薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
薄膜制备技术-气相沉积法
荷能粒子：离子
（易于在电磁场中加速或偏转）
伴随着离子轰击固体表面的各种现 象（右图）： 1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子 溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
2 v 5.93107 u (cm/s)
u 10 kV, v 6 104 km/s
电子束的能量： 热量：
W=neU=IU Q=0.24Wt
电子枪的分类：
A、直式电子枪 B、电磁偏转式电子枪：环枪（电偏转） e形枪（磁偏转）
1.1.2：电子束蒸发
优点：使用方便
功率变化范围广 易于调节 缺点：设备体积大 结构复杂 成本高
1.1.3：溅射（Sputtering）
溅射过程的机理解释：
（1）离子轰击局部瞬时加热而蒸发
（因与实验观察不符而被否定） （2）动量理论(级联碰撞理论) 离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果 原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。
1.1.3：溅射（Sputtering）
溅射阈和溅射率
溅射粒子的速度和能量
溅射Cu原子 速度分布图
He+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eV Ar+：平均速度=3~6105 cm/s 平均能量 E=30~40 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
1.1.3：溅射（Sputtering）
溅射速率和淀积速率
1.1.3：溅射（Sputtering）
溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角 有关
第四讲_薄膜的物理气相沉积-溅射沉积
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
薄膜制备方法
薄膜制备方法薄膜制备方法是一种将材料制备成薄膜状的工艺过程。
薄膜是指厚度在纳米至微米级别的材料，具有特殊的物理、化学和电学性质，在许多领域具有重要的应用价值。
薄膜制备方法有多种，包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、物理溅射法、溶液法等。
一、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种利用高温或高能粒子束使材料原子或分子在基底表面沉积形成薄膜的方法。
常见的物理气相沉积方法有热蒸发法、电子束蒸发法和磁控溅射法等。
其中，热蒸发法是通过加热材料使其蒸发，并在基底上沉积形成薄膜；电子束蒸发法则是利用电子束的热能使材料蒸发并沉积在基底上；磁控溅射法是通过在真空室中加入惰性气体，并利用高能电子束轰击靶材使其溅射出原子或离子，从而沉积在基底上形成薄膜。
二、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种利用气相反应在基底表面沉积材料的方法。
常见的化学气相沉积方法有化学气相沉积法、低压化学气相沉积法和气相扩散法等。
其中，化学气相沉积法是通过将反应气体在基底表面分解或氧化生成薄膜的方法；低压化学气相沉积法则是在较低的气压下进行反应，以控制薄膜的成分和结构；气相扩散法是通过将反应气体在基底表面进行扩散反应，使材料沉积在基底上。
三、物理溅射法物理溅射法是一种利用高能粒子轰击靶材使其原子或分子从靶表面溅射出来，并沉积在基底上形成薄膜的方法。
物理溅射法包括直流溅射法、射频溅射法和磁控溅射法等。
其中，直流溅射法是利用直流电源加电使靶材离子化并溅射出来；射频溅射法则是利用射频电源产生高频电场使靶材离子化并溅射出来；磁控溅射法则是在溅射区域加入磁场，利用磁控电子束使靶材离子化并溅射出来。
四、溶液法溶液法是一种利用溶液中的材料分子或离子在基底表面沉积形成薄膜的方法。
常见的溶液法包括浸渍法、旋涂法和喷雾法等。
其中，浸渍法是将基底放置在溶液中，使其吸附溶剂中的材料分子或离子，然后通过蒸发或热处理使其形成薄膜；旋涂法是将溶液倒在旋转的基底上，通过离心作用使溶液均匀涂布在基底上，然后通过蒸发或热处理使其形成薄膜；喷雾法则是将溶液喷雾到基底上，通过蒸发或热处理使其形成薄膜。
材料科学中的薄膜制备技术研究综述
材料科学中的薄膜制备技术研究综述薄膜作为一种重要的材料形态，在材料科学领域中具有广泛的应用。
薄膜制备技术的研究和发展，不仅能够扩展材料的功能性，并提高材料的性能，还可以为各个领域提供更多的应用可能性。
本文将综述材料科学中薄膜制备技术的研究进展，并重点探讨了几种常见的薄膜制备技术。
1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是一种常见的薄膜制备技术，它通过蒸发或溅射等方法将材料转化为蒸汽或离子，经过气相传输沉积在基底上形成薄膜。
物理气相沉积技术包括热蒸发、电子束蒸发、分子束外延和磁控溅射等方法。
这些方法在薄膜制备中具有高温、高真空和高能量等特点，能够制备出具有优异性能的薄膜。
然而，物理气相沉积技术在薄膜厚度的控制上存在一定的局限，且对于一些化学反应活性较高的材料来说，难以实现。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种将反应气体在表面上发生化学反应生成薄膜的方法。
CVD 技术根据反应条件的不同可以分为低压CVD、大气压CVD和等离子CVD等。
