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跟化學(xué)氣相沉積方法不同的是，物理氣相沉積有獨(dú)有的優(yōu)越性，它對沉積材料和基片材料進(jìn)沒有限制。

物理氣相沉積過程可概括為三個(gè)階段：①  從源材料中發(fā)射出粒子；②  從粒子輸運(yùn)到基片；③  粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大、成膜。

一、真空蒸發(fā)

1、真空蒸發(fā)沉積的物理原理

真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特點(diǎn)，在真空蒸發(fā)技術(shù)中，人們只需要產(chǎn)生一個(gè)真空環(huán)境，在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量與獲得蒸發(fā)所必須的蒸氣壓，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)，這樣就可實(shí)現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積。

大量材料皆可以在真空中蒸發(fā)，最終在基片上凝結(jié)以形成薄膜，真空蒸發(fā)沉積過程由三個(gè)步驟組成：

①  蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相；②  在蒸發(fā)源于基片之間蒸發(fā)粒子的輸運(yùn)；③  蒸發(fā)粒子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜。

2、真空蒸發(fā)技術(shù)

真空蒸發(fā)系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成：①  真空室；②  蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱裝置；③  放置基片及給基片加熱裝置。

在真空中為了蒸發(fā)那個(gè)待沉積的材料，需要容器來支撐或盛裝蒸發(fā)物，同時(shí)需要提供蒸發(fā)熱使蒸發(fā)物達(dá)到足夠高的溫度以產(chǎn)生所需的蒸氣壓，在一定溫度下，蒸發(fā)氣體與凝聚相平衡過程中所呈現(xiàn)的壓力陳偉該物質(zhì)的飽和蒸氣壓。

重要的蒸發(fā)方法有電阻加熱蒸發(fā)、閃爍蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā)、弧光蒸發(fā)、射頻加熱蒸發(fā)等。

二、濺射

在某一溫度下，如果固體或液體受到適當(dāng)?shù)母吣芰Ｗ樱ㄍǔ殡x子）的轟擊，則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，這一將原子從表面發(fā)射出去的方式稱為濺射。

1、濺射的基本原理：

濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體（稱為靶）表面使其中的原子發(fā)射出來，早期人們認(rèn)為這一現(xiàn)象源于靶材的局部加熱，但是，不久人們發(fā)現(xiàn)濺射與蒸發(fā)有本質(zhì)區(qū)別，并逐漸認(rèn)識到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動(dòng)量傳遞的結(jié)果。

2、濺射鍍膜的特點(diǎn)

相對于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下特點(diǎn)：（1）對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可以實(shí)現(xiàn)濺射；（2）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；（3）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好；（4）濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時(shí)可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。濺射存在的缺點(diǎn)是，相對于真空蒸發(fā)，它的沉積速率低，基片會(huì)受到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升。

3、濺射參數(shù)

表征濺射特性的主要參數(shù)有濺射閾值、濺射率、濺射粒子的速度和能量等。濺射閾值是指將靶材原子濺射出來所需的入射粒子最小能量值。濺射率又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，是描述濺射特性的一個(gè)重要參數(shù)，它表示入射正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。濺射原子所具有的能量和速度也是濺射的重要參數(shù)，在濺射過程中，濺射原子所獲得能量比熱蒸發(fā)原子能量大1~2和數(shù)量級，能量值在1~10eV之間。濺射原子所獲得的能量與靶材、入射離子的種類、能量等因素有關(guān)。

4、濺射裝置

濺射裝置種類繁多，因電極不同可分為二極、三極、四極、磁控濺射、射頻濺射等。直流濺射系統(tǒng)一般只能用于靶材為良導(dǎo)體的濺射，而射頻濺射則適用于絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等任何一類靶材的濺射。磁控濺射是通過施加磁場改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，并束縛和延長電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而提高電子對工作氣體的電離效率和濺射沉積率，磁控濺射具有沉積溫度低、沉積速率高兩大特點(diǎn)。一般通過濺射方法所獲得薄膜材料與靶材屬于同一物質(zhì)，但也有一種濺射方法，其濺射所獲得的薄膜材料與靶材不同，這種方法稱為反應(yīng)濺射法，即在濺射鍍膜時(shí)，引入的某一種放電氣體與濺射出來的靶原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成新物質(zhì)。

① 輝光放電直流濺射：在種類繁多的濺射系統(tǒng)中，最簡單的系統(tǒng)莫過于輝光放電直流濺射系統(tǒng)，如圖1所示，盤狀的帶毒靶材連接到電源的陰極，與靶相對的基片則連接到電源的陽極，通過電極加上1~5kV的直流電壓，充入到真空室的中性氣體如氬氣（分壓在1.3~13Pa）便會(huì)開始輝光放電。當(dāng)輝光放電開始，正離子就會(huì)打擊靶盤，是靶材表面的中性原子逸出，這些中性原子最終會(huì)在基片上凝結(jié)形成薄膜。同時(shí)在離子轟擊靶材時(shí)也有大量電子（二次電子）從陰極靶發(fā)射出來，他們被加速并跑向基片表面。

