PVD技术中的溅射法及其分类

PVD是凭借物理过程（例如蒸发、升华或离子撞击靶材）促使原子从固体或熔融的源转移到基体上的技术，蒸发和溅射是两种应用最广泛的沉积薄膜的PVD方法。图3-17为蒸发沉积原理。

热能使蒸发源由液态变为气态，沉积在衬底上。蒸发炉有隔热装置，避免热传导。热能的来源有多种方法，如用加热电阻缠绕在被蒸发材料上、石墨坩埚、高频感应、电子束等方法。蒸发炉为真空态，被蒸发材料产生原子运动，在衬底表面沉积，凝聚成薄膜。薄膜的沉积速率有三种表达方式：单位时间到达衬底单位面积的原子数；沉积薄膜材料一个完整的原子层所需时间；薄膜生长表面的平均法向速度。沉积速率或流量是从源到基体的运动距离、衬底表面的撞击角、衬底温度和基本压力的函数。如果源材料升华，在其熔点之下就可获得足够高的蒸气压力，因此可采用固态源进行蒸发沉积；如不能在熔点之下或在熔点获得足够高的蒸气压力（约10^－3Torr或0.13Pa），源材料必须加热到液态，以获得适当的沉积条件。

有些合金（化合物）通常能够由单一的加热源直接被蒸发；有的合金（化合物）两种组分以不同速率蒸发会造成熔体中成分变化，可以采用保持不同温度的两个不同的源，以保证沉积均匀。无机化合物蒸发时，气相成分往往与源成分不同，所形成的薄膜分子结构也不同于源。

蒸发法-分子束外延（MBE）技术是蒸发法的一种，可以为研究提供理想的质量特别好的薄膜材料。不过，与其他方法比较，这种方法生长速率非常低，限制了它的运用。其具体操作是：将衬底置于超高真空中（10^－10Torr或1.33×10^－8Pa），用低能离子束简单溅射去除表面污染，然后高温退火，以去除表面的损伤，随后将衬底冷却至生长温度（400～700℃），把材料的离子束引向衬底的生长表面，生长就开始。材料被加热到远高于衬底温度时，原子束从装有生长材料的坩埚中激发出来，从而诱发蒸发和凝聚。薄膜冷却后可通过透射电子显微镜或X射线衍射检测。

溅射技术是指气体离子在电场中被加速至高速轰击制备薄膜的靶材（阴极）。气体离子一般为氩气（Ar），其离子轰击靶材和撞击中性气体原子时释放二次电子，随着系统中直流电压的增加，电荷载体的初始浓度急剧增加，当这种雪崩效应产生临界数目的电子和离子时，气体开始发光，放电变成自持续。轰击制备薄膜的靶材或源材料的气体离子，把表面原子轰出，在真空室中形成蒸气。图3-18为直流溅射原理。

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图3-17 蒸发沉积原理

溅射炉内，压力为10^－1Torr或13.3Pa，氩气离子轰击靶材，将靶材的中性原子轰出，这些原子通过放电运输，在衬底上凝聚，形成薄膜。溅射法分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射、偏压溅射。直流溅射通常也称为阴极溅射或两极溅射；射频溅射频率一般在5～30MHz范围内；磁控溅射是在衬底与靶材之间施加一个磁场，与平行或垂直取向的电场叠加；偏压溅射是将负的直流偏压或射频偏压加于衬底上，以改变入射电荷种类的能量和流量。

蒸发与溅射之间有许多明显的差异。蒸发是一个热过程，沉积材料的原子以很低的动能到达生长表面，而溅射氩气Ar^＋对靶材的轰击使被驱出的靶材原子获得高动能。虽然溅射沉积促进了到达原子的高表面扩散率，但由于原子的高能量导致沉积表面产生较多的缺陷形核和损伤，因此比蒸发沉积的薄膜含有较高的杂质原子浓度；而且溅射沉积的薄膜易被溅射气体污染。所以，溅射不适合于薄膜的外延生长。

图3-18 直流溅射原理