这些技术在实现复杂薄膜结构和化学组成控制上相较于PVD技术更具优势。
化学气相沉积技术可用于金属、氧化物、氮化物以及半导体材料等薄膜的制备。
然而，该技术所需的气体和化学物质成分较复杂，容易引起环境污染，并且对设备的要求较高。
3. 溶液法制备薄膜溶液法是一种常用的低成本、高效率的薄膜制备技术。
常见的溶液法包括旋涂法、浸渍法、喷涂法和柔性印刷法等。
这些方法通过将溶液中的溶质沉积在基底上，形成薄膜。
溶液法制备薄膜的优势在于简单易行、成本低、适用于大面积薄膜制备。
然而，溶液法制备出的薄膜常常具有较低的晶化程度和机械强度，且在高温和湿润环境下易失去稳定性。
4. 磁控溅射技术磁控溅射技术是一种通过离子轰击固体靶材的方法制备薄膜。
在磁控溅射过程中，离子轰击靶材，使靶材表面的原子转化为蒸汽，然后通过惰性气体的加速将蒸汽沉积在基底上。
磁控溅射技术可用于金属、氧化物、氮化物等薄膜的制备，并可实现厚度和成分的精确控制。
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。
第三章 薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)
电子与其他离子的碰撞有两类：
弹性碰撞 非弹性碰撞
28
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；
15
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
制造无机薄膜的技术方法
制造无机薄膜的技术方法无机薄膜是一种极薄的材料层，通常是几百到几纳米厚度。
无机薄膜在很多行业中都有广泛的应用，比如电子、能源、材料、医学等领域。
因此，制造无机薄膜的技术方法十分重要。
1. 物理气相沉积法物理气相沉积法是一种将固体材料通过升华转化为气态，然后在表面上沉积的技术方法。
物理气相沉积法通常包括蒸发沉积和磁控溅射两种方法。
蒸发沉积是将材料加热到其熔点以上，使其转化为气态，然后在表面上沉积。
磁控溅射是利用高能电子击打材料表面，将原子从材料表面弹出，并在下方表面沉积。
物理气相沉积法的优点是制备的薄膜具有高质量和良好的结晶性能，但需要高温和高真空条件，适用于特定的材料和厚度范围。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法通过在气态中添加反应气体，产生一种化学反应，将材料沉积在表面上。
化学气相沉积法通常包括气相沉积和等离子体增强化学气相沉积两种方法。
气相沉积是将反应气体引入反应室中，在表面上沉积材料。
等离子体增强化学气相沉积是利用等离子体产生反应气体，增强反应的效果。
化学气相沉积法能制备出厚度较大的薄膜，并且需要较低的温度和气压条件，适用于大量制备，但其薄膜质量、结晶性能和控制精度较低。
3. 溶液法溶液法是将材料溶解在溶剂中，然后将其涂覆在表面上并蒸发溶剂或进行其他处理，最终制备出薄膜。
溶液法包括旋涂法，离子溶胶沉积法等多种方法。
旋涂法是将溶解材料涂覆在旋涂器上，利用离心力在基板上制备出薄膜。
离子溶胶沉积法是通过在溶液中加入反应剂，产生离子和分子，并通过电场吸引离子到基板上制备薄膜。
溶液法制备工艺简单，适用于大面积和柔性基板，但是制备的薄膜质量和结晶性能较低。
4. 主动控制沉积技术主动控制沉积技术是一种根据图像处理和反馈控制系统，利用扫描探针显微镜对沉积过程进行实时监测，并调整气压等参数实现精密控制的技术。
主动控制沉积技术可以实现高分辨率薄膜制备，并提高制备效率，但其设备和成本较高。
综上所述，无机薄膜的制备方法有很多种，具体的制备方法需要根据应用场景和材料特性而定。
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；
多晶硅薄膜的制备方法
多晶硅薄膜的制备方法多晶硅薄膜是一种非常重要的材料，广泛应用于光伏发电设计、光学器件制造以及半导体器件制造等领域。
制备多晶硅薄膜有多种方法，其中包括热化学气相沉积法、物理气相沉积法、溅射法、化学沉积法等。
本文主要介绍化学沉积法和物理气相沉积法两种多晶硅薄膜制备方法。
一、化学沉积法制备多晶硅薄膜化学沉积法是将单一或多种有机硅化合物在氢气环境中加热至高温，使其分解产生含硅化合物薄膜的沉积方法。
化学沉积法制备多晶硅薄膜的具体步骤如下：1.\t将单一或多种有机硅化合物溶于有机溶剂中，制成预混液。
2.\t将切割好的硅片放置于反应室中，并去除表面脏污及氧化层。
3.\t将反应室加热至500-1100℃，并将预混液加入反应室中。
4.\t预混液在加热的过程中分解生成含硅化合物，这些化合物在表面逐渐沉积，直到形成多晶硅薄膜。
5.\t通过调节反应室的温度、时间和化合物的流量，可以控制膜的厚度和性质。
二、物理气相沉积法制备多晶硅薄膜物理气相沉积法是利用高纯度硅块或硅化物在加热的惰性气体环境下分解，沉积硅薄膜的方法。
物理气相沉积法制备多晶硅薄膜的具体步骤如下：1.\t将切割好的硅片放入沉积室中，并在室内减压到10-4-10-5Torr之间；2.\t进入物质气体，其中选择硅原子可以来自单质硅汽相、SiH4等化合物气氛；3.\t通过电阻加热或电子束提供能源，使固体硅或化合物在高温下蒸发或分解，形成气态硅或硅化氢；4.\t沉积在硅片上的硅分子扩散并体积生长，5.\t达到所需厚度后停止沉积，冷却至室温即可。
总之，无论是化学沉积法还是物理气相沉积法，它们都具有制备精度高、有较好的可控性、操作简便、生产成本相对较低等优点。
同时，根据不同的应用领域和要求，可以选择适合的方法进行多晶硅薄膜的制备。
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。
物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用研究
