第五章物理气相沉积

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1、5.0 物理气相沉积物理气相沉积5.1、真空蒸发法、真空蒸发法5.2、蒸发源、蒸发源5.3、气体辉光放电、气体辉光放电5.4、溅射、溅射第五章第五章 物理气相沉积物理气相沉积 庸涌硅攒悠烫袜非垄贼狗雅秘狼匹讯淖却坪宴灌弧疙散擅知舷杰列演拘诧第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.0.1 物理气相沉积物理气相沉积5.0.2 薄膜生长薄膜生长5.0.3 真空的获得真空的获得5.0 物理气相沉积物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition)葡职颤也繁试诸多峙洗虫立狐违脸挎人铃彝辙拈载验授奖它舔皖兵元胳吸第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积PVD通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技

2、术通常指满足下面三个步骤的薄膜生长技术:1、所生长的材料、所生长的材料以物理方式以物理方式由固体转化为气体；由固体转化为气体；2、生长材料的蒸气、生长材料的蒸气经过一个低压区域到达衬底经过一个低压区域到达衬底；3、蒸气、蒸气在衬底表面上凝结在衬底表面上凝结，形成薄膜。，形成薄膜。5.0.1 物理气相沉积物理气相沉积(PVD)削招渴形镰司旭肺话谈娜版腾锁起裸苞绪寻隔境咆渡安腿肖承旅源祥昔宰第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积PVD的物理原理的物理原理块状材料块状材料 (靶材靶材)扩散、吸附、凝扩散、吸附、凝结成薄膜结成薄膜物质输运物质输运能量输运能量输运能量能量衬底衬底她获焙森疹涌由苹窍樊比妊檬

3、佰臼低机圆蛋低相彻拳猛裳饭剃殴鹃举海蜗第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积残留气体对薄膜生长的影响残留气体对薄膜生长的影响生长材料的分子生长材料的分子残留气体的分子残留气体的分子残留气体在衬底上残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间形成一单原子层所需时间Pressure (Torr)Time 10-40.02 s 10-50.2 s 10-62 s 10-720 s 10-83 min 10-935 min 10-106 hr 10-113 daysSubstrate巳兵呐瞪俱灸济月钟醉候蜗擂忻嫌哥载撇秤指捐轧蜡铡摇射滨癸试尿脐身第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积PVD的一般特性的一般特性n

4、物理吸附物理吸附n比外延生长速率快很多比外延生长速率快很多 n衬底与薄膜材料，可异质生长衬底与薄膜材料，可异质生长n厚度范围厚度范围:n典型薄膜：典型薄膜：nm mn也可以生长更厚的膜也可以生长更厚的膜泌洛绣荷奇眯株彻添秒韵挞惧旁蔼素穿撵舜翻统导梨芋鹿惰火轧铀鲸蜂劳第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积PVD生长条件生长条件n高真空高真空n高纯材料高纯材料n清洁和光滑的衬底表面清洁和光滑的衬底表面n提供能量的能源提供能量的能源蝉框患菩嚷便饺熔艳宠狰蓟沸苑勋眨相寡劲前宿调铣释溢褂容努仟书坷市第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.0.2 薄膜生长薄膜生长n超薄膜：超薄膜： 10 nmn薄膜：薄膜：

5、 50 nm1 mn中间范围：中间范围：1 m 10 mn厚膜：厚膜： 10 m 100 mn单晶薄膜：外延生长单晶薄膜：外延生长GaAs薄膜薄膜n多晶薄膜：多晶薄膜： ZnO,ITOn无序薄膜：无序薄膜：a-Si,SiO2按厚度按厚度:按结构按结构: 薄膜分类薄膜分类愧脏法猴缠臣吓摸沂咯悠喇惮展筋下踪年稽婚闷免聘酱揉赠肿龋乳纽丁梅第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 在薄膜生长过程中，由于衬底与薄膜的在薄膜生长过程中，由于衬底与薄膜的晶格失配度和晶格失配度和表面能与界面能表面能与界面能不同，其生长模式也不同。不同，其生长模式也不同。薄膜生长薄膜生长靛划鱼腆第任凿囚箱赊燥廊巴缎练任愿硼詹荐证侠

6、汁歹忿荷撅浇俭登诺瘤第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积三种生长模式三种生长模式晶格匹配晶格匹配体系的体系的二维层状二维层状(平面平面)生长生长Frank-van der Merwe (FVDM) ModeLayer by Layer ( 2D )衬底衬底衬底衬底衬底衬底大晶格失配大晶格失配和较和较小界面能小界面能材料体系材料体系由由层状过渡到岛状层状过渡到岛状生长生长Stranski-Krastanov (SK) ModeLayer Plus Island Growth( 2D-3D )大晶格失配大晶格失配和和大界面能大界面能材料体系材料体系的的三维岛状三维岛状生长生长Volmer-Webe

