薄膜制备技术PVD溅射课件

1、薄膜制备技术PVD溅射薄膜制备技术PVD溅射薄膜制备技术PVD溅射1853年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因 。1902年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的。 溅射物理的发展史20世纪30年代，出现利用溅射现象在实验室制取薄膜。20世纪60年代，Bell实验室和Western Electric公司用溅射制取集成电路用Ta薄膜，开始了溅射在工业上的应用。1974年，J.Chapin发表平面磁控溅射装置文章，实现高速、低温镀

2、膜。1853年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的器 当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个，其一是物质的溅射，其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。 荷能粒子与表面的相互作用 当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象离子轰击引起的各种效应离子轰击引起的各种效应离子轰击固体表面所产生的各种效应及发生几率离子轰击固体表面所产生的各种效应及发生几率 溅射产额及影响因素溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即 溅射产额及影响因素溅射

3、过程可以用溅射产额这个物理量来定量地(1) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。a、入射离子能量(1) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离（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1040eV，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。（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薄膜制备技术PVD溅射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

4、产额呈现明显的周期性。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。下图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag、Cu、Tc、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的增加，溅射产额先呈现1/cos 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，当入射角接近70-

5、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。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d、靶材温度对溅射产额的影响 在一定的温度范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。但是，当温度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。原因可能与温度升高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阀值减小有关。因此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射靶材的温升。Xe+对几种样品轰击时，溅射产额与温度的关系d、靶材温度对溅射产额的影响Xe+对几种样品轰击时，溅射产额 选择溅射现象对合金和化合物等多原子固体的溅射中，由于构成固体的元素彼此之间的溅射产

6、额不同，被溅射后，固体表面组分和溅射前组分相比，发生变化，这种现象称为选择溅射现象。但是，在不考虑靶温升引起材料原子的扩散，以及基片薄膜原子的再蒸发情况下，选择溅射现象不明显，通过溅射可获得和靶成分相同的溅射膜。相对于蒸发镀膜而言，合金和化合物的溅射沉积镀膜，薄膜和靶材成分的一致性要好的多。基于以下两方面原因： （1）不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压相差太大； （2）更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流，从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快

7、就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应：溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射速率上升。最终的结果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物质的成分却与靶材的原始成分相同。 选择溅射现象对合金和化合物等多原子固体的溅射中，由于构成固 溅射的机制（1）经典的热蒸发机制：溅射是由于入射粒子的能量使靶表面局部升温，使靶原子蒸发，此过程是能量转移过程，为“标量”过程（2）动量转移机制：溅射是由于入射粒子与靶表面原子碰撞产生动量传递而引起的，此过程是动量转移过程，为“矢量”过程溅射原子的角分布不象热蒸发原子那样符合余弦规律，单晶靶溅

8、射趋向于集中在晶体原子密排方向溅射产额不仅决定于轰击离子能量，也决定于其质量与靶原子质量比离子能量很高时，溅射产额会减少溅射原子能量比热蒸发原子能量高许多倍动量传递机制成立的实验基础 溅射的机制（1）经典的热蒸发机制：溅射是由于入射粒子的能量 溅射法的主要特点 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的主要特点有：在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因此溅射出的原子将从中获得很大的能量，在沉积时，高能量的原子对衬底的撞击提高了原子自身在薄膜表面的扩散能力，使薄膜的组织更致密、附着力也得到明显改善。当然这也会引起衬底温度的升高。制备合金薄膜时，成分的控制性能好。溅射靶材可以是极难熔的材料。因此

9、，溅射法可以方便地用于高熔点物质的溅射和薄膜的制备。可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度。 溅射法的主要特点 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

10、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。气体放电现象 气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放

11、电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具气体放电伏安特性曲线气体放电伏安特性曲线电压很小时，只有很小电流通过：加大电压进入汤生放电区；“雪崩”，进入“正常辉光放电区”离子轰击区覆盖整个阴极表面，再增加功率进入“非正常辉光放电区”，溅射工艺的工作点选在此区：继续增加功率，达到新的击穿，进入低电压大电流的“弧光放电区”电压很小时，只有很小电流通过：辉光放电现象辉光放电意味着气体分子形成了等离子体，此时放电过程进入了可以自持的阶段。辉

