薄膜沉积物理方法
第二章 薄膜制备的物理方法
反应方程举例如下:
Al(激活蒸汽） O2 (活性气体） Al2O3(固相沉积）
Sn（激活蒸汽） O2(活性气体) SnO2 (固相沉积） 在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活
为了避免污染薄膜材料，蒸发源中所用的支撑材 料在工作温度下必须具有可忽略的蒸汽压，以避 免支撑材料原子混入蒸发气体中。
通常所用的支撑材料为难熔的金属和氧化物。
同时，选择某一特殊支撑材料时，一定要考虑蒸 发物与支撑材料之间可能发生的合金化和化学反 应、相互润湿程度等问题。
支撑材料的形状则主要取决于蒸发物。
源，则膜厚分布为：
d
1
d0 1 l / h2 2
沉积速率和膜厚分布
沉积速率和膜厚分布
实际蒸发过程中，蒸发粒子都要受到真空室中残 余气体分子的碰撞，碰撞次数取决于分子的平均 自由程。设有N0个蒸发分子，飞行距离l后，未受 到残余气体分子碰撞的数目N为：
N N0 exp(l / )
同时，脉冲激光沉积可以实现高能等离子体沉积 以及能在气氛中实现反应沉积。
PLA的局限性：
（1）小颗粒的形成。在PLA膜中通常有0.110um的小颗粒，解决的办法是利用更短波 长的紫外线、靶转动和激光束扫描以保持 靶面平滑，更有效的办法是转动快门将速 度慢的颗粒挡住。
（2）膜厚不够均匀。熔蒸“羽辉”（发光部 分类似羽毛）具有很强的定向性，只能在 很窄的范围内形成均匀厚度的膜。
第二章 薄膜制备的物理方法
物理气相沉积
薄膜沉积的物理方法主要是物理气相沉积法，物 理气相沉积（Physical Vapor Deposition,简称 PVD）是应用广泛的一系列薄膜制备方法的总称， 包括真空蒸发法，溅射法，分子束外延法等。
薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、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。
3、主要问题：
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。
电弧加热蒸发装置示意图
4、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 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )
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。
薄膜沉积物理方法超强总结
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
物理沉积法
物理沉积法物理气相沉积法用物理的方法使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法物理气相沉积(Physical Vapor Deposition简称PVD) 是用物理的方法(如蒸发、溅射等)使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法。
除传统的真空蒸发和溅射沉积技术外，还包括近30 多年来蓬勃发展起来的各种离子束沉积，离子镀和离子束辅助沉积技术。
其沉积类型包括: 真空蒸镀、溅射镀、离子镀等。
物理气相沉积技术虽然五花八门，但都必须实现气相沉积三个环节，即镀料(靶材) 气化一气相输运一沉积成膜。
中文名物理气相沉积法沉积类型真空蒸镀、溅射镀、离子镀等各种沉积技术的不同点主要表现为在上述三个环节中能源供给方式不同，同一气相转变的机制不同，气粒子形态不同，气相粒子荷能大小不同，气相粒子在输运过程中能量补给的方式及粒子形态转变不同，镀料粒子与反应气体的反应活性不同，以及沉积成膜的基体表面条件不同而已。
与化学气相沉积相比，主要优点和特点如下：I)镀膜材料广泛，容易获得:包括纯金属、合金、化合物，导电或不导电，低熔点或高熔点，液相或固相，块状或粉末，都可以使用或经加工后使用。
2)镀料汽化方式:可用高温蒸发，也可用低温溅射。
3)沉积粒子能量可调节，反应活性高。
通过等离子体或离子束介人，可以获得所需的沉积粒子能量进行镀膜，提高膜层质量。
通过等离子体的非平衡过程提高反应活性。
4)低温型沉积:沉积粒子的高能量高活性，不需遵循传统的热力学规律的高温过程，就可实现低温反应合成和在低温基体上沉积，扩大沉积基体适用范围。
可沉积各类型薄膜:如金属膜、合金膜、化合物膜等。
5)无污染，利于环境保护。
物理气相沉积技术已广泛用于各行各业，许多技术已实现工业化生产。
