第三章薄膜的物理氣相沉積(Ⅱ)

1第三章薄膜的物理氣相沉積(Ⅱ)---濺射法及其他PVD法濺射的含義:在某一溫度下,如果固體或液體受到適當?shù)母吣芰Ｗ?通常為離子)的轟擊,固體或液體中的原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸。這種將原子從表面發(fā)射出去的方式稱為濺射。2第一節(jié)、基本概念濺射鍍膜的定義：高能離子在電場作用下高速轟擊陰極（靶），經(jīng)過能量交換與轉(zhuǎn)移，靶材粒子飛離出來，

淀積在基板上形成薄膜。濺射3濺射法的發(fā)展1852年,Grove在研究輝光放電時首次發(fā)現(xiàn)；Thomson形象的把這一現(xiàn)象類比為水滴從高處落在水面引起的水花飛濺現(xiàn)象，稱其為“Spluttering”；后在印刷時將“l(fā)”漏掉錯印為“Sputtering”。后來，“Sputtering”一詞便被用作科學術(shù)語“濺射”。濺射法成膜發(fā)展晚，但是在近代特別是現(xiàn)代，這一技術(shù)卻得到了廣泛應(yīng)用。45離子轟擊固體表面所引起的各種效應(yīng)刻蝕，清洗等離子體678910濺射的基本原理利用在電場中加速后具有一定動能的高能量離子轟擊固體或液體（靶），在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中將其濺射出來，這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，實現(xiàn)薄膜沉積。11濺射沉積裝置示意圖原理：抽真空、充惰性氣體（0.1-10Pa）、氣體電離、氬離子撞擊陰極靶、能量轉(zhuǎn)移、濺射、沉積12濺射法的特征濺射出來的粒子角分布取決于入射粒子的方向；從單晶靶濺射出來的粒子顯示擇優(yōu)取向；濺射率（平均每個入射粒子能從靶材中打出的原子數(shù)）不僅取決于入射粒子的能量，而且也取決于入射粒子的質(zhì)量；濺射出來的粒子平均速率比熱蒸發(fā)的粒子平均速率要高得多。13主要內(nèi)容一、氣體放電現(xiàn)象與等離子體二、物質(zhì)的濺射現(xiàn)象三、濺射沉積裝置四、離子束和離子鍍五、外延膜沉積技術(shù)14輝光放電3.1氣體放電和等離子體ABCDEFG15AB段：無光放電區(qū)。在兩極加上電壓，系統(tǒng)中的氣體仍處于中性狀態(tài)，只有極少量的游離離子和電子，數(shù)量有限，因此形成的電流非常微弱；16BC段：湯生放電區(qū)（Townsenddischarge）。隨著兩極間電壓的升高，帶電粒子獲得足夠能量運動速度加快，并與系統(tǒng)中的氣體分子發(fā)生碰撞并使其電離從而使電流持續(xù)增加。在此區(qū)域，電流可在電壓不變的情況下增大，當電流增大到一定值時（C點），會發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象。17CD段：過渡區(qū)。此時，由于離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，二次電子與中性氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多離子，離子再轟擊陰極，陰極又產(chǎn)生更多的二次電子，大量的離子和電子產(chǎn)生后，放電達到自持。氣體開始起輝，電子劇增，電壓迅速下降，放電呈負阻特性。18DE段：正常輝光放電區(qū)。在D點以后，電流平穩(wěn)增加，電壓維持不變。隨著電流的增加，轟擊陰極的區(qū)域擴大，到達E點后，粒子轟擊覆蓋整個陰極表面。此時再增加電源功率，兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，這一區(qū)域EF為“異常輝光放電區(qū)”。19FG段：弧光放電區(qū)。在F點以后，隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓大幅下降，電流強度伴隨有劇烈增加。這表明等離子體的導(dǎo)電能力再一次迅速提高。在此區(qū)間，電流幾乎由外電阻所控制，電流越大，電壓越小。20輝光放電區(qū)域的劃分陰極輝光；陰極暗區(qū)(大部分電壓降)；負輝光區(qū)（輝光最強區(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)相當于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。3.1輝光放電和等離子體21帕邢（Paschen）曲線，帕邢定律：氣體放電擊穿所需要的擊穿電壓是隨氣體壓力變化的。變化曲線如圖3.3所示。P,d分別為氣體壓力和電極間的間距。例如，在電極間距為3cm時，最容易發(fā)生氣體擊穿的壓力是在30Pa左右。為什么壓力過低或過高導(dǎo)致?lián)舸╇妷荷?？？?2氣體壓力過低或者電極間距過小時，電子很容易跨越電極間的空間而沒有發(fā)生與氣體分子的碰撞；壓力過高時，電子與氣體分子的碰撞又過于頻繁，此時電子獲得的能量較低，不足以引起氣體分子的電離。因此，只有當氣體壓力與電極間距的乘積pd為某一數(shù)值時，氣體最容易發(fā)生放電擊穿。描述這一規(guī)律的曲線即圖3.3，稱為帕邢曲線，而相應(yīng)的實驗規(guī)律稱為帕邢定律。23等離子體：等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間，空間物理，地球物理等科學的進一步發(fā)展提新的技術(shù)和工藝。24在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負電荷局部集中，產(chǎn)生電場；電荷定向運動引起電流，產(chǎn)生磁場。電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動，并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導(dǎo)；等離子體能被磁場約束作回旋運動。等離子體的這些特性使它區(qū)別于普通氣體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。25等離子體鞘層電離度不同：等離子體包括低溫等離子體（輕度電離，離子溫度遠低于電子溫度）和高溫等離子體（高度電離，離子溫度和電子溫度均很高）。等離子體中粒子能量不同（溫度不同）導(dǎo)致速度不同：Te＝23000K，Ti=300-500K。

