(阴离子表面活性剂) 3.0×10-5m ol/L,温度25℃,pH值10.5,电流密度2.7 A/dm2。
该镀液覆盖力好、电流效率高,并可获得无孔、致密的光亮镀铜层。
(以上范宏义译)薄膜与物理气相沉积20020730 氮化钛薄膜中加入铜以提高其硬度和细化组织———He J L.Surface&C oatings T echnlolgy,2001,137(1):38(英文)用离子束辅助溅射沉积含少量铜的T iN薄膜,铜对T iN膜的性能和组织具有很强的改性效用。
当加入很低的(原子分数< 2%)铜量时,膜的厚度与弹性显著提高,但当铜的原子分数含量>2%,则膜的硬度相对较低。
根据刻痕试验,其变形量大于53%而成为塑性状态。
第四章薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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。
F E
G
4.1 辉光放电和等离子体
2、辉光放电区域的划分
阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区； 阳极柱；阳极暗区；阳极辉光 暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光
区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
4.2 物质的溅射现象
离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过 程的相对重要性取决于入射离子的能量。
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
一定的偏压，以改变入射离
子能量和离子数，达到改善
薄膜的结构和性能。
如图所示，改变偏压可改变
Ta薄膜的电阻率。
溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化
六、离子束溅射
在离子束溅射沉积中， 由离子源产生的离子束 通过引出电极引入真空 室，打到靶材上溅射， 实现薄膜沉积。
一、辉光放电的物理基础
靶材是需要被溅射的物质，作为 阴极，相对阳极加数千伏电压， 在真空室内充入Ar气，在电极间 形成辉光放电。
辉光放电过程中，将产生Ar离子， 阴极材料原子，二次电子，光子 等。
4.1 辉光放电和等离子体
等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体， 包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由 电子。
4.2 物质的溅射现象
薄膜的物理气相沉积
溅射气体
至真空泵
5
一、气体放电现象 (gas discharge)
原子激发能（excitation energy）: 原子中电子从基态能级 激发到激发态能级所需能量。
原子电离能（ionization energy）：原子在外界因素作用下 失去一个或几个电子而形成自由电子和正离子所需要的 能量。碰撞电离、光电离（中性复合、激发态恢复导致 分级电离）、热电离。
体自持放电过程，如火花放电、电弧放电
和辉光放电等。
25
气体放电条件
只有当气体压力和电极间距的乘积pd为某 一数值时，气体最容易发生放电击穿。描述这 一规律的曲线叫帕邢（Paschen）曲线。相应 的规律叫帕邢规律。
26
• 气体击穿电压：
• 汤生放电理论的适用范围：气压较低、pd值较小。 pd过小或过大，放电机理将出现变化。
Ar原子碰撞并使后者电离为Ar+离子 5、电子飞向阳极，Ar+离子在高压电场的加速作用下高
速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释 放出其能量。离子的高速撞击使大量的靶材原子获得 了相当高的能量，使其可以脱离靶材的束缚而飞向衬 底。
35
离子轰击物体表面时发生的现象
表面吸附杂质的
多级碰撞
碰撞和通道效应 去除和表面活化
30
每个电子消失时，都能由自身引起 的过程重新造出一个“替身”，这样 就能不再凭借外电离因素，而依靠放 电间隙本身的过程使电离维持发展， 即转入自持放电。