其镀膜产品涉及到许多实用领域。
半导体技术-薄膜沉积
薄膜沉积薄膜的沉积，是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结，以渐渐形成薄膜并成长的过程。
分类及详述：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）——CVD反应气体发生化学反应，并且生成物沉积在晶片表面。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）——PVD蒸镀（Evaporation）利用被蒸镀物在高温（近熔点）时，具备饱和蒸汽压，来沉积薄膜的过程。
溅镀（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极（Electrode）的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），沉积薄膜。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)用高温炉管来进行二氧化硅层的成长，至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。
由于化学反应随温度呈指数函数变化，故当高温时，迅速完成化学反应，对于化学气相沉积来说，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程的重复性。
高温制程有几项缺点：1．高温制程环境所需电力成本较高。
2．安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积材料。
3．高温成长的薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。
所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，如此一来，在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。
按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」：1．常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD；APCVD)最早研发的CVD系统，是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。
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。
pvd方法
PVD方法是一种物理气相沉积方法，全称为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）。
它是一种将固态材料转化为蒸汽或气体形式，然后通过凝结在基底表面上形成薄膜的方法。
PVD方法通常包括以下步骤：
1. 准备基底：将需要镀膜的基底进行清洗和处理，以确保表面干净和平整。
2. 加热源：使用电阻加热、电子束加热或激光加热等方式，将固态材料加热至其蒸汽或气体形式。
3. 蒸发：加热后的固态材料开始蒸发，形成蒸汽或气体。
4. 沉积：蒸汽或气体通过真空环境，沉积在基底表面上，形成薄膜。
5. 控制：通过控制沉积速率、温度和压力等参数，调节薄膜的厚度和性质。
6. 冷却：薄膜沉积完成后，将基底冷却至室温，使薄膜固化。
PVD方法具有以下优点：
1. 薄膜均匀性好：PVD方法可以在基底表面均匀沉积薄膜，薄膜的厚度和性质可以通过控制参数进行调节。
2. 薄膜结构致密：PVD方法沉积的薄膜结构致密，具有较高的密度和较好的附着力。
3. 可用于多种材料：PVD方法可以用于沉积多种材料的薄膜，包括金属、合金、氧化物等。
4. 无需溶剂：PVD方法是一种无溶剂的沉积方法，对环境友好。
PVD方法在许多领域都有广泛应用，包括电子器件、光学薄膜、防腐蚀涂层等。
薄膜的制备方法有哪些
薄膜的制备方法有哪些薄膜的制备方法是指将材料制备成薄膜的工艺方法，主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法、激光烧结法等多种方法。
下面将对这些方法进行详细介绍。
首先，物理气相沉积是一种常用的薄膜制备方法，其主要原理是通过物理手段将原料气体转化为固态薄膜。
常见的物理气相沉积方法包括蒸发沉积、溅射沉积和激光烧结法。