物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用研究一、引言物理气相沉积技术是一种重要的薄膜制备技术，广泛应用于微电子、光电子、材料科学和工程等领域。
近年来，随着薄膜制备在各个领域中的广泛应用，物理气相沉积技术的发展也越来越受到关注。
本文将对物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用展开深入研究。
二、物理气相沉积技术介绍1. 物理气相沉积技术的基本原理物理气相沉积技术又称为物理气相沉积法，是指将气体束注入真空腔中，在基板表面产生反应生成薄膜的一种方法。
常见的物理气相沉积技术包括热蒸发法、离子束辅助蒸发法、磁控溅射法、激光剥蚀法等。
2. 物理气相沉积技术的特点物理气相沉积技术具有以下特点：（1）制备过程中的反应物和中间体不需要直接接触基板表面，避免掺杂和氧化等问题。
（2）基板表面受到的热和化学影响较小，适用于对材料表面特性有要求的应用。
（3）制备的薄膜具有厚度均匀、晶体质量高、精确控制等特点，适用于微电子、光电子等应用。
三、物理气相沉积技术在薄膜制备中的应用1. 磁控溅射法制备金属薄膜磁控溅射法是物理气相沉积技术中应用最广泛的一种方法。
它基于磁控效应和靶材的原子表面扩散，利用高能粒子撞击靶材表面，将靶材原子蒸发到真空室内，最终在基板表面形成薄膜。
该技术制备的金属薄膜厚度均匀、结晶度高，广泛应用于微电子、太阳能电池、传感器等领域。
2. 离子束辅助蒸发法制备光学薄膜离子束辅助蒸发法是一种高纯度光学薄膜制备方法。
它利用电子轰击源将靶材产生蒸气，离子束通过高能粒子的撞击，使薄膜形成过程中的缺陷得到修复，从而制备出晶粒细小、透光率高、表面平整的光学薄膜。
3. 热蒸发法制备有机薄膜热蒸发法是将有机蒸发物蒸发到真空室中，通过它被表面吸附、扩散等作用，最终在基板表面形成薄膜的方法。
热蒸发法能够有效地制备出高纯度、高质量的有机薄膜，广泛应用于薄膜电容器、固态电池等领域。
四、总结与展望物理气相沉积技术作为一种有效的薄膜制备方法，已经在各个领域中得到了广泛应用。
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。
薄膜生产的四种方法
薄膜生产的四种方法以薄膜生产的四种方法为标题，写一篇文章：薄膜生产是一种常见的制造工艺，广泛应用于电子、光学、包装等领域。
下面将介绍薄膜生产的四种方法。
一、溅射法溅射法是一种常用的薄膜生产方法。
它通过将材料置于真空环境中，利用靶材表面被离子轰击而产生的溅射效应，使材料原子或分子沉积在基材表面形成薄膜。
这种方法适用于制备金属、合金、氮化物、氧化物等各种材料的薄膜。
溅射法可以得到高纯度、致密度好的薄膜，但生产速度相对较慢。
二、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种利用气相反应在基材表面沉积薄膜的方法。
它通常需要一个或多个反应气体，通过在高温下使反应气体发生化学反应，产生的产物沉积在基材表面形成薄膜。
这种方法可以制备出高质量、均匀性好的薄膜，适用于制备氧化物、硅化物、氮化物等材料的薄膜。
三、离子束辅助沉积法离子束辅助沉积法是一种利用离子束将材料原子或分子沉积在基材表面的方法。
这种方法通过加速离子束，使其具有足够的能量撞击靶材，从而将靶材材料溅射到基材表面形成薄膜。
离子束辅助沉积法可以得到致密度高、结晶度好的薄膜，适用于制备金属、合金、氮化物等材料的薄膜。
但是，由于离子束辅助沉积法需要较高的能量，所以对一些材料来说可能会引起结构损伤或者晶格畸变。
四、溶液法溶液法是一种利用溶液中的溶质在基材表面形成薄膜的方法。
这种方法通常需要将溶解有所需材料的溶液涂覆在基材表面，然后通过蒸发溶剂或其他方式，使溶质沉积在基材上形成薄膜。
溶液法可以制备出大面积、均匀性好的薄膜，适用于制备有机材料、生物材料等的薄膜。
但是，溶液法制备的薄膜常常需要额外的处理步骤，如烘干、退火等，以去除残留的有机物或提高薄膜的致密度。
以上就是薄膜生产的四种方法。
每种方法都有其适用的材料范围和特点，选择合适的方法可以提高生产效率和薄膜质量，满足各种应用的需求。
薄膜物理 第3章 溅射法
(thermalized spike) 效应。
返 回
3.2 气体放电现象
在讨论气体放电现象之前，我们 先考思一下直流电场作用下物质的溅射现 象。如图3.1所示真空系统，在对系统抽 真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩 气。在正负电极间外加电压的作用下，电 极间的气体原子将被大量电离，产生氩离 子和可以独立运动的电子，电子在电场作 用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加 速飞向阴极—靶材料，高速撞击靶材料， 使大量的靶材料表面原子获得相当高的能 量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。
（5）工作气压对薄膜质量的影响
溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量 较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密度。 溅射气压的提高使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化。
（6）直流溅射装置的缺点
不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流以及溅射气压； 使用的气压较高（10Pa左右），溅射速率低，薄膜质量（致密度、纯度）差。 （7）直流溅射装置的改进
