第三章薄膜制备技术ppt课件.ppt

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1、第三章 薄膜制备技术 气相法气相法液相法液相法化学溶液镀膜法：化学镀化学溶液镀膜法：化学镀(CBD)、电镀、电镀(ED)、溶胶溶胶-凝胶（凝胶（Sol-Gel）、金属有机物分解）、金属有机物分解（MOD）、液相外延（）、液相外延（LPE）、水热法）、水热法（hydrothermal method）、喷雾热解）、喷雾热解(spray pyrolysis)、喷雾水解、喷雾水解(spray hydrolysis)、LB膜及自组装膜及自组装(self-assemble)物理气相沉积物理气相沉积（PVD）化学气相沉积化学气相沉积（CVD）常压常压CVD、低压、低压CVD、金属有机物金属有机物CVD、等离

2、子体等离子体CVD、光光CVD、热丝、热丝CVD真空蒸发真空蒸发 Evaperation溅射溅射 Sputtering离子镀离子镀 Ion plating3.0 薄膜制备方法的分类薄膜制备方法的分类薄膜制备的物理方法薄膜制备的化学方法我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物一般，对于制备薄膜的要求，可以归纳如下：膜厚均匀；膜的成分均匀；沉积速率高，生产能力高；重复性好；具有高的材料纯度高，保证化合物的配比；具有较好的附着力（与基体），较小的内应力。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放

3、在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.1.1 物理气相沉积(physical vapor deposition )利用热蒸发源材料或电子束、激光束轰击靶材等方式产生气相物质，在真空中向基片表面沉积形成薄膜的过程称为物理气相沉积。主要方法有：1、真空蒸发（Vacuum evaporation）真空蒸发镀膜，这是制备薄膜最一般的方法。这种方法是把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2 Pa以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜。真空蒸发法

4、所采用的设备根据其使用目的，可能有很大差别，从最简单的电阻加热蒸镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属于真空蒸发沉积装置的范畴。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w按照使物质气化的加热方法不同可有各种各样的技术，包括电阻式蒸发（resistance evaporation）、电子束蒸发(electron beam evaporation)和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）；真空蒸发真空蒸发电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发(

5、High frequency induction evaporation)、激光烧蚀激光烧蚀/闪蒸、多源蒸发、反应蒸发、闪蒸、多源蒸发、反应蒸发、分子束外延分子束外延分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原

6、子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。w溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物溅射法是近几年发展相当快的一种镀膜方法。包括直流溅射(DC sputtering)（一般只能用于靶材为良导体的溅射）、射频溅射(rf sputtering)、磁控溅射(magnetron sputtering)、反应溅射(

7、reactive sputtering)和离子束溅射(ion beam sputtering)；根据使用目的，不同溅射方法内又可以有一些具体的差异。例如，在各种溅射方法中可以结合不同的施加偏压的方法。另外，还可以将上述各种方法结合起来构成某种新的方法，比如，将射频技术与反应溅射相结合，就构成了射频反应溅射的方法。溅射溅射二级溅射、三级二级溅射、三级/ /四级溅射、偏压溅射、反应四级溅射、偏压溅射、反应溅射、溅射、磁控溅射磁控溅射、射频溅射射频溅射、对向靶溅射、离、对向靶溅射、离子束溅射、中频溅射子束溅射、中频溅射我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是

8、我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3、脉冲激光溅射沉积膜(pulsed laser ablation/pulsed laser deposition)（PLD）使用高功率的激光束作为能源进行蒸发沉积的方法被称为激光蒸发沉积。这种方法具有加热温度高，可避免坩埚污染，材料的蒸发速率高，蒸发过程容易控制等特点。在实际应用中，多使用波长位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发的光源，如波长为248nm、脉冲宽度为20ns的KrF准分子激光等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w物理气相沉积

