薄膜的物理气相沉积-溅射法
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第二章 薄膜制备的物理方法
反应蒸发经常用来制作高熔点的化合物薄膜，特 别是适合制作过渡金属与易解吸的O2、N2等反应 气体所组成的化合物薄膜。
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。
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.
支撑加热材料 (蒸发舟)
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 )
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 )
薄膜沉积物理方法超强总结
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
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
第四讲_薄膜的物理气相沉积-溅射沉积
电子是等离子体中主要的能量携带者
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
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。
第3章 溅射法解读
• 溅射：是利用气体辉光放电过程中产生的荷能粒子 （正离子）轰击固体表面，当表面原子获得足够大的 动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射，把 物质从源材料移向衬底，实现薄膜的沉积。
溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。
1 溅射产额 （1）溅射产额的定义
靶材释放出来的各种粒子中，主要是溅射出来的单个原子，另外还有少 量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有1%-10%。 溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入 射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即
2 合金的溅射与沉积
（1）合金的溅射
与蒸发法相比，合金的溅射法最大的优点就是： 易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。 原因：a、不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压 相差太大； b、更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流， 从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分 持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产 额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于某一 平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应： 溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射 速率上升。最终的结果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物 质的成分却与靶材的原始成分相同。 例如，对于成分为80%Ni-20%Fe的合金靶，1keV的Ar+离子溅射，溅射产额 分别为：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。经过一段时间的预溅射之后，靶材表面 的成分比将逐渐变为Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即70.2%Ni-29.8%Fe。在 这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。
辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当 的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加， 放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会 发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所 回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的 等离子体。 弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴 极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。
溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。
1 溅射产额 （1）溅射产额的定义
靶材释放出来的各种粒子中，主要是溅射出来的单个原子，另外还有少 量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有1%-10%。 溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入 射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即
2 合金的溅射与沉积
（1）合金的溅射
与蒸发法相比，合金的溅射法最大的优点就是： 易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。 原因：a、不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压 相差太大； b、更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流， 从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分 持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产 额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于某一 平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应： 溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射 速率上升。最终的结果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物 质的成分却与靶材的原始成分相同。 例如，对于成分为80%Ni-20%Fe的合金靶，1keV的Ar+离子溅射，溅射产额 分别为：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。经过一段时间的预溅射之后，靶材表面 的成分比将逐渐变为Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即70.2%Ni-29.8%Fe。在 这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。
辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当 的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加， 放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会 发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所 回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的 等离子体。 弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴 极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。
3 薄膜制备技术(PVD)(溅射)
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。
射频溅射装臵示意图
射频电场对于靶材的自偏压效应: 由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离 子体近旁的任何部位都处于负电位。 设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它既可作 为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大 量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运 动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电 极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位，此负电位对电 子产生排斥作用。 设等离子电位为Vp（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为 0）对等离子的电位差为-Vp，设靶电极的电位为Vc（是一个负值），则靶电 极相对于等离子体的电位差为Vc-Vp。 |Vc-Vp|幅值要远大于| -Vp|。因此，这 一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子体在加速 后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。
.DISTANCE(Torr-cm)
辉光放电的巴邢曲线
等离子体鞘层
辉光放电等离子体中电离粒子的密度和平均能量均较低， 而放电的电压则较高，此时质量较大的离子、中性原子和 原子团的能量远远小于质量极小的电子的能量，这是因为 电子由于质量小极易在电场中加速而获得能量。 不同粒子还具有不同的平均速度
电子速度：9.5*105ms-1， Ar离子和Ar原子：5*102ms-1
薄膜制备工艺技术
薄膜制备工艺技术薄膜制备工艺技术是指通过化学合成、物理沉积、溶液制备等方法制备出具有一定厚度和特殊性能的薄膜材料的技术。
薄膜广泛应用于光电子、微电子、光学、传感器、显示器、纳米技术等领域。
本文将详细介绍几种常见的薄膜制备工艺技术。
第一种是物理沉积法。
物理沉积法主要包括物理气相沉积法（PVD）和物理溶剂沉积法（PSD）两种。
其中，物理气相沉积法是将固态材料加热至其熔点或升华点，然后凝华在基底表面上形成薄膜。
而物理溶剂沉积法则是通过在沉积过程中溶剂的挥发使溶剂中溶解的材料沉积在基底表面上。
物理沉积法具有较高的沉积速度和较低的工艺温度，适用于大面积均匀薄膜的制备。
第二种是化学沉积法。
化学沉积法通过在基底表面上进行化学反应，使反应物沉积形成薄膜。
常见的化学沉积法有气相沉积法（CVD）、溶液法和凝胶法等。
气相沉积法是将气体反应物输送至反应室内，通过热、冷或化学反应将气体反应物沉积在基底表面上。
而溶液法是将溶解有所需沉积材料的溶液涂覆在基底表面上，通过溶剂挥发或加热使溶液中的沉积材料沉积在基底上。
凝胶法则是通过凝胶溶胶中的凝胶控制沉积材料的沉积，形成薄膜。
化学沉积法成本低、制备工艺简单且适用于大面积均匀薄膜的制备。
第三种是离子束沉积法（IBAD）、激光沉积法和磁控溅射法。
离子束沉积法是通过加速并聚焦离子束使其撞击到基底表面形成薄膜。
激光沉积法则是将激光束照射在基底表面上，通过激光能量转化和化学反应形成薄膜。
磁控溅射法是将材料附着在靶上，通过离子轰击靶表面并溅射出材料颗粒，最终沉积在基底表面上。
这些方法制备的薄膜具有优异的结构和性能，适用于制备复杂结构和功能薄膜。
综上所述，薄膜制备工艺技术包括物理沉积法、化学沉积法、离子束沉积法、激光沉积法和磁控溅射法等多种方法。
不同的方法适用于不同的材料和薄膜要求，可以根据具体需求选择合适的工艺技术。
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3.1 气体放电现象与等离子体
阴极辉光区是由向阴极运动的正离子与阳极发射出的二次电 子发生复合所产生的，该区域是二次电子和离子的主要加速区 ，这个区域的电压降占了整个放电电压的绝大部分。 负辉光区是辉光最强的区域，它是已获加速的电子与气体分 子发生碰撞而产生电离的区域，其中的电位梯度接近于零。
一般的讲，与阳极共同接地的衬底常放在距阴极较近的地方
几倍。
3.2 物质的溅射现象 （2）入射离子种类和被溅射物质种类
溅射产额随入射 原子序数的增加而
周期性增加；重离
子的溅射产额明显 高于轻离子。
3.2 物质的溅射现象
（3）离子入射角对溅射产额的影响 入射方向与样品法向
的夹角为60o~ 70o时，溅
射产额最大；
3.2 物质的溅射现象
原子的溅射产额呈
E1 4M1M 2 cos2 E2 ( M1 M 2 ) 2
对于辉光放电讲，相当于高速运动中的电子与低速运动中 的原子、分子或离子的碰撞。
3.1 气体放电现象与等离子体 非弹性碰撞：碰撞过程中有部分电子的动能转化为粒子2的内能
增加，其最大值为：
U M 2 cos E1 M1 M 2
3.1 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； •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
体的压力有关。帕邢曲线
就是表征均匀电场气体间 隙击穿电压、间隙距离和 气压间关系的定律。
3.1 气体放电现象与等离子体 相对于弧光放电来讲，辉光放电等离子体中电离粒子的密度 以及粒子的平均能量较低，而放电的电压较高。此时，质量较大 的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于质量极 小的电子的能量。因为质量极小的电子极易在电场中加速获得能 量。 不同粒子还具有极为不同的平均速度。电子与离子具有不同 的速度的一个直接结果是形成所谓的等离子体鞘层，即相对于等
的第四态，等离子体最大的特点是具有很高的电导率。
