物理氣相沉積——濺射法濺射現象荷能粒子（例如氬離子）轟擊固體表面，引起表面各種粒子，如原子、分子或團束從該物體表面逸出的現象稱“濺射”。物理氣相沉積——濺射法濺射現象荷能粒子（例如氬離子）轟擊固薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件1853年Grove就觀察到了濺射現象，發現在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成份完全相同。但當時他并不知道產生這種現象的物理原因。1902年，Goldstein才指出產生這種濺射現象的原因是由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的。濺射物理的發展史20世紀30年代，出現利用濺射現象在實驗室制取薄膜。20世紀60年代，Bell實驗室和WesternElectric公司用濺射制取集成電路用Ta薄膜，開始了濺射在工業上的應用。1974年，J.Chapin發表平面磁控濺射裝置文章，實現高速、低溫鍍膜。1853年Grove就觀察到了濺射現象，發現在氣體放電室的器當離子入射到靶材料上時，對于濺射過程來說比較重要的現象有兩個，其一是物質的濺射，其二則是電子的發射。而后者在電場的作用下獲得能量，進而參與氣體分子的碰撞，并維持氣體的輝光放電過程。荷能粒子與表面的相互作用當離子入射到靶材料上時，對于濺射過程來說比較重要的現象離子轟擊引起的各種效應離子轟擊引起的各種效應離子轟擊固體表面所產生的各種效應及發生幾率離子轟擊固體表面所產生的各種效應及發生幾率濺射產額及影響因素濺射過程可以用濺射產額這個物理量來定量地描述，其定義為平均每入射一個粒子從靶表面濺射出來的原子數，即濺射產額及影響因素濺射過程可以用濺射產額這個物理量來定量地(1)隨著入射離子能量的增加，濺射產額先是提高，然后在離子能量達到10keV左右的時候趨于平緩。當離子能量繼續增加時，濺射產額反而下降。a、入射離子能量(1)隨著入射離子能量的增加，濺射產額先是提高，然后在離（2)各種物質都有自已的濺射閥值，大部分金屬的濺射閥值在10~40eV，只有當入射離子的能量超過這個閥值，才會實現對該物質表面原子的濺射。物質的濺射閥值與它的升華熱有一定的比例關系。（2)各種物質都有自已的濺射閥值，大部分金屬的濺射閥值在薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件下圖是在加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質的濺射產額的變化情況。易知，濺射產額呈現明顯的周期性。b、入射離子種類和被濺射物質種類下圖是在加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質的下圖是在45kV加速電壓條件下各種入射離子轟擊Ag、Cu、Ta表面時得到的濺射產額隨離子的原子序數的變化。易知，重離子惰性氣體作為入射離子時的濺射產額明顯高于輕離子。但是出于經濟方面的考慮，多數情況下均采用Ar離子作為薄膜濺射沉積時的入射離子。下圖是在45kV加速電壓條件下各種入射離子轟擊Ag、Cu、Tc、離子入射角度對濺射產額的影響隨著離子入射方向與靶面法線間夾角θ的增加，濺射產額先呈現1/cosθ規律的增加，即傾斜入射有利于提高濺射產額。0-60度左右單調增加，當入射角θ接近70-80度角時，達到最高，入射角再增加，產額迅速下降。離子入射角對濺射產額的影響如圖。c、離子入射角度對濺射產額的影響隨著離子入射方向與靶面法線間d、靶材溫度對濺射產額的影響

在一定的溫度范圍內，濺射產額與靶材溫度的關系不大。但是，當溫度達到一定水平后，濺射產額會發生急劇的上升。原因可能與溫度升高之后，物質中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閥值減小有關。因此在實際薄膜沉積過程中，均需要控制濺射功率及濺射靶材的溫升。Xe+對幾種樣品轟擊時，濺射產額與溫度的關系d、靶材溫度對濺射產額的影響Xe+對幾種樣品轟擊時，濺射產額選擇濺射現象對合金和化合物等多原子固體的濺射中，由于構成固體的元素彼此之間的濺射產額不同，被濺射后，固體表面組分和濺射前組分相比，發生變化，這種現象稱為選擇濺射現象。但是，在不考慮靶溫升引起材料原子的擴散，以及基片薄膜原子的再蒸發情況下，選擇濺射現象不明顯，通過濺射可獲得和靶成分相同的濺射膜。相對于蒸發鍍膜而言，合金和化合物的濺射沉積鍍膜，薄膜和靶材成分的一致性要好的多。基于以下兩方面原因：

（1）不同元素的濺射產額相差較小，而不同元素的平衡蒸氣壓相差太大；（2）更重要的是，蒸發源處于熔融狀態，易形成擴散甚至對流，從而表現出很強的自發均勻化的傾向，這將導致被蒸發物質的表面成分持續變動；相比之下，濺射過程中靶物質的擴散能力很弱。由于濺射產額差別而造成的靶材表面成分的偏差很快就會使靶材表面成分趨于某一平衡成分，從而在隨后的濺射過程中，實現一種成分的自動補償效應：濺射產額高的物質貧化，濺射速率下降；濺射產額低的元素富集，濺射速率上升。最終的結果是，盡管靶材表面成分已經改變，但濺射出的物質的成分卻與靶材的原始成分相同。選擇濺射現象對合金和化合物等多原子固體的濺射中，由于構成固濺射的機制（1）經典的熱蒸發機制：濺射是由于入射粒子的能量使靶表面局部升溫，使靶原子蒸發，此過程是能量轉移過程，為“標量”過程（2）動量轉移機制：濺射是由于入射粒子與靶表面原子碰撞產生動量傳遞而引起的，此過程是動量轉移過程，為“矢量”過程濺射原子的角分布不象熱蒸發原子那樣符合余弦規律，單晶靶濺射趨向于集中在晶體原子密排方向濺射產額不僅決定于轟擊離子能量，也決定于其質量與靶原子質量比離子能量很高時，濺射產額會減少濺射原子能量比熱蒸發原子能量高許多倍動量傳遞機制成立的實驗基礎濺射的機制（1）經典的熱蒸發機制：濺射是由于入射粒子的能量

濺射法的主要特點

與蒸發法相比，濺射法最大的主要特點有：在濺射過程中入射離子與靶材之間有很大的能量傳遞，因此濺射出的原子將從中獲得很大的能量，在沉積時，高能量的原子對襯底的撞擊提高了原子自身在薄膜表面的擴散能力，使薄膜的組織更致密、附著力也得到明顯改善。當然這也會引起襯底溫度的升高。制備合金薄膜時，成分的控制性能好。濺射靶材可以是極難熔的材料。因此，濺射法可以方便地用于高熔點物質的濺射和薄膜的制備。可利用反應濺射技術，從金屬元素靶材制備化合物薄膜。有助于改善薄膜對于復雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜表面的粗糙度。濺射法的主要特點

氣體放電是離子濺射過程的基礎，下面簡單討論一下氣體放電過程。

開始：電極間無電流通過，氣體原子多處于中性，只有少量的電離粒子在電場作用下定向運動，形成極微弱的電流。隨電壓升高，電離粒子的運動速度加快，則電流隨電壓而上升，當粒子的速度達飽和時，電流也達到一個飽和值，不再增加（見第一個垂線段）；

