薄膜物理氣相沉積薄膜物理氣相沉積1一、真空蒸發(fā)沉積的物理原理

在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物質(zhì)提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必須的蒸汽壓，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)形成薄膜。真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。薄膜制備技術(shù)-蒸發(fā)法一、真空蒸發(fā)沉積的物理原理薄膜制備技術(shù)-蒸發(fā)法2二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備示意圖如下圖所示二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備示意圖如下圖所示3真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三部分組成：1.真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境2.蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫裝置3.基板及加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用來放置襯底，對(duì)襯底加熱及測溫裝置二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三部分組成：二、真空蒸發(fā)的設(shè)備4真空蒸發(fā)制備薄膜的三個(gè)基本過程:1.加熱蒸發(fā)過程：對(duì)蒸發(fā)源加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相2.氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過程。在這一過程中，原子或分子與真空室內(nèi)的殘余氣體分子碰撞3.被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的沉積過程。原子或分子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、生長、成膜二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)制備薄膜的三個(gè)基本過程:二、真空蒸發(fā)的設(shè)備5三、汽化熱和蒸汽壓汽化熱：真空蒸發(fā)系統(tǒng)中的熱源將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠高的能量，克服固相原子的束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動(dòng)能的氣相原子或分子，這個(gè)能量就是汽化熱。三、汽化熱和蒸汽壓汽化熱：6物質(zhì)的飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)相平衡時(shí)所呈現(xiàn)的壓力。物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，一定的飽和蒸氣壓則對(duì)應(yīng)著一定的溫度。規(guī)定物質(zhì)在飽和蒸氣壓為1.3Pa時(shí)的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。三、汽化熱和蒸汽壓物質(zhì)的飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)7

在一定溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都具有特定的平衡蒸汽壓。當(dāng)被蒸發(fā)物質(zhì)的分氣壓降低到了它的平衡蒸汽壓以下，才可能有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表面上物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率為：

四、物質(zhì)的蒸發(fā)速率在一定溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都具有特定8單位物質(zhì)表面的質(zhì)量蒸發(fā)速度:pe為平衡蒸汽壓，ph為實(shí)際分氣壓。四、物質(zhì)的蒸發(fā)速率單位物質(zhì)表面的質(zhì)量蒸發(fā)速度:pe為平衡蒸汽壓，ph為實(shí)際分氣9

1、元素的蒸汽壓克勞修斯-克萊普朗方程：物質(zhì)平衡蒸汽壓P隨溫度的變化率為：

五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

V為在蒸發(fā)過程中物質(zhì)所擁有的體積的變化，近似等于反應(yīng)室的體積。1、元素的蒸汽壓五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)V為10lgP與1/T基本滿足線性關(guān)系利用物質(zhì)在一定溫度時(shí)的汽化熱He代替H，得到近似表達(dá)式。五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

lgP與1/T基本滿足線性關(guān)系利用物質(zhì)在一定溫度時(shí)的11圖2.1a元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線（點(diǎn)表示相應(yīng)元素的熔點(diǎn)）五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

圖2.1a元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線五、元素、化合12液相蒸發(fā)對(duì)大多數(shù)金屬，溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，其平衡氣壓低于10-1Pa,需將物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)以上固相升華在熔點(diǎn)附近，固體的平衡蒸汽壓已相對(duì)較高，如Cr,Ti,Mo,Fe,Si等，可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積圖2.1b半導(dǎo)體元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線（點(diǎn)標(biāo)為相應(yīng)元素的熔點(diǎn)）五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

液相蒸發(fā)圖2.1b半導(dǎo)體元素的平衡蒸汽壓隨溫度的五、元132、化合物的蒸發(fā)化合物蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分，各元素間將發(fā)生化合或分解過程：五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

2、化合物的蒸發(fā)五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)14

3、金屬合金的蒸發(fā)金屬合金的蒸發(fā)也會(huì)發(fā)生成分的偏離，但合金中原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，實(shí)際蒸發(fā)過程可視為各元素獨(dú)立蒸發(fā)過程，可由熱力學(xué)定律來描述：理想合金AB：A-B間的作用能等于A-A或B-B的作用能.拉烏爾定律：平衡蒸汽壓正比于純組元蒸汽壓，系數(shù)為摩爾分?jǐn)?shù)PA=APA(0)；PB=BPB(0)；－PA(0)、PB(0)分別為純組元A、B的平衡蒸氣壓，A、B分別為A、B組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)。因此，即使對(duì)于理想合金A、B兩組元的蒸氣壓之比，或蒸發(fā)速度之比，不等于合金中的元素摩爾分?jǐn)?shù)之比，出現(xiàn)成分分離。

五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

3、金屬合金的蒸發(fā)理想合金AB：A-B間的作用能等于A-15實(shí)際合金的蒸氣壓之比更加偏離合金中的原始組分之比。PA=AAPA(0)；PB=BBPB(0)；－A，B分別為元素A、B在合金中的活度系數(shù)合金中A、B組元的蒸發(fā)速率之比為

對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源，易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)，造成該組元的不斷貧發(fā)，造成該組元的蒸發(fā)速率下降。

實(shí)際采取的措施：采用雙源或多源，分別加熱至不同溫度來控制每一組元的蒸發(fā)速率。五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

實(shí)際合金的蒸氣壓之比更加偏離合金中的原始組分之比。五、元素、164、多組分薄膜的蒸發(fā)方法利用蒸發(fā)法制備多組分薄膜的方法主要有三種方法（1）單源蒸發(fā)法：先按薄膜組分比例的要求制成合金靶，然后對(duì)合金靶進(jìn)行蒸發(fā)、沉積形成固態(tài)薄膜?；疽笫呛辖鸢兄懈鹘M分材料的蒸汽壓比較接近。（2）多源同時(shí)蒸發(fā)法：利用多個(gè)坩堝，在每個(gè)坩堝中放入薄膜所需的一種材料，在不同溫度下同時(shí)蒸發(fā)。

（3）多源順序蒸發(fā)法：把薄膜所需材料放在不同坩堝中，但不是同時(shí)蒸發(fā)，而是按順序蒸發(fā)，并根據(jù)薄膜組分控制相應(yīng)的層厚，然后通過高溫退火形成需要的多組分薄膜。五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

4、多組分薄膜的蒸發(fā)方法五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)17五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)18六、真空蒸發(fā)源

隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，不但對(duì)沉積的薄膜質(zhì)量要求越來越高，而且要沉積的薄膜種類也越來越多。目前已有各種不同類型的真空蒸發(fā)設(shè)備。根據(jù)不同的目的，從簡單的電阻加熱蒸發(fā)到極為復(fù)雜的分子束外延設(shè)備。主要有：電阻式加熱蒸發(fā)電子束加熱蒸發(fā)激光加熱蒸發(fā)電弧加熱蒸發(fā)高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，191、電阻式加熱蒸發(fā)普通電阻加熱：利用一些高熔點(diǎn)、低蒸氣壓的金屬（W，Mo,Ta等）制成各種形狀的加熱器；一方面作為加熱，同時(shí)支撐被加熱的物質(zhì)。（低壓大電流）六、真空蒸發(fā)源1、電阻式加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源20六、真空蒸發(fā)源六、真空蒸發(fā)源21六、真空蒸發(fā)源六、真空蒸發(fā)源22加熱裝置的分類和特點(diǎn)：（1）絲狀（0.05-0.13cm)，蒸發(fā)物潤濕電阻絲，通過表面張力得到支撐。只能蒸發(fā)金屬或合金；有限的蒸發(fā)材料被蒸發(fā)；蒸發(fā)材料必須潤濕加熱絲；加熱絲容易變脆。（2）凹箔：蒸發(fā)源為粉末。（3）錐形絲筐蒸發(fā)小塊電介質(zhì)或金屬。六、真空蒸發(fā)源加熱裝置的分類和特點(diǎn)：六、真空蒸發(fā)源23缺點(diǎn)（1）加熱裝置與蒸發(fā)物會(huì)反應(yīng)（2）難以蒸發(fā)電介質(zhì)材料（Al2O3,Ta2O5,TiO2等）（3）蒸發(fā)率低（4）加熱蒸發(fā)時(shí)合金和化合物會(huì)分解。六、真空蒸發(fā)源缺點(diǎn)六、真空蒸發(fā)源242、電子束加熱裝置及特點(diǎn)電子束通過5-10KV的電場后被加速，然后聚焦到被蒸發(fā)的材料表面，把能量傳遞給待蒸發(fā)的材料使其熔化并蒸發(fā)。無污染：與坩堝接觸的待蒸發(fā)材料保持固態(tài)不變，蒸發(fā)材料與坩堝發(fā)生反應(yīng)的可能性很小。（坩堝水冷）電子束蒸發(fā)裝置示意圖六、真空蒸發(fā)源2、電子束加熱裝置及特點(diǎn)電子束蒸發(fā)裝置示意圖六、真空蒸發(fā)源25難熔物質(zhì)的蒸發(fā)：適合制備高純，難熔物質(zhì)薄膜可同時(shí)安置多個(gè)坩堝，同時(shí)或分別蒸發(fā)多種不同物質(zhì)。

大部分電子束蒸發(fā)系統(tǒng)采用磁聚焦或磁彎曲電子束，蒸發(fā)物質(zhì)放在水冷坩堝內(nèi)，可以制備光學(xué)、電子和光電子領(lǐng)域的薄膜材料。如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。2、電子束加熱裝置及特點(diǎn)六、真空蒸發(fā)源難熔物質(zhì)的蒸發(fā)：2、電子束加熱裝置及特點(diǎn)六、真空蒸發(fā)源263、激光加熱蒸發(fā)利用激光作為熱源使待蒸發(fā)材料蒸發(fā)。激光蒸發(fā)屬于在高真空條件下制備薄膜的技術(shù)。激光源放在真空室外邊，激光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料上使其蒸發(fā)，沉積在襯底上。適合制備高純，難熔物質(zhì)薄膜六、真空蒸發(fā)源3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源27激光蒸發(fā)示意圖3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源激光蒸發(fā)示意圖3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源28六、真空蒸發(fā)源六、真空蒸發(fā)源29可用來制備光學(xué)薄膜Sb2S3,ZnTe,MoO3,PbTe,Ge,Si制備陶瓷薄膜：Al2O3,Si3N4,氧化物薄膜：SnO2，ZnO超導(dǎo)薄膜YBCO注：Sb(銻ti)Te(碲）3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源可用來制備光學(xué)薄膜Sb2S3,ZnTe,MoO3,P304、電弧加熱蒸發(fā)利用電弧放電加熱無污染適合制備高純，難熔導(dǎo)電物質(zhì)薄膜缺點(diǎn)：產(chǎn)生微米級(jí)的電極顆粒原理：用欲蒸發(fā)的材料做電極，通過調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間的距離來點(diǎn)燃電弧，而瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積真空室電極襯底六、真空蒸發(fā)源4、電弧加熱蒸發(fā)真空室電極襯底六、真空蒸發(fā)源31

在較低的反應(yīng)氣體壓強(qiáng)下，經(jīng)電弧蒸發(fā)可得到一些陶瓷薄膜。如在氮?dú)夥障?，?duì)金屬Ti和Zr（鋯）起弧制的TiN和ZrN薄膜，在氧氣氛下，Al起弧制得氧化鋁薄膜。4、電弧加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源在較低的反應(yīng)氣體壓強(qiáng)下，經(jīng)電弧蒸發(fā)可得到一些陶瓷薄膜。如在325、高頻感應(yīng)加熱：

在高頻初級(jí)感應(yīng)線圈的作用下，通過坩堝或被加熱物質(zhì)本身的感生電流加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)源物質(zhì)的加熱。（高頻高壓小電流）六、真空蒸發(fā)源5、高頻感應(yīng)加熱：六、真空蒸發(fā)源33七、真空蒸發(fā)法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作容易，所制備的薄膜純度比較高，厚度控制比較準(zhǔn)確，成膜速率快。缺點(diǎn)：薄膜與襯底附著力較小，工藝重復(fù)性不理想，臺(tái)階覆蓋能力差。5、高頻感應(yīng)加熱：七、真空蒸發(fā)法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：5、高頻感應(yīng)加熱：34薄膜沉積的厚度均勻性和純度一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)物質(zhì)蒸發(fā)過程中，被蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性。蒸發(fā)原子運(yùn)動(dòng)的方向性對(duì)沉積的薄膜的均勻性以及其微觀組織都會(huì)產(chǎn)生影響。物質(zhì)的蒸發(fā)源有不同形狀。襯底較遠(yuǎn)，尺寸較小的蒸發(fā)源可以被認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源。設(shè)想被蒸發(fā)的物質(zhì)是由表面積為Ae的小球面上均勻地發(fā)射出來的。薄膜沉積的厚度均勻性和純度一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)35一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)蒸發(fā)出來的物質(zhì)總量Me應(yīng)等于Me＝∫∫ГdAedt＝ГAet其中，Г是物質(zhì)質(zhì)量蒸發(fā)速度，；dAe為蒸發(fā)源的表面積元；t為時(shí)間。只有運(yùn)動(dòng)方向處于襯底所在空間角內(nèi)的蒸發(fā)原子才會(huì)落在襯底上。由于已經(jīng)假設(shè)蒸發(fā)源為一點(diǎn)源，因而襯底面積元dAs上沉積的物質(zhì)量取決于其對(duì)應(yīng)的空間角的大小，即襯底上沉積的物質(zhì)的質(zhì)量密度為dMs/dAs=Mecosθ/4πr2θ-襯底表面法線與空間方向間的偏離角度；r-蒸發(fā)源與襯底間距離。薄膜沉積的厚度均勻性和純度一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)薄膜沉積的厚度均勻性和純度36二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜的純度是制備薄膜材料時(shí)十分關(guān)心的問題。在蒸發(fā)沉積時(shí)，薄膜的純度將取決于：（１）蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；（２）加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；（３）真空系統(tǒng)中殘留的氣體。前面兩個(gè)因素的影響可以依靠使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源以及改善蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)得以避免，而后一個(gè)因素則需要從改善設(shè)備的真空條件入手來加以解決。薄膜沉積的厚度均勻性和純度二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度37二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度在沉積的過程中，殘余氣體的分子和蒸發(fā)物質(zhì)的原子將分別射向襯底，并可能同時(shí)沉積在襯底上。蒸發(fā)物質(zhì)的原子的沉積速率為G=ρNAS/MA其量綱為原子數(shù)/cm2·s。ρ為沉積物質(zhì)的密度；s為厚度沉積速率。殘余氣體分子的沉積速率可以借助式求出。求出氣體雜質(zhì)在沉積物中的濃度為C=PMA/[ρNAS(2πMgRT)1/2]MA和Mg分別為蒸發(fā)物質(zhì)和殘余氣體的相對(duì)原子質(zhì)量；Ｐ是殘余氣體的壓強(qiáng)。薄膜沉積的厚度均勻性和純度二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度38二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度

