第三章薄膜制備技術(shù)—濺射法

1、n3.1 濺射基本原理濺射基本原理n3.2濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)n3.3 濺射沉積裝置及工藝濺射沉積裝置及工藝n3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)n3.5 濺射技術(shù)的應(yīng)用濺射技術(shù)的應(yīng)用第三章第三章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)濺射法濺射法n濺射：荷能粒子轟擊固體表面，固體表面原子或分濺射：荷能粒子轟擊固體表面，固體表面原子或分 子獲得入射粒子所攜帶的部分能量，從而使其射出子獲得入射粒子所攜帶的部分能量，從而使其射出的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n1852年年Grove研究輝光放電時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象。研究輝光放電時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象。n離子濺射：由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，離子濺射：由于離子易于在電磁場(chǎng)中

2、加速或偏轉(zhuǎn)，荷能粒子一般為離子，這種濺射稱(chēng)為離子濺射。荷能粒子一般為離子，這種濺射稱(chēng)為離子濺射。第三章第三章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)濺射法濺射法離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過(guò)程，每種過(guò)程離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過(guò)程，每種過(guò)程的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。3.1 濺射基本原理濺射基本原理n濺射鍍膜過(guò)程：利用帶電離子在電磁場(chǎng)的作用下獲得濺射鍍膜過(guò)程：利用帶電離子在電磁場(chǎng)的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶材表面被濺足夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶材表面被濺射出來(lái)的原子以一定的動(dòng)能射向襯底，在襯底上形成射出來(lái)的原子以一定的動(dòng)

3、能射向襯底，在襯底上形成薄膜。薄膜。n陰極濺射陰極濺射：在實(shí)際進(jìn)行濺射時(shí)，多半是讓被加速的正：在實(shí)際進(jìn)行濺射時(shí)，多半是讓被加速的正離子轟擊作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所離子轟擊作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所以也稱(chēng)此過(guò)程為陰極濺射。以也稱(chēng)此過(guò)程為陰極濺射。第三章第三章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)濺射法濺射法n濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)：濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射）對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射（2）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好）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）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好（4）

4、濺射工藝可重復(fù)性好，可以在大面積襯底上獲得厚度）濺射工藝可重復(fù)性好，可以在大面積襯底上獲得厚度 均勻的薄膜均勻的薄膜 n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 相對(duì)于真空蒸發(fā)，沉積速率低，基片會(huì)受到等離子體的輻相對(duì)于真空蒸發(fā)，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。照等作用而產(chǎn)生溫升。第三章第三章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)濺射法濺射法n在濺射過(guò)程中，大約在濺射過(guò)程中，大約95%的粒子能量作為熱量而損的粒子能量作為熱量而損耗掉，僅有耗掉，僅有5%的能量傳的能量傳遞給二次發(fā)射的粒子。遞給二次發(fā)射的粒子。n在在1kv的離子能量下，濺的離子能量下，濺射出的中性粒子、二次電射出的中性粒子、二次電子和二次離子之比約為

5、子和二次離子之比約為100:10:1。3.1 濺射基本原理濺射基本原理一、離子轟擊產(chǎn)生的各種現(xiàn)象一、離子轟擊產(chǎn)生的各種現(xiàn)象n靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為 陰極，相對(duì)陽(yáng)極加數(shù)千伏電壓，陰極，相對(duì)陽(yáng)極加數(shù)千伏電壓， 在真空室內(nèi)充入在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間氣，在電極間形成輝光放電。形成輝光放電。n輝光放電過(guò)程中，將產(chǎn)生輝光放電過(guò)程中，將產(chǎn)生Ar離子，離子，陰極材料原子，二次電子，光子陰極材料原子，二次電子，光子等。等。3.1 濺射基本原理濺射基本原理二、輝光放電的物理基礎(chǔ)二、輝光放電的物理基礎(chǔ)n等離子體等離子體 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性等離

6、子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。n作用：作用： 1、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大 部分能量部分能量 2、通過(guò)等離子刻蝕選擇性地去處金屬、通過(guò)等離子刻蝕選擇性地去處金屬 3.1 濺射基本原理濺射基本原理 產(chǎn)生輝光放電產(chǎn)生輝光放電 通過(guò)混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混通過(guò)混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混合氣體中的電子被電場(chǎng)加速，穿過(guò)混合氣體，與合氣體中的電子被電場(chǎng)加速，穿過(guò)混合氣體，與氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、氣體原子或分子碰撞并激