湯生放電：電壓繼續升高，離子與陰極靶材料之間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來，同時外電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極產生二次電子，參與氣體分子碰撞，并使氣體分子繼續電離，產生新的離子和電子。這時，放電電流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱為湯生放電。電暈放電：湯生放電的后期稱為電暈放電，此時電場強度較高的電極尖端出現一些跳躍的電暈光斑。氣體放電現象氣體放電是離子濺射過程的基礎，下面簡單討輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發生電擊穿現象。此時，氣體具備了相當的導電能力，稱這種具有一定導電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電電壓卻有所下降。導電粒子大量增加，能量轉移也足夠大，放電氣體會發生明顯的輝光。電流不斷增大，輝光區擴大到整個放電長度上，電壓有所回升，輝光的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，可提供面積大、分布均勻的等離子體。弧光放電：電壓大幅下降，電流大幅增加，產生弧光放電和電弧放電斑點，陰極局部溫度大幅升高，陰極自身會發生熱蒸發。輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發生電擊穿現象。此時，氣體具氣體放電伏安特性曲線氣體放電伏安特性曲線電壓很小時，只有很小電流通過：加大電壓進入湯生放電區；“雪崩”，進入“正常輝光放電區”離子轟擊區覆蓋整個陰極表面，再增加功率進入“非正常輝光放電區”，濺射工藝的工作點選在此區：繼續增加功率，達到新的擊穿，進入低電壓大電流的“弧光放電區”電壓很小時，只有很小電流通過：輝光放電現象輝光放電意味著氣體分子形成了等離子體，此時放電過程進入了可以自持的階段。輝光放電的巴邢曲線氣體的放電擊穿需要一定的壓力條件：氣體壓力過低或電極間距過小，電子容易跨越電極之間的空間而沒有發生與氣體分子的碰撞；壓力過高，電子和氣體的碰撞過于頻繁，此時電子獲得的能量較低，不足以引起氣體分子的電離。只有氣體壓力與電極間距的乘積pd為某一數值時，氣體最容易發生放電擊穿。輝光放電現象輝光放電意味著氣體分子形成了等離子體，此時放電過等離子體鞘層輝光放電等離子體中電離粒子的密度和平均能量均較低，而放電的電壓則較高，此時質量較大的離子、中性原子和原子團的能量遠遠小于質量極小的電子的能量，這是因為電子由于質量小極易在電場中加速而獲得能量。不同粒子還具有不同的平均速度電子速度：9.5*105ms-1，Ar離子和Ar原子：5*102ms-1電子和離子具有不同的速度的一個直接結果是形成所謂的等離子體鞘層（典型厚度約為100mm），即相對于等離子體來說，任何位于等離子體中或附近的物體都自動地處于負電位，并且在其表面將伴隨有正電荷的積累。等離子體鞘層輝光放電等離子體中電離粒子的密度和平均能量均較低直流濺射射頻濺射磁控濺射離子束濺射其他濺射法濺射沉積方法濺射沉積方法直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射。

直流濺射的基本原理：在對系統抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產生氬離子和可以獨立運動的電子，電子在電場作用下飛向陽極，氬離子則在電場作用下加速飛向陰極—靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。直流濺射直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射。直流濺射直流濺射裝置示意圖直流濺射原理圖直流濺射裝置示意圖直流濺射原理圖濺射條件：工作氣壓10Pa，濺射電壓1000V，靶電流密度0.5mA/cm2,薄膜沉積率低于0.1μm/min。工作氣壓對濺射速率的影響氣壓低，電子自由程較長，通過碰撞而引起的氣體分子電離的幾率較低，同時離子在陽極上濺射時發出二次電子的幾率也相對較小。這些導致濺射速率很低；隨氣壓升高，濺射速率提高；氣壓過高時，濺射出來的原子在飛向襯底的過程中受過多的散射，部分濺射原子甚至被散射回靶材表面沉積下來，因此濺射速率反而下降。濺射條件：濺射沉積速度與工作氣壓的關系濺射沉積速度與工作氣壓的關系直流濺射裝置的改進

在直流二極濺射的基礎上，增加一個發射電子的熱陰極和一個輔助陽極，構成三極（或稱四極）濺射裝置。四極濺射示意圖直流濺射裝置的缺點：

不能獨立控制各個工藝參數，如陰極電壓、電流以及濺射氣壓；使用的氣壓較高（10Pa左右），濺射速率低，薄膜質量（致密度、純度）差。直流濺射裝置的改進四極濺射示意圖直流濺射裝置的缺點：特點：由于熱陰極發射電子的能力較強，因而放電氣壓可以維持在較低水平上，這對于提高沉積速率、減少氣體污染等都是有利的。此時提高輔助陽極的電流密度即可提高等離子體的密度和薄膜的沉積速率，而轟擊靶材的離子束流又可以得到獨立的調節。缺點：難于獲得大面積且分布均勻的等離子體，且在提高薄膜沉積速率方面的能力有限。特點：缺點：31上述的直流濺射方法要求靶材具有好的導電性，否則靶上電荷積累，會造成靶電流過小，靶電壓過高射頻濺射是適用于導體、非導體靶材的濺射方法射頻濺射方法

射頻濺射多使用13.56MHz頻率的射頻電源？31上述的直流濺射方法要求靶材具有好的導電性，否則靶上電荷積電容耦合式的射頻濺射裝置電容C將射頻能量耦合至靶電極，而地電極則包括了襯底和真空室，即放電系統具有非對稱的電極配置：靶電極面積地電極面積“電容耦合”指兩電極間形成了一等效電容，將能量耦合至體系電容耦合式的射頻濺射裝置電容C將射頻能量耦合至靶電極，而地33與直流時相比，射頻放電過程有兩個顯著的變化：射頻、直流放電過程的差別高頻電場已可經其他阻抗形式（電容C）耦合到靶上，而不必要求靶材是導體。電極在前半周期內積累的電荷將會在下半周期內得到釋放在射頻頻率下，質量較大的離子已跟不上電場的高速變化，而只能感受到平均的電位分布；而質量較小的電子，可以緊跟電場的周期變化在兩極間振蕩運動，從電場中獲得能量，使氣體分子電離和轟擊電極產生二次電子33與直流時相比，射頻放電過程有兩個顯著的變化：射頻、直流放34射頻電源的采用使放電過程擺脫了對靶材導電性的限制靶物質如何在交變電場的作用下被濺射的呢？射頻濺射法可以被用于物質濺射的原因使射頻方法可被用來產生物質濺射效應的根本原因是它可在靶上產生自偏壓效應，即在射頻激勵之下，靶電極會自動地處于一個負電位，它導致離子受到吸引，對靶電極造成轟擊和濺射

電子、離子間巨大的質量（速度）差異是自偏壓得以產生的根本原因；通過電容C的能量耦合方式和電極面積差是獲得適當幅度自偏壓的必要條件34射頻電源的采用使放電過程擺脫了對靶材導電性的限制射頻濺射電容耦合射頻方波時電極上自偏壓的產生A.Bogaertsetal./SpectrochimicaActaPartB57(2002)609–658激勵電壓射頻極的電位自偏壓(電容電壓降)在射頻激勵下，正半周內高速電子將迅速涌入，使電極電位迅速降低；負半周內慢速離子少量涌入將使電位少量回升最終，電極將獲得一個負電位，以抑制電子的持續涌入大電容,小電流

電容耦合射頻方波時電極上自偏壓的產生A.Bogaerts射頻電極自偏壓的產生原因耦合電容C使電極與電源間不能有實際的電流流過；電容C的負端和靶電極被充上負電荷后，使其不再傾向于接受電子，即它將使靶電極調整到相應的負電位，使其后它每個周期內吸納的電子、離子的數量趨于相抵靶電極獲得的這一負電位,即是靶電極上產生的自偏壓射頻電極自偏壓的產生原因耦合電容C使電極與電源間不射頻激勵下系統的等效電路系統可被描述為一個由電容、電阻、二極管組成的體系；二極管描述了其單向導電的特性，電阻描述其能量耗散特性射頻激勵下系統的等效電路系統可被描述為一個由電容、電射頻電極的電流-電壓特性與自偏壓自偏壓產生后，電極維持于一個負電位，以排斥電子的涌入；電極在正半周內接受的電子與負半周內接受的離子數相等，使平均電流為零電流的波形電壓的波形電子-離子運動的速度差異使電極的電流-電壓特性就象一只二極管負偏壓射頻電極的電流-電壓特性與自偏壓自偏壓產生后，電極維持于一個射頻電極上自偏壓的大小因此，面積較小的靶電極將擁有較高的自偏壓兩極及其間的等離子體還可以被看成是兩個串聯的電容，其中“靶電極電容”因靶面積小而較小，而“地電極電容”因電極面積大而較大。電容電壓降V與電極面積A成反比，即：射頻電極上自偏壓的大小因此，面積較小的靶電極將擁有較高的自偏Vc-Vp——射頻極對等離子體的電位差Vp-0——地電極對等離子體的電位差Vc-Vp>>Vp，即，濺射極產生的自偏壓Vb射頻電極電壓的變化曲線和自偏壓O等離子體電位地電位射頻極的電位自偏壓直流時情況Vc-Vp——射頻極對等離子體的電位差射頻電極電壓的變化射頻電極上自偏壓的大小（左）面積小的射頻電極將擁有較高的自偏壓（右）而對稱配置的一對電極將因為會受到等量的離子轟擊，因而會造成濺射污染（特別是氣壓低、氣體分子散射不嚴重時）射頻極射頻極平均電位平均電位射頻電極上自偏壓的大小（左）面積小的射頻電極將擁有較高的自偏射頻濺射過程的實現靶電極上的自偏壓將吸引離子，造成射頻靶的濺射，使非導體靶的濺射成為可能自偏壓的大小取決于靶面積比、外加射頻電壓的高低、氣體的種類與壓力等。射頻濺射時，自偏壓一般為100–1000V，氣體壓力1–100Pa,電子密度109–1011/cm3真空室壁感受到的自偏壓較小，受到離子轟擊和濺射的效應很小，可以被忽略出于同樣的道理，在襯底或薄膜（可以是導體和非導體）上施加一射頻電源，也可以起到對其施加負偏壓的作用射頻濺射過程的實現靶電極上的自偏壓將吸引離子，造成射頻靶的濺