其中，蒸发沉积是通过加热原料使其蒸发，然后在基底上凝结成薄膜；溅射沉积是通过离子轰击原料使其溅射到基底上形成薄膜；激光烧结法则是利用激光束将原料烧结成薄膜。
其次，化学气相沉积是另一种常用的薄膜制备方法，其原理是通过化学反应使气态原料在基底上沉积成薄膜。
常见的化学气相沉积方法包括化学气相沉积、原子层沉积和气相沉积等。
其中，化学气相沉积是通过将气态原料与化学反应气体在基底上反应生成薄膜；原子层沉积是通过将气态原料分别按照周期性的顺序吸附在基底上形成单层原子膜，然后重复多次形成薄膜；气相沉积是通过将气态原料在基底上沉积成薄膜。
此外，溶液法也是一种常用的薄膜制备方法，其原理是将材料溶解在溶剂中，然后通过溶液的挥发或化学反应在基底上形成薄膜。
常见的溶液法包括旋涂法、喷涂法和浸渍法等。
其中，旋涂法是将溶液滴在旋转基底上，通过离心作用使溶液均匀涂布在基底上形成薄膜；喷涂法是通过将溶液喷洒在基底上，然后通过干燥使溶液挥发形成薄膜；浸渍法是将基底浸入溶液中，然后通过溶液的挥发或化学反应在基底上形成薄膜。
最后，激光烧结法是一种利用激光束将材料烧结成薄膜的方法。
其原理是通过激光束的照射使材料在基底上烧结成薄膜。
这种方法适用于高能激光烧结材料，可以制备高质量的薄膜。
综上所述，薄膜的制备方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法和激光烧结法等多种方法。
每种方法都有其特点和适用范围，可以根据具体需求选择合适的方法进行薄膜制备。
pvd 物理气相沉积工艺
pvd 物理气相沉积工艺
PVD物理气相沉积工艺是一种常用的薄膜制备技术，广泛应用于微电子、光电子、材料科学等领域。
它采用物理方式将固态材料转化为气相，再通过各种方法沉积到基底上，从而形成具有特定功能和性能的薄膜材料。
PVD物理气相沉积工艺有多种方法，其中最常见的包括磁控溅射、电弧离子镀、激光溅射等。
这些方法都基于相同的原理，即通过外加能量将材料转化为气态，然后将气态材料沉积到基底上。
在磁控溅射工艺中，通过在真空环境下施加磁场，使金属靶材表面的原子被电子轰击击碎，并以高速运动的方式沉积到基底上。
这种方法可以制备出高质量、致密的薄膜，具有优异的粘附力和膜层均匀性。
电弧离子镀工艺则利用电弧放电产生的高能离子束，在真空环境下将金属靶材表面的原子击碎并沉积到基底上。
电弧离子镀工艺可以制备出具有较高密度和较高结晶度的薄膜，适用于制备金属薄膜和复合薄膜。
激光溅射工艺则利用激光束对靶材进行照射，将靶材表面的原子击碎并沉积到基底上。
激光溅射工艺具有高度的可控性和可重复性，可以制备出高质量、高纯度的薄膜，广泛应用于光学薄膜、显示器件等领域。
PVD物理气相沉积工艺具有许多优点，例如制备过程简单、操作方便、沉积速率高、薄膜质量好等。
它可以制备出各种材料的薄膜，如金属薄膜、合金薄膜、氧化物薄膜等，具有广泛的应用前景。
总的来说，PVD物理气相沉积工艺是一种重要的薄膜制备技术，具有广泛的应用领域和优势。
通过不同的方法和参数的选择，可以制备出具有不同性质和功能的薄膜材料，为各种领域的研究和应用提供了重要的支持和推动。
3 薄膜沉积工艺
3 薄膜沉积工艺3薄膜沉积工艺薄膜沉积工艺是一种将材料以薄膜的形式沉积在基底表面的技术。
这种工艺广泛应用于电子、光电子、光学、纳米技术等领域，具有重要的科学研究和应用价值。
本文将介绍薄膜沉积工艺的基本原理、主要方法和应用领域。
一、薄膜沉积工艺的原理薄膜沉积工艺是通过物理或化学方法将材料以原子或分子的形式沉积在基底表面，形成一层均匀的薄膜。
其原理可以简单概括为两个方面：一是在基底表面形成薄膜的核心过程，包括原子或分子的吸附、扩散和聚集等；二是在基底表面形成薄膜的外部过程，包括气相传输、表面反应和薄膜成核等。
二、薄膜沉积工艺的方法1. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积是利用物理方法将材料以原子或分子的形式沉积在基底表面的方法。
常用的物理气相沉积方法有蒸发、溅射、激光熔融等。
这些方法具有成本低、沉积速度快、薄膜质量好等优点，广泛应用于半导体、电子器件等领域。
2. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积是利用化学反应将材料以原子或分子的形式沉积在基底表面的方法。
常用的化学气相沉积方法有热CVD、等离子体CVD、激光化学气相沉积等。
这些方法具有沉积速度快、薄膜质量好、沉积温度低等优点，广泛应用于光电子、光学器件等领域。
3. 溶液法沉积：溶液法沉积是将溶解了材料的溶液涂覆在基底表面，通过溶剂的挥发或化学反应形成薄膜的方法。
常用的溶液法沉积方法有旋涂法、浸渍法、喷涂法等。