7、發(fā)他們，受激的原子、或離子返回其最低能級(jí)時(shí)，以發(fā)射光（或聲子）或離子返回其最低能級(jí)時(shí)，以發(fā)射光（或聲子）的形式將能量釋放出來(lái)。的形式將能量釋放出來(lái)。 不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。 3.1 濺射基本原理濺射基本原理真空室電極高真空泵等離子體RF 發(fā)生器匹配部件4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine (neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluo

8、rineElectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體n直流電源直流電源E, 提供電壓提供電壓V和電流和電流I則則 V = E - IR。1、輝光放電過(guò)程包括、輝光放電過(guò)程包括n初始階段初始階段AB：I=0 無(wú)光放電區(qū)無(wú)光放電區(qū)n湯生放電區(qū)湯生放電區(qū)BC：I迅速增大迅速增大n過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)CD：離子開(kāi)始轟擊陰極，產(chǎn)生二次：離子開(kāi)始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多離子電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)

9、生更多離子n輝光放電區(qū)輝光放電區(qū)DE：I增大，增大，V恒定恒定n異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)EF：濺射所選擇的工作區(qū)：濺射所選擇的工作區(qū)n弧光放電：弧光放電：I增大，增大，V減小減小n弧光放電區(qū)弧光放電區(qū)FG：增加電源功率，電流迅速：增加電源功率，電流迅速增加增加ABCDEFG3.1 濺射基本原理濺射基本原理 3.1 濺射基本原理濺射基本原理 濺射理論模型：動(dòng)量理論，也稱(chēng)為級(jí)聯(lián)碰撞理論。入射濺射理論模型：動(dòng)量理論，也稱(chēng)為級(jí)聯(lián)碰撞理論。入射離子在進(jìn)入靶材的過(guò)程中與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射離離子在進(jìn)入靶材的過(guò)程中與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射離子的一部分動(dòng)能會(huì)傳遞給靶材原子，當(dāng)后者的動(dòng)能超過(guò)由其子

10、的一部分動(dòng)能會(huì)傳遞給靶材原子，當(dāng)后者的動(dòng)能超過(guò)由其周?chē)嬖诘钠渌胁脑铀纬傻膭?shì)壘時(shí)，這種原子會(huì)從晶周?chē)嬖诘钠渌胁脑铀纬傻膭?shì)壘時(shí)，這種原子會(huì)從晶格陣點(diǎn)被碰出產(chǎn)生離位原子，并進(jìn)一步和附近的靶材原子依格陣點(diǎn)被碰出產(chǎn)生離位原子，并進(jìn)一步和附近的靶材原子依次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級(jí)聯(lián)碰撞。次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級(jí)聯(lián)碰撞。 當(dāng)這種級(jí)聯(lián)碰撞到達(dá)靶材表面時(shí)，如果靠近靶材表面的當(dāng)這種級(jí)聯(lián)碰撞到達(dá)靶材表面時(shí)，如果靠近靶材表面的原子的動(dòng)能超過(guò)表面結(jié)合能，這些表面原子就會(huì)逸出靶材，原子的動(dòng)能超過(guò)表面結(jié)合能，這些表面原子就會(huì)逸出靶材，成為濺射粒子。成為濺射粒子。一、濺射閾和濺射產(chǎn)額一、濺射閾和濺射產(chǎn)額p濺射閾

11、指的是入射離子使陰極濺射閾指的是入射離子使陰極靶產(chǎn)生濺射所需的最小能量。靶產(chǎn)生濺射所需的最小能量。p 濺射閾與離子質(zhì)量之間沒(méi)有明濺射閾與離子質(zhì)量之間沒(méi)有明顯的依賴(lài)關(guān)系，主要取決于靶顯的依賴(lài)關(guān)系，主要取決于靶材料。材料。p對(duì)大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，濺射閾值對(duì)大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，濺射閾值在在10-40eV范圍內(nèi)，相當(dāng)于升華范圍內(nèi)，相當(dāng)于升華熱的熱的4-5倍。倍。 3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)一、濺射閾和濺射產(chǎn)額一、濺射閾和濺射產(chǎn)額p 濺射產(chǎn)額又稱(chēng)為濺射率或?yàn)R射濺射產(chǎn)額又稱(chēng)為濺射率或?yàn)R射系數(shù)，表示正離子撞擊陰極時(shí)，系數(shù)，表示正離子撞擊陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。出

