的类型、晶格结构、表面状态、升华热等
单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射
率最高
Y 3 r 4mI mA E
4 2 mI mA E
E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数
4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动 量传递的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子
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激光烧蚀靶面结构示意图
2.2.3 PLD中的激波（shock wave）
(1)烧蚀物的运动在气体中激发声波 (2)声波前沿与烧蚀物之间的气体被压缩
烧蚀物的运动比声波快，声波前沿与烧蚀物之间的距离会不断缩小，其 间的气体则不断受到压缩，被压缩气体的温度可达上万度，密度可比未压 缩气体提高数倍，压强也相应的激增
抑制或减少液滴产生的机械方法与技术：
1）采用高致密度的靶材 2）采取机械屏蔽技术：靶材衬底之间加速率筛
偏轴激光沉积 瞄准阴影掩模板 加偏转电场或磁场
3）其他技术：双光束激光沉积技术
交叉束沉积技术 有一定效果，但牺牲了PLD高能量的优点，降低了薄膜的沉积速率
使用超快脉冲(ps或fs)激光器：低能量、高脉冲，抑制大颗粒
溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小
对大多数金属来说： 溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热
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一些金属的溅射阈（eV）
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溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离
子能从阴极上打出的原子数
影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材
根据蒸发源的不同进行分类：
2.1.1 电阻热蒸发（thermal evaporation）
热蒸发： 蒸发材料在真空室中被加热，其原子或分子从表面溢出
1、饱和蒸气压PV 定义：
在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过 程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸气压
3
dPV H dT T (VG VL )
980 1220 1380 1830 2227 1050 1120 1220
熔点 （C）
2034 2672 2710 1710 1850
7
3、蒸发速率和沉积速率
蒸发速率：
Re
dN A dt
e
PV
Ph /
2mkT
（个/m2·s）
dN：蒸发粒子数 e：蒸发系数 A：面积 PV：饱和蒸汽压 Ph：液体静压 m：原子量 k：玻兹曼常数
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溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关
溅射率与入射离子能量的关系
<150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 >104eV：下降（注入增加）
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0
37
溅射率与靶材原子序数的关系
透射、反射、散射尽量小，损失小
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优点：可蒸发高熔点材料
热源在室外，无污染，简化真空室
非接触加热，适宜于超高真空下制取纯洁薄膜
较高蒸发速率
缺点：费用高
并非所有材料均能适用
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2.1.5 反应蒸发（reactive evaporation）
原理： 在一定反应气氛中蒸发金属或低价化合物，使之在淀
积过程中发生化学反应而生成所需的高价化合物薄膜
某些元素的平衡蒸气压
5
2、蒸发粒子的速度和能量
Em
1 2
mvm2
kT
2
vm
3kT m
3RT M
E 3 kT 2
T 1000 ~ 2500 C
E 0 . 1 ~ 0 . 2 eV
m：一个蒸发分子的质量 M：摩尔质量 T：绝对温度 k：玻尔兹曼常数 R：气体普适常数
平均速度105cm/s
6
几种介质材料的蒸气压与温度的关系
如：2Ti（激活蒸汽）+ N2（激活氮气）= 2TiN 2SiO + O2（激活氧气）= 2SiO2
发生反应的地方： 1、蒸发源表面（尽可能避免） 2、蒸发源到基板的空间（概率很少） 3、基板表面（希望发生）
20
反应蒸发装置图
反应蒸发法是真空镀膜方法的一种改进 特点： 产生等离子体，使蒸发材料和反应气体电离活化，提高反应效率
28
2.3 溅射（Sputtering）
2.3.1 溅射的基本原理
荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入 射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射
荷能粒子：离子
（易于在电磁场中加速或偏转）
伴随着离子轰击固体表面的各种现 象（右图）：
1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象
越小，或温度越高，解吸越快 (3)吸附的金属原子或氧分子产生表面迁移，通过氧的离解，化学吸
附发生化学反应，形成氧化物
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2.2 脉冲激光沉积
(Pulsed Laser Deposition, PLD)
2.2.1 PLD的特点
PLD制膜：将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面， 使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等 离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜
缺点：不能预除气
功率不能微调 装置复杂、昂贵
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2.1.4 激光束蒸发（Laser beam evaporation）
热源：激光
激光器：红宝石激光器 钕玻璃激光器 钇铝石榴石激光：巨脉冲 CO2激光器：连续可调，大功率
激光束功率密度：聚焦后106w/cm2以上
物质吸收的能量： EA（吸收）=EI(入射)-ET(透射)-ER(反射)-ES(散射)
1.3
1.8
CdS<1010>
0.5
1.2
GaAs<110>
0.4
0.9
PbTe<110>
0.6
1.4
SiC<0001>
0.45
SiO2 Al2O3
0.13
0.4
0.04
0.11
溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射 率值来确定，存在较大的差异性。
40
2.3.3 溅射粒子的速度和能量
（3）声波前沿处形成一个气体状态的间断面
声波前沿处气体的温度、密度则突然下降到未压缩气体的水平
这个间断面就是所谓的激波
在PLD中，在距靶1~2cm的位置形成强激波 激波薄层中的温度可达上万度
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2.2.4 烧蚀物的传输
• 激波的形成阶段 • 激波的传输阶段 • 声波阶段
激波传输过程中的化学反应：
激波传输时的示意图
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
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直流辉光放电过程的形成 VB： 击穿电压
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气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高 放电区的电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下 关系：
到达下列蒸汽压的温度
材料
10-5 (Torr)
10-4
10-3
10-2
10-1
1
760
Al2O3 MgO ZrO SiO2 ZnS
1050 1040 870
1150 1280 1440 1640 1860 3000 1130 1260 1410 1600 1800 2900 925 1430 1620 1820 2050 3600
激波薄层中O2分子将被激发、离解乃至电离而以氧原子、氧 离子等化学活泼状态存在
烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发 生气相化学反应
显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内
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2.2.5 颗粒物的抑制方法
颗粒物是限制PLD技术获得广泛应用的主要因素之一
解决途径：争取从源头上减少液滴的产生或在传输过程中减少液 滴到衬底的沉积
溅射Cu原子 速度分布图
He+：平均速度=4105 cm/s
平均能量 E=1/2m2=4.5 eV
Ar+：平均速度=3~6105 cm/s
平均能量 E=30~40 eV
轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
第二章 物理气相沉积
1
物理气相沉积分类
PVD
第一类
第二类
蒸发 (Evaporation)
脉冲激光沉积 (Pulsed laser deposition)
溅射 (Sputtering)
离子镀 (Ion plating)
2
dPv H dT T (VG VL )
2.1 蒸发技术（Evaporation）
优点：1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高
缺点：1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致
23
PLD系统示意图
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2.2.2 PLD的原理
整个PLD过程可分为三个阶段： （1）激光与靶的作用阶段 （2）烧蚀物（在气氛气体中）的传输阶段 （3）到达衬底上的烧蚀物在衬底上的成膜阶段
∆H：摩尔气化热 T：绝对温度
VG：气相摩尔体积 VL：液相摩尔体积
V
VG
VL
VG
RT PV
ln PV A H A B