表3.2是从沉积原理方面对溅射和蒸发这两种薄膜制备方法 进行的总结与比较
返 回
3.4 溅射沉积装置
靶材：纯金属、合金——通过冶炼或粉末冶金法制备，纯度及致密性较好。
化 合 物———粉末热压法制备，纯度及致密性较差。
主要溅射法： 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 其他溅射法
1 直流溅射
直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适用
于导电性较好各类合金薄膜。
（1）直流溅射设备(如右图） （2）直流溅射的基本原理：
在对系统抽真空后，充入一定 压力的惰性气体，如氩气。在正 负电极间外加电压的作用下，电 极间的气体原子将被大量电离， 产生氩离子和可以独立运动的电 子，电子在电场作用下飞向阳极， 氩离子则在电场作用下加速飞向 阴极—靶材料，高速撞击靶材料， 使大量的靶材料表面原子获得相 当高的能量而脱离靶材料的束缚 飞向衬底。
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；
纳米薄膜制备技术的方法和步骤详解
纳米薄膜制备技术的方法和步骤详解纳米薄膜制备技术是一种重要的材料制备方法，可用于制备具有纳米尺寸的薄膜材料。
纳米薄膜具有独特的物理和化学性质，被广泛应用于光电子学、能源存储、传感器等领域。
本文将详细介绍几种常用的纳米薄膜制备方法和相关的步骤。
1. 物理气相沉积法（PVD）物理气相沉积法是制备纳米薄膜的一种常用方法。
它利用高温或真空弧放电等方式将固体材料转化为蒸汽或离子形式，通过在衬底表面沉积形成薄膜。
该方法包括蒸发、溅射和激光烧结等技术，下面将介绍其中两种常用的物理气相沉积法。
- 蒸发法：将固体材料置于高温坩埚中，通过加热使其升华成蒸汽，然后沉积在预先清洁处理的衬底上。
蒸发法适用于制备高纯度、单晶和多晶材料的纳米薄膜。
- 溅射法：利用高能离子束轰击固体材料，使其表面物质脱离并形成蒸汽，然后沉积在衬底表面。
溅射法具有较高的原子密度和较好的原子堆积度，可用于制备复杂化合物或多元合金等纳米薄膜。
2. 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是使用气体反应来制备纳米薄膜的方法。
该方法通常在高温下进行，通过在反应气体中加入反应物质，并使其在衬底表面发生化学反应形成薄膜。
化学气相沉积法具有高产率、高纯度和较好的均匀性等优点，是制备大面积纳米薄膜的理想方法。
- 热CVD：在高温下进行反应，通过热分解或气相化学反应形成纳米薄膜。
此方法常用于制备二维材料如石墨烯等。
- 辅助CVD：加入辅助激发源如等离子体、激光或电弧等，以提供能量激活气体分子，使其发生化学反应形成纳米薄膜。
辅助CVD可以改善反应速率、增加产率和提高薄膜质量。
3. 溶液法溶液法是制备纳米薄膜的常用方法之一，适用于各种材料的制备。
具体步骤包括以下几个方面：- 溶液制备：将所需材料溶解在合适的溶剂中，形成可使溶液中纳米颗粒分散的溶液。
- 衬底处理：选择合适的衬底材料，并进行清洗和表面处理，以保证薄膜的附着和均匀性。
- 溶液沉积：将衬底浸入溶液中，控制溶液温度和浸泡时间，使纳米颗粒在衬底表面自发沉积。
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
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薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
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。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
溅射法的分类
直流溅射
射频溅射
磁控溅射
反应溅射
偏压溅射
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
第四章 薄膜制备技术-溅射法
溅射镀膜的特点 （1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实
现溅射 （2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好 （3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好 （4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
工作原理：
当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶 材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄 膜。
在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射 出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原 子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
4.1 辉光放电和等离子体
直流电源E, 提供电压V和电流I则 V = E - IR。
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ辉光放电过程包括
初始阶段AB：I=0 无光放电区
汤生放电区BC：I迅速增大
过渡区CD：离子开始轰击阴极，产生二次
电子，又与气体分子碰撞产生更多离子 辉光放电区DE：I增大，V恒定