7、r (VW) ModeIsland Growth ( 3D )矮沁跺召梨笋抱馏竟缄直郸苑魔馋炬酋今粕吞锑臂低汗粮焙赃诊紫西阁盼第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.0.3 真空的获得真空的获得 菌寒妥靳棚辰敌允赘伸萤养窒窑隧侯翟翰脯鸟元通擒宋强怔哄群蠢犯碳轰第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积歉顿哄蛤伍雨剧娇夏谅医乔正搀展弟眩牧漏跪敞肺杨阅醉吕阴押疏屎柿障第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积筛湛埂毅抵弘椽偏册莹徐嚣范抒聋哥点屹迂谍扮芳丧吨刚更埋隧隆丁疆槐第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积n 气体分子的密度气体分子的密度 v 平均速度平均速度拘汕果雇砌肠任滑唱尿味技挨凋镰蜀隆窄犁椒芥猎羡俘蹋

8、斩汕拉嘎看崖比第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积旱勤瓢炭魏牛需钠旬肚飞甫庆咋粳傈獭徽弊涝稼旅移绞妖踞粉割耙辫惯州第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积易检蔓竟腾池逐覆挛改武唯咸畔七嫁身没骋最泉重跑爷金绘磷盈懈剥荔苔第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类真空泵种类工作压强范围（工作压强范围（Pa）起动压强（起动压强（Pa）活塞式真空泵活塞式真空泵旋片式真空泵旋片式真空泵水环式真空泵水环式真空泵罗茨真空泵罗茨真空泵涡轮分子泵涡轮分子泵水蒸气喷射泵水蒸气喷射泵油扩散泵油扩散泵油蒸气喷射泵油蒸气喷射泵分子筛吸附泵分子筛吸附泵溅射离子泵溅射离子泵钛升华泵钛升华泵

9、锆铝吸气剂泵锆铝吸气剂泵低温泵低温泵11051.310211056.710-111052.71031.31031.31.31.310-511051.310-11.310-21.310-71.3101.310-211051.310-11.310-31.310-91.310-21.310-91.3101.310-111.31.310-111105110511051.31031.311051.310d时，蒸时，蒸发物质分子才能发物质分子才能无阻挡无阻挡地、直线达到衬底的表面。地、直线达到衬底的表面。一般蒸发源到衬底距离一般蒸发源到衬底距离d在在30cm左右，要求真空室气体压强为左右，要求真空室气体压

10、强为10-210-4Pa，这时的平均自由程与蒸发源到基片的距离相比要大得多。，这时的平均自由程与蒸发源到基片的距离相比要大得多。衬底到蒸发源的距离衬底到蒸发源的距离d盏堆掌僵卫送缮搓间垄仑额欧香哼蕴瓢妇赊挑马卖义卒辗嚏悉攘擦帚溶歇第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 薄膜厚度的均匀性同蒸发源的形状有很大的关系。薄膜厚度的均匀性同蒸发源的形状有很大的关系。对于点蒸发源，基片平行放置在蒸发源的正上方，对于点蒸发源，基片平行放置在蒸发源的正上方，则膜厚分布为：则膜厚分布为： 其中其中d0表示点源到基片垂直点的膜厚，表示点源到基片垂直点的膜厚，h为垂直距离，为垂直距离，l为基片点距离垂为基片点距离垂直

11、点的距离，直点的距离，M为总蒸发质量，为总蒸发质量， 为物质的密度。为物质的密度。薄膜厚度的均匀性薄膜厚度的均匀性练蕴闺递渍妻岛诸梗危职视岂杭刷侯琢纶幸女肠纬名戈刊仑译倒泼悦硼贮第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积对于微小平面蒸发源，有对于微小平面蒸发源，有 煎疏新板蜜睁劳藏赏杂凄殖赋彼劝确酬隅凰祝垫捶曳药豢挺丈垒翁刨荚纯第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有三种：单源蒸发法单源蒸发法、多源同时蒸发多源同时蒸发法法和和多源顺序蒸发法多源顺序蒸发法。多组分薄膜的蒸发方法多组分薄膜的蒸发方法扳雄强槐悯款奇烬禁都琳歼痉纂耘藤汝拱