12、光放电的巴邢曲线气体的放电击穿需要一定的压力条件：气体压力过低或电极间距过小，电子容易跨越电极之间的空间而没有发生与气体分子的碰撞；压力过高，电子和气体的碰撞过于频繁，此时电子获得的能量较低，不足以引起气体分子的电离。只有气体压力与电极间距的乘积pd为某一数值时，气体最容易发生放电击穿。辉光放电现象辉光放电意味着气体分子形成了等离子体，此时放电过等离子体鞘层辉光放电等离子体中电离粒子的密度和平均能量均较低，而放电的电压则较高，此时质量较大的离子、中性原子和原子团的能量远远小于质量极小的电子的能量，这是因为电子由于质量小极易在电场中加速而获得能量。不同粒子还具有不同的平均速度电子速度：9.5*1

13、05ms-1， Ar离子和Ar原子：5*102ms-1电子和离子具有不同的速度的一个直接结果是形成所谓的等离子体鞘层（典型厚度约为100mm），即相对于等离子体来说，任何位于等离子体中或附近的物体都自动地处于负电位，并且在其表面将伴随有正电荷的积累。等离子体鞘层辉光放电等离子体中电离粒子的密度和平均能量均较低直流溅射射频溅射磁控溅射离子束溅射其他溅射法 溅射沉积方法 溅射沉积方法 直流溅射又称阴极溅射或二极溅射。 直流溅射的基本原理： 在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞

14、向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。直流溅射 直流溅射又称阴极溅射或二极溅射。直流溅射直流溅射装置示意图直流溅射原理图直流溅射装置示意图直流溅射原理图溅射条件： 工作气压10Pa，溅射电压1000V，靶电流密度0.5mA/cm2, 薄膜沉积率低于0.1m/min。工作气压对溅射速率的影响 气压低，电子自由程较长，通过碰撞而引起的气体分子电离的几率较低，同时离子在阳极上溅射时发出二次电子的几率也相对较小。这些导致溅射速率很低；随气压升高，溅射速率提高；气压过高时，溅射出来的原子在飞向衬底的过程中受过多的

15、散射，部分溅射原子甚至被散射回靶材表面沉积下来，因此溅射速率反而下降。溅射条件：溅射沉积速度与工作气压的关系溅射沉积速度与工作气压的关系 直流溅射装置的改进 在直流二极溅射的基础上，增加一个发射电子的热阴极和一个辅助阳极，构成三极（或称四极）溅射装置。四极溅射示意图直流溅射装置的缺点： 不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流以及溅射气压；使用的气压较高（10Pa左右），溅射速率低，薄膜质量（致密度、纯度）差。 直流溅射装置的改进四极溅射示意图直流溅射装置的缺点：特点：由于热阴极发射电子的能力较强，因而放电气压可以维持在较低水平上，这对于提高沉积速率、减少气体污染等都是有利的。此时提高辅助阳

16、极的电流密度即可提高等离子体的密度和薄膜的沉积速率，而轰击靶材的离子束流又可以得到独立的调节。缺点：难于获得大面积且分布均匀的等离子体，且在提高薄膜沉积速率方面的能力有限。特点：缺点： 适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。 射频溅射的基本原理两极间接上射频（530MHz，国际上多采用13.56MHz）电源后，两极间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（10Pa左右）产生二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压（ 1Pa左右）下进行，沉积速率也因此时气体散射少而较二极溅射为高；高

17、频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导体；由于射频方法可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射，而在衬底上自偏压效应很小，气体离子对其产生的轰击和溅射可以忽略，将主要是沉积过程。射频溅射 适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。两射频溅射装置示意图射频溅射装置示意图射频电场对于靶材的自偏压效应: 由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离子体近旁的任何部位都处于负电位。 设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它既可作为阳极接受电子

18、，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位，此负电位对电子产生排斥作用。 设等离子电位为Vp（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为0）对等离子的电位差为-Vp，设靶电极的电位为Vc（是一个负值），则靶电极相对于等离子体的电位差为Vc-Vp。 |Vc-Vp|幅值要远大于| -Vp|。因此，这一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成

19、持续的溅射。射频电场对于靶材的自偏压效应:（2）溅射条件：工作气压1.0Pa，溅射电压1000V，靶电流密度1.0mA/cm2,薄膜沉积速率低于0.5m/min。（3）射频溅射法的特点能够产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射，并沉积在衬底上；自发产生负偏压的过程与所用靶材是否是导体无关。但是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至靶材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏压；与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能量直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应的靶电压较低。（2）溅射条件：工作气压1.0Pa，溅射电压1000V，靶电 相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有的两

20、个缺点：a、沉积速率较蒸发法低；b、所需工作气压较高，否则电子的平均自由程太长，放电现象不易维持。从而导致薄膜被污染的可能性较高。磁控溅射法则因为其沉积速率较高（比其他溅射法高出一个数量级），工作气体压力较低而具有独特的优越性。（1）磁控溅射的基本原理在二极溅射装置上加一与电场E的正交磁场B,当电子在正交电磁场中运动时，由于受到洛仑兹力的影响，电子的运动将由直线运动变成摆线运动，如图所示。电子将可以被约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率。这样，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以显著提高溅射效率和沉积速率。 磁控溅射 相对于蒸发沉积来说，一般