離子質(zhì)量大，其運動速度遠低于電子：平均速度：Vi＝500m/sVe＝9.5×105m/s

電子優(yōu)先到達固體表面！導(dǎo)致。。。26等離子體鞘層形成機理：等離子體附近物體受等離子體內(nèi)部高能粒子轟擊，電子速度快，優(yōu)先到物體表面，累積負電荷（負電位），導(dǎo)致正離子累積（最終電荷平衡），形成充斥正離子的等離子體鞘層。電壓降主要分布于陰極鞘層中。27等離子體鞘層在薄膜制備中的意義：任何等離子體附近的物體（如襯底基片）均自動處于負電位。穿過鞘層到達基片的離子降受到加速，轟擊基片，電子受到減速，需大的能量方能到達基片。鞘層厚度b：與電子密度及溫度有關(guān)，典型值100微米。直流輝光放電的電位分布和等離子體鞘層示意圖陽極接地，處于零電位28（三）輝光放電過程中的電子碰撞電子不僅是等離子體導(dǎo)電過程中的主要載流子，而且在粒子相互碰撞、電離的過程中也起著極為重要的作用。等離子體中高能電子與其他粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機制?。?！電子與其他離子的碰撞有兩類：291.彈性碰撞參加碰撞的粒子的總動能和總能量保持不變，粒子內(nèi)能不變化，即沒有粒子的激發(fā)、電離或復(fù)合過程。以粒子1高速撞擊粒子2為例：據(jù)經(jīng)典力學，彈性碰撞過程中E1與E2的關(guān)系：碰撞前粒子1的運動方向與碰撞后粒子2的運動方向間的夾角302.非彈性碰撞部分電子的動能轉(zhuǎn)化為粒子2的內(nèi)能增加△U31