12、婪谬罢皮辟玻凑毫款铀警郝教邯第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 电阻加热蒸发电阻加热蒸发n用高熔点金属用高熔点金属(W, Mo, Ta, Nb)制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料制成的加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料n升高温度，熔解并蒸发材料升高温度，熔解并蒸发材料5.2 蒸发源加热方式蒸发源加热方式加热丝、舟或坩埚加热丝、舟或坩埚衬底架衬底架钟罩钟罩真空泵真空泵厚度监控仪厚度监控仪充气管道充气管道反应气体管道反应气体管道衬底衬底Plume蛾戈陌譬卤后缀辱尔堂茨鸽娱瞎篆芍煌夜炕您庄哟脾漏畔纺王诅魄渔拷纯第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积常用电阻加热源常用电阻加热源加热丝

13、加热丝加热舟加热舟坩埚坩埚 盒状源盒状源（Knudsen Cell）赔切亮倔凌窥芒贵汇滔蘸信忙烃筷轻苍蜀聋食淳正牛辉盯拎芹亢映懊赡眠第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 电子束蒸发源电子束蒸发源n用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料n材料置于冷却的坩埚内材料置于冷却的坩埚内n只有小块区域被电子束轰击，坩埚内部形成一个虚的只有小块区域被电子束轰击，坩埚内部形成一个虚的“坩坩埚埚”n不与坩埚材料交叉污染，清洁。不与坩埚材料交叉污染，清洁。丰愈侥晾币聚斤彝委忻仅词镀椎旨奇押酗戳戈谦丧硅榨皆任偏己翘嚣赖挎第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积电子束蒸发源蒸发电子束蒸发源蒸发坩

14、埚与材料坩埚与材料衬底衬底真空室真空室真空泵真空泵厚度监控仪厚度监控仪充气管道充气管道反应气体管道反应气体管道Plume电子枪电子枪棕惜雹角证隙害非螟忧帅蜂沼哼乒柯汪槽竹翱凡叛缉紫耗峦禁宾哩迪吾砚第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积E-GunCrucibleSubstrate fixture适门子邻哉感培筐佩坎硝辫寻肤鸵蒲斤殷勤陪震崎斡鹃嘶证贿予厘蓬空幽第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 脉冲激光源蒸发脉冲激光源蒸发n用高能聚焦激光束轰击靶材，可蒸发高熔点材料用高能聚焦激光束轰击靶材，可蒸发高熔点材料n蒸发只发生在光斑周围的局部区域蒸发只发生在光斑周围的局部区域n蒸发材料受热气化，直接从固体

15、转化为等离子体蒸发材料受热气化，直接从固体转化为等离子体n能轰击出来大尺寸的颗粒能轰击出来大尺寸的颗粒n光束渗透深度小光束渗透深度小 100 A, 蒸发只发生在靶材表面蒸发只发生在靶材表面扳朵醒瑚丰国礁凹星杆埔膏摘买蹭寂殖桅巨职堡奄历怜谈包旧型孪箱迸彝第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积脉冲激光源蒸发脉冲激光源蒸发真空泵真空泵Plume靶材靶材衬底衬底真空室真空室厚度监控仪厚度监控仪充气管道充气管道反应气体管道反应气体管道激光束激光束掘篆铭寨陇烈僳糊示淀塘庇考求叶摧纺拐旨书简木坠旭轨卞工危咽筒茎欢第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 高频感应源蒸发高频感应源蒸发通过通过高频电磁场感应高频电磁场

16、感应对装有蒸发材料的坩埚进行对装有蒸发材料的坩埚进行加加热热，直至蒸发材料气化蒸发。，直至蒸发材料气化蒸发。蒸发源由蒸发源由水冷高频线圈水冷高频线圈和石墨或陶瓷和石墨或陶瓷坩埚坩埚组成。组成。特点是：特点是： (1)蒸发速率大，可采用较大坩埚，增加蒸发表面；蒸发速率大，可采用较大坩埚，增加蒸发表面； (2)蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象；蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象； (3)温度控制精度高，操作比较简单；温度控制精度高，操作比较简单； (4)大功率高频电源，价格昂贵，且需要进行屏蔽，大功率高频电源，价格昂贵，且需要进行屏蔽，防止外界的电磁干扰。防止外界的电磁干扰。躁郊库澳

17、赡灭雁努缅骚放蜡却逃盼篮腔赖招掠线瞅坯番盂塑赖币坎吮姿寻第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.3 气体辉光放电气体辉光放电溅射：溅射：一定能量的入射离子对固体表面进行轰击，在与表面原子碰撞过程一定能量的入射离子对固体表面进行轰击，在与表面原子碰撞过程中发生能量和动量的转移，将固体表面的原子溅射出来，称这种现象为溅中发生能量和动量的转移，将固体表面的原子溅射出来，称这种现象为溅射。射。实际溅射时，一般是被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射实际溅射时，一般是被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以也称为出原子，所以也称为阴极溅射阴极溅射。辉光放电：辉光放电：溅射过程都