由上式可以看出，沉積物質(zhì)中雜質(zhì)的含量與殘余氣體的壓強(qiáng)成正比，與薄膜的沉積速度s成反比。

薄膜沉積的厚度均勻性和純度二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度39

濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的物質(zhì)做成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子碰撞過程中將后者濺射出來。這些被濺射出來的原子帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向射向襯底，實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積。薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動(dòng)能40由濺射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到離子濺射在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用，期間經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程。1853年，法拉第在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積現(xiàn)象；1902年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物；20世紀(jì)30年代，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制備薄膜；60年代初，Bell實(shí)驗(yàn)室和WesternElectric公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用；1963年已經(jīng)制作出全長約10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置；1965年IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜稱為可能；1974年，J.Chapin使高速、低溫濺射鍍膜稱為現(xiàn)實(shí)，并發(fā)表了關(guān)于平面磁控濺射裝置的文章。由于這種濺射裝置的日臻完善和普及，使得濺射鍍膜能以嶄新的面貌出現(xiàn)在技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域。薄膜制備技術(shù)-濺射法由濺射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到離子濺射在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用，期間經(jīng)41SputteringSputtering42Roll-to-RollRoll-to-Roll43In-lineIn-line44薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法利用帶電離子在電磁場的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶材表面被濺射出來的原子以一定的動(dòng)能射向襯底，在襯底上形成薄膜。濺射法的分類直流濺射射頻濺射磁控濺射反應(yīng)濺射偏壓濺射薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法45濺射鍍膜的特點(diǎn)（1）對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射；（2）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；（3）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好；（4）濺射工藝可重復(fù)性好，可以在大面積襯底上獲得厚度均勻的薄膜。濺射鍍膜的特點(diǎn)46靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極，相對(duì)陽極加數(shù)千伏電壓，在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間形成輝光放電。輝光放電過程中，將產(chǎn)生Ar離子，陰極材料原子，二次電子，光子等。輝光放電和等離子體一、輝光放電的物理基礎(chǔ)靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極，相對(duì)陽極加數(shù)千伏電壓，在真47等離子體

等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。作用：

1、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大部分能量；

2、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬。

輝光放電和等離子體等離子體輝光放電和等離子體48產(chǎn)生輝光放電

通過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混合氣體中的電子被電場加速，穿過混合氣體，與氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、或離子返回其最低能級(jí)時(shí)，以發(fā)射光（或聲子）的形式將能量釋放出來。

不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。輝光放電和等離子體產(chǎn)生輝光放電輝光放電和等離子體49真空室電極高真空泵等離子體RF發(fā)生器匹配部件輝光放電和等離子體真空室電極高真空泵等離子體RF發(fā)生器匹配部件輝光放電和等離50直流電源E,提供電壓V和電流I則V=E-IR。1、輝光放電過程包括初始階段AB：I=0無光放電區(qū)湯生放電區(qū)BC：I迅速增大過渡區(qū)CD：離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多離子輝光放電區(qū)DE：I增大，V恒定異常輝光放電區(qū)EF：濺射所選擇的工作區(qū)弧光放電：I增大，V減小弧光放電區(qū)FG：增加電源功率，電流迅速增加輝光放電和等離子體ABCDEFG直流電源E,提供電壓V和電流I則V=E-IR。輝512、輝光放電區(qū)域的劃分陰極輝光；陰極暗區(qū)；負(fù)輝光區(qū)；法拉第暗區(qū)；陽極柱；陽極暗區(qū)；陽極輝光暗區(qū)是離子和電子從電場中獲取能量的加速區(qū)，輝光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。輝光放電和等離子體2、輝光放電區(qū)域的劃分輝光放電和等離子體52物質(zhì)的濺射現(xiàn)象離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種過程的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種53一、濺射的產(chǎn)額：

被濺射出來的原子個(gè)數(shù)與入射離子數(shù)之比。它與入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)種類及入射離子的入射角度有關(guān)。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象一、濺射的產(chǎn)額：物質(zhì)的濺射現(xiàn)象54入射離子能量的影響只有入射離子能量超過一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)表面濺射出離子，閾值能量與入射離子的種類關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定比例關(guān)系隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然后處于平緩（10Kev)，離子能量繼續(xù)增加，濺射產(chǎn)額反而下降物質(zhì)的濺射現(xiàn)象入射離子能量的影響物質(zhì)的濺射現(xiàn)象55入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類

通常采用惰性氣體離子來濺射，由圖知，重離子的濺射產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價(jià)格因素，通常使用氬氣作為濺射氣體。

用相同能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射產(chǎn)額也是不同的，Cu,Ag,Au產(chǎn)額高，而Ti,W,Mo等產(chǎn)額低。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類物質(zhì)的濺射現(xiàn)象56物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響傾斜入射有利于提高產(chǎn)額，但當(dāng)入射角接近80時(shí)，產(chǎn)額迅速下降。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響傾斜入射有利于57合金的濺射和沉積：

濺射法的優(yōu)點(diǎn)所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶材基本一致。自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率上升。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象合金的濺射和沉積：物質(zhì)的濺射現(xiàn)象58濺射沉積裝置一、直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）氣體離子靶材離子二次電子濺射沉積裝置一、直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺59一、直流濺射裝置及特性濺射氣壓，太低和太高都不利于薄膜的形成；陰-陽極距離適中，大約為陰極暗區(qū)的2倍；濺射電壓1-5KV；靶材必須為金屬；為保證薄膜的均勻性，陰極平面面積大約為襯底的2倍。一、直流濺射裝置及特性濺射氣壓，太低和太高都不利于薄膜的形成60一、直流濺射裝置及特性工作原理：當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來，被電場加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。一、直流濺射裝置及特性工作原理：61一、直流濺射裝置及特性氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽極距離太短，二次電子達(dá)到陽極之前不能有足夠多的離化碰撞發(fā)生。反之所產(chǎn)生的離子會(huì)因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會(huì)產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會(huì)受到過多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。直流濺射若要保持一定的濺射速率，就必須一定的工作電流，要求靶材為金屬靶。若是導(dǎo)電性差的靶材，在離子轟擊過程中，正電荷便會(huì)積累在靶材表面。一、直流濺射裝置及特性氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽極距離太短，二次電62三極濺射在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。陽極電位高于基片直流濺射裝置及特性三極濺射陽極電位高于基片直流濺射裝置及特性63二、射頻濺射裝置及特性濺射沉積裝置二、射頻濺射裝置及特性濺射沉積裝置64二、射頻濺射裝置及特性射頻電源的頻率13.56MHz；射頻濺射電壓1-2KV；射頻濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)；在射頻濺射系統(tǒng)中，襯底接地，以避免不希望的射頻電壓在襯底表面出現(xiàn)；靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。二、射頻濺射裝置及特性射頻電源的頻率13.56MHz；65二、射頻濺射裝置及特性工作原理在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達(dá)到自持，陰極濺射的二次電子不再重要；由于電子比離子具有較高的遷移率，相對(duì)于負(fù)半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達(dá)絕緣靶表面，而靶變成負(fù)的自偏壓。它將在表面附近排斥電子，吸引正離子，使離子轟擊靶，產(chǎn)生濺射。二、射頻濺射裝置及特性工作原理66二、射頻濺射裝置及特性電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的路徑，自發(fā)產(chǎn)生負(fù)的自偏壓的過程與靶材是絕緣體和金屬無關(guān)。射頻電壓周期性地改變每個(gè)電極的電位，因而每個(gè)電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。實(shí)際解決的辦法將樣品臺(tái)和真空室接地，形成一個(gè)面積很大的電極，降低該極的自偏壓鞘層電壓。二、射頻濺射裝置及特性電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的67三、磁控濺射裝置及特性濺射沉積裝置1直流電源2出水口3進(jìn)水口4進(jìn)氣口5靶材6真空泵7基片架8基片偏壓三、磁控濺射裝置及特性濺射沉積裝置1直流電源2出水口3進(jìn)68三、磁控濺射裝置及特性磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。

磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因：

1、磁場中電子的電離效率提高；

2、在較低氣壓下（0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小

提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜

的質(zhì)量。三、磁控濺射裝置及特性磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而69三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性70三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性71三、磁控濺射裝置及特性

三、磁控濺射裝置及特性

72四、反應(yīng)濺射裝置及特性

在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物，這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。

利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時(shí)，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。濺射沉積裝置四、反應(yīng)濺射裝置及特性在存在反應(yīng)氣體的情況下73反應(yīng)濺射裝置及特性反應(yīng)濺射裝置及特性74四、反應(yīng)濺射裝置及特性四、反應(yīng)濺射裝置及特性75四、反應(yīng)濺射裝置及特性

采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜。如：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2，In2O3，SnO2等(反應(yīng)氣體O2）碳化物：SiC，WC，TiC等(反應(yīng)氣體CH4）氮化物：BN，F(xiàn)eNTiN，AlN，Si3N4等(反應(yīng)氣體N2）硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反應(yīng)氣體H2S）化合物：Ti-Si-N,Fe-B-Si,YBa2Cu3O7四、反應(yīng)濺射裝置及特性采用純金屬作為靶材，通入不同的76五、偏壓濺射裝置及特性

偏壓濺射是在一般濺射的基礎(chǔ)上，在襯底與靶材間加一定的偏壓，以改變?nèi)肷潆x子能量和離子數(shù)，達(dá)到改善薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。如圖所示，改變偏壓可改變Ta薄膜的電阻率。濺射制備的Ta薄膜的電阻率隨偏壓的變化濺射沉積裝置五、偏壓濺射裝置及特性偏壓濺射是在一般濺射的基礎(chǔ)上，77六、離子束濺射在離子束濺射沉積中，由離子源產(chǎn)生的離子束通過引出電極引入真空室，打到靶材上濺射，實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。六、離子束濺射在離子束濺射沉積中，由離子源產(chǎn)生的離子束通過引78六、離子束濺射六、離子束濺射79六、離子束濺射六、離子束濺射80物理氣相沉積課件81濺射沉積裝置濺射沉積裝置82增大入射離子流的密度是改善磁控濺射薄膜性能和提高濺射效率的關(guān)鍵。離子的產(chǎn)生最初采用上文中提及的平衡磁控源。平衡磁控濺射具有可將等離子體約束于靶的附近，對(duì)襯底的轟擊作用小的特點(diǎn)，這對(duì)于希望減少襯底損傷、降低沉積溫度的應(yīng)用場合來說是有利的。但在某些情況下，又希望保持適度的對(duì)襯底的轟擊效應(yīng)。這時(shí)，可以借助于所謂的非平衡磁控濺射的方法。在設(shè)計(jì)上，這種磁控濺射靶有意識(shí)地減?。ɑ蚣哟螅┝税兄行牡拇朋w體積，造成部分磁力線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的襯底附近的效果。這時(shí)，等離子體的作用范圍擴(kuò)展到了襯底附近，而部分的電子又像在二極濺射時(shí)那樣被直接加速射向襯底，同時(shí)在此過程中造成氣體分子電離和部分離子轟擊襯底。濺射沉積裝置增大入射離子流的密度是改善磁控濺射薄膜性能和83濺射沉積裝置濺射沉積裝置84磁控濺射舉例實(shí)驗(yàn)采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制有限公司研制的JGP450型多靶磁控濺射鍍膜機(jī)制備氮化鋯薄膜,射頻磁控濺射系統(tǒng)的簡圖如圖1所示.磁控濺射舉例實(shí)驗(yàn)采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制有85直流反應(yīng)濺射技術(shù)會(huì)遇到以下問題：（1）靶中毒。（2）陽極消失。

從靶材濺射出來的物質(zhì)在陽極表面沉積出相應(yīng)的化合物，由于膜層的電導(dǎo)率較低，阻塞了電荷傳導(dǎo)的通路，造成電荷的不斷積累，最后導(dǎo)致陽極作用的喪失。此時(shí)，放電體系的阻抗以及輝光等離子體的分布發(fā)生相應(yīng)變化，放電現(xiàn)象變得很不穩(wěn)定，濺射過程和所制備的薄膜性能發(fā)生波動(dòng)。濺射沉積裝置直流反應(yīng)濺射技術(shù)會(huì)遇到以下問題：濺射沉積裝置86

靶材和陽極表面導(dǎo)電性能的惡化使得靶面和陽極處產(chǎn)生電荷的積累，最后造成化合物層的放電擊穿，在靶表面引起弧光放電。在靶材的濺射區(qū)和非濺射區(qū)之間的邊界處，最容易發(fā)生打火擊穿現(xiàn)象。打火會(huì)造成靶材表面的局部熔化和物質(zhì)顆粒的噴濺。這不僅會(huì)縮短靶材的壽命，還會(huì)大大增加薄膜中缺陷的密度。（3）靶面及電極間打火（弧光放電）濺射沉積裝置靶材和陽極表面導(dǎo)電性能的惡化使得靶面和陽極處產(chǎn)生電荷87

導(dǎo)致上述問題出現(xiàn)的根本原因，在于靶材與陽極表面的電荷積累（針對(duì)靶材表面的電荷積累，估計(jì)靶面打火現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間間隔）。如果我們能夠想到一種方法，能夠讓積累的電荷釋放或者說宣泄掉，那么濺射過程將會(huì)有顯著的改善。

通過對(duì)濺射靶施加交變電壓的方法，即交流濺射的方法，不斷提供釋放靶電荷的機(jī)會(huì)，解決了上述問題。這種使用交變電壓進(jìn)行薄膜濺射的方法被稱為交流濺射法（舉例）。根據(jù)所采用的交變電源的不同，交流濺射法又被分為兩類，即采用正旋波電源的中頻濺射法和采用矩形脈沖波電壓的脈沖濺射法。濺射沉積裝置導(dǎo)致上述問題出現(xiàn)的根本原因，在于靶材與陽極表面的電荷88中頻濺射