相對于蒸發沉積來說，一般的濺射沉積方法具有的兩個缺點：

a、沉積速率較蒸發法低；

b、所需工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長，放電現象不易維持。從而導致薄膜被污染的可能性較高。磁控濺射法則因為其沉積速率較高（比其他濺射法高出一個數量級），工作氣體壓力較低而具有獨特的優越性。（1）磁控濺射的基本原理

在二極濺射裝置上加一與電場E的正交磁場B,當電子在正交電磁場中運動時，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運動將由直線運動變成擺線運動，如圖所示。電子將可以被約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運動軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過程的幾率。這樣，既可以降低濺射過程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效率和沉積速率。磁控濺射相對于蒸發沉積來說，一般的濺射沉積方法具有的兩個缺點：磁44以磁場控制電子的運動電子在電場E、磁場B中將受到洛侖茲力作用

F=-q(E+vB)若E、B相互垂直，則電子的軌跡將是既沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進的復雜曲線。即靶表面垂直E方向的磁力線可將電子約束在靶表面附近，延長其運動軌跡，提高其參與氣體電離過程的幾率，降低濺射過程的氣體壓力，提高濺射效率

E、B相互平行

E、B相互垂直44以磁場控制電子的運動電子在電場E、磁場B中將受到洛侖茲力薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件矩形磁控靶材表面的磁場及電子的運動軌跡

形成一條濺射帶，使靶的利用率低；不宜于鐵磁性物質的濺射矩形磁控靶材表面的磁場及電子的運動軌跡形成一條濺射帶，使靶矩形磁控靶材表面的電子密度分布在E與B相垂直的地方，電子密度高，因為這里電子軌跡被延長矩形磁控靶材表面的電子密度分布在E與B相垂直的地方，電子密度直流與磁控濺射情況下氣體放電的帕邢曲線

氣壓可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染傾向；沉積速率高（可大于10m/hr）、效率大大提高。磁控濺射的上述優點，使其成為了濺射法技術的主流。直流與磁控濺射情況下氣體放電的帕邢曲線氣壓可以低至10-1（2）磁控濺射設備

根據靶材形狀不同，磁控濺射可以有許多形式，常用的主要有：平面磁控靶、圓柱磁控靶。a、平面磁控靶（2）磁控濺射設備薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件b、圓柱磁控靶電子約束在靶的表面附近，靶材的利用率高。電子運動軌道柱狀靶SN樣品架Bb、圓柱磁控靶電子運動軌道柱狀靶SN樣品架B（３）磁控濺射的特點

a、工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；

b、維持放電所需的靶電壓低；

c、電子對襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度；

d、空易實現在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。（4）磁控濺射缺點：a、對靶材的濺射不均勻；

b、不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁材料，則少有漏磁，等離子體內無磁力線通過；

（３）磁控濺射的特點磁控濺射法的改進——非平衡磁控濺射法普通的磁控濺射陰極的磁場集中于靶面附近的有限的區域內，基片表面沒有磁場，稱平衡磁控濺射陰極1985年Window提出增大普通的磁控濺射陰極的雜散磁場，從而使等離子體范圍擴展到基片表面附近的非平衡磁控濺射陰極如果通過陰極的內外兩個磁極端面的磁通量不等，則為非平衡磁控濺射陰極，非平衡磁控濺射陰極磁場大量向靶外發散

采用非平衡磁控濺射法，有意識地增大（或減小）靶中心的磁體體積，造成部分磁力線發散至距靶較遠的襯底附近，這時等離子體的作用擴展到了襯底附近，而部分電子被加速射向襯底，同時在此過程中造成氣體分子電離和部分離子轟擊襯底，保持適度的離子對襯底的轟擊效應，以提高薄膜的質量：附著力、致密度等。磁控濺射法的改進——非平衡磁控濺射法普通的磁控濺射陰極的磁普通的磁控濺射陰極的磁場將等離子體約束在靶面附近，基片表面附近的等離子體很弱，只受輕微的離子和電子轟擊。非平衡磁控濺射陰極磁場可將等離子體擴展到遠離靶面的基片，使基片浸沒其中，因此又稱“閉合磁場非平衡濺射”（Closed-fieldUnbalancedMagnetronSputtering,CFUBMS),可以以高速率沉積出多種材料的、附著力強的高質量薄膜。這有利于以磁控濺射為基礎實現離子鍍，有可能使磁控濺射離子鍍與陰極電弧蒸發離子鍍處于競爭地位。普通的磁控濺射陰極的磁場將等離子體約束在靶面附近，基片表面附用化合物靶采用射頻濺射方式可以得到絕緣的化合物薄膜，但是由于選擇濺射的原因，薄膜成分和化合物靶通常存在偏離。采用金屬靶，積極主動地在放電氣體中混入活性氣體，可以制備成分和性質可控的化合物薄膜，這種方法稱為反應濺射。反應濺射機制的三種模型：（1）在靶面上由表面沿厚度方向的反應模型（2）由吸附原子在靶面上的反應模型（3）被濺射原子的捕捉模型反應濺射用化合物靶采用射頻濺射方式可以得到絕緣的化合物薄膜，但是由于利用反應濺射方法可以制備氧化物，如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2碳化物，如SiC、WC、TiC氮化物，如TiN、AlN、Si3N4硫化物，如CdS、ZnS、CuS復合化合物，如碳氮化物Ti(C,N)、Al(O,N)反應濺射由于采用了金屬靶材，因而它可以：大大降低靶材的制造成本有效改善靶材和薄膜的純度利用反應濺射方法可以制備反應濺射由于采用了金屬靶材，因而它可反應濺射中的靶中毒現象隨著活性氣體壓力的增加，靶材表面可能形成一層化合物，并導致濺射和薄膜沉積速率的降低的現象濺射速率隨反應氣體流量的變化曲線ReactivegasflowSputteringrateReactiveModeMetallicModeTransitionModeABCDE反應濺射中的靶中毒現象濺射速率隨反應氣體流量的變化曲線Rea直流反應濺射存在的缺點：（1）靶中毒濺射和沉積速率降低，薄膜結構和成分波動（2）陽極消失陽極表面的化合物阻塞電荷傳導通路，造成電荷不斷積累，最終陽極消失，放電現象不穩定（3）靶面和電極間打火靶材和陽極表面導電性能惡化使電荷積累加劇，最后造成化合物層的放電擊穿，在靶面形成弧光放電，易引起顆粒噴濺直流反應濺射存在的缺點：（1）靶中毒59靶中毒不僅會降低薄膜的沉積速度，而且也會損害靶和薄膜，它對濺射工藝的控制提出了嚴格的要求避免靶材中毒的可能措施包括：將反應氣體的輸入位置盡量設置在遠離靶材而靠近襯底的地方，提高活性氣體的利用效率，抑制其與靶材表面反應的進行提高反應氣體的活性，以降低其所需的壓力(使用高活性氣體/等離子體)提高靶材的濺射速率，降低活性氣體吸附的相對影響中頻孿生靶濺射和脈沖濺射(象射頻濺射)59靶中毒不僅會降低薄膜的沉積速度，而且也會損害靶和薄膜，它導致靶中毒問題出現的原因在于靶材與陽極表面出現化合物層和電荷積累顯然，若可以每隔一段時間讓靶及陽極表面積累的電荷得以釋放的話，就可避免靶面打火等現象的出現,因此，解決的辦法之一:可采取對濺射靶周期地施加交變電壓的方法，不斷提供釋放靶電荷的機會中頻濺射和脈沖濺射導致靶中毒問題出現的原因在于靶材與陽極表面出現化合物層和電荷針對靶表面的電荷積累，可估計靶面電弧擊穿”打火”現象出現的時間間隔。設相應化合物層的介電常數與擊穿場強為r和Eb，轟擊靶面的離子流密度為J，從電荷開始積累到發生放電擊穿的時間間隔大致等于