18、是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离子都是来源于子都是来源于气体放电气体放电，只是不同的溅射技术所采用的，只是不同的溅射技术所采用的辉光放电方式辉光放电方式有所有所不同。不同。值涸伎服憨谎加柔百慎祥颐贵焰薪凭痒泳瘦兄零揪找革掐蹬仰坎觉忌檬尔第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.3.1 直流辉光放电直流辉光放电在一圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极，里面充以气压约为几在一圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极，里面充以气压约为几Pa到几十到几十Pa的气体，在电极上加上直流电压，平板电极间的电压的气体，在电极上加上直流电压，平板电极间

19、的电压V与电流与电流I的关系如图。的关系如图。披伺山蹦惜猫涝零漱奉侗瞒陪骤侥除徘宵杨腹骤乳澜享沦挝毫新描养焦财第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积(1)无光放电区无光放电区 在一般情况下，气体基本处于在一般情况下，气体基本处于中性中性状态，只有状态，只有极少量极少量的原子受到高能宇宙射线的的原子受到高能宇宙射线的激发而电离激发而电离。 当有当有外场外场时，电离产生的离子和电子作时，电离产生的离子和电子作定向运定向运动动，运动速度随电压的增加而加快，因此，运动速度随电压的增加而加快，因此电流电流也也从零逐渐增加。从零逐渐增加。 当电极之间的电压足够大时，带电粒子的运动当电极之间的电压足够大时，带

20、电粒子的运动速度达到速度达到饱和饱和，再增加电压，到达电极的电子和，再增加电压，到达电极的电子和离子数目不变，电流也不随之增加。离子数目不变，电流也不随之增加。 由于电离量很少，宏观上表现出的由于电离量很少，宏观上表现出的电流很微弱电流很微弱，且不稳定，一般仅有且不稳定，一般仅有10-16-l0-14A，取决于气体中的，取决于气体中的电离分子数。电离分子数。 这个区域导电而不发光，称为无光放电区，如这个区域导电而不发光，称为无光放电区，如图中的图中的ab段所示。段所示。淄拧嗡绎削遗氢梅债诲荣坛侨茅赘遭坛削侮并往肆萌想黑按挚夏狭懒珠乙第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 当电极间的当电极间的电压

21、继续升高电压继续升高时，电子的运动速度加快，电时，电子的运动速度加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞，而会使子与中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞，而会使气气体分子电离体分子电离，产生正离子和电子，产生正离子和电子(作用作用)，同时正离子对，同时正离子对阴极的碰撞也将产生二次电子阴极的碰撞也将产生二次电子(作用作用) 。 新产生的电子和原有的电子继续被电场加速，在碰撞过新产生的电子和原有的电子继续被电场加速，在碰撞过程中有更多的气体分子被电离，使离子和电子数目程中有更多的气体分子被电离，使离子和电子数目雪崩式雪崩式的增加的增加，放电电流也就迅速增大，在伏安曲线上便出现汤，放电电流

22、也就迅速增大，在伏安曲线上便出现汤生放电区，如的生放电区，如的bc段所示。段所示。 在汤生放电区，电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的在汤生放电区，电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制而呈一常数。限制而呈一常数。 无光放电和汤生放电，都是以存在自然电离源为前提，无光放电和汤生放电，都是以存在自然电离源为前提，这种放电方式又称为这种放电方式又称为非自持放电非自持放电。(2)汤生放电汤生放电鞍四宰卯郴综悦瘫赦衙恒团咳登俱丙嘲骄颓余雕瘁江氯煞袒瘴杭良滋搂夏第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积上节课内容小结真空真空真空的划分：真空的划分：低真空、高真空、超高真空低真空、高真空、超高真空 气体分子密度、

23、气体压力、平均自由程气体分子密度、气体压力、平均自由程真空系统：真空系统：真空室、真空泵、真空测量规真空室、真空泵、真空测量规真空泵：真空泵：低真空泵：机械泵、低温吸附泵低真空泵：机械泵、低温吸附泵 高真空泵：扩散泵、涡轮分子泵、高真空泵：扩散泵、涡轮分子泵、 超高真空泵：离子泵、超高真空泵：离子泵、Ti升华泵升华泵真空规管：真空规管：低真空规管：热偶规、低真空规管：热偶规、pirani规规 高真空规管：离子规高真空规管：离子规耿歧扒蓝携骨扦惫浙犀拌摆应铀疗甫虫驴棋慷型秒柜似轰沛晦疚做尹劈星第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积上节课内容小结真空蒸发和溅射真空蒸发和溅射是物理气相淀积技术中最基本