圖1 輝光放電直流濺射系統(tǒng)

1-  陰極（靶）；2-基片；3-陽極；4-真空室；5-接真空泵；6-進(jìn)氣口

  ②  三極濺射：三極濺射涉及到將一個(gè)獨(dú)立的電子源中的電子注入到放電系統(tǒng)中，這個(gè)獨(dú)立的電子源就是熱陰極，他通過熱離子輻射形式發(fā)射電子。熱離子陰極通常是一加熱的鎢絲，它可以承受長時(shí)間的離子轟擊。

③  射頻濺射：在通常的直流濺射系統(tǒng)中，如果金屬靶換成絕緣靶，則在離子轟擊過程中，正電荷便會(huì)累積在絕緣體的前表面，用離子束和電子束同時(shí)轟擊絕緣體，可以防止這種電荷累積現(xiàn)象的出現(xiàn)。但Anderson等人則設(shè)計(jì)了沉積絕緣體的濺射系統(tǒng)，隨后Davidse和Maissel將這種設(shè)計(jì)研制成一種實(shí)用系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中，射頻電勢加載位于絕緣靶下面的金屬電極上。在射頻電勢的作用下，在交變電場中振蕩的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達(dá)到自持。

④  磁控濺射：自從20世紀(jì)70年代早期磁控濺射技術(shù)誕生以來，磁控濺射技術(shù)在高速率沉積金屬、半導(dǎo)體和介電薄膜方面已取得了巨大進(jìn)步，與傳統(tǒng)的耳機(jī)濺射相比，磁控濺射除了可以在較低工作壓強(qiáng)下得到較高的沉積率以外，它也可以在較低基片溫度下獲得高質(zhì)量薄膜。

⑤  離子束濺射：濺射放電系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是工作壓強(qiáng)較高，由此導(dǎo)致濺射膜中有氣體分子的進(jìn)入，在離子束濺射沉積中，在離子源中產(chǎn)生的離子束通過引出電壓被引入到真空室，爾后直接打到靶上并將靶材原子濺射出來，最終沉積在附近的基片上。如圖2 。

圖2

1-  離子源；2-導(dǎo)出電極；3-基片；4-靶

相對于傳統(tǒng)濺射，離子束濺射的優(yōu)點(diǎn)有：1. 離子束窄能量分布是我們能將濺射率作為離子能量的函數(shù)來研究；2. 可以使離子束精確聚焦和掃描；3. 在保持離子束特性不變的情況下，可以變換靶材和基片材料；4. 可以獨(dú)立控制離子束能量和電流。

⑥ 交流濺射：Takeuchi等人應(yīng)用簡單的交流濺射系統(tǒng)制備了Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）超導(dǎo)膜，其交流濺射系統(tǒng)示意圖見圖3，同時(shí)也作為電極的一對盤狀靶，通過位于石英管反應(yīng)器中心處的水平Cu插棒得到支撐，Y-Sr-Zr基片放在石英管的底部，聚焦紅外燈用于加熱基片（可達(dá)850℃）。

圖3 交流濺射系統(tǒng)示意圖

1-  Cu棒；2-靶；3-低壓Hg燈；4-石英管；5-入氣口；6-基片；7-紅外燈；8-接真空泵

⑦  反應(yīng)濺射：在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料會(huì)與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物（如氧化物或氮化物），這樣的濺射我們稱之為反應(yīng)濺射。在惰性氣體濺射化合物靶材時(shí)由于化學(xué)不穩(wěn)定性往往導(dǎo)致薄膜較靶材少一個(gè)或更多組分，此時(shí)如果加上反應(yīng)氣體可以補(bǔ)償所缺少的組分，這種濺射也可視為反應(yīng)濺射。

三、離子束和離子助

應(yīng)用與離子相關(guān)的技術(shù)制備薄膜已有20多年的歷史，大量技術(shù)如離子鍍、離子束濺射、離子束沉積先后被研制開發(fā)出來，這些沉積技術(shù)通過增加離子動(dòng)能或通過離化提高化學(xué)活性使所獲得的薄膜具有如下優(yōu)點(diǎn)：與基片結(jié)合良好；在低溫下可實(shí)現(xiàn)外延生長；形貌可改變；可合成化合物等。

1.  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)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。

2.  陰極電弧等離子體沉積：陰極電弧等離子體沉積是相對較新的一種薄膜沉積技術(shù)，它在許多方面類似于離子鍍技術(shù)。陰極電弧蒸發(fā)沉積薄膜的有點(diǎn)主要是：在發(fā)射的粒子流中離化率高，而且這些離化的離子具有較高的動(dòng)能（40~100eV）。