在電子能量低于2eV(等離子體中電子的平均動能)時，電子與其他粒子的碰撞多為彈性碰撞。當電子能量較高時，發(fā)生非彈性碰撞的幾率就非常高。比較有代表性的非彈性碰撞過程如下：（1）電離過程（反之為復(fù)合），如

e-+Ar→Ar++2e-（2）激發(fā)過程，如

e-+O2→O2*+e-（3）分解反應(yīng)，如

e-+CF4→CF3*+F*+e-其他碰撞（原子、離子間）也在發(fā)生，但電子參與的碰撞在放電過程中最為重要。32二、物質(zhì)的濺射現(xiàn)象

在離子轟擊物體表面時，可能發(fā)生一系列的物理過程，濺射只是其中之一。當離子入射到靶材表面時（鞘層電位加速，能量大幅提高），對于濺射過程來說有兩個比較重要的現(xiàn)象：一是物質(zhì)的濺射；另一是二次電子的發(fā)射（陰極鞘層再加速）。二次電子與氣體分子的碰撞可以維持氣體的輝光放電過程。33（一）濺射參數(shù)表征濺射特性的主要參數(shù)有濺射閾值、濺射產(chǎn)額、濺射粒子的速度和能量。濺射閾值：是指將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值。（1）入射離子能量低于濺射閾值時，不發(fā)生濺射。（2）濺射閾值隨著靶材原子序數(shù)增加而減小。（3）對于大多數(shù)金屬來說，濺射閾值為20～40eV。34濺射產(chǎn)額：又稱濺射率或濺射系數(shù)，它表示入射離子轟擊靶陰極時，被濺射出來的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比。**濺射產(chǎn)額與入射離子的能量、種類、角度以及靶材的種類、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。（1）入射離子能量：入射離子能量越過一定的閾值后，隨著入射離子能量的增加，才會出現(xiàn)物質(zhì)表面原子的濺射。在150eV以前，濺射率與入射離子能量的平方成正比；在150eV~10keV范圍內(nèi)，濺射率變化不明顯；入射能量再增加，濺射率將呈下降趨勢（離子注入）。35（2）入射離子和被濺射物質(zhì)種類對濺射產(chǎn)額的影響A.隨著被濺射物質(zhì)元素外層d電子數(shù)的增加濺射產(chǎn)額提高；B.使用惰性氣體作為入射離子時，濺射產(chǎn)額較高；而且重離子的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子。36（3）離子入射角度對濺射產(chǎn)額的影響（入射離子方向與靶面法線夾角）如圖3.11所示。隨著θ的增加，濺射產(chǎn)額先是呈1／cosθ規(guī)律增加，即傾斜入射角有利于提高濺射產(chǎn)額；但當入射角θ接近于80度時，產(chǎn)額迅速下降。37（4）靶材溫度對濺射產(chǎn)額的影響一定溫度內(nèi)關(guān)系不大；超過一定溫度，迅速增加：高溫導(dǎo)致靶材原子間鍵合力弱化，濺射閾值降低。38濺射原子的速度和能量具有以下特點：（1）原子序數(shù)大的濺射原子濺射逸出時能量較高，而原子序數(shù)小的濺射原子濺射逸出的速度較高；（2）在相同轟擊能量下，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而線性增加；（3）濺射原子平均逸出能量隨入射離子能量的增加而增大，但當入射離子能量達到某一較高值時，平均逸出能量趨于恒定。39（二）濺射沉積法的主要特點：1）易于保證薄膜的化學成分與靶材的成分基本一致（適合制備合金或化合物薄膜）;2）薄膜純度高,致密性好;3）任何待鍍材料,只要能作為靶材,就可實現(xiàn)濺射。例如，極難熔的材料。4）薄膜與襯底(基片)結(jié)合較好（濺射原子高能量）;5）可重復(fù)性好,膜厚可控制;可以在大面積基片上獲得厚度均勻、高平整度（再濺射過程）的薄膜;406）可利用反應(yīng)濺射技術(shù),從金屬元素靶材制備化合物薄膜;7）入射離子與靶材之間有很大能量傳遞;8）濺射法存在的缺點:沉積速率低，工作氣壓較高，基片(襯底)會受到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生升溫。41★★★★★★★★★★★★★★★★引起襯底溫度升高的能量來源:(1)原子的凝聚能;(2)沉積原子的平均動能;(3)等離子體中的其他粒子，如電子、中性原子等的轟擊帶來的能量。42三、濺射沉積裝置濺射沉積裝置種類繁多,主要的濺射方法可以根據(jù)其特征分為以下幾種:*直流濺射*射頻濺射*磁控濺射*反應(yīng)濺射43(一)直流濺射*又稱為陰極濺射或二極濺射*一般只能用于靶材為良導(dǎo)體的濺射.輝光放電直流濺射系統(tǒng)是最簡單的濺射系統(tǒng).如圖3-21所示.441.直流濺射典型的濺射條件:Ar作為工作氣體,工作壓力10Pa,濺射電壓3000V,靶電流密度0.5mA/cm2，薄膜沉積速率低于0.1um/min。2.