21、的溅射沉积方法具有的两个缺点： 薄膜制备技术PVD溅射（2）磁控溅射设备根据靶材形状不同，磁控溅射可以有许多形式，常用的主要有：平面磁控靶、圆柱磁控靶。a、平面磁控靶（2）磁控溅射设备薄膜制备技术PVD溅射b、圆柱磁控靶电子约束在靶的表面附近，靶材的利用率高。电子运动轨道柱状靶SN样品架Bb、圆柱磁控靶电子运动轨道柱状靶SN样品架B（）磁控溅射的特点a、工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；b、维持放电所需的靶电压低；c、电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉积温度；d、空易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。（4）磁控溅射缺点： a、对靶材的溅射不均匀；b、不适合铁磁材料

22、的溅射，如果铁磁材料，则少有漏磁，等离子体内 无磁力线通过；（）磁控溅射的特点磁控溅射法的改进 非平衡磁控溅射法普通的磁控溅射阴极的磁场集中于靶面附近的有限的区域内，基片表面没有磁场，称平衡磁控溅射阴极1985年Window提出增大普通的磁控溅射阴极的杂散磁场，从而使等离子体范围扩展到基片表面附近的非平衡磁控溅射阴极如果通过阴极的内外两个磁极端面的磁通量不等，则为非平衡磁控溅射阴极，非平衡磁控溅射阴极磁场大量向靶外发散采用非平衡磁控溅射法，有意识地增大（或减小）靶中心的磁体体积，造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这时等离子体的作用扩展到了衬底附近，而部分电子被加速射向衬底，同时在此过程中

23、造成气体分子电离和部分离子轰击衬底，保持适度的离子对衬底的轰击效应，以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。磁控溅射法的改进 非平衡磁控溅射法普通的磁控溅射阴极的磁薄膜制备技术PVD溅射普通的磁控溅射阴极的磁场将等离子体约束在靶面附近，基片表面附近的等离子体很弱，只受轻微的离子和电子轰击。非平衡磁控溅射阴极磁场可将等离子体扩展到远离靶面的基片，使基片浸没其中，因此又称“闭合磁场非平衡溅射”（Closed-field Unbalanced Magnetron Sputtering,CFUBMS),可以以高速率沉积出多种材料的、附着力强的高质量薄膜。这有利于以磁控溅射为基础实现离子镀，有可能使磁控溅射

24、离子镀与阴极电弧蒸发离子镀处于竞争地位。普通的磁控溅射阴极的磁场将等离子体约束在靶面附近，基片表面附用化合物靶采用射频溅射方式可以得到绝缘的化合物薄膜，但是由于选择溅射的原因，薄膜成分和化合物靶通常存在偏离。采用金属靶，积极主动地在放电气体中混入活性气体，可以制备成分和性质可控的化合物薄膜，这种方法称为反应溅射。反应溅射机制的三种模型：（1）在靶面上由表面沿厚度方向的反应模型（2）由吸附原子在靶面上的反应模型（3）被溅射原子的捕捉模型 反应溅射用化合物靶采用射频溅射方式可以得到绝缘的化合物薄膜，但是由于反应溅射中的靶中毒现象随着活性气体压力的增加，靶材表面可能形成一层化合物，并导致溅射和薄膜沉

25、积速率的降低的现象溅射速率随反应气体流量的变化曲线Reactive gas flowSputtering rateReactive ModeMetallic ModeTransition ModeABCDE反应溅射中的靶中毒现象溅射速率随反应气体流量的变化曲线Rea直流反应溅射存在的缺点：（1）靶中毒 溅射和沉积速率降低，薄膜结构和成分波动（2）阳极消失 阳极表面的化合物阻塞电荷传导通路，造成电荷不断积累，最终阳极消失，放电现象不稳定（3）靶面和电极间打火 靶材和阳极表面导电性能恶化使电荷积累加剧，最后造成化合物层的放电击穿，在靶面形成弧光放电，易引起颗粒喷溅直流反应溅射存在的缺点：（1）靶中