以反應濺射SiO2為例，設靶面濺射區離子流密度為1mA/cm2，SiO2的Eb=3105V/cm，介電常數r=3.7，則放電現象發生的時間間隔約等于tb=100s。因此，電荷釋放所需要的放電頻率應該高于10kHz針對靶表面的電荷積累，可估計靶面電弧擊穿”打火”現象出現在中頻濺射的情況下，靶材周期性地處于高電位和低電位低電位時，靶材在被離子濺射的同時，正電荷積累下來高電位時，等離子體中的電子迅速涌入,中和掉靶材表面積累的電荷，抑制了靶材表面的打火現象目前,反應濺射多使用頻率為10-150kHz的正弦波的中頻電源頻率為10-70kHz的矩形脈沖波的脈沖電源在中頻濺射的情況下，靶材周期性地處于高電位和低電位目前,反中頻濺射常采用于兩個并排放置、形狀相同的磁控靶的濺射，這樣的兩個靶稱為孿生靶，它們各自與電源的一極相連，并與整個真空室絕緣。濺射中，兩個靶交替作為陰極和陽極。優點：抑制了靶面打火現象克服了陽極消失難題濺射過程更加穩定有較高的濺射功率和薄膜沉積速率不需要復雜的阻抗匹配電路中頻濺射常采用于兩個并排放置、形狀相同的磁控靶的濺射，這樣的中頻電源+—襯底磁控靶進氣口中頻電源+—襯底磁控靶進氣口中頻孿生靶磁控濺射裝置的示意圖

中頻孿生靶磁控濺射裝置的示意圖脈沖濺射法使用的是矩形波式的脈沖電源在負脈沖期間，靶材處于被濺射的狀態在正脈沖期間，靶材表面積累的電荷將由于電子的迅速流入而得到中和脈沖濺射法也可以使用與中頻濺射法時類似的孿生靶反應濺射的脈沖濺射法脈沖濺射法使用的是矩形波式的脈沖電源反應濺射的脈沖濺射法脈沖濺射時的電壓波形

為保持高的濺射速率，同時也由于電子的速度遠高于離子的速度，因此正脈沖的寬度可以遠小于負脈沖的寬度脈沖濺射時的電壓波形為保持高的濺射速率，同時也由于電子的速中頻濺射和脈沖濺射法統稱為交流濺射法。它克服了困擾反應濺射技術的靶電極電荷積累問題，因而靶材毒化的問題不再是妨害反應濺射過程進行的限制性因素。這大大促進了化合物薄膜材料制備技術的發展，因而已在實際生產中迅速獲得了推廣與使用。可以理解，脈沖濺射與中頻濺射兩種濺射方法在克服濺射靶材表面電荷積累方面的作用是相同的，因而它們也具有相同的優點，即抑制靶中毒和打火現象發生、穩定并提高薄膜的沉積速率與質量。反應濺射的交流濺射方法中頻濺射和脈沖濺射法統稱為交流濺射法。它克服了困擾反應濺射技中頻孿生靶磁控濺射法制備的各種化合物薄膜的相對沉積速率薄膜種類與直流磁控濺射法相比的相對沉積速率SiO2Si3N4TiO2Ta2O5SnO262622中頻孿生靶可以穩定運行，意味著可以使用更高的功率水平和獲得高的沉積速率中頻孿生靶磁控濺射法制備的薄膜種類與直流磁控濺射法相比的相對(a)直流和(b)脈沖反應濺射法制備的Al2O3涂層的斷面形貌與中頻孿生靶類似，脈沖濺射可大大改善薄膜的質量(a)直流和(b)脈沖反應濺射法制備的Al2O3涂層的斷面形直流和脈沖反應濺射制備的Al2O3涂層的光學透過率曲線直流和脈沖反應濺射制備的×偏壓濺射在一般濺射裝置的基礎上，將襯底電位與接地陽極（真空室）的電位分開設置，在襯底和等離子體之間有目的地施加一定大小的偏置電壓，吸引一部分離子流向襯底，從而改變入射到襯底表面的帶電粒子的數量和能量，最終達到改善薄膜微觀組織和性能的目的。×偏壓濺射在一般濺射裝置的基礎上，將襯底電位與接地陽極（真Ta薄膜電阻率隨偏置電壓的變化

Ta薄膜電阻率隨偏置電壓的變化離子束濺射（1）離子束濺射薄膜沉積裝置示意圖（2）離子束濺射的基本原理產生離子束的獨立裝置被稱為離子(源）槍，它提供一定的束流強度、一定能量的Ar離子流。離子束以一定的入射角度轟擊靶材并濺射出其表層的原子，后者沉積到襯底表面即形成薄膜。在靶材不導電的情況下，需要在離子槍外或是在靶材的表面附近，用直接對離子束提供電子的方法，中和離子束所攜帶的電荷。離子束濺射（1）離子束濺射薄膜沉積裝置示意圖（2）離子束濺射薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件雙離子束濺射技術雙離子束濺射技術雙離子束濺射技術是在單離子束濺射技術的基礎上發展起來的，兩個離子源即可獨立地工作也可彼此相互合作。對于大多數光學應用，主離子源和上面描述的單個離子源的功能相同，輔助離子源有下面描述的補充功能：(1)基片的清洗和修整：因為對于薄膜的沉積，基片的預處理是很重要的一步，在沉積薄膜之前，通過利用輔助離子源對基板的轟擊，可以將吸附氣體、粘附粒子從基板上一起除去，并且也可以對極板的表面進行修整。(2)吸收的改善和薄膜的修整：除了污染和色心缺陷，薄膜吸收損耗的一個重要原因就是化學計量比的偏離。除此之外，化學性質的不穩定和應力的存在也加速了薄膜的老化，并且導致了薄膜性能的不可靠問題的產生。所有這些因素都很難控制到一個比較高的精度，但是通過輔助離子源對薄膜的轟擊，可以使薄膜的質量得到實質性的改善。雙離子束濺射技術是在單離子束濺射技術的基礎上發展起來的，兩個運用活性的惰性氣體離子去均勻撞擊薄膜的表面，可使膜層進一步致密，使得薄膜的折射率接近于體材。它也能通過消除由晶核的形成而導致的微結構和多孔，從而使薄膜為無定型態。(3)化學計量比的調整：利用輔助離子源將反應氣體的離子準直打到基片上，并且通過精確控制到達基片的反應氣體的速率，來調整薄膜成分的化學計量比。例如，通過改變氮化硅的比例常數x的值，來改變SiNx薄膜的折射率，因而可得到在紅外波段的濾光片。再者，通過輔助離子源將氧氣和氮氣按可變的比例混合，理想波長的減反射膜可由(SiO2)x(Si3N4)1-x

混合物組成。在離子束濺射技術的應用中，多離子源（達到4個）可應用到像高溫超導薄膜這樣的多成分薄膜的制備，同時也能用來制備比較復雜薄膜。運用活性的惰性氣體離子去均勻撞擊薄膜的表面，可使膜層進一步致（3）特點

a、氣體雜質小，純度高，因為濺射是在較高的真空度條件下進行的。

b、由于在襯底附近沒有等離子體的存在，因此也就不會產生等離子轟擊導致襯底溫度上升、電子和離子轟擊損傷等一系列問題。

c、由于可以用到精確地控制離子束的能量、束流大小與束流方向，而且濺射出的原子可以不經過碰撞過程而直接沉積薄膜，因而離子束濺射方法很適合于作為一種薄膜沉積的研究手段。（4）缺點裝置過于復雜，薄膜的沉積速率較低，設備運行成本較高。（3）特點考夫曼離子源從熱陰極發射出來的電子經過陰極鞘層被加速，與氣體原子相碰撞，氣體原子被碰撞電離，形成離子及二次電子，電子及離子形成等離子體。該放電等離子體在發散磁場作用下引向柵網離子光學作用區。由于離子光學的作用，離子被拔出，并形成離子束。每個小孔形成的離子束經過發散混合及中和形成帶能量、中性的寬離子束。