24、的两种方法。是物理气相淀积技术中最基本的两种方法。蒸发的优点蒸发的优点：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄：较高的沉积速率，相对高的真空度，较高的薄膜质量等。膜质量等。蒸发法缺点蒸发法缺点：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分：台阶覆盖能力差；沉积多元合金薄膜时，组分难以控制。难以控制。溅射法特点溅射法特点：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制；：在沉积多元合金薄膜时，化学成份容易控制；沉积的薄膜与衬底附着性好。沉积的薄膜与衬底附着性好。粘今卿说颊加欢兢疚搞椅稳军劫由损失谣硼杏翱铃筋烽琼趣惟攀瘤蜜开紧第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积上节课内容小结饱饱和和蒸蒸气气压压：真空室中，

25、在一定环境温度T下，固体（或液体）与其蒸气达到相平衡时气体的压力。 同一物质，温度升高，饱和蒸气压增大同一物质，温度升高，饱和蒸气压增大 ； 不同物质，饱和蒸气压大，说明该物质容易蒸发。不同物质，饱和蒸气压大，说明该物质容易蒸发。点源，膜厚分布为：点源，膜厚分布为： 薄膜厚度的均匀性：薄膜厚度的均匀性：同蒸发源的形状有很大的关系。同蒸发源的形状有很大的关系。对于微小平面蒸发源，有对于微小平面蒸发源，有 姨掖究男诉擞菠吃握唉修持湃熔静调仔殷铸拦极惊愧颗样杨郴泊拷锁挑迪第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积上节课内容小结 电阻加热蒸发：欧姆热，最简单、常用电阻加热蒸发：欧姆热，最简单、常用蒸发源加热

26、方式蒸发源加热方式 电子束蒸发源：高能聚集电子束，微区，虚坩埚避免交叉污染电子束蒸发源：高能聚集电子束，微区，虚坩埚避免交叉污染 脉冲激光源蒸发：高能聚集激光束，高熔点材料，局部区域，脉冲激光源蒸发：高能聚集激光束，高熔点材料，局部区域， 入射深度小，蒸发只发生在靶材表面入射深度小，蒸发只发生在靶材表面 高频感应源蒸发：蒸发速率大，温度均匀，价格贵，需屏蔽高频感应源蒸发：蒸发速率大，温度均匀，价格贵，需屏蔽年蒲冻顷剁豌稽堆倍仙骄砚逻棉纪迫烛芹买杠溅肆琶郧蛋油充荡竹惭贴绵第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积(3)辉光放电辉光放电在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电流大幅度增加，同时放电电

27、压显著下降。在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。放电的着火点放电的着火点 c点点，放电区只是阴极边缘和不规则处，放电区只是阴极边缘和不规则处前期辉光放电前期辉光放电 cd段段，电流增加而电压下降，产生负，电流增加而电压下降，产生负阻现象，这是因为气体被击穿，气体内阻将随着电离度阻现象，这是因为气体被击穿，气体内阻将随着电离度的增加而显著下降。的增加而显著下降。正常辉光放电区正常辉光放电区 de段段，电流的增加与电压无关，只，电流的增加与电压无关，只与阴极上产生辉光的表面积有关。在这个区域内，阴极与阴极上产生辉光的表面积有关。在这个区域内，阴极的有效放

28、电面积随电流增加而增大，而阴极有效放电区的有效放电面积随电流增加而增大，而阴极有效放电区内的电流密度保持恒定。内的电流密度保持恒定。在这一阶段，在这一阶段，导电的粒子数目大大增加，在碰撞过程中导电的粒子数目大大增加，在碰撞过程中转移的能量也足够高转移的能量也足够高，因此会产生，因此会产生明显的辉光明显的辉光，维持辉，维持辉光放电的电压较低，而且不变。光放电的电压较低，而且不变。气体击穿之后，电子和正离子来源于电子的碰撞和正离气体击穿之后，电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击使气体电离，即使不存在自然电离源，放电也子的轰击使气体电离，即使不存在自然电离源，放电也将继续下去。这种放电方式又称

29、为将继续下去。这种放电方式又称为自持放电自持放电。房腿吭脖隘郴晌丢通漠屁礁棠寿秀涨渠荡认柏村蛮沈铺他污览传滋耍姨窘第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 反常辉光放电反常辉光放电 ef段段，电流增大时，两个极，电流增大时，两个极板之间电压升高，而且阴极电压降的大小与板之间电压升高，而且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。电流密度和气体压强有关。e点时，辉光已布满整个阴极，再增加电流时，点时，辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，与阴极间距离缩短。靠拢，与阴极间距离缩短。此时要想提高电流密度，必须增大阴极压降此时要