26、毒中频溅射和脉冲溅射在反应溅射时，靶面上非溅射区以及阳极表面会首先出现化合物层，当反应气体分压较高时，靶面的溅射区也会因为形成化合物而进入反应模式。这时，轰击靶面的离子以及轰击阳极的电子会由于得不到中和而积累起来，并建立越来越强的局域电场。在靶电压不增加的情况下，气体放电会越来越困难，辉光放电中断，而增加靶电压又会在靶面的局部地方出现电弧放电击穿现象。导致上述问题的原因在于电荷的 积累，所以每隔一段时间让靶面电荷释放一次，就可以避免靶面打火现象。所以实际中可以采用对溅射靶施加交变电压的方法，使靶积累电荷不断释放，从而解决以上问题。采用交变电源为正弦波电源的称为中频溅射（10-150kHz）采用

27、矩形脉冲电源的称为脉冲溅射法（几十kHz）中频溅射和脉冲溅射在反应溅射时，靶面上非溅射区以及阳极表面会中频溅射常采用于两个并排放置、形状相同的磁控靶的溅射，这样的两个靶称为孪生靶，它们各自与电源的一极相连，并与整个真空室绝缘。溅射中，两个靶交替作为阴极和阳极。优点：抑制了靶面打火现象克服了阳极消失难题溅射过程更加稳定有较高的溅射功率和薄膜沉积速率不需要复杂的阻抗匹配电路中频溅射常采用于两个并排放置、形状相同的磁控靶的溅射，这样的中频电源+衬底磁控靶进气口中频电源+衬底磁控靶进气口 偏压溅射在一般溅射装置的基础上，将衬底电位与接地阳极（真空室）的电位分开设置，在衬底和等离子体之间有目的地施加一定

28、大小的偏置电压，吸引一部分离子流向衬底，从而改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量，最终达到改善薄膜微观组织和性能的目的。 偏压溅射在一般溅射装置的基础上，将衬底电位与接地阳极（真空离子束溅射（1）离子束溅射薄膜沉积装置示意图（2）离子束溅射的基本原理 产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供一定的束流强度、一定能量的Ar离子流。离子束以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近，用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携带的电荷。离子束溅射（1）离子束溅射薄膜沉积装置示意图（2）离子束溅射薄膜制备技术

29、PVD溅射薄膜制备技术PVD溅射双离子束溅射技术双离子束溅射技术双离子束溅射技术是在单离子束溅射技术的基础上发展起来的，两个离子源即可独立地工作也可彼此相互合作。对于大多数光学应用，主离子源和上面描述的单个离子源的功能相同，辅助离子源有下面描述的补充功能：(1) 基片的清洗和修整：因为对于薄膜的沉积，基片的预处理是很重要的一步，在沉积薄膜之前，通过利用辅助离子源对基板的轰击，可以将吸附气体、粘附粒子从基板上一起除去，并且也可以对极板的表面进行修整。(2) 吸收的改善和薄膜的修整：除了污染和色心缺陷，薄膜吸收损耗的一个重要原因就是化学计量比的偏离。除此之外，化学性质的不稳定和应力的存在也加速了薄

30、膜的老化，并且导致了薄膜性能的不可靠问题的产生。所有这些因素都很难控制到一个比较高的精度，但是通过辅助离子源对薄膜的轰击，可以使薄膜的质量得到实质性的改善。双离子束溅射技术是在单离子束溅射技术的基础上发展起来的，两个运用活性的惰性气体离子去均匀撞击薄膜的表面，可使膜层进一步致密，使得薄膜的折射率接近于体材。它也能通过消除由晶核的形成而导致的微结构和多孔，从而使薄膜为无定型态。(3) 化学计量比的调整：利用辅助离子源将反应气体的离子准直打到基片上，并且通过精确控制到达基片的反应气体的速率，来调整薄膜成分的化学计量比。例如，通过改变氮化硅的比例常数x 的值，来改变SiNx 薄膜的折射率，因而可得到

31、在红外波段的滤光片。再者，通过辅助离子源将氧气和氮气按可变的比例混合，理想波长的减反射膜可由(SiO2)x(Si3N4)1-x 混合物组成。在离子束溅射技术的应用中，多离子源（达到4 个）可应用到像高温超导薄膜这样的多成分薄膜的制备，同时也能用来制备比较复杂薄膜。运用活性的惰性气体离子去均匀撞击薄膜的表面，可使膜层进一步致（3）特点 a、气体杂质小，纯度高，因为溅射是在较高的真空度条件下进行的。 b、由于在衬底附近没有等离子体的存在，因此也就不会产生等离子轰击导致衬底温度上升、电子和离子轰击损伤等一系列问题。 c、由于可以用到精确地控制离子束的能量、束流大小与束流方向，而且溅射出的原子可以不经