工作氣壓對濺射速率以及薄膜的質(zhì)量都具有很大的影響.(低-電離少-二次電子少-濺射速率低；高-靶原子散射-濺射效率低)45

3.直流濺射法的缺點（1）不能獨立地控制各個工藝參量，包括陰極電壓、電流以及濺射氣壓。（2）直流濺射的放電氣壓高（10Pa左右）導(dǎo)致濺射速率低，不利于減小氣氛中的雜質(zhì)對薄膜的污染以及濺射效率的提高。所以，目前直流濺射方法已經(jīng)較少采用。464.

三極濺射：在直流二級濺射的基礎(chǔ)上增加一個發(fā)射電子的熱陰極和一個輔助陽極。結(jié)構(gòu)如圖3.17所示。熱陰極接加熱電源和0—50V負偏壓電源。熱電子在加速電場吸引下，穿過靶與工件間的等離子區(qū)，增加了電子與氬氣原子的碰撞概率，提高沉積速率，真空鍍膜膜層組織細化。47＊典型的工作條件：工作氣壓0.5Pa，濺射電壓1500V,靶電流密度2.0mA/cm2，薄膜沉積速率0.3um/min。＊缺點：

（1）難于獲得大面積且分布均勻的等離子體，并且提高薄膜沉積速率的能力有限；（2）放電過程難以控制，工藝重復(fù)性差。48

用交流電源代替直流電源就構(gòu)成了交流濺射系統(tǒng)，由于常用的交流電源的頻率在射頻段，如13.56MHz，所以稱為射頻（RF）濺射。（二）射頻濺射49在直流射頻裝置中如果使用絕緣材料靶時，轟擊靶面的正離子會在靶面上累積，使其帶正電，靶電位從而上升，使得電極間的電場逐漸變小，直至輝光放電熄滅和濺射停止。所以直流濺射裝置不能用來濺射沉積絕緣介質(zhì)薄膜。（二）射頻濺射50為了濺射沉積絕緣材料，將直流電源換成交流電源。由于交流電源的正負性發(fā)生周期交替，當濺射靶處于正半周時，電子流向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且積累電子，使其表面呈現(xiàn)負偏壓，導(dǎo)致在射頻電壓的負半周期時吸引正離子轟擊靶材，從而實現(xiàn)濺射。在射頻濺射裝置中，等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量并在電場內(nèi)振蕩，因此，電子與工作氣體分子碰撞并使之電離產(chǎn)生離子的概率變大，故使得擊穿電壓、放電電壓及工作氣壓顯著降低。（二）射頻濺射51（二）射頻濺射＊適用于絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等任何一類靶材的濺射。1.射頻濺射法的優(yōu)點：（1）可在1Pa左右的低壓下進行，沉積速率較高；（2）不要求電極一定是導(dǎo)體，高頻電場可以通過其他阻抗形式耦合進入沉積室；擺脫對靶材的限制（3）可在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)（自動負偏壓），導(dǎo)致氣體離子對靶產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。522.典型的工作條件：工作氣壓1.0Pa，靶電壓1000V，靶電流密度1.0mA/cm2，薄膜的沉積速率0.5μm/min。（5-30MHz，國際標準13.56MHz）53相對于蒸發(fā)沉積法，一般濺射法存在的缺點：工作氣壓高（氣壓低則電子平均自由程太長，放電現(xiàn)象不易維持），沉積速度低，可能產(chǎn)生污染。磁控濺射是為了在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法。（三）磁控濺射54磁控濺射利用磁場與電子交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率。所產(chǎn)生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材5556（三）磁控濺射—是一種沉積速率較高，工作氣體壓力較低的濺射技術(shù)。圖3.19是磁控濺射與直流濺射情況下氣體放電的帕邢曲線57與直流濺射時相比，磁控濺射可以顯著降低濺射過程的氣體壓力范圍。這一方面可降低薄膜污染的可能性，另一方面也將提高入射到襯底表面原子的能量（散射少），從而改善薄膜的質(zhì)量。＊磁控濺射典型的工作條件：工作氣壓0.5Pa，靶電壓600V，靶電流密度20mA/cm2，薄膜的沉積速率2μm/min。58磁控濺射法的沉積速率比其它濺射方法高出一數(shù)量級。這一方面是由于磁場中電子的電離效率高,提高了靶電流密度和濺射效率，而靶電壓卻大幅下降;另一方面是因為工作氣壓低，這樣濺射原子被氣體分子散射的幾率較小，濺射原子能量高，改善薄膜致密性和組織均勻性。59圖3.21，不同濺射方法的靶電流密度和靶電壓的比較.