3.  熱空陰極槍蒸發(fā)：熱空陰極槍蒸發(fā)式產(chǎn)生電弧的設(shè)備，通過收集電子形成電子束而作為加熱源。這一設(shè)備用于沉積各種金屬涂層。

4.  共離子轟擊沉積：在沉積前，一分離的氣體離子源可以用于濺射清洗基片，而且它也可以用于沉積過程中可控方式轟擊膜，由此可以得到高黏附力膜。Hoffman和Gaorttner共離子轟擊沉積了金屬膜，并研究了由共離子轟擊所引起的膜性質(zhì)的變化。他們使用分離的惰性氣體離子源在凝聚過程中同時(shí)轟擊基片。惰性氣體離子和蒸發(fā)粒子流可被獨(dú)立控制。

5.  非平衡磁控離子助沉積：Window和Savvides研制了一種新型的平面式沉積源，這種源能在沉積離子中給出一束分立的離子束（強(qiáng)度可獨(dú)立于沉積過程而改變）。這種離子源可以更方便的用于離子束助沉積，而又不同于使用分立沉積離子源和轟擊離子源技術(shù)。產(chǎn)生的離子流是非平衡磁控裝置的直接結(jié)果。

6.  離子束沉積：離子束有兩種基本組態(tài)用于沉積薄膜，在直接離子束沉積（IBD）中，離子束在低能（≈100eV）情況下直接沉積到基片上，離子束沉積的簡單基本原理見圖4，在離子束濺射沉積過程中，高能離子束直接打向靶材，將后者濺射并沉積到相鄰的基片上。

圖4 離子束沉積的簡單原理示意圖

1-  離子源；2-離子提取器；3-基片；4-離子束

四、外延膜沉積技術(shù)

外延是指沉積膜與基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時(shí)，在基片上取向或單晶生長同一物質(zhì)的方法，當(dāng)外延膜在同一種材料上生長時(shí)，稱為同質(zhì)外延，如果外延是在不同材料上生長則稱為異質(zhì)外延。外延用于生長元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶層。

1.  分子束外延（MBE）：分子束外延是在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強(qiáng)度，并使其在加熱的基片上進(jìn)行外延生長的一種技術(shù)，從本質(zhì)上講，分子束外延也屬于真空蒸發(fā)方法，但與傳統(tǒng)真空蒸發(fā)不同的是，分子束外延系統(tǒng)具有超高真空，并配有原位監(jiān)測和分析系統(tǒng)，能夠獲得高質(zhì)量的單晶薄膜。

2.  液相外延生長：液相外延生長為制備高純半導(dǎo)體化合物和合金提供了快速而又簡單的方法。確實(shí)，由液相外延生長獲得的膜的質(zhì)量優(yōu)于氣相外延或分子束外延所得到的最好膜的質(zhì)量。液相外延生長原則上講是從液相中生長膜，溶有待鍍材料的溶劑是液相外延生長中必需的，當(dāng)冷卻時(shí)，待鍍材料從溶液中析出并在相關(guān)的基片上生長。對于液相外延生長制備薄膜，溶液和基片在系統(tǒng)中保持分離。在適當(dāng)?shù)纳L溫度下，溶液因含有待鍍材料而達(dá)到飽和狀態(tài)，然后將溶液與基片的表面接觸，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，一段時(shí)間后即可獲得所要的薄膜，而且，在膜中也很容易引入摻雜物。

3.  熱壁外延生長：熱壁外延是一種真空沉積技術(shù)，在這一技術(shù)中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長，這一生長過程是通過加熱源材料與基片材料間的容器壁來實(shí)現(xiàn)的。

4.  有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積：有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積是采用加熱方式將化合物分解而進(jìn)行外延生長半導(dǎo)體化合物的方法。作為含有化合物半導(dǎo)體組分的原料，化合物有一定的要求：①在常溫下較穩(wěn)定而且較易處理；②反應(yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)阻礙外延生長，不應(yīng)污染生長層；③在室溫下應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼魵鈮海ā?33Pa）。

有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法的最大特點(diǎn)是它可對多種化合物半導(dǎo)體進(jìn)行外延生長，與其他外延生長法如液相外延生長、氣相外延生長相比，有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積有以下特點(diǎn)：①  反應(yīng)裝置較為簡單，生長溫度范圍較寬；②  可對化合物的組分進(jìn)行精確控制，膜的均勻性和膜的電學(xué)性質(zhì)重復(fù)性好；③  原料氣體不會(huì)對生長膜產(chǎn)生蝕刻作用，因此，在沿膜生長方向上，可實(shí)現(xiàn)摻雜濃度的明顯變化；④  只通過改變原材料即可生長出各種成分的化合物。

有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法的缺點(diǎn)是：所用的有機(jī)金屬原料一般具有自燃性，AsH₃等V族原料氣體，VI族原料氣體具有劇毒。