32、过碰撞过程而直接沉积薄膜，因而离子束溅射方法很适合于作为一种薄膜沉积的研究手段。（4）缺点 装置过于复杂，薄膜的沉积速率较低，设备运行成本较高。（3）特点考夫曼离子源从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速，与气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成等离子体。该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子束。每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。 特点：可以提供高强度、能量可变、能量一致性好、方向发散角小的离子束，工作真空度低。考夫曼离子源特点：可以提供高强度、能量可变、能量一致性好、方

33、考夫曼离子源结构示意图考夫曼离子源结构示意图霍尔离子源也是以热阴极发射电子引发气体放电的离子源，与考夫曼离子源不同之处在于，它没有改善离子束方向性的栅极板该源由阴极、阳极、气体分配器、磁场组成。其离子源工作在辉光放电模式下。 气体分子由离子源后部进入电离室，与由阴极发出、沿磁力线方向飞向阳极的电子发生碰撞，在电离室电离形成等离子体。电离形成的正离子受到电场加速作用飞向阴极。特点：结构简单，工作可靠，适合低能大束流离子束；缺点：离子束具有一定的能量分布和角度分布。由于灯丝在离子源外部，会受到整个沉积系统气体压力的影响。霍尔离子源气体分子由离子源后部进入电离室，与由阴极发出、沿磁霍尔离子源结构示意

34、图霍尔离子源结构示意图物理汽相沉积技术-离子镀以电子束热蒸发提供沉积源物质，同时以衬底为阴极、整个真空室作阳极组成的直流二极溅射系统。沉积前和沉积中用离子流对衬底和薄膜表面进行处理。沉积中蒸发物质与等离子体相互作用，并发生部分电离，从而在两极间加速并沉积在衬底上。沉积中要保证离子轰击产生的溅射速度低于蒸发沉积的速度直流二极放电离子镀离子镀是结合蒸发和溅射两种薄膜沉积技术的复合方法。物理汽相沉积技术-离子镀以电子束热蒸发提供沉积源物质，同时以优点：所制备的薄膜与衬底之间具有良好的附着力，并且薄膜致密。 因为在蒸发前和蒸发中离子对衬底和薄膜表面，可以在薄膜和衬底之间形成粗糙洁净的界面，并且形成均匀

35、致密的薄膜结构和抑制柱状晶生长，前者可以提高薄膜附着力，后者可以提高薄膜致密性、细化薄膜微观组织提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力，或者说提高薄膜沉积过程的绕射能力 与纯粹的蒸发沉积相比，在离子镀进行过程中，沉积原子将从与离子的碰撞中获得一定的能量，加上离子本身对薄膜的轰击，这些均会使原子在沉积至衬底表面时具有更高的动能和迁移能力。优点：提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力，或者说提高薄膜沉积空心阴极离子镀及多弧离子镀原理与二极直流放电离子镀相同，只是用空心阴极电子枪代替了普通电子枪采用多个阴极电弧源组合成的离子镀设备称多弧离子镀优点：空心阴极电子枪具有低电压、大电流的弧光放电特性，金属原子的离

36、化率高于直流放电离子镀，可以形成致密、牢固的薄膜涂层。特别对多弧离子镀，还有环境真空度高，气体杂质污染少，装置简单，衬底温度低，沉积速率高等优点空心阴极离子镀及多弧离子镀原理与二极直流放电离子镀相同，只是反应蒸发沉积是使金属蒸发通过活性气氛后，沉积并反应生成相应的化合物衬底可处于浮动或加正（负）偏压特点等离子活化成薄膜过程中离子束助轰击-致密性适合金属化合物；TiC,TiN（Ti ,Cr; Ar+N2) 物理汽相沉积技术-反应蒸发沉积反应蒸发沉积物理汽相沉积技术-反应蒸发沉积物理汽相沉积技术-离化原子团束沉积离化原子团束沉积原理利用具有一定能量的离化原子团实现薄膜的沉积，这种原子团包括几百上千个原子，在电场作用下向衬底运动，碰撞瞬间原子团破裂成膜。离化原子团束产生首先用蒸发法将被沉积物质以较高的密度蒸发出来，在坩埚口处以粘滞流形式高速喷出，并形成稳定原子团通过电子离化装置使发射出的热电子与原子团碰撞，并使其带电荷。物理汽相沉积技术-离化原子团束沉积离化原子团束沉积原理特点高速撞击造成衬底局部升温和清洗原子表面扩散能力强创造活化的形核位置促进各个薄膜核心连成一片，成膜性好；高能原子团的轰击具有溅射清洁衬底表面和离子浅注入作用 促进表面发生各种化学反应沉积速率高特点 离子辅助沉积技术离子束辅助薄膜沉积