30、想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。产生更多的二次电子才行。(4)反常辉光放电反常辉光放电由于正常辉光放电时的电流密度仍然比较小，溅射区域一般选在反常辉光放电区。由于正常辉光放电时的电流密度仍然比较小，溅射区域一般选在反常辉光放电区。灌溯晋赂缠别扰锐写择战锥婴腑淆梯景铁而垫醚畔脊馁绎高菩诀怂谓土篓第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积电弧放电电弧放电 fg fg段：段：随着电流的继续随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流急剧增加，这时的放电下降，电流急剧增

31、加，这时的放电现象开始进入电弧放电阶段。现象开始进入电弧放电阶段。(5)电弧放电电弧放电改盟诉梭嘲旧挝哲炮蝴违绸详轰奉爱蔡圾桅沾读桥跌冻默维诚及卉属葵谈第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积在辉光放电时，整个放电管将呈现明暗相间在辉光放电时，整个放电管将呈现明暗相间的光层，从阴极至阳极之间，整个放电区域的光层，从阴极至阳极之间，整个放电区域可以被划分可以被划分八个发光强度不同的区域八个发光强度不同的区域。暗区暗区相当于离子和电子从电场获得能量的加相当于离子和电子从电场获得能量的加速区，而速区，而辉光区辉光区相当于不同粒子发生碰撞、相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。复合、电离的区域。这种放

32、电击穿之后具有一定导电能力的气体这种放电击穿之后具有一定导电能力的气体称为称为等离子体等离子体，是一种由正离子、电子、光，是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的所组成的混合气体混合气体，而且正、负带电粒的数，而且正、负带电粒的数目相等，宏观上呈现目相等，宏观上呈现电中性电中性的物质存在形态。的物质存在形态。兜炯浮彝衰猩裸恬颧甫搀舱惮僧郡胁衫棍企淄航粒唆俗噪嚎屋富俄胆句齿第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积直流辉光放电的各种阴极形式直流辉光放电的各种阴极形式冠檄秒绘层乡粒夜捆官挝窿碟午枉翟胳熄粗喘靡亥咽循拄式猛隅冯耙痹隘第五章

33、物理气相沉积第五章物理气相沉积u在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，带电粒子不容易到达电极和器壁而离开放电空间，相对地而离开放电空间，相对地减少了带电粒子的损失减少了带电粒子的损失。u在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量使气体分子在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量使气体分子电离，只要有电离，只要有较低的电场就可以维持放电较低的电场就可以维持放电。u阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。而在直流放电中，离子。而在直流放电中，

34、离子对阴极碰撞所产生的二次电子发射对维持放电是不可忽略的。对阴极碰撞所产生的二次电子发射对维持放电是不可忽略的。u射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，电极可以是导体，也可是绝缘体也可是绝缘体。 5.3.2 射频辉光放电射频辉光放电射频放电的激发源有两种：一种是用高频电场直接激发的，称为射频放电的激发源有两种：一种是用高频电场直接激发的，称为E型放电；另一种是型放电；另一种是用高频磁场感应激发的，称为用高频磁场感应激发的，称为H型放电。型放电。 直流辉光放电是在直流稳定电场或低频交变电场作用下产生的气体放电现

35、象。直流辉光放电是在直流稳定电场或低频交变电场作用下产生的气体放电现象。 在一定气压下，当阴阳极之间所加在一定气压下，当阴阳极之间所加交变电压的频率在射频范围交变电压的频率在射频范围时，就会产生稳定时，就会产生稳定的的射频辉光放电射频辉光放电其特点是：其特点是：聘跑龟恶知捶概夺驰橡侯茬预跃浦代墨仑缘影碗九据抨删疗伟隅逢坛语慌第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.4 溅射溅射离子对物体表面轰击时可能发生四种情况，离子对物体表面轰击时可能发生四种情况，如图。如图。 溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。其中每种物理过程的相对的物理过程之一。其中每

36、种物理过程的相对重要性重要性取决于入射离子的能量取决于入射离子的能量。 利用不同能量离子与固体的作用过程，不利用不同能量离子与固体的作用过程，不仅可以实现对于物质原子的溅射，还可以实仅可以实现对于物质原子的溅射，还可以实现离子注入、离子的卢瑟福背散射等现象。现离子注入、离子的卢瑟福背散射等现象。 溅射现象是在辉光放电中观察到的。溅射现象不仅能制备薄膜，而溅射现象是在辉光放电中观察到的。溅射现象不仅能制备薄膜，而且可以对固态表面进行清洁处理，在等离子刻蚀中广泛应用。且可以对固态表面进行清洁处理，在等离子刻蚀中广泛应用。庄太哉昔哇刺眠炕默烁碘妨镐拉拟祸柠看匀舀旁虱采阂可髓顶菇帜映盾郡第五章物理气相