受空间电荷（鞘层）的影响，放电 转入自持后电流不是趋于无穷大，而 是只建立起一定的放电电流。
31
第二节 物质的溅射现象
一、简 介 二、溅射产额 三、合金的溅射和沉积
金属（阴极）表面电离能（逸出功work function，work of
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。
薄膜的沉积过程
薄膜的沉积过程
薄膜沉积是指将材料沉积到基底表面形成一层薄膜的过程。
这个过程在微电子、光电子、纳米技术等领域都有广泛的应用。
薄膜沉积过程可以分为物理气相沉积和化学气相沉积两种方法。
1. 物理气相沉积
物理气相沉积是指通过高能粒子（如电子束、离子束）或热源（如电阻丝）将材料加热至高温，使其蒸发或溅射到基底表面上形成一层薄膜的过程。
这种方法适用于制备金属、合金、硅等材料的薄膜。
2. 化学气相沉积
化学气相沉积是指通过化学反应将材料从气体状态转变为固态并在基底表面上形成一层薄膜的过程。
这种方法适用于制备半导体、绝缘体和金属等材料的薄膜。
化学气相沉积可以分为以下几种类型：
（1）热化学气相沉积（CVD）
CVD是一种将气态前驱体在高温下分解反应产生材料沉积在基底表面
的方法。
CVD适用于制备SiO2、Si3N4、MoSi2等材料的薄膜。
（2）物理化学气相沉积（PVD）
PVD是指通过物理手段将材料从固态转变为气态，然后在基底表面上
形成一层薄膜的过程。
PVD适用于制备金属、合金、氧化物等材料的
薄膜。
（3）原子层沉积（ALD）
ALD是一种将前驱体分子和反应剂交替注入反应室中，每次只有一个
单层原子或分子被沉积在基底表面上的方法。
ALD适用于制备高质量、均匀性好的绝缘体和金属薄膜。
总之，不同类型的薄膜沉积方法具有不同的特点和优缺点，在实际应
用中需要根据具体情况选择合适的方法。
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。
薄膜的制备技术原理及应用
薄膜的制备技术原理及应用1. 简介薄膜是指在厚度较薄的材料表面形成一层均匀的覆盖物。
在许多领域，薄膜制备技术被广泛应用，如电子器件、光学器件、能源存储等。
本文将介绍薄膜的制备技术原理及其在不同领域的应用。
2. 薄膜制备技术原理2.1 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition, PVD)物理气相沉积是一种将材料从固态直接转变为薄膜状态的制备方法。
其基本原理是在真空环境中，通过蒸发或溅射，将源材料沉积到基底上。
2.1.1 蒸发法 (Evaporation)蒸发法在物理气相沉积中被广泛应用。
源材料首先被加热至其沸点，然后分子经过蒸发，成为气态粒子，最终在基底表面沉积。
2.1.2 溅射法 (Sputtering)溅射法通过将高能量粒子轰击源材料，使其表面原子迅速离开，然后在基底上形成薄膜。
溅射法制备的薄膜通常具有较好的质量和均匀性。
2.2 化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD)化学气相沉积是一种基于化学反应形成薄膜的制备方法。
其基本原理是在高温和高压条件下，将气态前驱体分解产生反应物，在基底上沉积形成薄膜。
2.2.1 热CVD (Thermal CVD)热CVD是一种常见的化学气相沉积方法，其反应物通常是气态前驱体。
通过调节温度和气体流量，控制反应物在基底上的沉积。
2.2.2 低压CVD (Low Pressure CVD)低压CVD是在低压条件下进行的化学气相沉积方法。
通过控制气体压力和底座温度，可以精确控制反应物的沉积速率和组成。
2.3 溶液法 (Solution Process)溶液法是在液相中形成溶液，然后将溶液沉积到基底上形成薄膜的制备方法。
溶液法制备薄膜成本低、工艺简单，因此在某些领域具有广泛的应用。
2.3.1 染料敏化太阳能电池 (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs)染料敏化太阳能电池是一种利用染料分子吸收光能并将其转化为电能的光电转换装置。
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；
第三章薄膜的物理气相沉积-溅射法
21
