1、薄膜技術與薄膜材料譚占鰲可再生能源學院華北電力大學研究生課程第3章 薄膜制備的物理方法 直流濺射直流濺射 射頻濺射射頻濺射 磁控濺射磁控濺射 離子束濺射離子束濺射 真空真空蒸發(fā)蒸發(fā)濺射濺射沉積沉積離子鍍離子鍍物理氣相沉積物理氣相沉積 （PVDPVD） 電阻加熱電阻加熱 感應加熱感應加熱 電子束加熱電子束加熱 激光加熱激光加熱 直流二極型離子鍍直流二極型離子鍍 射頻放電離子鍍射頻放電離子鍍 等離子體離子鍍等離子體離子鍍 PVD與CVD的區(qū)別n化學氣相沉積對于反應物和生成物的選擇，且基片需要處在較高溫度下，薄膜制備有一定的局限性。n物理氣相沉積對沉積材料和基片沒有限制，沉積過程可以分成三個階段：n

2、從源材料發(fā)射粒子、粒子輸運到基片、粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大、成膜。第第1節(jié)節(jié) 真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)n真空蒸發(fā)沉積將待成膜的物質(zhì)置于真空中進行蒸發(fā)或升華，使之在工件或基片表面析出的過程。 真空蒸發(fā)沉積過程:（1）蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相；（2）在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運；（3）蒸發(fā)粒子到達基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜。1.1.真空蒸發(fā)的特點真空蒸發(fā)的特點 設備比較簡單、操作容易；設備比較簡單、操作容易； 薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準確薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準確控制；控制； 成膜速度快、效率高，采用掩模可以成膜速度快、效率高，采用掩?？梢垣@得清晰的圖形；獲得清晰的圖形； 薄膜生長

3、機理比較單純。薄膜生長機理比較單純。缺點：缺點：不容易獲得結(jié)晶結(jié)構的薄膜，薄膜附著力較不容易獲得結(jié)晶結(jié)構的薄膜，薄膜附著力較小，工藝重復性差。小，工藝重復性差。優(yōu)點：優(yōu)點：系統(tǒng)組成真空系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)基片撐架擋板監(jiān)控系統(tǒng)等構成 真空蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖真空蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖 2.蒸發(fā)鍍膜的三個基本過程：蒸發(fā)鍍膜的三個基本過程： 加熱蒸發(fā)加熱蒸發(fā) 氣相原子或分子的輸運（源氣相原子或分子的輸運（源- -基距）基距） 蒸發(fā)原子或分子在基片表面的淀積蒸發(fā)原子或分子在基片表面的淀積3. 3. 飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓 飽和蒸氣壓的概念飽和蒸氣壓的概念 ：某溫度下物質(zhì)汽化（蒸發(fā)）某溫度下物質(zhì)汽化（蒸發(fā)）和液化達到平衡時氣體

4、的壓強。飽和蒸汽壓越大，和液化達到平衡時氣體的壓強。飽和蒸汽壓越大，表示液體越容易蒸發(fā)。表示液體越容易蒸發(fā)。 蒸發(fā)溫度：蒸發(fā)溫度：物質(zhì)在飽和蒸氣壓為物質(zhì)在飽和蒸氣壓為10-2 Torr時的溫時的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。4. 蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率142vaPJnmkT最大蒸發(fā)速率：最大蒸發(fā)速率：sPa)/cm (TMP10 sTorr)/cm (TMP103.51J2v242v22個個64. 2m質(zhì)量蒸發(fā)速率：質(zhì)量蒸發(fā)速率：)/(1037. 4)/(1083. 522422sPacmgPTMsTorrcmgPTMPkTmmJGvvv在蒸發(fā)溫度以上進行蒸發(fā)時，蒸發(fā)源溫度的

5、在蒸發(fā)溫度以上進行蒸發(fā)時，蒸發(fā)源溫度的微小變化可以引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大變化。微小變化可以引起蒸發(fā)速率發(fā)生很大變化。 5.蒸發(fā)所需能量和離子能量蒸發(fā)所需能量和離子能量能量損失的種類能量損失的種類 蒸發(fā)材料蒸發(fā)時所需的熱量蒸發(fā)材料蒸發(fā)時所需的熱量 蒸發(fā)源因輻射所損失的能量蒸發(fā)源因輻射所損失的能量 蒸發(fā)源因熱傳導而損失的能量蒸發(fā)源因熱傳導而損失的能量1Q2Q3Q123QQQQ01mvmTTsmLvTTWQC dTLC dTLMLm為融化熱，為融化熱，Lv為蒸發(fā)熱為蒸發(fā)熱 6. 均勻膜層厚度是薄膜技術中的關鍵問題。均勻膜層厚度是薄膜技術中的關鍵問題。 蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性蒸發(fā)源的蒸發(fā)特性 基板與蒸發(fā)源的幾

6、何形狀基板與蒸發(fā)源的幾何形狀 基板與蒸發(fā)源的相對位置基板與蒸發(fā)源的相對位置 蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量基本假設：基本假設： (1) 蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生碰撞；碰撞； (2) 蒸發(fā)源附近的原子或分子之間不發(fā)生碰撞；蒸發(fā)源附近的原子或分子之間不發(fā)生碰撞； (3) 淀積到基片上的原子不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象。淀積到基片上的原子不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象。取決于如下因素：取決于如下因素： 6.1點蒸發(fā)源點蒸發(fā)源 能夠從各個方向蒸能夠從各個方向蒸發(fā)等量材料的微小球狀發(fā)等量材料的微小球狀蒸 發(fā) 源 稱 為 點 蒸 發(fā) 源蒸 發(fā) 源 稱 為 點 蒸 發(fā) 源（點源）

7、。（點源）。224cos4mdmdmdSrt為厚度為厚度2dmt dS 23223 2cos444()mmhmhtrrhx6.26.2小平面蒸發(fā)源小平面蒸發(fā)源 這種蒸發(fā)源的發(fā)這種蒸發(fā)源的發(fā)射特性具有方向性，射特性具有方向性，使得在使得在 角方向蒸發(fā)角方向蒸發(fā)的材料質(zhì)量和的材料質(zhì)量和 成成正比。正比。cos22coscoscosmdmdmdSr2222 2cos cos()mmhtrhx6.3實際蒸發(fā)源的發(fā)射特性實際蒸發(fā)源的發(fā)射特性 實際蒸發(fā)源的發(fā)射特性可實際蒸發(fā)源的發(fā)射特性可根據(jù)熔融后的形態(tài)，選取不同根據(jù)熔融后的形態(tài)，選取不同的膜厚蒸發(fā)公式進行理論分析的膜厚蒸發(fā)公式進行理論分析和近似計算。和近

8、似計算。 7.蒸發(fā)源與基板的相對位置配置蒸發(fā)源與基板的相對位置配置7.1點源與基板相對位置點源與基板相對位置為獲得均勻的膜厚，蒸發(fā)為獲得均勻的膜厚，蒸發(fā)源必須配置在基板圍成的源必須配置在基板圍成的球面中心。球面中心。 當小平面源為球形工作架當小平面源為球形工作架的一部分時，在內(nèi)球體表面上的一部分時，在內(nèi)球體表面上的膜厚分布是均勻的。的膜厚分布是均勻的。當當 ， 時，時，2 cosrR22cos cos4mmtrR 厚度與厚度與 角無關，對于一角無關，對于一定半徑定半徑 的球形工作架，其內(nèi)的球形工作架，其內(nèi)表面膜厚取決于材料性質(zhì)、表面膜厚取決于材料性質(zhì)、 的大小及蒸發(fā)量。的大小及蒸發(fā)量。RR7.