在中頻濺射的情況下，靶材上將加有頻率為數(shù)十千赫茲（常用10-150kHz）的交變電壓。對(duì)地來說，靶材周期性的處于高電位和低電位。當(dāng)靶材處于低電位時(shí)，靶材吸引離子而排斥電子，在靶物質(zhì)被濺射的同時(shí)，離子電荷可以在靶材表面積累下來；當(dāng)靶材處于高電位時(shí)，靶材吸引電子而排斥離子。電子的流入將中和掉靶材表面的電荷積累，從而抑制了靶面的打火現(xiàn)象。濺射沉積裝置中頻濺射在中頻濺射的情況下，靶材上將加有頻率為數(shù)十千89

中頻濺射法由于抑制了靶面打火現(xiàn)象，并克服了陽極消失的難題，使得反應(yīng)濺射的過程得以穩(wěn)定進(jìn)行。因此，使用中頻反應(yīng)濺射方法制備的化合物薄膜的缺陷密度大為降低。而且，由于濺射過程運(yùn)行穩(wěn)定，因此可以使用較高的濺射功率和較為優(yōu)化的濺射參數(shù)，進(jìn)而獲得較高的薄膜沉積速率。中頻電源與靶的連接也較為簡單，不需要像在射頻濺射法時(shí)那樣需要復(fù)雜的阻抗匹配線路。濺射沉積裝置中頻濺射法由于抑制了靶面打火現(xiàn)象，并克服了陽極消失的90

中頻濺射常被用于對(duì)兩個(gè)并排安置、形狀相同的磁控靶的濺射。這樣的兩個(gè)靶被稱之為孿生靶，它們各自與電源的一極相連，并于整個(gè)真空室相絕緣。在濺射的過程中，兩個(gè)靶材交替地作為陰極和陽極，并在處于低電位的半周期內(nèi)（陰極）出現(xiàn)靶材物質(zhì)的濺射。濺射沉積裝置中頻濺射常被用于對(duì)兩個(gè)并排安置、形狀相同的磁控靶的濺91脈沖濺射

脈沖濺射法使用輸出電壓為矩形波的脈沖電源。在負(fù)脈沖期間，靶材吸引離子，處于被濺射狀態(tài)；在正脈沖期間，靶材表面的電荷將由于電子的迅速流入而得到釋放。為了在較短的時(shí)間內(nèi)釋放掉靶材表面的電荷積累，正脈沖的電壓幅值要提高。可以理解的是，脈沖濺射與中頻濺射在克服電荷積累方面的作用機(jī)理是相同的。濺射沉積裝置脈沖濺射脈沖濺射法使用輸出電壓為矩形波的脈沖電源。在92

脈沖濺射法可以只用一個(gè)靶。這時(shí)，所用的電源就是上面討論過的非對(duì)稱式的脈沖電源。這種濺射法被稱為單極脈沖濺射法。另一方面，脈沖濺射也可以使用與中頻濺射時(shí)相類似的孿生靶。此時(shí)，正、負(fù)電壓脈沖交替地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)并列的靶材。這種濺射法稱為雙極脈沖濺射法。顯然，在后者的情況下，可以依靠調(diào)整正負(fù)脈沖寬度的方法，方便地調(diào)整兩只靶材的濺射速率，進(jìn)而調(diào)控所制備的薄膜的成分。

中頻濺射和脈沖濺射克服了困擾反應(yīng)濺射技術(shù)的電荷積累問題，因而靶材的毒化不再是妨礙反應(yīng)濺射進(jìn)行的限制因素。即使是在靶材被毒化以后，反應(yīng)濺射的過程仍然可以較平穩(wěn)的進(jìn)行。濺射沉積裝置脈沖濺射法可以只用一個(gè)靶。這時(shí)，所用的電源就是上面討93其它物理氣相沉積方法其它物理氣相沉積方法94薄膜物理氣相沉積薄膜物理氣相沉積95一、真空蒸發(fā)沉積的物理原理

在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物質(zhì)提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必須的蒸汽壓，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)形成薄膜。真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。薄膜制備技術(shù)-蒸發(fā)法一、真空蒸發(fā)沉積的物理原理薄膜制備技術(shù)-蒸發(fā)法96二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備示意圖如下圖所示二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備示意圖如下圖所示97真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三部分組成：1.真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境2.蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫裝置3.基板及加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用來放置襯底，對(duì)襯底加熱及測溫裝置二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備主要由三部分組成：二、真空蒸發(fā)的設(shè)備98真空蒸發(fā)制備薄膜的三個(gè)基本過程:1.加熱蒸發(fā)過程：對(duì)蒸發(fā)源加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相2.氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過程。在這一過程中，原子或分子與真空室內(nèi)的殘余氣體分子碰撞3.被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的沉積過程。原子或分子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、生長、成膜二、真空蒸發(fā)的設(shè)備真空蒸發(fā)制備薄膜的三個(gè)基本過程:二、真空蒸發(fā)的設(shè)備99三、汽化熱和蒸汽壓汽化熱：真空蒸發(fā)系統(tǒng)中的熱源將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠高的能量，克服固相原子的束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動(dòng)能的氣相原子或分子，這個(gè)能量就是汽化熱。三、汽化熱和蒸汽壓汽化熱：100物質(zhì)的飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)相平衡時(shí)所呈現(xiàn)的壓力。物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，一定的飽和蒸氣壓則對(duì)應(yīng)著一定的溫度。規(guī)定物質(zhì)在飽和蒸氣壓為1.3Pa時(shí)的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。三、汽化熱和蒸汽壓物質(zhì)的飽和蒸氣壓：在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)101

在一定溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都具有特定的平衡蒸汽壓。當(dāng)被蒸發(fā)物質(zhì)的分氣壓降低到了它的平衡蒸汽壓以下，才可能有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表面上物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率為：

四、物質(zhì)的蒸發(fā)速率在一定溫度下，每種液體或固體物質(zhì)都具有特定102單位物質(zhì)表面的質(zhì)量蒸發(fā)速度:pe為平衡蒸汽壓，ph為實(shí)際分氣壓。四、物質(zhì)的蒸發(fā)速率單位物質(zhì)表面的質(zhì)量蒸發(fā)速度:pe為平衡蒸汽壓，ph為實(shí)際分氣103

1、元素的蒸汽壓克勞修斯-克萊普朗方程：物質(zhì)平衡蒸汽壓P隨溫度的變化率為：

五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

V為在蒸發(fā)過程中物質(zhì)所擁有的體積的變化，近似等于反應(yīng)室的體積。1、元素的蒸汽壓五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)V為104lgP與1/T基本滿足線性關(guān)系利用物質(zhì)在一定溫度時(shí)的汽化熱He代替H，得到近似表達(dá)式。五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

lgP與1/T基本滿足線性關(guān)系利用物質(zhì)在一定溫度時(shí)的105圖2.1a元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線（點(diǎn)表示相應(yīng)元素的熔點(diǎn)）五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