5、弧光放电
在F点以后，整个特性都改变了，两极间电 压将会再次突然大幅度下降，降至很小的数值， 而电流强度则会伴随有剧烈的增加，其大小几乎 是由外电阻的大小来决定，而且电流越大，极间 电压越小，FG区域称为“弧光放电区”。
当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子 与气体分子之间的碰撞变得重要起来，在碰撞趋于 频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在 逐渐增加。
16
此时，一方面离子对阴极的碰撞将使其产生 二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的 水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生 电离。这些均产生新的离子和电子，即碰撞过程 使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放 电电流的迅速增加，电压的变化却不大。——汤 森放电
25
3.1 气体放电现象与等离子体
二、辉光放电现象及等离子体鞘层
气体发生辉光放电，意味着部分气体分子开始分解为可以导电 的离子与电子，即形成了等离子体。
等离子体（Plasma）是指由自由电子、带电离子以及中性原子和 原子团为主要成分的物质形态，对外表现为中性态。它广泛存在于 宇宙中，常被视为物质的第四态，等离子体最大的特点是具有很高 的电导率。
28
3.1 气体放电现象与等离子体
“帕邢（Paschen）曲线”
－－
前面讲到气体在正常辉
光放电阶段发生放电击穿
现象，这个放电击穿是有
条件的，条件就是要有一
定的电压。这个电压跟气
体的压力有关。帕邢曲线
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。
物理气相沉积溅射
物理气相沉积溅射物理气相沉积溅射是一种常用的薄膜制备技术，它广泛应用于微电子、光电子、纳米材料等领域。
本文将从溅射原理、装置结构和应用等方面介绍物理气相沉积溅射技术。
一、溅射原理物理气相沉积溅射是利用高能粒子（通常是离子或中性粒子）轰击固体靶材，使靶材表面发生溅射，形成薄膜的一种工艺。
在溅射过程中，靶材被轰击后，部分表面原子被剥离，并以高能形式沉积在基底表面，最终形成薄膜。
二、装置结构物理气相沉积溅射装置主要包括真空室、靶材、基底、气体供给系统和功率源等组成部分。
真空室用于提供低压环境，以确保薄膜制备过程中的纯净度。
靶材是溅射过程中的重要组成部分，其材料的选择与所需薄膜的性质密切相关。
基底是形成薄膜的载体，其表面质量和平整度对薄膜质量有着重要影响。
气体供给系统用于控制溅射过程中的气氛成分和压力，以调节薄膜的成分和性质。
功率源则为溅射过程提供能量。
三、应用领域物理气相沉积溅射技术在微电子领域有着广泛的应用。
例如，利用物理气相沉积溅射技术可以制备金属薄膜用于制造集成电路中的导线、电极等元件。
此外，物理气相沉积溅射还可用于制备光电子器件中的透明导电薄膜、光栅等元件。
另外，该技术在纳米材料研究中也具有重要作用，可以制备纳米颗粒、纳米线等纳米结构材料。
四、优势和挑战物理气相沉积溅射技术具有多种优势。
首先，它可以制备多种材料的薄膜，包括金属、半导体、氧化物等。
其次，溅射过程中的粒子能量较高，可得到致密的薄膜结构。
此外，溅射技术具有较高的沉积速率和较好的均匀性。
然而，物理气相沉积溅射也面临一些挑战，如靶材损耗、薄膜成分控制和工艺参数优化等。
五、发展趋势物理气相沉积溅射技术在不断发展中，有一些新的趋势值得关注。
首先，随着纳米科技的发展，溅射技术在纳米材料制备方面具有广阔的应用前景。
其次，通过引入新的溅射模式和辅助能源，可以进一步提高薄膜制备的效率和质量。
此外，利用多靶材溅射和反应性溅射等方法，可以实现多组分薄膜的制备，拓宽了溅射技术的应用范围。
薄膜制备技术-溅射法
溅射法的原理
当高能粒子（如惰性气体离子）轰击固体靶材表面时，会使得靶材表面的原子或分 子获得足够的能量，克服与基材之间的引力，从靶材表面溅射出来。
溅射出来的原子或分子在真空中飞行，并沉积在基材表面，形成薄膜。
薄膜制备技术-溅射法
目 录