特點：可以提供高強度、能量可變、能量一致性好、方向發散角小的離子束，工作真空度低。考夫曼離子源特點：可以提供高強度、能量可變、能量一致性好、方考夫曼離子源結構示意圖考夫曼離子源結構示意圖霍爾離子源也是以熱陰極發射電子引發氣體放電的離子源，與考夫曼離子源不同之處在于，它沒有改善離子束方向性的柵極板該源由陰極、陽極、氣體分配器、磁場組成。其離子源工作在輝光放電模式下。

氣體分子由離子源后部進入電離室，與由陰極發出、沿磁力線方向飛向陽極的電子發生碰撞，在電離室電離形成等離子體。電離形成的正離子受到電場加速作用飛向陰極。特點：結構簡單，工作可靠，適合低能大束流離子束；缺點：離子束具有一定的能量分布和角度分布。由于燈絲在離子源外部，會受到整個沉積系統氣體壓力的影響。霍爾離子源氣體分子由離子源后部進入電離室，與由陰極發出、沿磁霍爾離子源結構示意圖霍爾離子源結構示意圖定義離子鍍是一種在基片上施加偏壓,即在離子對基片和薄膜發生持續轟擊的條件下制備薄膜的PVD技術在離子鍍的過程中，沉積前和沉積過程中的基片和薄膜表面經受著相當數量的高能離子流和大量的高能中性物質的轟擊離子鍍可以被看成是一種混合型的薄膜制備方法它兼有蒸發法和濺射法的優點物理汽相沉積技術-離子鍍定義離子鍍是一種在基片上施加偏壓,即在離子對基片和以電子束熱蒸發提供沉積源物質，同時以襯底為陰極、整個真空室作陽極組成的直流二極濺射系統。沉積前和沉積中用離子流對襯底和薄膜表面進行處理。沉積中蒸發物質與等離子體相互作用，并發生部分電離，從而在兩極間加速并沉積在襯底上。沉積中要保證離子轟擊產生的濺射速度低于蒸發沉積的速度直流二極放電離子鍍以電子束熱蒸發提供沉積源物質，同時以襯底為陰極、整個真空室作使用電子束蒸發法提供沉積所需的物質以襯底作為陰極、整個真空室作為陽極組成一個類似于二極濺射裝置的放電系統真空室內充入0.1-1.0Pa的Ar氣在沉積前和沉積中，采用高能量的離子流對襯底和薄膜表面進行持續的轟擊在薄膜沉積前，在陰陽兩極之間施加25kV的電壓，使氣體發生輝光放電，產生等離子體。Ar離子在電壓驅動下對襯底進行轟擊在不間斷離子轟擊的情況下開始物質的蒸發沉積過程。蒸發出來的粒子將與等離子體發生相互作用。由于Ar的電離能比被蒸發元素的電離能更高，因而在等離子體內將會發生Ar離子與蒸發原子之間的電荷交換，蒸發原子發生部分的電離含有相當數量離子的蒸發物質在兩極間被加速，并帶著相應的能量轟擊薄膜。但離子轟擊產生的濺射速率要低于蒸發沉積的速率二極直流放電離子鍍的操作環境

使用電子束蒸發法提供沉積所需的物質二極直流放電離子鍍的操作環

離子鍍的獨特之處在于使用高能離子對基片和薄膜表面進行轟擊。因此，離化率——

電離原子占全部被蒸發原子的百分數ni/n，是離子鍍過程的最重要的參量常見離子鍍過程的粒子離化率離子鍍過程中粒子的離化率離子鍍的過程二極直流放電離子鍍射頻放電離子鍍空心陰極電弧離子鍍真空陰極電弧離子鍍離化率ni/n0.12%10%22-40%60-80%離子鍍的獨特之處在于使用高能離子對基片和薄膜表面進行優點：所制備的薄膜與襯底之間具有良好的附著力，并且薄膜致密。

因為在蒸發前和蒸發中離子對襯底和薄膜表面轟擊，可以在薄膜和襯底之間形成粗糙潔凈的界面，并且形成均勻致密的薄膜結構和抑制柱狀晶生長，前者可以提高薄膜附著力，后者可以提高薄膜致密性、細化薄膜微觀組織提高薄膜對于復雜外形表面的覆蓋能力，或者說提高薄膜沉積過程的繞射能力