9、2小平面源與基板相對位置小平面源與基板相對位置7.3小面積基板時蒸發(fā)源的位置配置小面積基板時蒸發(fā)源的位置配置 如果被蒸鍍的面積如果被蒸鍍的面積比較小，可以將蒸發(fā)源比較小，可以將蒸發(fā)源直接配置于基板的中心直接配置于基板的中心線 上 ， 源線 上 ， 源 - - 基 距基 距 H 取取11.5D。7.4大面積基板和蒸發(fā)源的配置大面積基板和蒸發(fā)源的配置v 基板公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)基板公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)v 多點源或小平面蒸發(fā)源多點源或小平面蒸發(fā)源8、蒸發(fā)裝置的類型、蒸發(fā)裝置的類型 蒸發(fā)裝置是實現(xiàn)蒸發(fā)的關鍵部件。最常用的蒸發(fā)裝置是實現(xiàn)蒸發(fā)的關鍵部件。最常用的有：電阻法、電子束法、高頻法等。有：電阻法、電子束法、高頻法等。

10、 8.1 電阻加熱蒸發(fā)電阻加熱蒸發(fā)直接加熱法（直接加熱法（W、Mo、Ta）間接加熱法（間接加熱法（Al2O3、BeO等坩堝）等坩堝）對加熱材對加熱材料的要求料的要求 高熔點高熔點 飽和蒸氣壓低飽和蒸氣壓低 化學性能穩(wěn)定，高溫下不與蒸發(fā)材料化學性能穩(wěn)定，高溫下不與蒸發(fā)材料反應反應 良好的耐熱性良好的耐熱性 原料豐富、經(jīng)濟耐用原料豐富、經(jīng)濟耐用 蒸鍍材料對加熱材料的蒸鍍材料對加熱材料的“濕潤性濕潤性” 選擇蒸發(fā)加熱材料時，必須考慮蒸鍍材料與蒸選擇蒸發(fā)加熱材料時，必須考慮蒸鍍材料與蒸發(fā)材料的發(fā)材料的“濕潤性濕潤性”問題。問題。 濕潤良好：濕潤良好：蒸發(fā)面積大、穩(wěn)定，蒸發(fā)面積大、穩(wěn)定， 可以認為是面蒸

11、發(fā)源蒸發(fā)?？梢哉J為是面蒸發(fā)源蒸發(fā)。 濕潤?。簼駶櫺。?可以認為是點源蒸發(fā)，可以認為是點源蒸發(fā)， 穩(wěn)定性差。穩(wěn)定性差。8.2 電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 電阻加熱蒸發(fā)已不能滿足蒸鍍某些高熔點金電阻加熱蒸發(fā)已不能滿足蒸鍍某些高熔點金屬和氧化物材料的需要，特別是制備高純薄膜。屬和氧化物材料的需要，特別是制備高純薄膜。電子束加熱蒸發(fā)法克服了電阻加熱蒸發(fā)的許多缺電子束加熱蒸發(fā)法克服了電阻加熱蒸發(fā)的許多缺點，得到廣泛應用。點，得到廣泛應用。 電子束加熱原理電子束加熱原理 可聚焦的電子束，能局部加溫元素源，因不加可聚焦的電子束，能局部加溫元素源，因不加熱其它部分而避免污染熱其它部分而避免污染 高能量電子束能使高熔

12、點元素達到足夠高溫以高能量電子束能使高熔點元素達到足夠高溫以產(chǎn)生適量的蒸氣壓產(chǎn)生適量的蒸氣壓電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點：電子束蒸發(fā)源的優(yōu)點：1.1.束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大的能量密度。束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大的能量密度。2.2.被蒸發(fā)材料置于水冷坩堝內(nèi)，避免了容器材料的蒸發(fā)，被蒸發(fā)材料置于水冷坩堝內(nèi)，避免了容器材料的蒸發(fā)， 以及容器材料與蒸發(fā)材料的反應，提高了薄膜的純度。以及容器材料與蒸發(fā)材料的反應，提高了薄膜的純度。3.3.熱量直接加到蒸鍍材料表面，熱效率高，熱傳導和熱輻熱量直接加到蒸鍍材料表面，熱效率高，熱傳導和熱輻 射損失小。射損失小。電子束蒸發(fā)源的缺點：電子束蒸發(fā)源的缺

13、點：1. 1. 可使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時會影響膜層質(zhì)量；可使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時會影響膜層質(zhì)量；2. 2. 電子束蒸鍍裝置結(jié)構復雜，價格昂貴；電子束蒸鍍裝置結(jié)構復雜，價格昂貴；3. 3. 產(chǎn)生的軟產(chǎn)生的軟X X射線對人體有一定的傷害。射線對人體有一定的傷害。電子束蒸發(fā)裝置的結(jié)構電子束蒸發(fā)裝置的結(jié)構 分分 環(huán)型槍、直型槍環(huán)型槍、直型槍 和和 e 型槍三種型槍三種環(huán)型槍環(huán)型槍直型槍直型槍1-發(fā)射體，2-陽極，3-電磁線圈，4-水冷坩堝，5-收集極，6-吸收極，7-電子軌跡，8-正離子軌跡，9-散射電子軌跡，10-等離子體吸 收 反吸 收 反射電子、射電子、背 散 射背 散 射電 子

14、 、電 子 、二 次 電二 次 電子子吸 收 電吸 收 電子 束 與子 束 與蒸 發(fā) 的蒸 發(fā) 的中 性 離中 性 離子 碰 撞子 碰 撞產(chǎn) 生 的產(chǎn) 生 的正離子正離子e 型槍型槍 8.3 高頻感應蒸發(fā)源高頻感應蒸發(fā)源高頻感應蒸發(fā)源的特點：高頻感應蒸發(fā)源的特點： 蒸發(fā)速率大，比電阻蒸發(fā)蒸發(fā)速率大，比電阻蒸發(fā) 源大源大1010倍左右；倍左右；2. 2. 蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不 易產(chǎn)生飛濺；易產(chǎn)生飛濺；3. 3. 蒸發(fā)材料是金屬時，從內(nèi)蒸發(fā)材料是金屬時，從內(nèi)部加熱；部加熱；4. 4. 蒸發(fā)源一次加料，無需送蒸發(fā)源一次加料，無需送 料機構，控溫容易，熱惰料機構，控溫容易，熱惰