從數(shù)據(jù)中可以看出,在相同的條件下,靶電流的高低順序為:磁控濺射>射頻濺射>直流濺射60磁控濺射的特點:(1)沉積速率高，可直流也可交流；(2)所需的靶電壓低;(3)電子對襯底的轟擊作用小，易實現(xiàn)在塑料等襯底上低溫沉積;(4)缺點：對靶材的濺射不均勻；不適合于鐵磁性材料的濺射61磁控濺射靶的形式很多，常見的是平面磁控靶和圓柱靶。圖3.22磁力線大致與靶表面平行，將電子約束在靶表面附近。等離子體對襯底轟擊作用小，減少襯底損傷、降低沉積溫度。靶材利用率很高。需要離子轟擊襯底怎么辦？擴大磁力線范圍，對襯底加負偏壓62(四)反應(yīng)濺射在存在反應(yīng)氣體的情況下濺射靶材時,靶材料會與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物,像這種在沉積的同時形成化合物的濺射技術(shù)稱為反應(yīng)濺射法.反應(yīng)濺射法可以制備（固溶體、混合物、化合物）:氧化物:Al2O3,SiO2,In2O3,SnO2等碳化物：SiC,WC,TiC氮化物：TiN，AlN硫化物：CdS，ZnS，CuS復(fù)合化合物：Ti(C,N)63靶中毒：在典型的反應(yīng)濺射系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體與靶發(fā)生反應(yīng)，在靶材表面形成化合物層，造成濺射模式由濺射率高的金屬模式向濺射率低的化合物模式的變化的現(xiàn)象。＊靶中毒導(dǎo)致了濺射和薄膜沉積速率的降低?。R射速率隨反應(yīng)氣體流量的變化規(guī)律？64隨著反應(yīng)氣體流量的變化,薄膜的沉積速率會發(fā)生明顯的變化,并且變化呈現(xiàn)出滯后的特征.65避免靶中毒的措施：（1）提高活性氣體的利用效率，抑制其與靶材表面反應(yīng)的進行（反應(yīng)氣入口遠離靶材、靠近襯底）；（2）提高靶材的濺射速率（合適的入射離子種類和能量、入射角度、靶材溫度），降低活性氣體吸附的相對影響；（3）采用中頻或脈沖濺射技術(shù)66（五）中頻濺射與脈沖濺射在制備電導(dǎo)率較低的化合物薄膜時，利用直流反應(yīng)濺射技術(shù)會遇到以下問題：（1）靶中毒（濺射和沉積速率降低，薄膜結(jié)構(gòu)和成分變動）；（2）陽極作用消失（化合物沉積，阻塞電荷傳導(dǎo)通路，電子累積，附加電場逐漸削弱源電場）；（3）靶面和電極間打火（電荷累積，化合物層放電擊穿，靶材濺射區(qū)與非濺射區(qū)之間最易打火，造成熔化、顆粒噴濺）。導(dǎo)致上述問題的原因在于靶材與陽極表面的電荷積累。要解決這些問題，可以采用交流濺射法。67交流濺射法：使用交流電壓進行薄膜濺射沉積的方法。交流濺射法主要分為兩類：（1）采用正旋波電源的中頻濺射法（2）采用矩形脈沖波電源的脈沖濺射法。1.中頻濺射法：靶材周期性地處于高電位和低電位。處于低電位時，吸引離子而排斥電子，離子電荷在表面積累處于高電位時，吸引電子而排斥離子，電子中和掉靶材表面的電荷積累，從而抑制了避免了打火現(xiàn)象。68中頻濺射裝置示意圖中頻濺射：解決電荷累積問題。抑制靶面打火，克服陽極消失。不需要像射頻濺射那樣復(fù)雜的阻抗匹配線路。692.脈沖濺射法：脈沖濺射法使用輸出電壓為矩形波的脈沖電源。圖3.27是最簡單的脈沖電源電壓的波形圖。負脈沖：靶材處于被濺射狀態(tài)，離子電荷（+）累積正脈沖：電子快速流入，中和累積電荷。電子運動速度遠高于離子：正脈沖寬度遠小于負脈沖寬度70脈沖濺射法分為兩類：（1）單極脈沖濺射法：只使用一個靶.使用的電源為非對稱式的脈沖電源。（2）雙極脈沖濺射法：使用孿生靶，正、負電壓脈沖交替地驅(qū)動兩個并列的靶材。具有相同的優(yōu)點：克服了困擾反應(yīng)濺射技術(shù)的電荷積累問題，從而克服了靶材毒化的問題。71（六）偏壓濺射在一般濺射裝置的基礎(chǔ)上，將襯底的電位與接地陽極的電位分開設(shè)置，在襯底與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，用改變?nèi)肷涞揭r底表面的帶電粒子的數(shù)量和能量的手段，達到改善薄膜微觀組織與性能的目的的方法。偏壓對薄膜組織及電阻率的影響遵循著一種普遍的內(nèi)在規(guī)律。72利用偏壓還可以改變薄膜的硬度、介電常數(shù)、對光的折射率、密度、附著力等一系列的性能。偏壓對于薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響：可以提高薄膜的致密度與成膜能力，誘發(fā)各類缺陷，抑制柱狀晶生長，并細化薄膜晶粒。偏壓還可改變薄膜中的氣體含量:一方面可以清除襯底表面的吸附氣體原子；另一方面，某些氣體原子又可能因為偏壓下的較高能量的離子轟擊而被深埋在薄膜材料中。偏壓濺射是改善濺射沉積形成的薄膜組織及性能的最常用而且是最有效的手段之一。73（七）離子束濺射