與純粹的蒸發沉積相比，在離子鍍進行過程中，沉積原子將從與離子的碰撞中獲得一定的能量，加上離子本身對薄膜的轟擊，這些均會使原子在沉積至襯底表面時具有更高的動能和遷移能力。優點：提高薄膜對于復雜外形表面的覆蓋能力，或者說提高薄膜沉積反應蒸發沉積是使金屬蒸發通過活性氣氛后，沉積并反應生成相應的化合物襯底可處于浮動或加正（負）偏壓特點等離子活化成薄膜過程中離子束輔助轟擊-致密性適合金屬化合物；TiC,TiN（Ti,Cr;Ar+N2)物理汽相沉積技術-反應蒸發沉積反應蒸發沉積物理汽相沉積技術-反應蒸發沉積物理汽相沉積技術-離化原子團束沉積離化原子團束沉積原理利用具有一定能量的離化原子團實現薄膜的沉積，這種原子團包括幾百上千個原子，在電場作用下向襯底運動，碰撞瞬間原子團破裂成膜。離化原子團束產生首先用蒸發法將被沉積物質以較高的密度蒸發出來，在坩堝口處以粘滯流形式高速噴出，并形成穩定原子團通過電子離化裝置使發射出的熱電子與原子團碰撞，并使其帶電荷。物理汽相沉積技術-離化原子團束沉積離化原子團束沉積原理特點高速撞擊造成襯底局部升溫和清洗原子表面擴散能力強創造活化的形核位置促進各個薄膜核心連成一片，成膜性好；高能原子團的轟擊具有濺射清潔襯底表面和離子淺注入作用促進表面發生各種化學反應沉積速率高特點離子輔助沉積技術離子束輔助薄膜沉積示意圖熱蒸發法沉積薄膜的同時，有意識的使用一定參數的離子作用到生長中的薄膜上，從而展現出控制薄膜結構和性質的能力，這種技術稱為離子束輔助沉積技術。用于離子輔助的離子源一般應具有兩個特征：離子束有大的和均勻的轟擊面積具有低能量和高束流的能力現在常用多為End-Hall型離子源離子輔助沉積技術離子束輔助薄膜沉積示意圖熱蒸發法沉積薄膜的離子輔助對初始生長薄膜形態的影響在薄膜生長的初始階段，在還沒有形成連續膜時，合適能量的離子輻照，使沉積原子更具活性和易于遷移，從根本上改變薄膜生長形態離子的電荷效應離子輻照除能量作用外，離子電荷也會產生多種效應，實驗觀察到，離子電荷有促進成核生長，改變晶格結構，降低單晶生長溫度，促進薄膜晶向擇優生長等作用離子輔助對薄膜性質影響的主要機理離子輔助對初始生長薄膜形態的影響離子的電荷效應離子輔助對薄膜熱尖峰作用熱蒸發沉積薄膜方式中，沉積原子或分子動能很小，一般在0.1-1ev范圍內，而離子的能量在60-1000ev范圍內。離子與薄膜原子碰撞時，攜帶的動能一部分轉化為熱能，使轟擊點區域突然升溫（10-11-10-12s），并急劇冷卻。這種由于離子碰撞而引起的生長中的薄膜突然的升溫和迅速冷卻的現象稱為熱尖峰作用。該機理可以作為薄膜相變的合理解釋。熱尖峰作用當荷能離子高速轟擊到生長中的薄膜上時，離子將攜帶的部分能量傳遞給被撞擊的薄膜原子；碰撞后有的離子會后有的彈射出薄膜，有的會繼續在薄膜中行進，產生另一次碰撞；被碰撞的原子也會與周圍的原子碰撞。離子引起的這種作用就叫級聯碰撞。離子輔助對生長薄膜的致密化效應這種作用一方面使薄膜原子產生三維運動，薄膜堆積密度增大；另一方面薄膜原子也會部分進入襯底，從而產生離子縫合效應，使薄膜與襯底的附著力增強。當荷能離子高速轟擊到生長中的薄膜上時，離子將攜帶的部分能量傳級聯碰撞示意圖離子輔助使薄膜折射率增加級聯碰撞示意圖離子輔助使薄膜折射率增加活性離子的反應效應活性氣體產生的等離子體具有比原子高得多的活性，采用此類離子輻照可以改善薄膜的化學計量比，降低薄膜的吸收濺射離子的淺層注入效應從根本上說，材料所展現的多種物理及化學性質很大程度上取決于其表面層，離子輻照有效改變了表面層性質，那么材料也表現出改性的效果活性離子的反應效應濺射離子的淺層注入效應離子輔助的主要作用填充密度提高，折射率提高波長漂移減少紅外波段的水氣吸收減少增強了膜層的附著力、耐摩擦能力、機械強度、提高表面光潔度控制薄膜的應力減少薄膜的吸收和散射損耗提高生產效率離子輔助的主要作用填充密度提高，折射率提高薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件離子輔助薄膜致密化效果方框圖離子輔助薄膜致密化效果方框圖應該離子輔助沉積技術中注意的問題：真空系統的抽速必須足夠高，否則離子束沉積技術將會發揮很小的作用甚至起相反的作用。不是所有的薄膜都適合采用離子輔助沉積技術應該離子輔助沉積技術中注意的問題：物理氣相沉積——濺射法濺射現象荷能粒子（例如氬離子）轟擊固體表面，引起表面各種粒子，如原子、分子或團束從該物體表面逸出的現象稱“濺射”。物理氣相沉積——濺射法濺射現象荷能粒子（例如氬離子）轟擊固薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件1853年Grove就觀察到了濺射現象，發現在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成份完全相同。但當時他并不知道產生這種現象的物理原因。1902年，Goldstein才指出產生這種濺射現象的原因是由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的。濺射物理的發展史20世紀30年代，出現利用濺射現象在實驗室制取薄膜。20世紀60年代，Bell實驗室和WesternElectric公司用濺射制取集成電路用Ta薄膜，開始了濺射在工業上的應用。1974年，J.Chapin發表平面磁控濺射裝置文章，實現高速、低溫鍍膜。1853年Grove就觀察到了濺射現象，發現在氣體放電室的器當離子入射到靶材料上時，對于濺射過程來說比較重要的現象有兩個，其一是物質的濺射，其二則是電子的發射。而后者在電場的作用下獲得能量，進而參與氣體分子的碰撞，并維持氣體的輝光放電過程。荷能粒子與表面的相互作用當離子入射到靶材料上時，對于濺射過程來說比較重要的現象離子轟擊引起的各種效應離子轟擊引起的各種效應離子轟擊固體表面所產生的各種效應及發生幾率離子轟擊固體表面所產生的各種效應及發生幾率濺射產額及影響因素濺射過程可以用濺射產額這個物理量來定量地描述，其定義為平均每入射一個粒子從靶表面濺射出來的原子數，即濺射產額及影響因素濺射過程可以用濺射產額這個物理量來定量地(1)隨著入射離子能量的增加，濺射產額先是提高，然后在離子能量達到10keV左右的時候趨于平緩。當離子能量繼續增加時，濺射產額反而下降。a、入射離子能量(1)隨著入射離子能量的增加，濺射產額先是提高，然后在離（2)各種物質都有自已的濺射閥值，大部分金屬的濺射閥值在10~40eV，只有當入射離子的能量超過這個閥值，才會實現對該物質表面原子的濺射。物質的濺射閥值與它的升華熱有一定的比例關系。（2)各種物質都有自已的濺射閥值，大部分金屬的濺射閥值在薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件下圖是在加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質的濺射產額的變化情況。易知，濺射產額呈現明顯的周期性。b、入射離子種類和被濺射物質種類下圖是在加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質的下圖是在45kV加速電壓條件下各種入射離子轟擊Ag、Cu、Ta表面時得到的濺射產額隨離子的原子序數的變化。易知，重離子惰性氣體作為入射離子時的濺射產額明顯高于輕離子。但是出于經濟方面的考慮，多數情況下均采用Ar離子作為薄膜濺射沉積時的入射離子。下圖是在45kV加速電壓條件下各種入射離子轟擊Ag、Cu、Tc、離子入射角度對濺射產額的影響隨著離子入射方向與靶面法線間夾角θ的增加，濺射產額先呈現1/cosθ規律的增加，即傾斜入射有利于提高濺射產額。0-60度左右單調增加，當入射角θ接近70-80度角時，達到最高，入射角再增加，產額迅速下降。離子入射角對濺射產額的影響如圖。c、離子入射角度對濺射產額的影響隨著離子入射方向與靶面法線間d、靶材溫度對濺射產額的影響

在一定的溫度范圍內，濺射產額與靶材溫度的關系不大。但是，當溫度達到一定水平后，濺射產額會發生急劇的上升。原因可能與溫度升高之后，物質中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閥值減小有關。因此在實際薄膜沉積過程中，均需要控制濺射功率及濺射靶材的溫升。Xe+對幾種樣品轟擊時，濺射產額與溫度的關系d、靶材溫度對濺射產額的影響Xe+對幾種樣品轟擊時，濺射產額選擇濺射現象對合金和化合物等多原子固體的濺射中，由于構成固體的元素彼此之間的濺射產額不同，被濺射后，固體表面組分和濺射前組分相比，發生變化，這種現象稱為選擇濺射現象。但是，在不考慮靶溫升引起材料原子的擴散，以及基片薄膜原子的再蒸發情況下，選擇濺射現象不明顯，通過濺射可獲得和靶成分相同的濺射膜。相對于蒸發鍍膜而言，合金和化合物的濺射沉積鍍膜，薄膜和靶材成分的一致性要好的多。基于以下兩方面原因：

（1）不同元素的濺射產額相差較小，而不同元素的平衡蒸氣壓相差太大；（2）更重要的是，蒸發源處于熔融狀態，易形成擴散甚至對流，從而表現出很強的自發均勻化的傾向，這將導致被蒸發物質的表面成分持續變動；相比之下，濺射過程中靶物質的擴散能力很弱。由于濺射產額差別而造成的靶材表面成分的偏差很快就會使靶材表面成分趨于某一平衡成分，從而在隨后的濺射過程中，實現一種成分的自動補償效應：濺射產額高的物質貧化，濺射速率下降；濺射產額低的元素富集，濺射速率上升。最終的結果是，盡管靶材表面成分已經改變，但濺射出的物質的成分卻與靶材的原始成分相同。選擇濺射現象對合金和化合物等多原子固體的濺射中，由于構成固濺射的機制（1）經典的熱蒸發機制：濺射是由于入射粒子的能量使靶表面局部升溫，使靶原子蒸發，此過程是能量轉移過程，為“標量”過程（2）動量轉移機制：濺射是由于入射粒子與靶表面原子碰撞產生動量傳遞而引起的，此過程是動量轉移過程，為“矢量”過程濺射原子的角分布不象熱蒸發原子那樣符合余弦規律，單晶靶濺射趨向于集中在晶體原子密排方向濺射產額不僅決定于轟擊離子能量，也決定于其質量與靶原子質量比離子能量很高時，濺射產額會減少濺射原子能量比熱蒸發原子能量高許多倍動量傳遞機制成立的實驗基礎濺射的機制（1）經典的熱蒸發機制：濺射是由于入射粒子的能量

濺射法的主要特點

與蒸發法相比，濺射法最大的主要特點有：在濺射過程中入射離子與靶材之間有很大的能量傳遞，因此濺射出的原子將從中獲得很大的能量，在沉積時，高能量的原子對襯底的撞擊提高了原子自身在薄膜表面的擴散能力，使薄膜的組織更致密、附著力也得到明顯改善。當然這也會引起襯底溫度的升高。制備合金薄膜時，成分的控制性能好。濺射靶材可以是極難熔的材料。因此，濺射法可以方便地用于高熔點物質的濺射和薄膜的制備。可利用反應濺射技術，從金屬元素靶材制備化合物薄膜。有助于改善薄膜對于復雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜表面的粗糙度。濺射法的主要特點