15、性小，操作簡單。性小，操作簡單。8.4電弧蒸發(fā)法電弧蒸發(fā)法 真空蒸發(fā)一般所采用的電阻加熱法，常存在真空蒸發(fā)一般所采用的電阻加熱法，常存在加熱絲、坩堝與蒸鍍物質(zhì)發(fā)生反應的問題。還有加熱絲、坩堝與蒸鍍物質(zhì)發(fā)生反應的問題。還有可能發(fā)生由加熱源蒸發(fā)出的原子混入薄膜以及難可能發(fā)生由加熱源蒸發(fā)出的原子混入薄膜以及難于蒸鍍高熔點物質(zhì)的問題。這些問題可以由電子于蒸鍍高熔點物質(zhì)的問題。這些問題可以由電子束蒸鍍法加以解決，但必須使用復雜昂貴的設備。束蒸鍍法加以解決，但必須使用復雜昂貴的設備。 這里探討的方法是利用高真空中電弧放電的這里探討的方法是利用高真空中電弧放電的真空蒸發(fā)法。這種方法又分為交流電弧放電法和真空

16、蒸發(fā)法。這種方法又分為交流電弧放電法和直流電弧放電法。直流電弧放電法。 這種方法現(xiàn)在還存在的問題是：這種方法現(xiàn)在還存在的問題是： 1. 觀察系統(tǒng)受到蒸發(fā)分子的污染，使性能劣觀察系統(tǒng)受到蒸發(fā)分子的污染，使性能劣化，而化，而 觀察系統(tǒng)本身也成為殘余氣體的發(fā)生源。觀察系統(tǒng)本身也成為殘余氣體的發(fā)生源。 2. 表面缺陷的密度大；表面缺陷的密度大； 3. 難于控制混品系和四元化合物的組成。難于控制混品系和四元化合物的組成。8.4.1 交流電弧蒸發(fā)法交流電弧蒸發(fā)法 借鑒了碳素膜制備方法，不需借鑒了碳素膜制備方法，不需要特別的設備。蒸發(fā)材料作為要特別的設備。蒸發(fā)材料作為電極棒安裝在與蒸鍍室絕緣的電極棒安裝在與

17、蒸鍍室絕緣的兩根電極支持棒上，蒸鍍室的兩根電極支持棒上，蒸鍍室的真空度達真空度達10-6-10-7 Torr后，在電后，在電極間加交流電壓極間加交流電壓10-50V，移動，移動一個電極，使其與另一電極接一個電極，使其與另一電極接觸隨后立即拉開。這樣，在觸隨后立即拉開。這樣，在電極間產(chǎn)生電弧放電，電極材電極間產(chǎn)生電弧放電，電極材料蒸發(fā)，在與蒸發(fā)源相距適當料蒸發(fā)，在與蒸發(fā)源相距適當距離的基片上形成薄膜。距離的基片上形成薄膜。 適當控制蒸鍍室的真空度，適當控制蒸鍍室的真空度，直流電弧放電直流電弧放電可持續(xù)較長時間。可持續(xù)較長時間。該法可用于金屬膜的蒸鍍，也可作鐵氧體等氧化膜的蒸鍍。該法可用于金屬膜的

18、蒸鍍，也可作鐵氧體等氧化膜的蒸鍍。 把燒結(jié)的鐵氧體塊體放入真空度為把燒結(jié)的鐵氧體塊體放入真空度為10-5Torr的蒸鍍室內(nèi)，使塊的蒸鍍室內(nèi)，使塊體表面朝上，體表面朝上，Mo電極棒與塊體表面接觸，加直流電壓電極棒與塊體表面接觸，加直流電壓110V。當接觸部位熔化時，將當接觸部位熔化時，將Mo電極稍微拉離表面就會引起電弧放電，電極稍微拉離表面就會引起電弧放電，使鐵氧體蒸發(fā)。使鐵氧體蒸發(fā)。 為了維持放電，需要有為了維持放電，需要有10-6-10-7 Torr的真空度和的真空度和5-15A的放電的放電電流。構成鐵氧體的金屬元素有不同的蒸發(fā)溫度，因此得到的電流。構成鐵氧體的金屬元素有不同的蒸發(fā)溫度，因此

19、得到的蒸鍍膜是不均勻的，但將其在空氣的蒸鍍膜是不均勻的，但將其在空氣的D熱至熱至1250一一1350就會就會形成均質(zhì)薄膜。形成均質(zhì)薄膜。 母材的組成與膜的組成是有差別的，適當選擇母材組成就可母材的組成與膜的組成是有差別的，適當選擇母材組成就可以得到符合組成要求的鐵氧體薄膜。以得到符合組成要求的鐵氧體薄膜。8.4.2 直流電弧放電弧蒸發(fā)直流電弧放電弧蒸發(fā)8.5 脈沖激光蒸發(fā)法（脈沖激光蒸發(fā)法（PLD） 利用高能激光作為熱源利用高能激光作為熱源蒸鍍薄膜是一項新技術。蒸鍍薄膜是一項新技術。 CO激光器激光器 釹玻璃激光器釹玻璃激光器 釔鋁石榴石（釔鋁石榴石（YAG）激光）激光 控制激光功率、束斑大小

20、控制激光功率、束斑大小 和脈沖寬度，可以方便地調(diào)和脈沖寬度，可以方便地調(diào)節(jié)蒸發(fā)速率和加熱溫度節(jié)蒸發(fā)速率和加熱溫度激光蒸發(fā)法的特點：激光蒸發(fā)法的特點：激光加熱可以達到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點激光加熱可以達到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率；材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率；2. 2. 非接觸式加熱，完全避免了蒸發(fā)源的污染，簡化了非接觸式加熱，完全避免了蒸發(fā)源的污染，簡化了真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄膜；真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄膜；3. 3. 能對某些化合物或合金進行能對某些化合物或合金進行“閃爍閃爍”蒸發(fā)，有利于蒸發(fā)，有利于保證薄膜成分的組成和防止分解

21、，是淀積介質(zhì)薄膜、保證薄膜成分的組成和防止分解，是淀積介質(zhì)薄膜、半導體薄膜和無機化合物薄膜的好方法。半導體薄膜和無機化合物薄膜的好方法。 對于兩種以上元素組成的合金和化合物薄膜，在對于兩種以上元素組成的合金和化合物薄膜，在蒸發(fā)時如何控制組分，以獲得與蒸發(fā)材料化學比不變蒸發(fā)時如何控制組分，以獲得與蒸發(fā)材料化學比不變的膜層，是薄膜技術中的一個重要問題。的膜層，是薄膜技術中的一個重要問題。 9.1 合金的蒸發(fā)合金的蒸發(fā) 二元以上合金或化合物，由于各成分飽和蒸氣二元以上合金或化合物，由于各成分飽和蒸氣壓不同，蒸發(fā)速率不同，引起薄膜成分偏離。壓不同，蒸發(fā)速率不同，引起薄膜成分偏離。 合金的蒸發(fā)可以近似地