圖2.1a元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線五、元素、化合106液相蒸發(fā)對(duì)大多數(shù)金屬，溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，其平衡氣壓低于10-1Pa,需將物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)以上固相升華在熔點(diǎn)附近，固體的平衡蒸汽壓已相對(duì)較高，如Cr,Ti,Mo,Fe,Si等，可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氣相沉積圖2.1b半導(dǎo)體元素的平衡蒸汽壓隨溫度的變化曲線（點(diǎn)標(biāo)為相應(yīng)元素的熔點(diǎn)）五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

液相蒸發(fā)圖2.1b半導(dǎo)體元素的平衡蒸汽壓隨溫度的五、元1072、化合物的蒸發(fā)化合物蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分，各元素間將發(fā)生化合或分解過程：五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

2、化合物的蒸發(fā)五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)108

3、金屬合金的蒸發(fā)金屬合金的蒸發(fā)也會(huì)發(fā)生成分的偏離，但合金中原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，實(shí)際蒸發(fā)過程可視為各元素獨(dú)立蒸發(fā)過程，可由熱力學(xué)定律來描述：理想合金AB：A-B間的作用能等于A-A或B-B的作用能.拉烏爾定律：平衡蒸汽壓正比于純組元蒸汽壓，系數(shù)為摩爾分?jǐn)?shù)PA=APA(0)；PB=BPB(0)；－PA(0)、PB(0)分別為純組元A、B的平衡蒸氣壓，A、B分別為A、B組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)。因此，即使對(duì)于理想合金A、B兩組元的蒸氣壓之比，或蒸發(fā)速度之比，不等于合金中的元素摩爾分?jǐn)?shù)之比，出現(xiàn)成分分離。

五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

3、金屬合金的蒸發(fā)理想合金AB：A-B間的作用能等于A-109實(shí)際合金的蒸氣壓之比更加偏離合金中的原始組分之比。PA=AAPA(0)；PB=BBPB(0)；－A，B分別為元素A、B在合金中的活度系數(shù)合金中A、B組元的蒸發(fā)速率之比為

對(duì)于初始成分確定的蒸發(fā)源，易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)，造成該組元的不斷貧發(fā)，造成該組元的蒸發(fā)速率下降。

實(shí)際采取的措施：采用雙源或多源，分別加熱至不同溫度來控制每一組元的蒸發(fā)速率。五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

實(shí)際合金的蒸氣壓之比更加偏離合金中的原始組分之比。五、元素、1104、多組分薄膜的蒸發(fā)方法利用蒸發(fā)法制備多組分薄膜的方法主要有三種方法（1）單源蒸發(fā)法：先按薄膜組分比例的要求制成合金靶，然后對(duì)合金靶進(jìn)行蒸發(fā)、沉積形成固態(tài)薄膜。基本要求是合金靶中各組分材料的蒸汽壓比較接近。（2）多源同時(shí)蒸發(fā)法：利用多個(gè)坩堝，在每個(gè)坩堝中放入薄膜所需的一種材料，在不同溫度下同時(shí)蒸發(fā)。

（3）多源順序蒸發(fā)法：把薄膜所需材料放在不同坩堝中，但不是同時(shí)蒸發(fā)，而是按順序蒸發(fā)，并根據(jù)薄膜組分控制相應(yīng)的層厚，然后通過高溫退火形成需要的多組分薄膜。五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

4、多組分薄膜的蒸發(fā)方法五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)111五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)

五、元素、化合物、合金蒸發(fā)的特點(diǎn)112六、真空蒸發(fā)源

隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，不但對(duì)沉積的薄膜質(zhì)量要求越來越高，而且要沉積的薄膜種類也越來越多。目前已有各種不同類型的真空蒸發(fā)設(shè)備。根據(jù)不同的目的，從簡單的電阻加熱蒸發(fā)到極為復(fù)雜的分子束外延設(shè)備。主要有：電阻式加熱蒸發(fā)電子束加熱蒸發(fā)激光加熱蒸發(fā)電弧加熱蒸發(fā)高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，1131、電阻式加熱蒸發(fā)普通電阻加熱：利用一些高熔點(diǎn)、低蒸氣壓的金屬（W，Mo,Ta等）制成各種形狀的加熱器；一方面作為加熱，同時(shí)支撐被加熱的物質(zhì)。（低壓大電流）六、真空蒸發(fā)源1、電阻式加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源114六、真空蒸發(fā)源六、真空蒸發(fā)源115六、真空蒸發(fā)源六、真空蒸發(fā)源116加熱裝置的分類和特點(diǎn)：（1）絲狀（0.05-0.13cm)，蒸發(fā)物潤濕電阻絲，通過表面張力得到支撐。只能蒸發(fā)金屬或合金；有限的蒸發(fā)材料被蒸發(fā)；蒸發(fā)材料必須潤濕加熱絲；加熱絲容易變脆。（2）凹箔：蒸發(fā)源為粉末。（3）錐形絲筐蒸發(fā)小塊電介質(zhì)或金屬。六、真空蒸發(fā)源加熱裝置的分類和特點(diǎn)：六、真空蒸發(fā)源117缺點(diǎn)（1）加熱裝置與蒸發(fā)物會(huì)反應(yīng)（2）難以蒸發(fā)電介質(zhì)材料（Al2O3,Ta2O5,TiO2等）（3）蒸發(fā)率低（4）加熱蒸發(fā)時(shí)合金和化合物會(huì)分解。六、真空蒸發(fā)源缺點(diǎn)六、真空蒸發(fā)源1182、電子束加熱裝置及特點(diǎn)電子束通過5-10KV的電場后被加速，然后聚焦到被蒸發(fā)的材料表面，把能量傳遞給待蒸發(fā)的材料使其熔化并蒸發(fā)。無污染：與坩堝接觸的待蒸發(fā)材料保持固態(tài)不變，蒸發(fā)材料與坩堝發(fā)生反應(yīng)的可能性很小。（坩堝水冷）電子束蒸發(fā)裝置示意圖六、真空蒸發(fā)源2、電子束加熱裝置及特點(diǎn)電子束蒸發(fā)裝置示意圖六、真空蒸發(fā)源119難熔物質(zhì)的蒸發(fā)：適合制備高純，難熔物質(zhì)薄膜可同時(shí)安置多個(gè)坩堝，同時(shí)或分別蒸發(fā)多種不同物質(zhì)。

大部分電子束蒸發(fā)系統(tǒng)采用磁聚焦或磁彎曲電子束，蒸發(fā)物質(zhì)放在水冷坩堝內(nèi)，可以制備光學(xué)、電子和光電子領(lǐng)域的薄膜材料。如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。2、電子束加熱裝置及特點(diǎn)六、真空蒸發(fā)源難熔物質(zhì)的蒸發(fā)：2、電子束加熱裝置及特點(diǎn)六、真空蒸發(fā)源1203、激光加熱蒸發(fā)利用激光作為熱源使待蒸發(fā)材料蒸發(fā)。激光蒸發(fā)屬于在高真空條件下制備薄膜的技術(shù)。激光源放在真空室外邊，激光束通過真空室窗口打到待蒸發(fā)材料上使其蒸發(fā)，沉積在襯底上。適合制備高純，難熔物質(zhì)薄膜六、真空蒸發(fā)源3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源121激光蒸發(fā)示意圖3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源激光蒸發(fā)示意圖3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源122六、真空蒸發(fā)源六、真空蒸發(fā)源123可用來制備光學(xué)薄膜Sb2S3,ZnTe,MoO3,PbTe,Ge,Si制備陶瓷薄膜：Al2O3,Si3N4,氧化物薄膜：SnO2，ZnO超導(dǎo)薄膜YBCO注：Sb(銻ti)Te(碲）3、激光加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源可用來制備光學(xué)薄膜Sb2S3,ZnTe,MoO3,P1244、電弧加熱蒸發(fā)利用電弧放電加熱無污染適合制備高純，難熔導(dǎo)電物質(zhì)薄膜缺點(diǎn)：產(chǎn)生微米級(jí)的電極顆粒原理：用欲蒸發(fā)的材料做電極，通過調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間的距離來點(diǎn)燃電弧，而瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積真空室電極襯底六、真空蒸發(fā)源4、電弧加熱蒸發(fā)真空室電極襯底六、真空蒸發(fā)源125