这些方法具有简单易行、成本低等优点，广泛应用于柔性电子、生物医学等领域。
三、薄膜沉积工艺的应用1. 电子器件领域：薄膜沉积工艺在电子器件领域的应用非常广泛，如硅薄膜太阳能电池、有机发光二极管（OLED）、薄膜晶体管（TFT）等。
2. 光学器件领域：薄膜沉积工艺在光学器件领域的应用也非常重要，如反射镜、透镜、滤光片等。
3. 纳米技术领域：薄膜沉积工艺在纳米技术领域的应用也十分广泛，如纳米粒子薄膜、纳米线薄膜等。
总结：薄膜沉积工艺是一种将材料以薄膜的形式沉积在基底表面的技术。
第3章 薄膜沉积的物理方法
1、初 衷为克：服电阻加热蒸发的缺点而引入：
2、电 子热空阴心枪极阴分型极类型(电由子难由发熔惰射金性机属气制制体不成电同的离)灯形：丝成发的射等热离电子子体；引出电子。
3、应用场合：适用于高纯度、高熔点、易污染薄膜材料的沉积。
4、优、缺点：
加可热避温免度来高自，坩可锅蒸、发加任热何体材和料支；撑部件的污染； 电过电子高子束的枪的加系绝热统大功复部率杂分会，能对设量薄备会膜昂被沉贵坩积。锅系的统水造冷成系强统烈带的走热，辐热射效；率较低；
■ 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
、怎样实现蒸发条件？ 凝聚； 蒸发 净蒸发 ■ Pi > Pei
Pi < Pei
(
> 0)
2
Pe /Torr
升温 ：
课本： 图 、 P29-30 2.2 a b
真空：
T Pei
充系入统其总它压气P体：目标物质分压Pi 也随之
PVD的工程分类：
西安理工大学
Xi'an University of Technology
基于气相粒子发射方式不同而分！
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材料科学薄与膜工材程学料院与2技00术8©
3 薄膜沉积的物理方法
Thin Film Materials & Technologies
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
Xi'an University of Technology
-4-
Thin Film Materials & Technologies
Knudsen余弦定律 材料科学薄与膜工材程学料院与2技00术8©
薄膜的物理气相沉积溅射法.pptx
业
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感谢您的观看。
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• 由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周 期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面， 而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子， 吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。
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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。
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
弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速
增加
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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。
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• 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
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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。
薄膜的物理气相沉积Ⅰ蒸发法
新材料应用到物理气相沉积中，以获得性能更优异的薄膜。
02
新工艺的开发
除了新材料外，新工艺的开发也是非常重要的。需要研究如何开发新的