• 溅射法简介 • 溅射法制备薄膜的工艺流程 • 溅射法制备薄膜的特点与优势 • 溅射法制备薄膜的挑战与解决方案 • 溅射法制备薄膜的发展趋势与展望
01
溅射法简介
溅射法的定义
溅射法是一种物理气相沉积技术，利 用高能粒子轰击固体靶材，使靶材表 面的原子或分子被溅射出来，并在基 材表面沉积形成薄膜。
技术创新与突破
为了进一步提高溅射法制备薄膜的性能和效率，未来将不断涌现技 术创新和突破，推动该领域的技术进步。
智能化与自动化
随着工业4.0和智能制造的兴起，溅射法制备薄膜技术将朝着智能 化与自动化方向发展，实现高效、精准和可靠的薄膜制备。
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溅射法可以用于制备各种金属、半导体、绝缘体 等材料，具有较广的适用范围。
工艺简单
溅射法制备薄膜工艺相对简单，操作方便，适合 于大规模生产。
环境友好
溅射法在制备过程中不需要使用有害气体或液体， 对环境友好。
溅射法制备薄膜的应用领域
电子器件
01
溅射法制备的金属薄膜、半导体薄膜等广泛应用于集成电路、
电子元件等领域。
溅射法中，基材的温度较低，一般在室温至数百摄氏度之间，因此特别适合于在塑 料、玻璃等不耐高温的基材上制备薄膜。
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
• • • •
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• 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；
04溅射沉积技术
等离子体的产生和维持
气体击穿 汤生放电 正常辉光 放电 弧光 放电 反常辉 光放电
反常辉光放电：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。
等离子体的产生和维持
气体击穿 汤生放电 正常辉光 放电 弧光 放电 反常辉 光放电
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。
宇宙99%物质为等离子体
等离子体的概念和特点
概念：由电离产生的正离子和电子以及中性 气体分子组成的离子化气体状物质。
特点
整体上呈电中性
良好的导电性
等离子体的分类
低温等离子：轻度电离的等离子体，离子温
度一般远低于电子温度（eg：日光灯、溅射 沉积工艺）
高温等离子体：高度电离的等离子体，离子
入射离子能量低：沉积（离子在靶材表面沉积） 入射离子能量中：溅射（靶材原子飞溅） 入射离子能量高：离子注入（离子进入靶材内部）
为什么？
溅射物理过程
核阻止和电子阻 止的能量相等
总阻止本领示意图（TOTAL STOPPING POWER）
核阻止本领在低能量下起主要作用
25
电子阻止本领在高能量下起主要作用
薄膜技术-4
溅射沉积技术-1
溅射沉积
3.沉积
1.离子产生
2.溅射
物理气相沉积（PVD ）示意图
主要内容
气体放电与等离子体 等离子体物质的溅射现象 溅射沉积装置
什么是等离子体？
人造等离子体：等离子体电视
人造等离子体：霓虹灯
地球上的等离子体：极光
地球上的等离子体：极光
太空中等离子体：太阳
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电子、离子具有极不相同的速度： 电子—— va=(8kTe/m)1/2 9.5105 m/s Ar+离子———— 约5102 m/s
等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程
微观过程
电子与气体分子的弹性碰撞
电子与气体分子的非弹性碰撞 激发 分解 电离
各种气体发生辉光放电的帕邢曲线
d 10cm时，P 10Pa
只有当 Pd 取一定数值时，气体才最容易维持辉光放电
等离子体—— plasma
放电击穿后，气体即成为具有一定导 电能力的等离子体，它是一种由离子、电 子及中性原子、原子团组成，而宏观上对 外呈现电中性的物质存在形式。
相应于辉光和弧光放电，就有了辉光 放电等离子体和弧光放电等离子体。
电子、离子间巨大的质量（速度）差异是自偏 压得以产生的根本原因；通过电容C 的能量耦合方 式和电极面积差是获得适当幅度自偏压的必要条件
电容耦合射频方波时电极上自偏压的产生