22、用拉烏爾定律來處理。合金的蒸發(fā)可以近似地用拉烏爾定律來處理。9.1.1合金蒸發(fā)的組分偏離問題合金蒸發(fā)的組分偏離問題9、合金及化合物的蒸發(fā)、合金及化合物的蒸發(fā)拉烏爾定律拉烏爾定律（Raoults Law）1887年，法國化學家年，法國化學家Raoult從實驗中歸納出一個經(jīng)從實驗中歸納出一個經(jīng)驗定律：驗定律：在定溫下，溶劑的蒸氣壓等于純?nèi)軇┱魵庠诙叵?，溶劑的蒸氣壓等于純?nèi)軇┱魵鈮簤?乘以溶液中溶劑物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)乘以溶液中溶劑物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù) ，用公式，用公式表示為：表示為：Ax*Ap*AAApp x)1 (B*AAxpp*AB*AAppxp1BA xx如果溶液中只有如果溶液中只有A，B兩個組分，則

23、兩個組分，則拉烏爾定律也可表示為：拉烏爾定律也可表示為：溶劑蒸氣壓的降低值與純?nèi)軇┱魵鈮旱慕档椭蹬c純?nèi)軇┱魵鈮褐鹊扔谌苜|(zhì)的摩爾分數(shù)。溶劑蒸氣壓之比等于溶質(zhì)的摩爾分數(shù)。AAAPPXBBBPPXAAABnXnnBBABnXnnAAABBBPnPnPP 設設 、 分別為分別為A、B的質(zhì)量，的質(zhì)量， 、 為合金中的濃為合金中的濃 度，則度，則AmBmAWBWAAABmWmmBBABmWmmAAAABBBBWmn MWmn MABBA*B*A*B*ABABAMWMWPPPPnnPPA*AAXPP B*BBXPP *B*ABABAPPnnPPnA，nB為為A，B元素濃度元素濃度合金各組分的蒸發(fā)速率合金各

24、組分的蒸發(fā)速率2-25.83 10 (g/cms Torr)AAAMGPT 2-25.83 10 (g/cms Torr)BBBMGPT AAABBBGPMGMP 若要保證薄膜組分和蒸發(fā)料一致，則必須若要保證薄膜組分和蒸發(fā)料一致，則必須 ，實際上難于做到。實際上難于做到。1ABGGAAABBBBAGPWMGPWM例題：例題： 處于處于1527 下的鎳鉻合金（下的鎳鉻合金（Ni80%，Cr20%），），在在 ， 時，蒸發(fā)速率比為：時，蒸發(fā)速率比為： 10PaCrP1PaNiP10 2058.72.818052.0CrCrCrNiNiNiNiCrGPWMGPWM 鉻的初始蒸發(fā)速率是鎳的鉻的初始蒸發(fā)

25、速率是鎳的2.8倍；倍； 隨蒸發(fā)過程，隨蒸發(fā)過程， 會逐漸減小，最終會小于會逐漸減小，最終會小于1。CrNiGG鎳鎳- -鉻合金薄膜實驗結(jié)果證實了上述結(jié)果。鉻合金薄膜實驗結(jié)果證實了上述結(jié)果。 在真空蒸發(fā)法制作合金薄膜時，為保證薄膜組成，經(jīng)常采在真空蒸發(fā)法制作合金薄膜時，為保證薄膜組成，經(jīng)常采用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法等。用瞬時蒸發(fā)法、雙蒸發(fā)源法等。9.1.29.1.2瞬時蒸發(fā)法瞬時蒸發(fā)法又稱又稱“閃閃爍爍”蒸發(fā)法。蒸發(fā)法。優(yōu)點：優(yōu)點：可以獲得成分均勻的可以獲得成分均勻的薄膜，方便進行摻雜。薄膜，方便進行摻雜。缺點：缺點：蒸發(fā)速率難于控制，蒸發(fā)速率難于控制，蒸發(fā)速率不能太快。蒸發(fā)速率不能太快。 多

26、用于多用于-族及族及 -半半導體化合薄膜的制作。導體化合薄膜的制作。9.1.3雙源或多源蒸發(fā)法雙源或多源蒸發(fā)法 將要形成合金的每將要形成合金的每一成分，分別裝入各自一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨立的蒸發(fā)源中，然后獨立地控制其蒸發(fā)速率，使地控制其蒸發(fā)速率，使達到基板的各種原子符達到基板的各種原子符合組成要求。合組成要求。9.2 化合物的蒸發(fā)化合物的蒸發(fā) 電阻蒸發(fā)法、電阻蒸發(fā)法、反應蒸發(fā)法反應蒸發(fā)法、雙源或多源蒸發(fā)法、雙源或多源蒸發(fā)法、三溫度法三溫度法和分子束外延法和分子束外延法等。等。 9.2.1 反應蒸發(fā)法反應蒸發(fā)法 將活性氣體導入真空室，將活性氣體導入真空室，并與蒸發(fā)源逸出的金屬原并

27、與蒸發(fā)源逸出的金屬原子、低價化合物分子在基子、低價化合物分子在基板表面淀積過程中發(fā)生化板表面淀積過程中發(fā)生化學反應，從而形成所需高學反應，從而形成所需高價化合物薄膜。價化合物薄膜。 在反應蒸發(fā)中，蒸發(fā)原子或低價化合物分在反應蒸發(fā)中，蒸發(fā)原子或低價化合物分子與活性氣體發(fā)生反應有三個可能的部位。子與活性氣體發(fā)生反應有三個可能的部位。 蒸發(fā)源表面（盡可能避免）蒸發(fā)源表面（盡可能避免） 蒸發(fā)源到基板的空間（反應幾率很?。┱舭l(fā)源到基板的空間（反應幾率很?。?基板表面（主要反應部位）基板表面（主要反應部位） 9.2.2 三溫度法三溫度法 分別控制低蒸氣壓元素分別控制低蒸氣壓元素（ ）的蒸發(fā)溫度）的蒸發(fā)溫度

28、T、高、高蒸氣壓元素（蒸氣壓元素（ ）的蒸發(fā)）的蒸發(fā)溫度溫度T和基板溫度和基板溫度TS，一共，一共三個溫度，即三溫度法。三個溫度，即三溫度法。 由于相當于在高蒸氣壓由于相當于在高蒸氣壓元素氣氛中蒸發(fā)低蒸氣壓元元素氣氛中蒸發(fā)低蒸氣壓元素，所以，類似于反應蒸發(fā)素，所以，類似于反應蒸發(fā)法。法。10、膜厚和淀積速率的測量與監(jiān)控、膜厚和淀積速率的測量與監(jiān)控 薄膜薄膜厚度厚度是薄膜最重要的參數(shù)之一，它是薄膜最重要的參數(shù)之一，它影影響著薄膜的各種性質(zhì)及其應用響著薄膜的各種性質(zhì)及其應用。 薄膜薄膜淀積速率淀積速率是制膜工藝中的一個重要參是制膜工藝中的一個重要參數(shù)，它直接數(shù)，它直接影響薄膜的結(jié)構的特性影響薄膜的

29、結(jié)構的特性。 薄膜在沉積過程中對厚度的有效監(jiān)控，是薄膜在沉積過程中對厚度的有效監(jiān)控，是薄膜沉積工藝的要求。薄膜沉積工藝的要求。 重點：薄膜厚度的測量方法和原理。重點：薄膜厚度的測量方法和原理。 10.1 膜厚的分類膜厚的分類厚度：是指兩個完全平整的平行平面之間的距離。厚度：是指兩個完全平整的平行平面之間的距離。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之間的距離。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之間的距離。 由于薄膜具有顯微結(jié)構，要嚴格定義和精確由于薄膜具有顯微結(jié)構，要嚴格定義和精確測量薄膜厚度，實際上比較困難的。測量薄膜厚度，實際上比較困難的。 薄膜厚度的定義是與測量方法和目的相關的。薄膜厚度的定義是

