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；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。