大电容,小电流
激励电压
A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part
B 57 (2002) 609–65射8 频极的 电位
薄膜溅射沉 积装置的示 意图
———
靶材是要溅射的材料，它作为阴极, 相对于真空室内其他部 分处于负电位。阳极可以是接地的，也可以是浮动的
气体的直流放电现象
以适当压力（10-110Pa）的惰性气体（一般均为 Ar）作为放电气体（与PVD的真空蒸发时不同）
在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体 原子将被雪崩式地电离，形成可以独立运动的 Ar+离子和电子。电子加速飞向阳极，而带正电 荷的Ar+离子则在电场的作用下加速飞向作为阴 极的靶材，并发生靶物质的溅射过程
一个问题: 化合物的溅射产额？
溅射法在应用于化合物溅射时，有两个重要的问 题：
许多化合物的导电性较差；如何实现其溅射过 程？
化合物在溅射过程中，其成分又是如何变化的 ？会不会发生化合物的分解？
关于这两点，我们在稍后一些介绍
薄膜溅射法的分类
直流溅射（即二极溅射） 三极、四极溅射 磁控溅射 射频溅射 偏压溅射 反应溅射 中频孪生靶溅射和脉冲溅射 离子束溅射
靶电极获得的这一负电位,即是靶电极上产生的 自偏压
射频激励下系统的等效电路
系统可被描述为一个由电容、电阻、二极管组 成的体系；二极管描述了其单向导电的特性，电阻 描述其能量耗散特性
射频电极的电流电压特性与自偏压
电子-离子运动的速度 差异使电极的电流-电 压特性就象一只二极管
电流的波形 负偏压 电压的波形
射频溅射法可以被用于物质溅射的原因
射频电源的采用使放电过程摆脱了对靶材导电性的 限制
但：靶物质如何在交变电场的作用下被溅射的呢？
使射频方法可被用来产生物质溅射效应的根本 原因是它可在靶上产生自偏压效应，即在射频激励 之下，靶电极会自动地处于一个负电位，它导致离 子受到吸引，对靶电极造成轰击和溅射
鞘层
Vp的变化范围不大，约等于电子温度Te的4-6倍，10V
整个直流辉光放电系统中电位的分布
阴极鞘层
两极间的电压降几乎全部集中在阴极鞘层中：因为负电极力图吸 引的是正离子，但后者的质量大，被加速的能力弱，加速较难
物质的溅射效应
阴极鞘层电位的建立使到达阴极的Ar+离 子均要经过相应的加速而获得相应的能量 (102 eV 数量级)，即轰击阴极的离子具有 很高的能量，它使阴极物质发生溅射现象
等离子体鞘层：任何处于等离子体中或其附近的 物体的外侧都将伴随有正电荷的积累
鞘层电位：相对于等离子体来讲，任何处于等离 子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电 位
鞘层电位可由电子能量分布为 麦克斯韦分布的假设求出：
V p
k Te e
ln(
m 2.3me
1
)2
等离子体鞘层及相应的电位分布
不能独立控制各个工艺参量：电压、电流 及溅射气压
气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较 低（0.5m/hr）。这不利于减少杂质污染 及提高溅射效率
在二极溅射的基础上, 增加一个发射电子的热阴 极，即构成了三极溅射装置。它有助于克服上 述两个问题
三极、四极溅射装置的示意图
___
__
第四极
溅射过程中靶物质处于固态，其扩散能力较弱； 溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离在随后 的溅射过程中会实现自动的补偿
如，对成分为80%Ni-20%Fe的合金靶来说， 1keV的Ar+离子溅射产额为：Ni：2.2，Fe：1.3 。但适当的预溅射后，其表面开始富Fe，即仍 能保证沉积出合适成分的合金薄膜
气体放电现象是发生物质溅射过程的基础
气体的直流放电模型
在阴阳两极间，由电动势为E的直流电源提供靶 电压V 和靶电流 I，并以电阻R 作为限流电阻
气体的直流放电模型
A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609–658
“电容耦合”指两电极间形成了一等效电容，将能量耦合至体 系
射频、直流放电过程的差别
与直流时相比，射频放电过程有两个显著的变化：