9、（PVD）薄膜的优缺点主要优点：w由于在真空中进行，能保证薄膜高纯、清洁和干燥；w能与半导体集成电路工艺兼容。 主要缺点：低的沉积速率；对多组元化合物，由于各组元蒸发速率不同，其薄膜难以保证正确的化学计量比和单一结晶结构；溅射方法由于高能离子轰击，易使薄膜受伤；高成本设备购置与维修。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )w化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能

10、源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 wChemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w化学气相反应按激发源的不同可分为光化学气相沉积（photo-CVD）、热化学气

11、相沉积(hot wire-CVD)和等离子体化学气相沉积(PECVD)等。w在半导体工艺过程中，无论是导体、半导体，还是绝缘体，均可用CVD技术来淀积薄膜，其已成为集成电路制造中最主要的薄膜淀积方法。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物Types of Chemical Vapor Depositionw化学气相沉积，包括低压化学气相沉积（low pressure CVD,LPCVD）、离子增强型气相沉积（plasma enhanced (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、常

12、压化学气相沉积（atmosphere pressure CVD,APCVD）、金属有机物气相沉积（MOCVD）和微波电子回旋共振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECR-CVD）等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w主要方法有：（1）化学气相沉积：CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。 （a）按沉积温度可分为：低温（200500

13、）：主要用于基片或衬底温度不宜在高温下进行沉积的某些场合，如沉积平面硅和MOS集成电路的纯化膜。中温（5001000）和高温（10001300）CVD：广泛用来沉积III-V族和II-VI族化合物半导体。 （b）按反应器内的压力可分为：常压化学气相沉积（APCVD）（1atm）；低压化学气相沉积（LPCVD）（10100Pa）LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形钝化膜，如SiO2和Si3N4以及多晶硅薄膜 （c）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式CVD。 （d）按反应激活方

14、式可分为热激活和等离子体激活CVD等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w主要优点是：高的沉积速率；能保证正确的化学计量比，易形成单一结晶结构；易形成均匀、大面积薄膜；对化学液相沉积，易进行微量、均匀掺杂来改进薄膜性能；低成本设备购置与维修。w主要缺点是：对CVD方法，有机源难以制备并有毒，易对环境带来污染；对化学液相沉积，薄膜厚度难以精确控制。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2 真空

15、蒸镀真空蒸镀法，将被蒸发材料（镀料）（待形成薄膜的源材料）置于蒸发加热器（加热丝、蒸发舟、坩埚等）中，通过加热使镀料熔化蒸发，蒸发的镀料则以分子或原子状态飞出，沉积在温度相对较低的基板上，形成薄膜。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物真空蒸发镀膜的三种基本过程：（1）热蒸发过程是镀料由凝聚相转变成气相（固相或液相气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸汽压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输

16、运，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程及蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。（3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，淀积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w真空蒸发镀膜的优缺点：w优点：设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得

17、清晰图形；大多数材料都可以作为膜层材料蒸发。w缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成的薄膜与基板的附着力较小，工艺重复性不够好等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物蒸发源的类型w蒸发源是蒸发装置的关键部件，大多金属材料都要求在10002000的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。最常用的加热方式有：电阻法、电子束法、高频法等。w一、电阻蒸发源w采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al

18、2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发。w优点：蒸发源结构简单、廉价易作；w缺点：需考虑蒸发源的材料和形状。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物蒸发源材料熔点/平衡温度蒸气压在110-6Pa蒸气压在110-3Pa钨（W）341021172567钽（Ta）299619572407钼（Mo）261715921957铌（Nb）246817622127铂（Pt）177212921612（1）常用蒸发源/蒸发加热装置材料及其特性1、电阻加热蒸发常用的电阻加热蒸发法是将待蒸发材料放置在电阻加热装置中，通过电

19、路中的电阻加热给待沉积材料提供蒸发热使其汽化。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（2）选用蒸发源应考虑的因素/对蒸发源材料的要求1）熔点高，热稳定性好；2）蒸发源在工作温度有足够低的蒸气压；防止或减少在高温下蒸发原材料会随蒸发材料而成为杂质进入蒸镀膜层中。3）不与膜料反应；4）高温下与膜料不相湿（相渗），或虽相渗，但不相溶；5）经济实用。 热蒸发中影响蒸发速率的是膜料的汽化温度和蒸发源的加热温度。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证