30、與測量方法和目的相關的。形狀厚度形狀厚度dT 是接近與直觀形式的厚度。是接近與直觀形式的厚度。質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度dM 反映了薄膜中平均質(zhì)量的厚度。反映了薄膜中平均質(zhì)量的厚度。物性厚度物性厚度dP 是指物性一致的厚度，實際使用較少。是指物性一致的厚度，實際使用較少。SS襯底的平均表面襯底的平均表面TS薄膜形狀表面薄膜形狀表面質(zhì)量等價表面質(zhì)量等價表面MS物性等價表面物性等價表面PS10.2 薄膜厚度的測量方法薄膜厚度的測量方法10.2.1 稱重法稱重法 采用微天平直接測量基片上的薄膜質(zhì)量，得到采用微天平直接測量基片上的薄膜質(zhì)量，得到質(zhì)量膜厚。質(zhì)量膜厚。 使用高靈敏度微天平可檢測的膜厚質(zhì)量為使用高靈敏

31、度微天平可檢測的膜厚質(zhì)量為110-7kgm2。這一膜厚質(zhì)量相當于單原子層普通薄膜物質(zhì)的這一膜厚質(zhì)量相當于單原子層普通薄膜物質(zhì)的l l2020至幾分之至幾分之一。從可以檢測基片上微量附著量的意義上說，微天平是膜厚一。從可以檢測基片上微量附著量的意義上說，微天平是膜厚測量中最敏感的方法。測量中最敏感的方法。 這種方法是直接測量，其測量值是可靠的?？梢栽谡翦冞^這種方法是直接測量，其測量值是可靠的?？梢栽谡翦冞^程中進行膜厚測量，有效用于膜厚監(jiān)控。該法可用于薄膜制作程中進行膜厚測量，有效用于膜厚監(jiān)控。該法可用于薄膜制作初期膜厚測量和石英晶體振動子的校正，也可用于基片上吸附初期膜厚測量和石英晶體振動子的校

32、正，也可用于基片上吸附氣體量的測量。氣體量的測量。mtAdtdmtm優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高，能測量淀積質(zhì)量的絕對值；能在靈敏度高，能測量淀積質(zhì)量的絕對值；能在比較廣的范圍內(nèi)選擇基片材料；能在淀積過程中跟比較廣的范圍內(nèi)選擇基片材料；能在淀積過程中跟蹤質(zhì)量的變化。蹤質(zhì)量的變化。存在問題：存在問題：不能在一個基片上測量厚度分布；由于不能在一個基片上測量厚度分布；由于薄膜的密度與體材料不同，實測的薄膜厚度稍小于薄膜的密度與體材料不同，實測的薄膜厚度稍小于實際厚度。其應用目前還沒有普及，原因是需要極實際厚度。其應用目前還沒有普及，原因是需要極純熟的操作技術和系統(tǒng)構成技術條件（常用石英絲純熟的操作技術和系統(tǒng)

33、構成技術條件（常用石英絲扭轉(zhuǎn)天平）。扭轉(zhuǎn)天平）。10.2.2 石英晶體振蕩法石英晶體振蕩法 在制造石英晶體的厚薄切變振動子時，為了在制造石英晶體的厚薄切變振動子時，為了使固有振蕩頻率達到規(guī)定值，很早以來采用的方使固有振蕩頻率達到規(guī)定值，很早以來采用的方法就是把電極薄片制好后，一邊對電極薄片蒸鍍法就是把電極薄片制好后，一邊對電極薄片蒸鍍薄膜，一邊監(jiān)控頻率。以后有人把這種方法積極薄膜，一邊監(jiān)控頻率。以后有人把這種方法積極推廣到膜厚監(jiān)控上。推廣到膜厚監(jiān)控上。f2tc式中，固有振蕩頻率式中，固有振蕩頻率 ，基波波長，基波波長 ，聲，聲速速 ，石英晶片厚度，石英晶片厚度 ，石英晶片密度，石英晶片密度 。

34、ft122cNfttt12cN2Ndfdtt 厚度的變化與振蕩頻率成正比。厚度的變化與振蕩頻率成正比。mdtdx 在石英晶片上淀積厚度為在石英晶片上淀積厚度為 ，則相應晶體厚，則相應晶體厚度變化為：度變化為：dx22221mmmNNfdfdxdxdxttNN 注意！注意！令：令： ，稱為質(zhì)量靈敏度。，稱為質(zhì)量靈敏度。21mfCN 當膜厚不大，即薄膜質(zhì)量遠小于石英基片質(zhì)量時，晶當膜厚不大，即薄膜質(zhì)量遠小于石英基片質(zhì)量時，晶片諧振頻率變化不大，片諧振頻率變化不大， 可認為常數(shù)?？烧J為常數(shù)。mCmmdfCdx v 對于特定的石英晶體測量膜厚，隨薄膜厚度增加，頻對于特定的石英晶體測量膜厚，隨薄膜厚度增

35、加，頻率和厚度的關系偏離線性。率和厚度的關系偏離線性。v 石英晶體片起始頻率越高，質(zhì)量靈敏度越高。石英晶體片起始頻率越高，質(zhì)量靈敏度越高。 10.2.3 電學方法電學方法1. 1. 電阻法電阻法 利用電阻與電阻體形利用電阻與電阻體形狀有關這一原理測量膜厚狀有關這一原理測量膜厚的方法稱為電阻法。測量的方法稱為電阻法。測量金屬薄膜厚度最簡單的方金屬薄膜厚度最簡單的方法。法。LLRSd W, ()sRLWd 為正方形薄膜的電阻值，與正方形邊長無關，為正方形薄膜的電阻值，與正方形邊長無關，又稱為方阻，單位：又稱為方阻，單位： ， 。sR/square當當 時，時， 稱為薄膜的方數(shù)。稱為薄膜的方數(shù)。/L

36、 WL W 假如能測量出假如能測量出 ，并且已知了薄膜的，并且已知了薄膜的 值，就可值，就可以計算出膜厚。以計算出膜厚。sR 實際工作中，事先測出某種材料薄膜的實際工作中，事先測出某種材料薄膜的 曲線，曲線，然后測定然后測定 ，求出，求出 值。值。sRdsRd2. 2. 電容法電容法 電介質(zhì)薄膜的厚度測量電介質(zhì)薄膜的厚度測量:v平板叉指電容器平板叉指電容器v平板電容器平板電容器3. 3. 電離式監(jiān)控計法電離式監(jiān)控計法iiiInlI 用熱電子撞擊殘余氣體，使殘余氣體分子電離，測量用熱電子撞擊殘余氣體，使殘余氣體分子電離，測量離子流大小這種壓力計稱為離子規(guī)離子流大小這種壓力計稱為離子規(guī)(或電離真空