氣體放電是離子濺射過程的基礎，下面簡單討論一下氣體放電過程。

開始：電極間無電流通過，氣體原子多處于中性，只有少量的電離粒子在電場作用下定向運動，形成極微弱的電流。隨電壓升高，電離粒子的運動速度加快，則電流隨電壓而上升，當粒子的速度達飽和時，電流也達到一個飽和值，不再增加（見第一個垂線段）；

湯生放電：電壓繼續升高，離子與陰極靶材料之間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來，同時外電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極產生二次電子，參與氣體分子碰撞，并使氣體分子繼續電離，產生新的離子和電子。這時，放電電流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱為湯生放電。電暈放電：湯生放電的后期稱為電暈放電，此時電場強度較高的電極尖端出現一些跳躍的電暈光斑。氣體放電現象氣體放電是離子濺射過程的基礎，下面簡單討輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發生電擊穿現象。此時，氣體具備了相當的導電能力，稱這種具有一定導電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電電壓卻有所下降。導電粒子大量增加，能量轉移也足夠大，放電氣體會發生明顯的輝光。電流不斷增大，輝光區擴大到整個放電長度上，電壓有所回升，輝光的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，可提供面積大、分布均勻的等離子體。弧光放電：電壓大幅下降，電流大幅增加，產生弧光放電和電弧放電斑點，陰極局部溫度大幅升高，陰極自身會發生熱蒸發。輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發生電擊穿現象。此時，氣體具氣體放電伏安特性曲線氣體放電伏安特性曲線電壓很小時，只有很小電流通過：加大電壓進入湯生放電區；“雪崩”，進入“正常輝光放電區”離子轟擊區覆蓋整個陰極表面，再增加功率進入“非正常輝光放電區”，濺射工藝的工作點選在此區：繼續增加功率，達到新的擊穿，進入低電壓大電流的“弧光放電區”電壓很小時，只有很小電流通過：輝光放電現象輝光放電意味著氣體分子形成了等離子體，此時放電過程進入了可以自持的階段。輝光放電的巴邢曲線氣體的放電擊穿需要一定的壓力條件：氣體壓力過低或電極間距過小，電子容易跨越電極之間的空間而沒有發生與氣體分子的碰撞；壓力過高，電子和氣體的碰撞過于頻繁，此時電子獲得的能量較低，不足以引起氣體分子的電離。只有氣體壓力與電極間距的乘積pd為某一數值時，氣體最容易發生放電擊穿。輝光放電現象輝光放電意味著氣體分子形成了等離子體，此時放電過等離子體鞘層輝光放電等離子體中電離粒子的密度和平均能量均較低，而放電的電壓則較高，此時質量較大的離子、中性原子和原子團的能量遠遠小于質量極小的電子的能量，這是因為電子由于質量小極易在電場中加速而獲得能量。不同粒子還具有不同的平均速度電子速度：9.5*105ms-1，Ar離子和Ar原子：5*102ms-1電子和離子具有不同的速度的一個直接結果是形成所謂的等離子體鞘層（典型厚度約為100mm），即相對于等離子體來說，任何位于等離子體中或附近的物體都自動地處于負電位，并且在其表面將伴隨有正電荷的積累。等離子體鞘層輝光放電等離子體中電離粒子的密度和平均能量均較低直流濺射射頻濺射磁控濺射離子束濺射其他濺射法濺射沉積方法濺射沉積方法直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射。

直流濺射的基本原理：在對系統抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產生氬離子和可以獨立運動的電子，電子在電場作用下飛向陽極，氬離子則在電場作用下加速飛向陰極—靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。直流濺射直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射。直流濺射直流濺射裝置示意圖直流濺射原理圖直流濺射裝置示意圖直流濺射原理圖濺射條件：工作氣壓10Pa，濺射電壓1000V，靶電流密度0.5mA/cm2,薄膜沉積率低于0.1μm/min。工作氣壓對濺射速率的影響氣壓低，電子自由程較長，通過碰撞而引起的氣體分子電離的幾率較低，同時離子在陽極上濺射時發出二次電子的幾率也相對較小。這些導致濺射速率很低；隨氣壓升高，濺射速率提高；氣壓過高時，濺射出來的原子在飛向襯底的過程中受過多的散射，部分濺射原子甚至被散射回靶材表面沉積下來，因此濺射速率反而下降。濺射條件：濺射沉積速度與工作氣壓的關系濺射沉積速度與工作氣壓的關系直流濺射裝置的改進

在直流二極濺射的基礎上，增加一個發射電子的熱陰極和一個輔助陽極，構成三極（或稱四極）濺射裝置。四極濺射示意圖直流濺射裝置的缺點：

不能獨立控制各個工藝參數，如陰極電壓、電流以及濺射氣壓；使用的氣壓較高（10Pa左右），濺射速率低，薄膜質量（致密度、純度）差。直流濺射裝置的改進四極濺射示意圖直流濺射裝置的缺點：特點：由于熱陰極發射電子的能力較強，因而放電氣壓可以維持在較低水平上，這對于提高沉積速率、減少氣體污染等都是有利的。此時提高輔助陽極的電流密度即可提高等離子體的密度和薄膜的沉積速率，而轟擊靶材的離子束流又可以得到獨立的調節。缺點：難于獲得大面積且分布均勻的等離子體，且在提高薄膜沉積速率方面的能力有限。特點：缺點：133上述的直流濺射方法要求靶材具有好的導電性，否則靶上電荷積累，會造成靶電流過小，靶電壓過高射頻濺射是適用于導體、非導體靶材的濺射方法射頻濺射方法

射頻濺射多使用13.56MHz頻率的射頻電源？31上述的直流濺射方法要求靶材具有好的導電性，否則靶上電荷積電容耦合式的射頻濺射裝置電容C將射頻能量耦合至靶電極，而地電極則包括了襯底和真空室，即放電系統具有非對稱的電極配置：靶電極面積地電極面積“電容耦合”指兩電極間形成了一等效電容，將能量耦合至體系電容耦合式的射頻濺射裝置電容C將射頻能量耦合至靶電極，而地135與直流時相比，射頻放電過程有兩個顯著的變化：射頻、直流放電過程的差別高頻電場已可經其他阻抗形式（電容C）耦合到靶上，而不必要求靶材是導體。電極在前半周期內積累的電荷將會在下半周期內得到釋放在射頻頻率下，質量較大的離子已跟不上電場的高速變化，而只能感受到平均的電位分布；而質量較小的電子，可以緊跟電場的周期變化在兩極間振蕩運動，從電場中獲得能量，使氣體分子電離和轟擊電極產生二次電子33與直流時相比，射頻放電過程有兩個顯著的變化：射頻、直流放136射頻電源的采用使放電過程擺脫了對靶材導電性的限制靶物質如何在交變電場的作用下被濺射的呢？射頻濺射法可以被用于物質濺射的原因使射頻方法可被用來產生物質濺射效應的根本原因是它可在靶上產生自偏壓效應，即在射頻激勵之下，靶電極會自動地處于一個負電位，它導致離子受到吸引，對靶電極造成轟擊和濺射

電子、離子間巨大的質量（速度）差異是自偏壓得以產生的根本原因；通過電容C的能量耦合方式和電極面積差是獲得適當幅度自偏壓的必要條件34射頻電源的采用使放電過程擺脫了對靶材導電性的限制射頻濺射電容耦合射頻方波時電極上自偏壓的產生A.Bogaertsetal./SpectrochimicaActaPartB57(2002)609–658激勵電壓射頻極的電位自偏壓(電容電壓降)在射頻激勵下，正半周內高速電子將迅速涌入，使電極電位迅速降低；負半周內慢速離子少量涌入將使電位少量回升最終，電極將獲得一個負電位，以抑制電子的持續涌入大電容,小電流