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。
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
出相应的能量。离子高速撞击靶材的 结果之一是使大量的靶材表面原子获 得相当高的能量，使其可能脱离靶材
的束缚而飞向衬底。
3.1 气体放电现象与等离子体 1、气体放电现象描述
使真空容器中Ar气的压力保持1Pa ，并逐渐提高两个电极之间的电压。 开始时，几乎无电流通过，只有极少
量的电离粒子在电场的作用下做定向
3.1 气体放电现象与等离子体
阳极鞘层电位变化不大，阴极鞘层电位则由于外加电压 的叠加而显著增加。在等离子体内部，没有静电荷的积累， 而其导电能力较高，因此其电位近似为恒定值，并且高于阴
阳两极各自的电位。这表明，两极间的全部电压降几乎均集
中在阴极鞘层中。
3.1 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：
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。这些过程均产生新的离子
和电子，即碰撞过程使得离子和电子数目迅速增加。这时，随
着放电电流的迅速增加，电压的变化值却不大。这一放电阶段 称为汤生放电。
在汤生放电后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在
电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光环， 因此这一阶段称为电晕放电。
流强度则会伴随有剧烈的增加。这表明，等离子体自身的导电能
力再一次迅速提高。此时，等离子体的分电斑点。此时，气体开
始进入弧光放电阶段。
在弧光放电过程中，阴极斑点会产生大量的焦尔热，并引
起阴极表面局部温度大幅度地升高。这不仅会导致阴极热电子
发射能力的大幅度提高，而且还会导致阴极物质自身的热蒸发。 实际上，电弧蒸发方法即是利用了弧光放电过程中物质的蒸发 现象。
明显的辉光。 电流的继续增加使得辉光区域扩展到整个放电长度上，同时
，辉光的亮度不断提高。当辉光放电区域充满了两极之间的整个
空间之后，在放电电流继续增加的同时，放电电压又开始上升。 上述的两个不同的辉光放电阶段被称为正常辉光放电和异常辉光 放电。
3.1 气体放电现象与等离子体 随着电流的继续增加，放电电压将会再次大幅度下降，而电
1 2
上式表明，鞘层电位正比与电子温度且与离子和电子的质量有关。 在薄膜制备的情况下，鞘层电位的存在意味着任何跨越鞘层而
到达衬底的离子均将受到鞘层电位的加速作用，而获得一定的能量
，并对薄膜表面产生轰击效应；电子则会受到鞘层电位的排斥作用 ，因而只有一些能量较高的电子才能克服鞘层电位的阻碍，轰击薄
膜表面。
气体分子，又产生新的电子和离子；这些新的电子和离子
产生之后......于是新和更新的电子和离子就这样源源不断地 产生出来。
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
现欠余弦分布，即在表 面法线方向上溅射的产
额稍低
3.2 物质的溅射现象 （4）靶材温度对溅射产额的影响
在一定的温度范围
内，溅射产额与靶材温
度的关系不大。但是， 当温度达到一定水平之
后，溅射产额会发生急
剧的上升。
3.2 物质的溅射现象 2、合金的溅射和沉积 溅射法与蒸发法在保持确定的化学成分方面具有巨大差别的
成电路用的Ta膜，开始了它在工业上的应用； 1963年已经制作出全长约10m的连续溅射镀膜装臵；
1965年IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜称为
可能； 1974年，J.Chapin使高速、低温溅射镀膜称为现实，并发表了 关于平面磁控溅射装臵的文章。 由于这种溅射装臵的日臻完善和普及，使得溅射镀膜能以崭新 的面貌出现在技术和工业领域。
2
非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移给其它质量较大 的粒子，如离子或原子，引起其激发或电离。电子与其它粒子
的非弹性碰撞过程是维持自持放电过程的主要机制。
3.1 气体放电现象与等离子体 在非弹性碰撞时可能发生许多不同的过程，其中比较有代表 性的是以下几种： （1）电离过程：
e Ar Ar 2e
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；
3.1 气体放电现象与等离子体 2、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）是指由自由电子和带电离子为主要成分的物 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
运动，形成极微弱的电流； 电压逐渐升高，电离粒子的运动
速度加快，即电流随电压上升而增加
。当电离粒子的速度达到饱和时，电 流不再随电压升高而增加，此时电流 达到了一个饱和值。
3.1 气体放电现象与等离子体 当电压继续升高，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。离子对于阴极的碰撞将使其产生二次
，以提高薄膜的沉积速度。这时，衬底实际上已被浸没在负辉 光区中，法拉第暗区等放电区域也就不会出现了。
3.1 气体放电现象与等离子体
产生等离子体的其它方法：
•交流放电：低频放电、中频放电、射频放
电； •脉冲放电：恒流、恒压； •微波放电：微波及电子回旋共振(ECR)； •射频感应耦合等离子体； •介质阻挡放电等离子体； •大气压放电等离子体； •………
3.1 气体放电现象与等离子体 汤生放电阶段之后，气体会突然发生电击穿现象。这时气体
开始具备了相当的导电能力，我们称这种具备了一定的导电能力
的气体称为等离子体。此时，电路中电流大幅度增加，同时放电 电压却有所下降。在这一阶段，气体中导电粒子的数目大量增加
，粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够大，因此放电气体会发出
1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管
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；
概 述
20世纪30年代，已经有人利用溅射现象在实验室中制备薄膜；
60年代初，Bell实验室和Western Electric公司利用溅射制取集
3.1 气体放电现象与等离子体 3、辉光放电过程中电子的碰撞
等离子体中高速运动等电子与其它粒子的碰撞是维持气体放
电的主要微观机制。电子与其它粒子的碰撞有两类。 弹性碰撞：在两个粒子的弹性碰撞过程中，运动着的能量为E1 的粒子1将把部分动能转移给静止着的粒子2，碰撞后粒子2的能 量E2满足如下关系：
3.1 气体放电现象与等离子体
直流电场作用下物质的溅射： 对系统抽真空后，充入适当压力 的惰性气体，如Ar。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。电离过程使Ar原子电
离为Ar+和可以独立运动的电子，其
中的电子会加速飞向阳极，而Ar+则 在电场的作用下加速飞向作为阴极的
靶材，并在与靶材的撞击过程中释放
中，阴极鞘层电位占了
电极间外加电压的大部 分。因此，轰击阴极的 离子具有很高的能量， 并使得阴极物质发生溅 射现象。