37、沉积第五章物理气相沉积 与蒸发法相比，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很与蒸发法相比，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递。因此，溅射出的大能量的传递。因此，溅射出的原子从溅射过程中获得很大原子从溅射过程中获得很大的动能的动能。 由于能量的增加，可以由于能量的增加，可以提高溅射原子在淀积表面上的迁提高溅射原子在淀积表面上的迁移能力移能力、改善了台阶覆盖改善了台阶覆盖和和薄膜与衬底之间的附着力薄膜与衬底之间的附着力。匠中罕京嘿藤宝魂馏艇耙翁酞乖霓增盾向妈憾操迷捷忽倡位泳表列媳枕琴第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.4.1 溅射特性溅射特性溅射率溅射率u 入射离子能量对溅射率有很大的

38、影响入射离子能量对溅射率有很大的影响。u 只有当入射离子的能量超过一定能量只有当入射离子的能量超过一定能量(溅射阈值溅射阈值)时，才能发生溅射，每种物质的溅射阈值与被时，才能发生溅射，每种物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。溅射物质的升华热有一定的比例关系。u 随着随着入射离子能量的增加，溅射率先是增加入射离子能量的增加，溅射率先是增加，其后是一个平缓区，其后是一个平缓区，当离子能量继续增加时当离子能量继续增加时，溅射率反而下降，此时发生了溅射率反而下降，此时发生了离子注入离子注入现象。现象。溅射率与入射离子能量的关系溅射率与入射离子能量的关系穗僚喝坚妊着背川牙缕暂梆赛利专还磅

39、以阁蛇惜逝稼细裤截颈摔县霞傲淘第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 一方面，溅射率一方面，溅射率S依赖于入射离子的原依赖于入射离子的原子量，子量，原子量越大，则溅射率越高原子量越大，则溅射率越高。 溅射率也与入射离子的溅射率也与入射离子的原子序数原子序数有密有密切的关系，呈现出随离子的原子序数周切的关系，呈现出随离子的原子序数周期性变化关系，凡期性变化关系，凡电子壳层填满的元素电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大作为入射离子，则溅射率最大。 因此，惰性气体的溅射率最高，因此，惰性气体的溅射率最高，氩通氩通常被选为工作气体常被选为工作气体，氩被选为工作气体，氩被选为工作气体的另一个原因是

40、可以避免与靶材料起化的另一个原因是可以避免与靶材料起化学反应。学反应。溅射率与入射离子种类的关系溅射率与入射离子种类的关系告凯秸寅屉蕊棕毗钒呛豌责凤羡忱适精吨皋灶哑诱乞悲彪答紊行言障戏颐第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积5.4.2 溅射方法溅射方法具体溅射方式较多：具体溅射方式较多：直流溅射直流溅射 ( 导电材料导电材料 ) ；射频溅射射频溅射( 可绝缘介质材料可绝缘介质材料 )；磁控溅射：磁控溅射：反应溅射反应溅射(氧化物、氮化物氧化物、氮化物) ；离子束溅射；离子束溅射；偏压溅射等。偏压溅射等。弹卖蔓我圭晾辛豪羡墙鬼锁贿袜蜕辟叛狼刊泰弊洽巴宋毁税收悼糜顷俯蓄第五章物理气相沉积第五章物理气

41、相沉积直流溅射直流溅射 直流溅射常用直流溅射常用Ar气作为工作气体。气作为工作气体。 工作气压是一个重要的参数，它对工作气压是一个重要的参数，它对溅射率以及薄膜的质量都有很大的影溅射率以及薄膜的质量都有很大的影响。响。田辖镇蛰韵恨高皂追楷腕正咯振器银伍槐四魄圣贡煌错乳消肃筹屿燥诈场第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积u在较低的气压条件下，溅射率较低。在较低的气压条件下，溅射率较低。u随着气体压力的升高，电子的平均自由随着气体压力的升高，电子的平均自由程减少，原子的电离几率增加，溅射电流程减少，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率提高。增加，溅射速率提高。u但当气体压力过高时，溅射出来的靶

42、材但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，因而其淀积到衬底上的几率反而下散射，因而其淀积到衬底上的几率反而下降。降。u因此随着气压的变化，溅射淀积的速率因此随着气压的变化，溅射淀积的速率会出现一个极值。会出现一个极值。u此外，淀积速率与溅射功率此外，淀积速率与溅射功率(或溅射电或溅射电流的平方流的平方)成正比、与靶材和衬底之间的成正比、与靶材和衬底之间的间距成反比。间距成反比。闪邮剧第听箩设迢撰闺吊供颂后落米侄霹沁硫刹轰钙樊础翌一渝措熙霉谍第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 直流溅射直流溅射方法的前提之一是方法的前提之一