在較低的反應(yīng)氣體壓強(qiáng)下，經(jīng)電弧蒸發(fā)可得到一些陶瓷薄膜。如在氮?dú)夥障?，?duì)金屬Ti和Zr（鋯）起弧制的TiN和ZrN薄膜，在氧氣氛下，Al起弧制得氧化鋁薄膜。4、電弧加熱蒸發(fā)六、真空蒸發(fā)源在較低的反應(yīng)氣體壓強(qiáng)下，經(jīng)電弧蒸發(fā)可得到一些陶瓷薄膜。如在1265、高頻感應(yīng)加熱：

在高頻初級(jí)感應(yīng)線圈的作用下，通過坩堝或被加熱物質(zhì)本身的感生電流加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)源物質(zhì)的加熱。（高頻高壓小電流）六、真空蒸發(fā)源5、高頻感應(yīng)加熱：六、真空蒸發(fā)源127七、真空蒸發(fā)法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作容易，所制備的薄膜純度比較高，厚度控制比較準(zhǔn)確，成膜速率快。缺點(diǎn)：薄膜與襯底附著力較小，工藝重復(fù)性不理想，臺(tái)階覆蓋能力差。5、高頻感應(yīng)加熱：七、真空蒸發(fā)法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：5、高頻感應(yīng)加熱：128薄膜沉積的厚度均勻性和純度一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)物質(zhì)蒸發(fā)過程中，被蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性。蒸發(fā)原子運(yùn)動(dòng)的方向性對(duì)沉積的薄膜的均勻性以及其微觀組織都會(huì)產(chǎn)生影響。物質(zhì)的蒸發(fā)源有不同形狀。襯底較遠(yuǎn)，尺寸較小的蒸發(fā)源可以被認(rèn)為是點(diǎn)蒸發(fā)源。設(shè)想被蒸發(fā)的物質(zhì)是由表面積為Ae的小球面上均勻地發(fā)射出來的。薄膜沉積的厚度均勻性和純度一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)129一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)蒸發(fā)出來的物質(zhì)總量Me應(yīng)等于Me＝∫∫ГdAedt＝ГAet其中，Г是物質(zhì)質(zhì)量蒸發(fā)速度，；dAe為蒸發(fā)源的表面積元；t為時(shí)間。只有運(yùn)動(dòng)方向處于襯底所在空間角內(nèi)的蒸發(fā)原子才會(huì)落在襯底上。由于已經(jīng)假設(shè)蒸發(fā)源為一點(diǎn)源，因而襯底面積元dAs上沉積的物質(zhì)量取決于其對(duì)應(yīng)的空間角的大小，即襯底上沉積的物質(zhì)的質(zhì)量密度為dMs/dAs=Mecosθ/4πr2θ-襯底表面法線與空間方向間的偏離角度；r-蒸發(fā)源與襯底間距離。薄膜沉積的厚度均勻性和純度一、薄膜沉積的方向性和陰影效應(yīng)薄膜沉積的厚度均勻性和純度130二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜的純度是制備薄膜材料時(shí)十分關(guān)心的問題。在蒸發(fā)沉積時(shí)，薄膜的純度將取決于：（１）蒸發(fā)源物質(zhì)的純度；（２）加熱裝置、坩堝等可能造成的污染；（３）真空系統(tǒng)中殘留的氣體。前面兩個(gè)因素的影響可以依靠使用高純物質(zhì)作為蒸發(fā)源以及改善蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)得以避免，而后一個(gè)因素則需要從改善設(shè)備的真空條件入手來加以解決。薄膜沉積的厚度均勻性和純度二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度131二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度在沉積的過程中，殘余氣體的分子和蒸發(fā)物質(zhì)的原子將分別射向襯底，并可能同時(shí)沉積在襯底上。蒸發(fā)物質(zhì)的原子的沉積速率為G=ρNAS/MA其量綱為原子數(shù)/cm2·s。ρ為沉積物質(zhì)的密度；s為厚度沉積速率。殘余氣體分子的沉積速率可以借助式求出。求出氣體雜質(zhì)在沉積物中的濃度為C=PMA/[ρNAS(2πMgRT)1/2]MA和Mg分別為蒸發(fā)物質(zhì)和殘余氣體的相對(duì)原子質(zhì)量；Ｐ是殘余氣體的壓強(qiáng)。薄膜沉積的厚度均勻性和純度二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度132二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度

由上式可以看出，沉積物質(zhì)中雜質(zhì)的含量與殘余氣體的壓強(qiáng)成正比，與薄膜的沉積速度s成反比。

薄膜沉積的厚度均勻性和純度二、蒸發(fā)沉積薄膜的純度薄膜沉積的厚度均勻性和純度133

濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的物質(zhì)做成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子碰撞過程中將后者濺射出來。這些被濺射出來的原子帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向射向襯底，實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積。薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動(dòng)能134由濺射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到離子濺射在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用，期間經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程。1853年，法拉第在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積現(xiàn)象；1902年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物；20世紀(jì)30年代，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制備薄膜；60年代初，Bell實(shí)驗(yàn)室和WesternElectric公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用；1963年已經(jīng)制作出全長約10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置；1965年IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜稱為可能；1974年，J.Chapin使高速、低溫濺射鍍膜稱為現(xiàn)實(shí)，并發(fā)表了關(guān)于平面磁控濺射裝置的文章。由于這種濺射裝置的日臻完善和普及，使得濺射鍍膜能以嶄新的面貌出現(xiàn)在技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域。薄膜制備技術(shù)-濺射法由濺射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到離子濺射在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用，期間經(jīng)135SputteringSputtering136Roll-to-RollRoll-to-Roll137In-lineIn-line138薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法利用帶電離子在電磁場的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶材表面被濺射出來的原子以一定的動(dòng)能射向襯底，在襯底上形成薄膜。濺射法的分類直流濺射射頻濺射磁控濺射反應(yīng)濺射偏壓濺射薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法139濺射鍍膜的特點(diǎn)（1）對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射；（2）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；（3）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好；（4）濺射工藝可重復(fù)性好，可以在大面積襯底上獲得厚度均勻的薄膜。濺射鍍膜的特點(diǎn)140靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極，相對(duì)陽極加數(shù)千伏電壓，在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間形成輝光放電。輝光放電過程中，將產(chǎn)生Ar離子，陰極材料原子，二次電子，光子等。輝光放電和等離子體一、輝光放電的物理基礎(chǔ)靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為陰極，相對(duì)陽極加數(shù)千伏電壓，在真141等離子體