20、实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（3）电阻加热装置热蒸发特性低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳热，使蒸发源中承载的膜料汽化或升华。优点：简单、经济、操作方便。缺点：1）来自坩埚、加热元件和支撑部件的可能的污染；2）加热功率或加热温度有一定的限制，不适用于高纯或难熔物质的蒸发；3）膜料容易热分解；4）膜料粒子初始动能低，膜层填充密度低，机械强度差。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（4 4）常用蒸发源的形状）常用蒸发源的形状 可以采用电阻加热蒸可以采用电阻加热蒸发的膜料有金属、介质

21、、发的膜料有金属、介质、半导体，它们中有先熔化半导体，它们中有先熔化成液体然后再汽化的蒸发成液体然后再汽化的蒸发材料，也有直接从固态汽材料，也有直接从固态汽化的升华材料，有块状、化的升华材料，有块状、丝状，也有粉状。丝状，也有粉状。支撑材料的形状主要取决支撑材料的形状主要取决于蒸发物于蒸发物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2.2 电子束加热源w电阻加热装

22、置的缺点之一是来自坩埚、加热元件以及各种支撑部件的可能的污染。另外，电阻加热法的加热功率或加热温度也有一定的限制。因此其不适用于高纯或难熔物质的蒸发。w电子束蒸发装置的优点：1）能克服电阻加热方法可能受到坩埚、加热元件以及各种支撑部件的污染的缺点。w在电子束加热装置中，被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很少的一部分物质，而其余的大部分物质在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。w2）能克服电阻加热方法受到加热功率或加热温度的限制。w3）电子束蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得人们可以同时分别蒸发和沉积多种不同的物质。w电子束蒸发法的缺点是

23、，电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走，因而其热效率较低。另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2.2.1 电子束加热结构 常用的电子束蒸发源有电子束偏转角度270、运行轨迹为“e”的e型枪和电子束偏转角度180 、运行轨迹为“c”的c型枪两种。图图26 电子束蒸发源电子束蒸发源我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物E-beam

24、Evaporation of Thin films我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w优点：电子束焦斑大小可调，位置可控，既方便使用小坩埚，也方便使用大坩埚；可一枪多坩埚，既易于蒸发工艺的重复稳定，也方便使用多种膜料；灯丝易屏蔽保护，不受污染，寿命长；使用维修方便。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2.2.2 电子束加热原理灯丝通大电流，形成热电子发射流：2kTIe电子流在电位差为U的电场

25、中被加速至v，即由)/(1093. 52152smUeUm例如当U610kV时，v4.66107 m/s电子流被加速的同时，由电磁场使其聚成细束，并对准坩埚内的膜料，造成局部高温而汽化蒸发。原理：基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而实现蒸发镀膜。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w3 特点（1）可蒸发高熔点材料（W、Ta、Mo、氧化物，陶瓷等）；（2）可快速升温到蒸发温度，化合物分解小；（3）膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度好；（4）蒸发

26、速度易控，方便多元同蒸。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2.3 脉冲激光沉积法脉冲激光沉积法w脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation，PLA）。 PLD是一种真空物理沉积方法，使用脉冲激光束聚焦到靶材表面，使靶材蒸发沉积在基体上成膜。 w脉冲激光沉积（PLD）是20世纪80年代后期发展起来的一种新型薄膜制备技术。wPLD技术被用于制备日益重要的微电子和光电子用多元氧化物薄膜及其异质结，也被用

27、于制备氮化物、碳化物、硅化物以及各种有机物薄膜等广泛领域；制备一些难以合成的材料如金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜也取得了很大进展。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物PLD系统概述w脉冲沉积系统一般由脉冲激光器、光路系统（光阑扫描器、会聚透镜、激光窗等）；沉积系统（真空室、抽真空泵、配气及气路控制系统、靶材、基片加热器）；辅助设备（测控装置、监控装置、电机冷却系统）等组成。w一束激光经透镜聚焦后投射到靶上，使被照射区域的物质烧蚀 （ablation），烧蚀物（ablated materials）择优