37、計或電離真空計)。 當電子流當電子流 在溫度為在溫度為 、密度為、密度為 的氣體中能夠飛行的氣體中能夠飛行的距離為的距離為 時，由電離作用而產(chǎn)生的離子流時，由電離作用而產(chǎn)生的離子流 由下式確定由下式確定I0TinlI式中，式中， 為電離截面，為電離截面， 離子捕集效率。離子捕集效率。ii 即在真空蒸發(fā)中，蒸發(fā)物通過離子規(guī)，與電子碰撞并即在真空蒸發(fā)中，蒸發(fā)物通過離子規(guī)，與電子碰撞并被電離，所形成的離子流大小與蒸氣密度成正比。被電離，所形成的離子流大小與蒸氣密度成正比。 由于真空蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)中同時存在蒸發(fā)物氣體和殘余由于真空蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)中同時存在蒸發(fā)物氣體和殘余氣體，必須消除氣體，必須消除 殘余氣

38、體的影響。殘余氣體的影響。一般采用補償規(guī)一般采用補償規(guī)測出殘余氣體。測出殘余氣體。 10.2.4 光學方法光學方法1 1 光吸收法光吸收法 測量薄膜透射光強度。測量薄膜透射光強度。20(1) exp()IIRt式中，式中， 為入射光強度，為入射光強度， 透射光強度，透射光強度， 膜厚，膜厚， 吸收系吸收系數(shù)，數(shù)， 薄膜與空氣界面的反射率。薄膜與空氣界面的反射率。0IItR 方法簡單方法簡單 適合于連續(xù)薄膜適合于連續(xù)薄膜2.2. 光干涉法光干涉法 光學薄膜需要監(jiān)控的是光學厚度，而不是幾何厚度。光學薄膜需要監(jiān)控的是光學厚度，而不是幾何厚度。d0nfnsn2r1r0fs010ffnnrnn1fsfs

39、nnrnn22121 242cos()fRrrrrnd 是光學厚度（光程），可用波長表示。是光學厚度（光程），可用波長表示。fnd當當 、 、 確定后，反射率只與薄膜厚度有關；確定后，反射率只與薄膜厚度有關；薄膜厚度連續(xù)變化時，反射率出現(xiàn)周期性極值；薄膜厚度連續(xù)變化時，反射率出現(xiàn)周期性極值；當采用白光照射時，出現(xiàn)干涉色。當采用白光照射時，出現(xiàn)干涉色。fnsn0n例題例題 淀積淀積2 m厚的厚的SiO薄膜，已知薄膜，已知SiO的折射率為的折射率為2.0，單色，單色光波長為光波長為1 m，假設薄膜吸收為零，如何監(jiān)控？，假設薄膜吸收為零，如何監(jiān)控？ 根據(jù)干涉原理：根據(jù)干涉原理：4fmn d44 2

40、2161fn dm 監(jiān)測到第監(jiān)測到第8 8個最大值即可。個最大值即可。3.3. 橢偏法橢偏法 利用橢圓偏振光在薄膜表面和透射界利用橢圓偏振光在薄膜表面和透射界面的反射面的反射 變換測量厚度。適合透明薄膜。變換測量厚度。適合透明薄膜。10.2.5 機械方法機械方法觸針法觸針法 測量形狀膜厚的方法。即采用藍寶石或金剛石觸針，測量形狀膜厚的方法。即采用藍寶石或金剛石觸針，在薄膜表面上移動，將微位移進行放大，以確定薄膜厚度在薄膜表面上移動，將微位移進行放大，以確定薄膜厚度和輪廓。和輪廓。 常用的微位移放大器有：常用的微位移放大器有： 差動變壓器差動變壓器 阻抗放大器阻抗放大器 壓電變換器壓電變換器 這

41、種測試儀器稱為臺階測試儀，又稱表面光潔度測這種測試儀器稱為臺階測試儀，又稱表面光潔度測試儀或表面輪廓儀。試儀或表面輪廓儀。優(yōu)點優(yōu)點：v 直觀，直接顯示薄膜幾何厚度，可直接測量直觀，直接顯示薄膜幾何厚度，可直接測量 薄膜三維尺寸；薄膜三維尺寸；v 精度高，精度高，0.5nm-2nm0.5nm-2nm缺點：缺點：v 不適合軟性薄膜；不適合軟性薄膜；v 要求基片平整；要求基片平整；v 需要事先制備帶有臺階的薄膜樣品。需要事先制備帶有臺階的薄膜樣品。10.2.6 其它方法其它方法 比色法比色法，鑒于透明薄膜上下表面反射光的干涉，不同鑒于透明薄膜上下表面反射光的干涉，不同厚度的薄膜有不同的顏色，而且周期

42、地重復。用目測可厚度的薄膜有不同的顏色，而且周期地重復。用目測可以估計透明薄膜的厚度。以估計透明薄膜的厚度。2. 擴展電阻測量法擴展電阻測量法， 利用磨角方法擴展薄膜電阻的測量范利用磨角方法擴展薄膜電阻的測量范圍，根據(jù)沉積薄膜與襯底材料電阻的差別，測量薄膜厚圍，根據(jù)沉積薄膜與襯底材料電阻的差別，測量薄膜厚度。度。3. 掃描電鏡測量掃描電鏡測量 將沉積薄膜與襯底沿解理面分割或進一將沉積薄膜與襯底沿解理面分割或進一步拋光，利用掃描電鏡照相后，找出薄膜位置，比對放步拋光，利用掃描電鏡照相后，找出薄膜位置，比對放大標尺測量薄膜厚度。大標尺測量薄膜厚度。思考題思考題 什么是飽和蒸氣壓？與蒸發(fā)溫度的關系怎

43、樣？什么是飽和蒸氣壓？與蒸發(fā)溫度的關系怎樣？ 如何提高蒸發(fā)沉積薄膜的厚度均勻性？如何提高蒸發(fā)沉積薄膜的厚度均勻性？ 電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖蒸發(fā)、電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光脈沖蒸發(fā)、反應蒸發(fā)各有哪些優(yōu)缺點？反應蒸發(fā)各有哪些優(yōu)缺點？ 哪幾種方法可以控制蒸發(fā)沉積的合金薄膜或化哪幾種方法可以控制蒸發(fā)沉積的合金薄膜或化合物薄膜的組分？原理是什麼？合物薄膜的組分？原理是什麼？ 蒸發(fā)薄膜厚度的主要測量和監(jiān)控方法有哪些？蒸發(fā)薄膜厚度的主要測量和監(jiān)控方法有哪些？原理是什么？原理是什么？ 濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場作用濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶，使靶

44、材中的原子（或分子）逸出而下高速轟擊陰極靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀積到被鍍襯底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。淀積到被鍍襯底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。 濺射鍍膜廣泛用于制備金屬、合金、半導體、氧化濺射鍍膜廣泛用于制備金屬、合金、半導體、氧化物、絕緣介質(zhì)，以及化合物半導體、碳化物、氮化物等物、絕緣介質(zhì)，以及化合物半導體、碳化物、氮化物等薄膜。薄膜。 自自7070年代以來，日益受到重視，并取得重大進展。年代以來，日益受到重視，并取得重大進展。濺射鍍膜濺射鍍膜一一. 濺射鍍膜的特點濺射鍍膜的特點二二. 濺射的基本原理濺射的基本原理 輝光放電、濺射特性、濺射鍍膜過程、濺射機理輝