高频电场已可经其他阻抗形式（电容C）耦合 到靶上，而不必要求靶材是导体。电极在前半 周期内积累的电荷将会在下半周期内得到释放
在射频频率下，惰性较大的离子已跟不上电场 的高速变化，而只能感受到平均的电位分布； 而惰性较小的电子，可以紧跟电场的周期变化 在两极间振荡运动，从电场中获得能量，使气 体分子电离和轰击电极产生二次电子
表达式
XY+eXY+e （使气体分子的动能增加）
XY+eXY*+e XY+eX+Y+e XY+e XY++2e （使气体分子的内能增加）
高能量的电子与其他粒子间的相互碰撞是等离子体 从外界获得能量的方式
电子持有的高速度导致产生鞘层电位
电子与离子具有不同速度的一个直接后果是产 生等离子体鞘层以及鞘层电位：
第三极
其优点是: 可独立调节参数，降低气体压力，提高溅射效率
射频溅射方法
上述的直流溅射方法要求靶材具有好的导电性，否 则靶上电荷积累，会造成靶电流过小，靶电压过高
射频溅射是适用于导体、非导体靶材的溅射方法
？
射频溅射多使用13.56MHz 频率的射频电源
电容耦合式的射频溅射装置
电容C 将射频能量耦合至靶电极，而地电极则包括了衬底和真 空室，即放电系统具有非对称的电极配置： 靶电极面积 地电极面积
———
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辉光放电等离子体的密度、电子速度与温度
典型辉光放电等离子体的粒子密度 1014/cm3， 即气体中，只有约 10-4 比例的电子和离子
电子质量小，其电场中的加速快，电子的平均动 能Ee 2eV，相当于电子温度Te =Ee/k 23000K
电子、离子质量差别大，导致离子及中性原子处 于低能态，如 300500K
二极溅射装 置的示意图
———
阴极是要溅射的靶材, 阳极即是真空室 Ar 压力 10Pa 电压上千伏
二极溅射时，沉积速率与气压间的关系
放电电流Байду номын сангаас
沉积的效率
低压时等离子体密度低，溅射速率低 高压时气体分子对溅射粒子的散射严重，溅射速率低
二极溅射法的缺点和三极溅射法
二极溅射有两个缺点：
因此，面积较小的靶电极将拥有较高的自偏压
射频电极电压的变化曲线和自偏压
等离子体电位 地电位
O
直流时情况
离子电
流脉冲
自偏压 射频极的电位
Vc-Vp —— 射频极对等离子体的电位差 Vp-0——地电极对等离子体的电位差 即，溅射极产生的自偏压 Vb
射频电源的不 同连接方式与
效果
根据电极面积比、电 源连接方式 (经电容 C) 的不同，可以有
不同的偏压效果
射频电极上自偏压的大小
射频极
射频极
平均电位
平均电位
这是溅射过程区别于热蒸发过程的显著特 点之一。热蒸发时，原子的平均动能只有 0.1eV
合金的溅射产额
溅射法易于保证所制备的薄膜的化学成分与靶 材的成分相一致，这是它与蒸发法的另一区别 。其原因有二：
与不同元素在平衡蒸气压方面的巨大差异相比， 元素溅射产额间的差别较小，只有0.1-10
在两极之间存在电位差时，气体分子将因电离过程而分 解为电子和离子。离子轰击阴极将引发二次电子发射。阴极 发射出来的电子在获得能量以后将会与等离子体中的分子碰 撞，造成后者的激发和离化，形成新的电子与离子，使放电 过程得以持续进行。
气体放电的伏安特性曲线
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放电曲线分为： 汤生放电段（气体分子开始出现电离） 辉光放电段（产生大面积辉光等离子体） 弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）
自偏压产生后，电极维持于一个负电位，以排斥电子 的涌入；电极在正半周内接受的电子与负半周内接受 的离子数相等，使平均电流为零
射频电极上自偏压的大小
两极及其间的等离 子体还可以被看成 是两个串联的电容 ，其中 “靶电极 电容” 因靶面积 小而较小，而 “ 地电极电容” 因 电极面积大而较大 。电容电压降V 与 电极面积A 成反比 ，即：
溅射法与蒸发法一样, 也是一种重要的薄 膜 PVD 制备方法
溅射法制备薄膜的物理过程
利用带电荷的阳离子在电场中加速后具 有一定动能的特点，将离子引向欲被溅 射的物质制成的靶电极（阴极）
入射离子在与靶面原子的碰撞过程中， 通过动量的转移，将后者溅射出来