工艺，以更有效地沉积出高质量的薄膜。
03
跨学科合作
新材料和新工艺的研究与开发往往需要跨学科的合作，如化学、物理、
材料科学等。需要积极开展跨学科的合作，以推动薄膜沉积技术的发展。
蒸发物质的性质
蒸发物质的性质也会影响薄膜的 附着力。需要研究如何选择和优 化蒸发物质的性质，以提高薄膜 的附着力。
工艺参数优化
工艺参数如温度、压力、气体流 量等也会影响薄膜的附着力。需 要研究如何优化这些工艺参数， 以提高薄膜的附着力。
新材料、新工艺的研究与开发
01
新材料的研究
随着科技的发展，不断有新的材料被发现和研究。需要研究如何将这些
感谢您的观看
THANKS
总结词
激光诱导蒸发源是利用高能激光束照射材料表面，使其达到熔融状态并产生蒸气的过程。
详细描述
激光诱导蒸发源通过高能激光束照射材料表面，使其迅速达到高温熔融状态并蒸发。该蒸发源具有高能量密度、 快速加热和精确控温等优点，适用于高熔点材料和薄膜的制备。同时，激光诱导蒸发源还可以实现薄膜的图案化 制备和原位掺杂等特殊应用。
单晶结构
通过特定工艺可制备单晶 结构的薄膜，具有更好的 物理性能。
非晶结构
通过控制蒸发条件可获得 非晶结构的薄膜，具有优 异的稳定性和光学性能。
薄膜的物理性质
导电性
01
蒸发法制备的薄膜导电性良好，可应用于电子器件和集成电路。
光学性能
02
蒸发法制备的薄膜具有优异的光学性能，如高反射、高透过等
特性。
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——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；
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。
薄膜的物理气相沉积II
薄膜附着性
薄膜与基材之间的附着力是评价薄膜质量的重要指标。如 果附着力不足，会导致薄膜脱落，影响其使用寿命。
薄膜致密性
致密的薄膜可以更好地保护基材免受腐蚀、氧化等损害。 然而，物理气相沉积过程中往往难以获得完全致密的薄膜 。
多层结构制备
制备多层结构薄膜是物理气相沉积的一个重要应用，但各 层之间容易出现成分和结构的不匹配，导致性能下降。
05 未来展望
薄膜的物理气相沉积技术在未来的应用前景
随着对可再生能源需求的增加，薄膜的物理气相沉积 技术有望在太阳能电池、燃料电池等高效能源领域发
挥重要作用，提高能源转换效率和稳定性。
输入 标题
医疗领域
薄膜的物理气相沉积技术可以应用于生物材料、药物 载体和医疗器械等领域，为医疗行业提供更安全、有 效的解决方案。
薄膜的物理气相沉积 ii
目录
CONTENTS
• 物理气相沉积技术简介 • 薄膜的物理气相沉积技术 • 薄膜的物理气相沉积技术发展现状 • 薄膜的物理气相沉积技术面临的挑战与
解决方案 • 未来展望
01 物理气相沉积技术简介
物理气相沉积技术的定义
物理气相沉积技术是一种利用物理过程，如蒸发、溅射或离 子束沉积等，将固体材料转化为气态或等离子态，然后通过 冷却或凝结过程在基底表面形成薄膜的技术。
利用辉光放电产生的等离子体中的离子和 中性粒子在基材表面沉积形成薄膜。
薄膜的物理气相沉积技术分类
1 2
根据沉积方式
分为热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉积等。
根据沉积材料
分为金属、非金属、化合物等。
3
根据应用领域
分为光学薄膜、半导体薄膜、装饰薄膜等。
薄膜的物理气相沉积技术应用
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沉积 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
六、残余气体的影响：
实际蒸发过程中，真空环境内总是存在一定量的残余气体分子，其影响主要表现在：
1、影响气相物质的输运（碰撞转向）： 引入残余气体分子与蒸发粒子的碰撞几率 () 表征： 1
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
3、材料分类（基于蒸发特性）：
易升华材料 (Cr、Ti、Si等) ：
Pe = 0.1 Pa 时的温度（℃）
4000
3537 3357
T<Tm时，Pe 就已很高 ( >> 0.1 Pa) 升华 难升华材料 (石墨)： 无 Tm，升华温度 (Ts) 又很高 往往需借助电弧等高温放电热源才能蒸发！ 液态蒸发材料 (大多数金属)： T＝Tm时， Pe 仍较低 (Pe < 0.1 Pa)， 但可以继续T 获得高的Pe ！ 需加热到Tm以上一定温度才能实现蒸发！