45、光放電、濺射特性、濺射鍍膜過程、濺射機理 三三. 濺射鍍膜的類型濺射鍍膜的類型 二極濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺二極濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、對向靶濺射、反應濺射、離子束濺射射、磁控濺射、對向靶濺射、反應濺射、離子束濺射 四四. 濺射鍍膜厚度的均勻性濺射鍍膜厚度的均勻性本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容一、一、濺射鍍膜的特點濺射鍍膜的特點濺射鍍膜與真空蒸發(fā)鍍膜相比，有如下特點濺射鍍膜與真空蒸發(fā)鍍膜相比，有如下特點： 任何物質(zhì)都可以濺射，包括高熔點金屬、低任何物質(zhì)都可以濺射，包括高熔點金屬、低 蒸氣壓元素和化合物；蒸氣壓元素和化合物；2. 2. 濺射薄膜與襯底的附著性好

46、；濺射薄膜與襯底的附著性好；3. 3. 濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高；濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高；4. 4. 膜層厚度可控性和重復性好。膜層厚度可控性和重復性好。濺射鍍膜的缺點濺射鍍膜的缺點1. 1. 濺射設備復雜，需要高壓裝置；濺射設備復雜，需要高壓裝置；2. 2. 成膜速率較低（成膜速率較低（0.1-50.1-5nm/Snm/S）。）。二、濺射的基本原理二、濺射的基本原理1. 輝光放電輝光放電 （1）直流輝光放電直流輝光放電 輝光放電是在真空度約輝光放電是在真空度約10-1Pa的稀薄氣體中，兩個電的稀薄氣體中，兩個電極之間在一定電壓下產(chǎn)生的極之間在一定電壓下產(chǎn)生的氣體放電

47、現(xiàn)象。能產(chǎn)生穩(wěn)定氣體放電現(xiàn)象。能產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體。直流濺射的電的等離子體。直流濺射的電壓通常在壓通常在1-5KV，1-10mA電電流。濺射時，產(chǎn)生的二次電流。濺射時，產(chǎn)生的二次電子能增強電離，使輝光放電子能增強電離，使輝光放電自持、穩(wěn)定。自持、穩(wěn)定。 阿斯頓暗區(qū)阿斯頓暗區(qū) 冷陰極發(fā)射的電子約冷陰極發(fā)射的電子約1eV1eV左右，很少發(fā)生電左右，很少發(fā)生電離，所以在陰極附近形離，所以在陰極附近形成阿斯頓暗區(qū)成阿斯頓暗區(qū)。 陰極輝光區(qū)陰極輝光區(qū) 加速電子與氣體分子加速電子與氣體分子碰撞后，激發(fā)態(tài)分子衰碰撞后，激發(fā)態(tài)分子衰變以及進入該區(qū)的離子變以及進入該區(qū)的離子復合形成中性原子，形復合形成中性原子，

48、形成陰極輝光。成陰極輝光。輝光放電輝光放電直流輝光放電直流輝光放電 負輝光區(qū)負輝光區(qū) 隨著電子速度增大，很快獲得了足以引起電離的能量，隨著電子速度增大，很快獲得了足以引起電離的能量，于是離開陰極暗區(qū)后使大量氣體電離，產(chǎn)生大量的正離子。于是離開陰極暗區(qū)后使大量氣體電離，產(chǎn)生大量的正離子。 正離子移動速度慢，產(chǎn)生積聚，電位升高；與陰極之間的正離子移動速度慢，產(chǎn)生積聚，電位升高；與陰極之間的電位差成為電位差成為陰極壓降陰極壓降。 電子在高濃度正離子積聚區(qū)經(jīng)過碰撞速度降低，復合幾電子在高濃度正離子積聚區(qū)經(jīng)過碰撞速度降低，復合幾率增加，形成明亮的負輝光區(qū)。率增加，形成明亮的負輝光區(qū)。 克魯克斯暗區(qū)克魯克

49、斯暗區(qū) 穿過陰極輝光區(qū)的電子，不易與正離子復合，形成又一穿過陰極輝光區(qū)的電子，不易與正離子復合，形成又一個暗區(qū)。在克魯克斯暗區(qū)周圍形成的正離子會沖擊陰極。個暗區(qū)。在克魯克斯暗區(qū)周圍形成的正離子會沖擊陰極。 法拉第暗區(qū)法拉第暗區(qū) 少數(shù)電子穿過負輝光區(qū)，形成暗區(qū)。少數(shù)電子穿過負輝光區(qū)，形成暗區(qū)。 正離子柱正離子柱 法拉第暗區(qū)過后，少數(shù)電子逐漸加速，并使氣體電法拉第暗區(qū)過后，少數(shù)電子逐漸加速，并使氣體電離；由于電子較少，產(chǎn)生的正離子不會形成密集的空間離；由于電子較少，產(chǎn)生的正離子不會形成密集的空間電荷。電荷。 此區(qū)域電壓降很小，類似一個良導體。此區(qū)域電壓降很小，類似一個良導體。 電壓不變而改變電極間

50、距時，主要發(fā)生變化的是陽電壓不變而改變電極間距時，主要發(fā)生變化的是陽 極光極光柱的長度，而從陰極到負輝光區(qū)的距離幾乎不變柱的長度，而從陰極到負輝光區(qū)的距離幾乎不變。 輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)輝光放電陰極附近的分子狀態(tài) 二次電子在濺射中的作用是：二次電子在濺射中的作用是：使輝光放電達到自持。使輝光放電達到自持。如果氣體壓強太低或陰陽極間距太短，在二次電子到達陽如果氣體壓強太低或陰陽極間距太短，在二次電子到達陽極前不會有足夠多的離化碰撞，電離作用降低；如果氣壓極前不會有足夠多的離化碰撞，電離作用降低；如果氣壓太高或陰陽極間距太遠，離子會因非彈性碰撞而損失較多太高或陰陽極間距太遠，離子會因非彈性碰

51、撞而損失較多能量，它們對靶的轟擊產(chǎn)生的二次電子的數(shù)量減少，也不能量，它們對靶的轟擊產(chǎn)生的二次電子的數(shù)量減少，也不利于輝光放電的自持。實際的濺射系統(tǒng)需要足夠的二次電利于輝光放電的自持。實際的濺射系統(tǒng)需要足夠的二次電子來彌補損失在陽極或器壁上的電子。子來彌補損失在陽極或器壁上的電子。 直流直流濺射鍍膜裝置中，沉積率隨陰陽極間距的增大而濺射鍍膜裝置中，沉積率隨陰陽極間距的增大而增大，增大，保持薄膜均勻的最佳間距約為克魯克斯暗區(qū)的兩倍。保持薄膜均勻的最佳間距約為克魯克斯暗區(qū)的兩倍。 實驗證明：自持放電很難在氣體壓強低于實驗證明：自持放電很難在氣體壓強低于1.3Pa的條件的條件下維持，下維持，因為在此條