等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。作用：

1、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大部分能量；

2、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬。

輝光放電和等離子體等離子體輝光放電和等離子體142產(chǎn)生輝光放電

通過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混合氣體中的電子被電場加速，穿過混合氣體，與氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、或離子返回其最低能級(jí)時(shí)，以發(fā)射光（或聲子）的形式將能量釋放出來。

不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。輝光放電和等離子體產(chǎn)生輝光放電輝光放電和等離子體143真空室電極高真空泵等離子體RF發(fā)生器匹配部件輝光放電和等離子體真空室電極高真空泵等離子體RF發(fā)生器匹配部件輝光放電和等離144直流電源E,提供電壓V和電流I則V=E-IR。1、輝光放電過程包括初始階段AB：I=0無光放電區(qū)湯生放電區(qū)BC：I迅速增大過渡區(qū)CD：離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多離子輝光放電區(qū)DE：I增大，V恒定異常輝光放電區(qū)EF：濺射所選擇的工作區(qū)弧光放電：I增大，V減小弧光放電區(qū)FG：增加電源功率，電流迅速增加輝光放電和等離子體ABCDEFG直流電源E,提供電壓V和電流I則V=E-IR。輝1452、輝光放電區(qū)域的劃分陰極輝光；陰極暗區(qū)；負(fù)輝光區(qū)；法拉第暗區(qū)；陽極柱；陽極暗區(qū)；陽極輝光暗區(qū)是離子和電子從電場中獲取能量的加速區(qū)，輝光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。輝光放電和等離子體2、輝光放電區(qū)域的劃分輝光放電和等離子體146物質(zhì)的濺射現(xiàn)象離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種過程的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種147一、濺射的產(chǎn)額：

被濺射出來的原子個(gè)數(shù)與入射離子數(shù)之比。它與入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)種類及入射離子的入射角度有關(guān)。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象一、濺射的產(chǎn)額：物質(zhì)的濺射現(xiàn)象148入射離子能量的影響只有入射離子能量超過一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)表面濺射出離子，閾值能量與入射離子的種類關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定比例關(guān)系隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然后處于平緩（10Kev)，離子能量繼續(xù)增加，濺射產(chǎn)額反而下降物質(zhì)的濺射現(xiàn)象入射離子能量的影響物質(zhì)的濺射現(xiàn)象149入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類

通常采用惰性氣體離子來濺射，由圖知，重離子的濺射產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價(jià)格因素，通常使用氬氣作為濺射氣體。

用相同能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射產(chǎn)額也是不同的，Cu,Ag,Au產(chǎn)額高，而Ti,W,Mo等產(chǎn)額低。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類物質(zhì)的濺射現(xiàn)象150物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響傾斜入射有利于提高產(chǎn)額，但當(dāng)入射角接近80時(shí)，產(chǎn)額迅速下降。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響傾斜入射有利于151合金的濺射和沉積：

濺射法的優(yōu)點(diǎn)所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶材基本一致。自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率上升。物質(zhì)的濺射現(xiàn)象合金的濺射和沉積：物質(zhì)的濺射現(xiàn)象152濺射沉積裝置一、直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）氣體離子靶材離子二次電子濺射沉積裝置一、直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺153一、直流濺射裝置及特性濺射氣壓，太低和太高都不利于薄膜的形成；陰-陽極距離適中，大約為陰極暗區(qū)的2倍；濺射電壓1-5KV；靶材必須為金屬；為保證薄膜的均勻性，陰極平面面積大約為襯底的2倍。一、直流濺射裝置及特性濺射氣壓，太低和太高都不利于薄膜的形成154一、直流濺射裝置及特性工作原理：當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來，被電場加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。一、直流濺射裝置及特性工作原理：155一、直流濺射裝置及特性氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽極距離太短，二次電子達(dá)到陽極之前不能有足夠多的離化碰撞發(fā)生。反之所產(chǎn)生的離子會(huì)因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會(huì)產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會(huì)受到過多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。直流濺射若要保持一定的濺射速率，就必須一定的工作電流，要求靶材為金屬靶。若是導(dǎo)電性差的靶材，在離子轟擊過程中，正電荷便會(huì)積累在靶材表面。一、直流濺射裝置及特性氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽極距離太短，二次電156三極濺射在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。陽極電位高于基片直流濺射裝置及特性三極濺射陽極電位高于基片直流濺射裝置及特性157二、射頻濺射裝置及特性濺射沉積裝置二、射頻濺射裝置及特性濺射沉積裝置158二、射頻濺射裝置及特性射頻電源的頻率13.56MHz；射頻濺射電壓1-2KV；射頻濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)；在射頻濺射系統(tǒng)中，襯底接地，以避免不希望的射頻電壓在襯底表面出現(xiàn)；靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。二、射頻濺射裝置及特性射頻電源的頻率13.56MHz；159二、射頻濺射裝置及特性工作原理在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達(dá)到自持，陰極濺射的二次電子不再重要；由于電子比離子具有較高的遷移率，相對(duì)于負(fù)半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達(dá)絕緣靶表面，而靶變成負(fù)的自偏壓。它將在表面附近排斥電子，吸引正離子，使離子轟擊靶，產(chǎn)生濺射。二、射頻濺射裝置及特性工作原理160二、射頻濺射裝置及特性電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的路徑，自發(fā)產(chǎn)生負(fù)的自偏壓的過程與靶材是絕緣體和金屬無關(guān)。射頻電壓周期性地改變每個(gè)電極的電位，因而每個(gè)電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。實(shí)際解決的辦法將樣品臺(tái)和真空室接地，形成一個(gè)面積很大的電極，降低該極的自偏壓鞘層電壓。二、射頻濺射裝置及特性電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的161三、磁控濺射裝置及特性濺射沉積裝置1直流電源2出水口3進(jìn)水口4進(jìn)氣口5靶材6真空泵7基片架8基片偏壓三、磁控濺射裝置及特性濺射沉積裝置1直流電源2出水口3進(jìn)162三、磁控濺射裝置及特性磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。

磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因：

1、磁場中電子的電離效率提高；

2、在較低氣壓下（0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小

提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜

的質(zhì)量。三、磁控濺射裝置及特性磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而163三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性164三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性165三、磁控濺射裝置及特性

三、磁控濺射裝置及特性

166四、反應(yīng)濺射裝置及特性

在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物，這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。

利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時(shí)，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。濺射沉積裝置四、反應(yīng)濺射裝置及特性在存在反應(yīng)氣體的情況下167反應(yīng)濺射裝置及特性反應(yīng)濺射裝置及特性168四、反應(yīng)濺射裝置及特性四、反應(yīng)濺射裝置及特性169四、反應(yīng)濺射裝置及特性

采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜。如：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2，In2O3，SnO2等(反應(yīng)氣體O2）碳化物：SiC，WC，TiC等(反應(yīng)氣體CH4）氮化物：BN，F(xiàn)eNTiN，AlN，Si3N4等(反應(yīng)氣體N2）硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反應(yīng)氣體H2S）化合物：Ti-Si-N,