28、沿着靶的法线方向传输，形成一个看起来象羽毛状的发光团-羽辉（plume），最后烧蚀物沉积到前方的衬底上形成一层薄膜。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w脉冲激光沉积方法是利用准分子激光器所产生的高强度脉冲激光照射靶材，靶材吸收激光在时间和空间上高度集中的能量，温度迅速上升至远高于靶材组元沸点以上，各组元同时被蒸发，蒸发的汽化物继续与辐照光子作用，电离并形成区域化的高浓度等离子体（T104K），这种等离子体的定向局域膨胀发射，并在加热的衬底上沉积形成薄膜。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，

29、为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物PLD的基本原理及物理过程整个PLD镀膜过程通常分为三个阶段。（1）激光与靶材相互作用产生等离子体激光束聚焦在靶材表面，在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内，靶材吸收激光能量并使光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上而产生高温及烧蚀，靶材汽化蒸发，有原子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。（2）等离子体在空间的输运（包括激光作用时的等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀）等离子体火焰形成后，其与激光束继续作用，进一步电离，等离子体的温度和压力迅速升高，并在靶面法线方向形

30、成大的温度和压力梯度，使其沿该方向向外作等温（激光作用时）和绝热（激光终止后）膨胀，此时，电荷云的非均匀分布形成相当强的加热电场。在这些极端条件下，高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间，迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。（3）等离子体在基片上成核、长大形成薄膜激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面，使其产生不同程度的辐射式损伤，其中之一就是原子溅射。入射粒子流和建设原子之间形成了热化区，一旦粒子的凝聚速率大于溅射原子的飞溅速率，热化区就会消散，粒子在基片上生长出薄膜。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里

31、边有一个活的生物wPLD方法制备薄膜的优点：高能量密度使PLD可以蒸发金属、陶瓷等多种材料，有利于解决难熔材料（如钨、钼及硅、碳、硼化合物）的薄膜沉积问题；化学计量比精确；瞬间爆炸式形成的等离子体羽辉不存在成分择优蒸发效应，加上等离子体发射沿靶轴向空间约束效应，对于多数材料可以使膜的成分和靶材的成分十分一致。因而可以得到和靶材成分一致的多元化合物薄膜，甚至含有易挥发元素的多元化合物薄膜。沉积过程可引入多种活性气体如O2、H2、NH3等进行反应溅射，使制备多元素的化合物薄膜极为方便。能简便有效地把高能量密度激光引入溅射沉积真空室，获得并保持沉积室高真空度或纯度。激光对靶的整体加热效应不大，因而靶

32、材一般无需冷却，使靶的运动和更换非常方便。沉积室的高真空度或纯度加上灵活的换靶装置，使制备多元素膜、多层膜、复合膜和实现膜的掺杂非常方便。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物溅射粒子有较高的能量，可越过基材表面位垒进入基材表面几个原子层，引起基材晶格的振动，由于过程发生在很短的瞬间，可引起基材表层粒子流直射区原子尺度范围温度和压力的急剧增加，使粒子流进入成分与基材相互作用形成新的特殊结构，如生成类金刚石膜、多种超晶格薄膜等。沉积过程基片整体温度不高，满足许多功能膜和半导体等基片对膜制备温度的限制

33、。等离子体中含有大量能量较高的快速离子，可显著降低膜层外延生长的温度。脉冲激光与靶直接作用区域小，靶材材料需要不多且利用率高，这对需用贵重靶材的情况尤为可贵。PLD也有它的应用范围和尚待解决的问题，目前主要问题是：由于羽辉中携有熔滴，薄膜中及表面容易出现微米一亚微米尺度的颗粒物；对某些材料，靶和膜的成分并不完全一致；大面积沉积的膜均匀性较差。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.3 溅射法(Sputtering)3.3.1溅射基本概念 所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体（称为靶）表面，使固体原