離子束濺射是將離子的產(chǎn)生與靶材的濺射過程分開，離子產(chǎn)生區(qū)的真空度保持在10-1Pa的數(shù)量級（保持放電），而濺射區(qū)的真空度則可維持在低于10-3Pa（甚至10-7Pa）的范圍（提高濺射沉積速率）。74離子束濺射薄膜沉積裝置的示意圖若靶材不導(dǎo)電，則通過直接提供電子的方法，中和離子束攜帶的電荷靶材和襯底不再處于等離子體環(huán)境75離子束濺射沉積的特點：（1）污染小，易提高薄膜的純度（高真空）；（2）不會產(chǎn)生等離子體轟擊導(dǎo)致襯底溫度上升、電子和離子轟擊損傷等問題（等離子體在離子槍內(nèi)，襯底附近沒有等離子體）；（3）可以精確獨立的控制離子束的能量和束流的大小與方向，濺射原子不碰撞直接沉積；（4）缺點是其裝置過于復(fù)雜，沉積速率較低，設(shè)備運行成本高。76其他物理氣相沉積方法離子鍍離子束輔助沉積離子團束沉積等離子體浸沒式沉積77（一）離子鍍離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生粒子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊1.離子鍍原理最早是由Maitox研制開發(fā)的離子鍍是蒸發(fā)法和濺射法結(jié)合形成的新型方法。78背景壓強一般為1.3×10-5Pa;工作氣壓13~1.3Pa;坩堝作陽極；襯底為陰極過程：沉積前，等離子體轟擊襯底（清理襯底污染物）。不間斷離子轟擊，開始蒸發(fā)沉積（濺射速率低于蒸發(fā)沉積速率）。蒸發(fā)原子電離，加速。792.離子鍍的優(yōu)點：