B
C D
异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区 A
图3.7
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
入射离子能量的影响 只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从
被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射 离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热 有一定比例关系 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然 后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅 射产额反而下降
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。
作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
产生辉光放电 通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混 合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与 气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、 或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子） 的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。
Carbon
Hydrogen
Electron
Fluorine
Fluorine
High-energy electron
Fluorine CHF3 molecule
Fluorine
Fluorine
Fluorine CHF2 radical
Fluorine (neutral)
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
电极
等离子体 真空室
匹配部件
RF 发生器
高真空泵
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
High-energy electron collides with molecule.
Carbon
Hydrogen
Collision results in dissociation of molecule.
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
一、溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。它与入 射能量，入射离子种类， 溅射物质种类及入射离子 的入射角度有关。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之 前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会 因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次 电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将 会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。
弧光放电：I增大，V减小
弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速
增加
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
3、离子入射角度对溅射产额的影响 倾斜入射有利于提高 产额，但当入射角接 近80时，产额迅速下 降
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
合金的溅射和沉积： 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基 本一致。
自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射 速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速 率上升。
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
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
2 入射离子的种类和被溅射物质的种类
通常采用惰性气体离子来溅射，由图3.7知， 重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因 素，通常使用氩气作为溅射气体。
用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射 产额也是不同的，Cu, Ag, Au产额高，而Ti, W, Mo等产额低。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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。