蒸发物质
式中： — 单位面积上元素的净蒸发速率； — 蒸发因子 (0~1)； M — 气体的原子/分子量；
2、Langmuir公式： (单位面积上的质量蒸发 速率 ) k( 材料常数 ) Pei Pi M T 可知： =1，Pi = 0 时，蒸发速率最大； 由于 Pei a e
H e RT
T时 Pei T 是 的主要影响因素！
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础
五、沉积厚度及沉积速率：
1、影响沉积速率的因素： 蒸发源尺寸； 源-基片距离； 凝聚系数。
2、物理学表述 (Knudsen余弦定律)：
0.6
0.6
式中：d0 — 距蒸发源最近位置（中心处）的膜厚；
d — 距该中心距离为 l 处的膜厚； — 沉积角度；r — 沉积半径。
0.4
点源 小平面源
cos
0.4
0.2
0.2
3、规律：
0.0
距蒸发源近：则膜厚不均匀程度增加、但沉积速率提高； 距蒸发源远：则膜厚均匀程度好、但沉积速率降低。
3000
2657
2787
2000
1687 1367
难蒸发
1552 1647 1417 1082 627 1697 1817 1412
1937
1000
四、蒸发速率：
易蒸发
0
509
408
N A Pei Pi 1、Knudsen公式： 2 MRT
Al C Co Cr Cu Fe Li Mg Mn Mo Ni Si Sn Ta Ti W Zn
产生 从源材料发射粒子（气 相原子、分子、离子） 气相物质的输运 激发粒子输运到基片 PVD的三个关键过程： 沉积 气相粒子在基片上成膜 （凝结、形核、长大）
1、真空蒸发沉积技术 2、溅射沉积技术 PVD的工程分类： 基于气相粒子发射方式不同而分！ 3 、离子镀、离子束沉积 和离子束辅助沉积 4、气相外延沉积
3
薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础 一、概念：在真空环境下，以各种加热方式赋予待蒸发源材料以热量，使源材料物质获得所需的蒸汽压而
实现蒸发，所发射的气相蒸发物质在具有适当温度的基片上不断沉积而形成薄膜的沉积技术。
二、两个关键： 真空度：P ≤ 10-3 Pa（保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动）
3
薄膜 沉积 的 物理 方法
薄膜沉积的物理方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD（离子镀、IBAD 、IBD等） 分子束外延 (MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE，Hot Wall Epitaxy )
2、怎样实现蒸发条件？
升温 ： 课本：P29-30 图2.2 a、b H e P a e RT T Pei
ei
真空： 系统总压 P 目标物质分压Pi 也随之 充入其它气体： P = ∑Pi 总压不变、目标物质分压 Pi
3 薄膜沉积的物理方法
注意：其中除了LPE技术外，都可划入广义的PVD技术范畴！
因此本章重点学习 蒸发、溅射、离子镀 三类基本PVD方法！
PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质
其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD的化学反应）！
粒子（可以是原子、分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。
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 ■ Pi > Pei 凝聚； Pi < Pei 蒸发 (净蒸发 > 0)
式中：N0 — 蒸发粒子总数； N — 不发生碰撞的蒸发粒子总数； l — 沉积距离 (10~50 cm)； r — 残余气体分子的平均自由程
N 1 exp l / r N0
真空度 (P <10-2 Pa) r>>l →0 碰撞无影响、蒸发粒子近直线输运 真空度 (P >10-1 Pa) r≤l →1 碰撞偏折明显、影响粒子输运！
点源： 小平面源：
d / d 0 1 l / h
2 3 / 2
r 2 h2
2
3 / 2
cos 3
相对沉积率（d/d0）
1.0
1.0
d / d 0 1 l / h
2 2
r
h2
0.8
0.8
2
余弦因子（cos）
cos 4