43、是靶材应具有较好的导电性靶材应具有较好的导电性。 射频溅射射频溅射是一种能是一种能适用于各种金属和非金属材料适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法。的一种溅射淀积方法。 在两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式在两个电极之间接上高频电场时，因为高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入淀积室，不必要求电极一定是导电体。耦合进入淀积室，不必要求电极一定是导电体。 射频方法可以在靶材上产生自偏压效应即在射频电场起作用的同时，靶射频方法可以在靶材上产生自偏压效应即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。材会自动地处于一个负电

44、位，这将导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。 在实际应用中，射频溅射的交流辉光放电是在在实际应用中，射频溅射的交流辉光放电是在l 3.56MHz下进行的。下进行的。 射频溅射射频溅射聂糖搁季拭儿梢蛹涵纤肄提绢鸯栽颗被妇岁绽擞段跌池运闪冕答钉才昭垃第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积 在射频电场中电子的运动速度比离子在射频电场中电子的运动速度比离子的速度高很多，因而对于射频电极来说，的速度高很多，因而对于射频电极来说，它它在正半周期内作为正电极接受的电子在正半周期内作为正电极接受的电子电量将比在负半周期作为负电极接受的电量将比在负半周期作为负电极接受的离子电量多得多离子电量多得多。 经过几个周

45、期之后，该电极上将带有经过几个周期之后，该电极上将带有相当数量的负电荷而相当数量的负电荷而呈现负电位呈现负电位。导致导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射气体离子对其产生自发的轰击和溅射。射频电压通过一个电容射频电压通过一个电容C被耦合到了靶材上。被耦合到了靶材上。珠恿贾任肥卫亩湃谭犹豫月睹递驮坎丹拿辩毫旬钉躁进蜜殊腮各矣幅傈屋第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积磁控溅射磁控溅射 上述溅射淀积方法具有两个缺点：上述溅射淀积方法具有两个缺点：淀积淀积速率较低速率较低；溅射所需的；溅射所需的工作气压较高工作气压较高，造，造成气体分子对薄膜产生污染。成气体分子对薄膜产生污染。 如图，在靶材的部分表面上

46、方使磁场与如图，在靶材的部分表面上方使磁场与电场方向垂直，从而进一步电场方向垂直，从而进一步将电子的轨迹将电子的轨迹限制到靶面附近，提高电子碰撞和电离的限制到靶面附近，提高电子碰撞和电离的效率效率，而不让它去轰击作为阳极的衬底。，而不让它去轰击作为阳极的衬底。 这种方法这种方法淀积速率淀积速率可以比其他溅射方法可以比其他溅射方法高一个数量级高一个数量级，工作气压可以明显降低，工作气压可以明显降低，一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面也将提高入射到衬底表面原子的能量，在也将提高入射到衬底表面原子的能量，在很大程度上很大程度上改善薄膜的质量改善薄膜的质量。弊诽瘫

47、奎终乳域僚暗东逾瞥沿南瓶振垦卓求附贯苔际炳措猿休瘟啊涩术垒第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积反应溅射反应溅射u采用以纯金属作为溅射靶材，但在工作采用以纯金属作为溅射靶材，但在工作气体中通入适量的气体中通入适量的活性气体活性气体，使其在溅射，使其在溅射淀积的同时生成特定的化合物，这种淀积的同时生成特定的化合物，这种在淀在淀积的同时形成化合物积的同时形成化合物的溅射技术被称为的溅射技术被称为反反应溅射方法应溅射方法。u缺点：缺点： 随着活性气体压力和溅射功率的增加，随着活性气体压力和溅射功率的增加，靶材表面也可能形成一层化合物，这可能靶材表面也可能形成一层化合物，这可能会降低材料的溅射和淀积速率

48、。会降低材料的溅射和淀积速率。利用化合物直接作为靶材可以实现多组分薄膜的沉积，但是有时候化合物利用化合物直接作为靶材可以实现多组分薄膜的沉积，但是有时候化合物在溅射过程中会发生分解。在溅射过程中会发生分解。设灸营挟醉页孜悠蒲筷厘辩诬甲邯闪花琳厕础祖耕显拘刀漂能辊疼雀味吁第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积第五章作业第五章作业1.物理气相沉积2.采用蒸发工艺进行薄膜沉积时，蒸发源的加热方式主要有几种？各自的特点是什么？3.什么是溅射？4.离子对物体表面轰击时可能发生几种情况，溅射和离子注入都是可能发生的物理过程之一，这主要取决于什么？5.溅射主要分为几种溅射方式？各自的特点是什么？6.两种PVD技术（蒸发和溅射）的特点各是什么？敢贼部仅琅羡抹执喉垄磐艳矣咽瘪归咏透晌领赞同掩寇嗜做误剧撕庇敏釉第五章物理气相沉积第五章物理气相沉积