電容耦合射頻方波時電極上自偏壓的產生A.Bogaerts射頻電極自偏壓的產生原因耦合電容C使電極與電源間不能有實際的電流流過；電容C的負端和靶電極被充上負電荷后，使其不再傾向于接受電子，即它將使靶電極調整到相應的負電位，使其后它每個周期內吸納的電子、離子的數量趨于相抵靶電極獲得的這一負電位,即是靶電極上產生的自偏壓射頻電極自偏壓的產生原因耦合電容C使電極與電源間不射頻激勵下系統的等效電路系統可被描述為一個由電容、電阻、二極管組成的體系；二極管描述了其單向導電的特性，電阻描述其能量耗散特性射頻激勵下系統的等效電路系統可被描述為一個由電容、電射頻電極的電流-電壓特性與自偏壓自偏壓產生后，電極維持于一個負電位，以排斥電子的涌入；電極在正半周內接受的電子與負半周內接受的離子數相等，使平均電流為零電流的波形電壓的波形電子-離子運動的速度差異使電極的電流-電壓特性就象一只二極管負偏壓射頻電極的電流-電壓特性與自偏壓自偏壓產生后，電極維持于一個射頻電極上自偏壓的大小因此，面積較小的靶電極將擁有較高的自偏壓兩極及其間的等離子體還可以被看成是兩個串聯的電容，其中“靶電極電容”因靶面積小而較小，而“地電極電容”因電極面積大而較大。電容電壓降V與電極面積A成反比，即：射頻電極上自偏壓的大小因此，面積較小的靶電極將擁有較高的自偏Vc-Vp——射頻極對等離子體的電位差Vp-0——地電極對等離子體的電位差Vc-Vp>>Vp，即，濺射極產生的自偏壓Vb射頻電極電壓的變化曲線和自偏壓O等離子體電位地電位射頻極的電位自偏壓直流時情況Vc-Vp——射頻極對等離子體的電位差射頻電極電壓的變化射頻電極上自偏壓的大小（左）面積小的射頻電極將擁有較高的自偏壓（右）而對稱配置的一對電極將因為會受到等量的離子轟擊，因而會造成濺射污染（特別是氣壓低、氣體分子散射不嚴重時）射頻極射頻極平均電位平均電位射頻電極上自偏壓的大小（左）面積小的射頻電極將擁有較高的自偏射頻濺射過程的實現靶電極上的自偏壓將吸引離子，造成射頻靶的濺射，使非導體靶的濺射成為可能自偏壓的大小取決于靶面積比、外加射頻電壓的高低、氣體的種類與壓力等。射頻濺射時，自偏壓一般為100–1000V，氣體壓力1–100Pa,電子密度109–1011/cm3真空室壁感受到的自偏壓較小，受到離子轟擊和濺射的效應很小，可以被忽略出于同樣的道理，在襯底或薄膜（可以是導體和非導體）上施加一射頻電源，也可以起到對其施加負偏壓的作用射頻濺射過程的實現靶電極上的自偏壓將吸引離子，造成射頻靶的濺

相對于蒸發沉積來說，一般的濺射沉積方法具有的兩個缺點：

a、沉積速率較蒸發法低；

b、所需工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長，放電現象不易維持。從而導致薄膜被污染的可能性較高。磁控濺射法則因為其沉積速率較高（比其他濺射法高出一個數量級），工作氣體壓力較低而具有獨特的優越性。（1）磁控濺射的基本原理

在二極濺射裝置上加一與電場E的正交磁場B,當電子在正交電磁場中運動時，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運動將由直線運動變成擺線運動，如圖所示。電子將可以被約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運動軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過程的幾率。這樣，既可以降低濺射過程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效率和沉積速率。磁控濺射相對于蒸發沉積來說，一般的濺射沉積方法具有的兩個缺點：磁146以磁場控制電子的運動電子在電場E、磁場B中將受到洛侖茲力作用

F=-q(E+vB)若E、B相互垂直，則電子的軌跡將是既沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進的復雜曲線。即靶表面垂直E方向的磁力線可將電子約束在靶表面附近，延長其運動軌跡，提高其參與氣體電離過程的幾率，降低濺射過程的氣體壓力，提高濺射效率

E、B相互平行

E、B相互垂直44以磁場控制電子的運動電子在電場E、磁場B中將受到洛侖茲力薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件矩形磁控靶材表面的磁場及電子的運動軌跡

形成一條濺射帶，使靶的利用率低；不宜于鐵磁性物質的濺射矩形磁控靶材表面的磁場及電子的運動軌跡形成一條濺射帶，使靶矩形磁控靶材表面的電子密度分布在E與B相垂直的地方，電子密度高，因為這里電子軌跡被延長矩形磁控靶材表面的電子密度分布在E與B相垂直的地方，電子密度直流與磁控濺射情況下氣體放電的帕邢曲線

氣壓可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染傾向；沉積速率高（可大于10m/hr）、效率大大提高。磁控濺射的上述優點，使其成為了濺射法技術的主流。直流與磁控濺射情況下氣體放電的帕邢曲線氣壓可以低至10-1（2）磁控濺射設備

根據靶材形狀不同，磁控濺射可以有許多形式，常用的主要有：平面磁控靶、圓柱磁控靶。a、平面磁控靶（2）磁控濺射設備薄膜制備技術(PVD)(濺射)解析課件b、圓柱磁控靶電子約束在靶的表面附近，靶材的利用率高。電子運動軌道柱狀靶SN樣品架Bb、圓柱磁控靶電子運動軌道柱狀靶SN樣品架B（３）磁控濺射的特點

a、工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；

b、維持放電所需的靶電壓低；

c、電子對襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度；

d、空易實現在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。（4）磁控濺射缺點：a、對靶材的濺射不均勻；

b、不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁材料，則少有漏磁，等離子體內無磁力線通過；

（３）磁控濺射的特點磁控濺射法的改進——非平衡磁控濺射法普通的磁控濺射陰極的磁場集中于靶面附近的有限的區域內，基片表面沒有磁場，稱平衡磁控濺射陰極1985年Window提出增大普通的磁控濺射陰極的雜散磁場，從而使等離子體范圍擴展到基片表面附近的非平衡磁控濺射陰極如果通過陰極的內外兩個磁極端面的磁通量不等，則為非平衡磁控濺射陰極，非平衡磁控濺射陰極磁場大量向靶外發散

采用非平衡磁控濺射法，有意識地增大（或減小）靶中心的磁體體積，造成部分磁力線發散至距靶較遠的襯底附近，這時等離子體的作用擴展到了襯底附近，而部分電子被加速射向襯底，同時在此過程中造成氣體分子電離和部分離子轟擊襯底，保持適度的離子對襯底的轟擊效應，以提高薄膜的質量：附著力、致密度等。磁控濺射法的改進——非平衡磁控濺射法普通的磁控濺射陰極的磁普通的磁控濺射陰極的磁場將等離子體約束在靶面附近，基片表面附近的等離子體很弱，只受輕微的離子和電子轟擊。非平衡磁控濺射陰極磁場可將等離子體擴展到遠離靶面的基片，使基片浸沒其中，因此又稱“閉合磁場非平衡濺射”（Closed-fieldUnbalancedMagnetronSputtering,CFUBMS),可以以高速率沉積出多種材料的、附著力強的高質量薄膜。這有利于以磁控濺射為基礎實現離子鍍，有可能使磁控濺射離子鍍與陰極電弧蒸發離子鍍處于競爭地位。普通的磁控濺射陰極的磁場將等離子體約束在靶面附近，基片表面附用化合物靶采用射頻濺射方式可以得到絕緣的化合物薄膜，但是由于選擇濺射的原因，薄膜成分和化合物靶通常存在偏離。采用金屬靶，積極主動地在放電氣體中混入活性氣體，可以制備成分和性質可控的化合物薄膜，這種方法稱為反應濺射。反應濺射機制的三種模型：（1）在靶面上由表面沿厚度方向的反應模型（2）由吸附原子在靶面上的反應模型（3）被濺射原子的捕捉模型反應濺射用化合物靶采用射頻濺射方式可以得到絕緣的化合物薄膜，但是由于利用反應濺射方法可以制備氧化物，如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2碳化物，如SiC、WC、TiC氮化物，如TiN、AlN、Si3N4硫化物，如CdS、ZnS、CuS復合化合物，如碳氮化物Ti(C,N)、Al(O,N)反應濺射由于采用了金屬靶材，因而它可以：大大降低靶材的制造成本有效改善靶材和薄膜的純度利用反應濺射方法可以制備反應濺射由于采用了金屬靶材，因而它可反應濺射中的靶中毒現象隨著活性氣體壓力的增加，靶材表面可能形成一層化合物，并導致濺射和薄膜沉積速率的降低的現象濺射速率隨反應氣體流量的變化曲線ReactivegasflowSputteringrateReactiveModeMetallicModeTransitionModeAB