52、件下沒有足夠的離化碰撞。因為在此條件下沒有足夠的離化碰撞。 （2） 低頻輝光放電低頻輝光放電 在低于在低于50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的時間的交流電壓條件下，離子有足夠的時間在每個半周期內(nèi)，在各個電極上建立直流輝光放電，稱為在每個半周期內(nèi)，在各個電極上建立直流輝光放電，稱為低頻直流輝光放電。低頻直流輝光放電。 基本原理和特性與直流輝光放電相同基本原理和特性與直流輝光放電相同。 （3 3）射頻輝光放電）射頻輝光放電 射頻輝光放電與直流輝光放電的濺射系統(tǒng)基本相同射頻輝光放電與直流輝光放電的濺射系統(tǒng)基本相同, ,只是只是因為使用射頻系統(tǒng)因為使用射頻系統(tǒng), ,需要在電源與放電室間加阻抗匹配網(wǎng)

53、需要在電源與放電室間加阻抗匹配網(wǎng). .調(diào)調(diào)節(jié)匹配電容節(jié)匹配電容, ,可以使金屬電極產(chǎn)生負偏壓。它主要由電子與離可以使金屬電極產(chǎn)生負偏壓。它主要由電子與離子的遷移率的差異引起。這種負偏壓對射頻濺射是必須的。子的遷移率的差異引起。這種負偏壓對射頻濺射是必須的。 特點：特點： 在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn)在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn) 生碰撞電離；生碰撞電離； 由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓；由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓； 射頻電壓可以通過各種阻抗耦合，所以電極可以是非射頻電壓可以通過各種阻抗耦合，所以電極可以是非 金屬材料

54、。金屬材料。 射頻輝光放電的電壓變化周期小于電離或消電離所需射頻輝光放電的電壓變化周期小于電離或消電離所需時間。離子濃度來不及變化，電子在場內(nèi)作振蕩運動。時間。離子濃度來不及變化，電子在場內(nèi)作振蕩運動。 耦合特性：電極表面電位自動偏置為負極性耦合特性：電極表面電位自動偏置為負極性 輝光放電空間與靶和接地電極之間的電壓存在如下關系輝光放電空間與靶和接地電極之間的電壓存在如下關系：4cddcVAVA式中，式中， 和和 分別為容性耦合電極（靶）和直接耦合電極分別為容性耦合電極（靶）和直接耦合電極（接地電極）的面積。（接地電極）的面積。cAdA 由于由于 Ad Ac ，所以，所以 Vc Vd 。 在射

55、頻輝光放電時，在射頻輝光放電時，等離子體對接地電極只有極微小的轟擊，而對濺射靶進行等離子體對接地電極只有極微小的轟擊，而對濺射靶進行強烈轟擊使之產(chǎn)生濺射。強烈轟擊使之產(chǎn)生濺射。 2. 濺射特性濺射特性（1） 濺射參數(shù)濺射參數(shù) 濺射閾值濺射閾值 濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須 的最小能量。一些材料的濺射閾能的實驗值如后表。的最小能量。一些材料的濺射閾能的實驗值如后表。對絕大多數(shù)金屬靶材，濺射閾值為對絕大多數(shù)金屬靶材，濺射閾值為1030eV 濺射率濺射率 濺射率是指正離子轟擊陰極靶時，平均每個正離子能從濺射率是指正離子轟擊陰極靶時，平均

56、每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù) S 。 濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關。結(jié)構、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關。濺射閾能濺射閾能A. A. 靶材料靶材料 濺射率與靶材料種類的關系可用周期律來說明。濺射率與靶材料種類的關系可用周期律來說明。濺射率與靶材料的原子序數(shù)的關系濺射率與靶材料的原子序數(shù)的關系 入射離子能量入射離子能量 入射離子能量小時濺射率低，隨后，能入射離子能量小時濺射率低，隨后，能量增大，濺射率增大，到量增大，濺射

57、率增大，到2-5KeV2-5KeV時最大，然后能量增大，時最大，然后能量增大，因注入效應增大，濺射率因注入效應增大，濺射率S S減小減小。 Ar離子轟擊銅的能量與濺射率的關系離子轟擊銅的能量與濺射率的關系C. C. 入射離子種類入射離子種類濺射率隨入射離子質(zhì)量的增大而增大濺射率隨入射離子質(zhì)量的增大而增大 0-60 之間服從之間服從 規(guī)律規(guī)律 60-80 時，濺射率最大時，濺射率最大 90 時，濺射率為零時，濺射率為零1 cosoo(60 )2 (0 )SSD. D. 入射離子的入射角入射離子的入射角 入入射離子的入射角是指離子入射離子的入射角是指離子入 射方向與濺射靶材表射方向與濺射靶材表面法

58、線之間的夾角。面法線之間的夾角。 和和S（0）對于不同靶材和入射離子種類有如下規(guī)律：對于不同靶材和入射離子種類有如下規(guī)律：( )S 對于輕元素靶材，對于輕元素靶材， 的比值變化顯著；的比值變化顯著； 對于重離子入射時，對于重離子入射時， 的比值變化顯著；的比值變化顯著； 隨著入射離子能量的增加，隨著入射離子能量的增加， 呈最大值的角呈最大值的角 度逐漸增大，度逐漸增大， 的最大值在入射離子能量超的最大值在入射離子能量超 過過2keV時，急劇減小。時，急劇減小。( )/ (0)SS( )/ (0)SS( )/ (0)SS( )/ (0)SSE. E. 靶材溫度靶材溫度 靶 材 存 在 與靶 材

59、存 在 與升華相關的某一升華相關的某一溫度。低于此溫溫度。低于此溫度時，濺射率幾度時，濺射率幾乎不變；高于此乎不變；高于此溫度時，濺射率溫度時，濺射率急劇增加。急劇增加。 濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速度 濺射原子的能量（濺射原子的能量（5-10eV）比熱蒸發(fā)原子能量（）比熱蒸發(fā)原子能量（0.1eV）大大1-2個數(shù)量級。個數(shù)量級。 濺射原子的能量與靶材、入射離子種類和能量、濺射濺射原子的能量與靶材、入射離子種類和能量、濺射原子的方向等有關。原子的方向等有關。 幾組實驗數(shù)據(jù)曲線。幾組實驗數(shù)據(jù)曲線。Hg+轟擊轟擊Cu多晶靶時濺射離子能量隨出射角的分布多晶靶時濺射離子能量隨出射角的分布 重元

60、素靶材濺射出來的原子有較高的能量；而輕元素靶材重元素靶材濺射出來的原子有較高的能量；而輕元素靶材則有較高的速度；則有較高的速度； 不同靶材具有不同的原子逸出能量，而濺射率高的靶不同靶材具有不同的原子逸出能量，而濺射率高的靶 材，材，通常具有較低的平均逸出能量；通常具有較低的平均逸出能量； 在入射離子能量相同時，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線在入射離子能量相同時，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加；入射離子質(zhì)量小，原子逸出能量低；反之亦然。性增加；入射離子質(zhì)量小，原子逸出能量低；反之亦然。 平均逸出能量平均逸出能量隨入射離子能量增加而增大，當入射離子能隨入射離子能量增加而增大，當入射離子能量超過量