（1）薄膜與襯底之間具有良好的附著力，并且薄膜結(jié)構(gòu)致密；（2）可提高薄膜對于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力（與純蒸發(fā)沉積相比，原子碰撞獲得能量，運動能力增強）3.離子鍍的類型：

二極直流放電離子鍍和空心陰極放電離子鍍80二極直流放電離子鍍裝置81空心陰極放電離子鍍

空心陰極蒸發(fā)裝置空心陰極放電離子鍍示意圖82（二）離子束輔助沉積離子束輔助沉積裝置示意圖。使用單獨的離子源完成對于襯底表面的轟擊雙離子束沉積：兩個離子源：分別轟擊襯底和靶材83離子束輔助沉積技術(shù)的關(guān)鍵部件是離子源，它有多種不同的形式。1.考夫曼（Kaufman）離子源可以產(chǎn)生寬束、強離子流的離子源。其結(jié)構(gòu)如圖3.35所示。優(yōu)點：可提供高強度、能量可變、能量一致性好、方向發(fā)散度小的離子束。軸向磁場延長了電子飛行距離，增加碰撞和離化原理？？？限制離子束發(fā)散-利用電子中和-獲得高能原子束-可濺射絕緣靶842.霍爾（Hall）效應(yīng)離子源霍爾效應(yīng)：當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的平行于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差。以熱陰極發(fā)射電子引發(fā)氣體放電的離子源。具有一定發(fā)散角度離子束。環(huán)形陽極、85霍爾效應(yīng)離子源的優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，特別適合于輸出較大束離子。霍爾效應(yīng)離子源的缺點：（1）離子束具有一定的能量分布和角度發(fā)散；（2）工作狀態(tài)受整個薄膜制備系統(tǒng)氣體壓力的限制，尤其是會受到反應(yīng)性氣體（如O2）的影響。86（三）離子團束沉積（ICB）定義：利用具有一定能量離化原子團實現(xiàn)薄膜的沉積。離化原子團產(chǎn)生：小噴口坩堝、坩堝內(nèi)高壓1000Pa、坩堝外低壓10-5Pa、黏滯流高速噴出、膨脹冷凝成原子團。原子離化裝置：熱電子與原子團碰撞、離化、電場加速離子運動、轟擊襯底。87離子團束沉積的特點：（1）原子團高速沖擊襯底將造成襯底局部溫度升高；（2）原子表面擴散能力強；（3）成膜性好；（4）高能量原子團的轟擊具有濺射清潔襯底表面和離子淺注入作用；（5）促進襯底表面發(fā)生的各種化學反應(yīng)；（6）沉積速率高等。88（四）等離子體浸沒式離子沉積

（plasmaimmersioniondeposition,PIID)它是一種與離子鍍相似的薄膜沉積新技術(shù)工作原理：工件浸沒在低壓等離子體中，在工件上施加數(shù)百赫茲、數(shù)千伏高壓負脈沖。等離子體中的離子在等離子體鞘層和高負壓下高速沉積。89等離子體浸沒式離子沉積技術(shù)的特點（1）設(shè)備相對簡單，適用于對具有大型復(fù)雜外形的工件表面進行薄膜沉積；（2）工作在較高的真空度下（減少氣體分子對入射離子散射）；（3）可多組元同時沉積，對薄膜成分的控制能力強；（4）沉積離子的能量較高（高壓脈沖），利于提高薄膜的致密性和附著力；（5）沉積溫度較低；（6）局限性在于能夠被同時用于等離子體產(chǎn)生和薄膜沉積的氣體種類少，因而它能夠沉積的薄膜的種類有限。90五、外延膜沉積技術(shù)

要生長單晶薄膜，需要采用高度完整的單晶表面作為薄膜非自發(fā)形核時的襯底。這種在完整單晶襯底上延續(xù)生長單晶