34、子（或分子）从表面射出的现象。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且具有方向性。应用这一现象将溅射出来的物质沉积到基片或工件表面形成薄膜的方法称为溅射（镀膜）法。注：靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于作为阳极并接地的真空室处于一定的负电位。w溅射类型溅射类型/分类（分类（Techniques of sputtering）直流溅射（直流溅射（DC sputtering）射频溅射（射频溅射（RF sputtering）磁控溅射（磁控溅射（Magnetron Sputter Deposition）偏压溅射（偏压溅射（Bias sputtering）反应溅射（反应溅射（Reactive sp

35、uttering）中频孪生靶溅射中频孪生靶溅射 (Intermediate frequency twin target sputtering )脉冲溅射脉冲溅射(pulsed sputtering)我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w溅射法属于物理气相沉积的一种，射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子，该离子又被称为入射离子。w溅射法现在已经广泛地应用于各种薄膜的制备之中。如

36、用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜，以及化合物半导体、碳化物及氮化物薄膜，乃至高温超导薄膜等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w1、溅射离子的来源w溅射法基于荷能粒子轰击靶材的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射的离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用不同的辉光放电形式，根据所加电场的不同，分为直流辉光放电和射频辉光放电。辉光放电溅射，靶材作为阴极，被镀件作为阳极或偏置，可以放在阴极暗区之外任何方便的地方。2、辉光放电过程定义：辉光放电是在真空度约为1

37、10Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上高压时产生的一种稳定的自持放电，是气体放电的一种类型。1）为什么会产生辉光放电？空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使更多的分子电离。之所以需要低气压，是因为在较高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量使离子被加速。3.3.2溅射基本原理我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w气体放电等离子体：离子电子与气体粒子间非弹性碰撞的产物 失去电子后的气体粒子。等离子体等离子体（Plasma）是指由自由电子和带电离子

38、为主要成分的物质形态，电子和离子总数基本相等，整体呈现电中性的气态导体。它广泛存在于宇宙中，常被视为物质的第四态。 气体放电正、负两电极间的间距、电压、气压满足一定条件时，绝缘气体变成导电气体的现象。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w气体放电等离子体：w离子电子与气体粒子间非弹性碰撞的产物失去电子后的气体粒子。w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，电子和离子总数基本相等，整体呈现电中性的气态导体。它广泛存在于宇宙中，常被视为物质的第四态。w气体放电正、负两电

39、极间的间距、电压、气压满足一定条件时，绝缘气体变成导电气体的现象。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物气体放电基本过程假设有一个直流放电系统，设电极之间电动势为E，直流电源提供电压V和电流I，并以电阻R作为限流电阻，则V=E-IR我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w2）辉光放电I-V特性我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没

40、有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w3）辉光放电的空间分布我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2溅射

41、参数 在溅射镀膜中，影响溅射速率的是靶材的溅射率（溅射产额）和溅射装置的功率。（1）溅射阈。w溅射阈（threshold）是指入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量。只有当入射离子的能量超过一定的阈值以后，才会出现被溅射物质表面原子的溅射。w溅射阈主要取决于靶材料，与入射离子种类和能量无明显依赖关系。对处于元素周期表中相同周期的元素，溅射阈随着原子序数的增加而减小。对于大多数金属元素来说，溅射阈为10-30eV，相当于升华热的4倍。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（2）溅射率/溅射产额（sp

42、uttering yield ）The number of particles sputtered from the surface of a target per primary ion.设从外部入射到固体表面的粒子数为Ni，从固体表面被溅射出来的粒子数为Ns，则溅射率定义为：溅射率（又称为溅射产额）表示正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。溅射率的大小，与入射离子的能量、种类、靶材料的种类以及入射离子的入射角等因素有关。 isNNS 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物Sp

43、uttering Yieldangle striking :metal target ofenergy Bonding :Uion bombing ofenergy kinetic :Eion bombing of mass :matom target of mass :MUEmMMmions bombingatoms sputteredSMmMm2我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 （1）入射离子能量的关系影响溅射率/溅射产额的主要因素原子溅射产额与入射离子能量的关系图中曲线表明：图中曲线表

44、明：（1 1）存在溅射阈值。只有当入射离子）存在溅射阈值。只有当入射离子的能量超过一定的阈值以后，才会出现的能量超过一定的阈值以后，才会出现被溅射物质表面原子的溅射。被溅射物质表面原子的溅射。（2 2）在离子能量超过阈值之后，随着）在离子能量超过阈值之后，随着入射离子能量的增加，在入射离子能量的增加，在150eV150eV以前，以前，溅射产额和离子能量的方方成正比；在溅射产额和离子能量的方方成正比；在150eV1keV范围内，溅射产额和离子范围内，溅射产额和离子能量成正比；在能量成正比；在110keV范围内，溅射范围内，溅射产额变化不显著；能量再增加，溅射产产额变化不显著；能量再增加，溅射产额

45、却显示出下降的趋势。因为入射离子额却显示出下降的趋势。因为入射离子能量达到能量达到100keV左右时，入射离子将进左右时，入射离子将进入被轰击的物质内部，即发生了离子注入被轰击的物质内部，即发生了离子注入（入（ion implantation）现象。）现象。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物溅射率与入射离子原子序数的关系溅射率与入射离子原子序数的关系以以45keV的加速电压，用各种离的加速电压，用各种离子轰击子轰击Ag，Cu及及Ta时，从图中时，从图中可知，使用惰性气体作为入射离可知，使用惰性

46、气体作为入射离子时，溅射产额较高，并且重离子时，溅射产额较高，并且重离子的溅射产额明显高于轻离子。子的溅射产额明显高于轻离子。在通常装置中，从经济上考虑，在通常装置中，从经济上考虑，多用氩离子溅射。多用氩离子溅射。（2）与入射原子系数的关系（1）溅射率呈周期性，总趋势随原子系数Z增大而增大；（2）同一周期中，惰性元素的溅射率最高，而中部元素溅射率最小。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物w溅射产额随靶材原子序数的变化表现出某种周期性，随靶材原子d壳层电子填满程度的增加，溅射产额变大，即Cu、Ag

47、、Au等溅射产额最高，Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等溅射产额最小。（3）与靶材原子系数的关系溅射产额与靶材原子系数的关系我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物图图2 2 溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率还与离子的入射角度溅射率还与离子的入射角度有关，当离子入射方向与被有关，当离子入射方向与被溅射的靶表面法线间的夹角溅射的靶表面法线间的夹角在在60607070之间时，溅射之间时，溅射率最大。率最大。入射角再增加，溅入射角再增加，溅射产额急剧减少，在射产额急剧减少，在 =90

48、时，时，溅射产额为零。溅射产额为零。（4）与入射角的关系600 700另外，溅射率还与靶材的温度、溅射压强等因素有关。见：唐伟忠编著，薄膜材料制备原理、技术及应用。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3 溅射镀膜的特点 相对于真空蒸发镀膜，溅射镀膜具有如下特点：（a）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可以实现溅射；（b）溅射所获得的薄膜与基片结合较好；（c）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好；（d）溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜。 溅射存在的缺点是，相对

49、于真空蒸发，它的沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照等作用而产生温升。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.3.2直流溅射(DC sputtering)w直流溅射又叫阴极溅射或者二极溅射，直流溅射常采用Ar为工作气体。 其典型的溅射条件为：工作气压10Pa，溅射电压（Sputter voltage）3000V，靶电流密度0.5mA/cm2，薄膜沉积速率低于0.1m/min。优点：膜层在基片上的附着力强，膜层纯度高，可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物。缺点：1）不能独立控制各个工艺参数：电

50、压、电流及溅射气压；2）气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较低（0.5m/hr），不利于减小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。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.3.3 射频溅射射频溅射(R.F sputtering)w在溅射靶上加有射频电压，在射频电压（极间电压变化频率超过1