12、的原子數(shù)。p 與入射能量，入射離子種類(lèi)，與入射能量，入射離子種類(lèi)，濺射物質(zhì)種類(lèi)及入射離子的入濺射物質(zhì)種類(lèi)及入射離子的入射角度有關(guān)。射角度有關(guān)。 3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)1. 入射離子能量的影響入射離子能量的影響 只有入射離子能量超過(guò)一定閾值以后，才能從被濺射物只有入射離子能量超過(guò)一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)表面濺射出離子。質(zhì)表面濺射出離子。 閾值能量與入射離子的種類(lèi)關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的閾值能量與入射離子的種類(lèi)關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定比例關(guān)系。升華熱有一定比例關(guān)系。 隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然后處于平隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然后處于平緩（緩（

13、10Kev)，離子能量繼續(xù)增加，濺射產(chǎn)額反而下降。，離子能量繼續(xù)增加，濺射產(chǎn)額反而下降。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)2 入射離子的種類(lèi)和被濺射物質(zhì)的種類(lèi)入射離子的種類(lèi)和被濺射物質(zhì)的種類(lèi)通常采用惰性氣體離子來(lái)濺射，重離子的濺射通常采用惰性氣體離子來(lái)濺射，重離子的濺射產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價(jià)格因素，通常使用產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價(jià)格因素，通常使用氬氣作為濺射氣體。氬氣作為濺射氣體。用相同能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射產(chǎn)額用相同能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射產(chǎn)額也是不同的，也是不同的，Cu, Ag, Au產(chǎn)額高，而產(chǎn)額高，而Ti, W, Mo等產(chǎn)額低。等產(chǎn)額低。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)3

14、、離子入射角度對(duì)濺射、離子入射角度對(duì)濺射 產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響入射角是指離子入射方向與入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線(xiàn)之間的被濺射靶材表面法線(xiàn)之間的夾角。夾角。傾斜入射有利于提高產(chǎn)額，傾斜入射有利于提高產(chǎn)額，但當(dāng)入射角接近但當(dāng)入射角接近80時(shí)，產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)額迅速下降。在額迅速下降。在 =90 時(shí)，濺時(shí)，濺射產(chǎn)額為零。射產(chǎn)額為零。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)4. 合金與化合物的濺射合金與化合物的濺射n 濺射產(chǎn)額一般不能直接由相應(yīng)金屬的值來(lái)確定。濺射產(chǎn)額一般不能直接由相應(yīng)金屬的值來(lái)確定。n 自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率

15、下降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率上升。最終降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率上升。最終結(jié)果是，盡管靶材表面的化學(xué)成分已經(jīng)改變，但濺射得到結(jié)果是，盡管靶材表面的化學(xué)成分已經(jīng)改變，但濺射得到的合金薄膜成分卻與靶材的原始成分基本相同。的合金薄膜成分卻與靶材的原始成分基本相同。n 當(dāng)靶的溫度很高，各種合金成分由于熱擴(kuò)散發(fā)生變化時(shí)，當(dāng)靶的溫度很高，各種合金成分由于熱擴(kuò)散發(fā)生變化時(shí)，濺射膜和靶材原來(lái)的組分就會(huì)發(fā)生變化。濺射膜和靶材原來(lái)的組分就會(huì)發(fā)生變化。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)n二、濺射粒子的能量和速度二、濺射粒子的能量和速度l 靶表面受離子轟擊會(huì)放出各種粒子，主要是濺射原靶表面受

16、離子轟擊會(huì)放出各種粒子，主要是濺射原子（絕大部分是單原子）。子（絕大部分是單原子）。l 處于基態(tài)或不同激發(fā)態(tài)。處于基態(tài)或不同激發(fā)態(tài)。l 用用100eV的的Ar離子對(duì)多晶離子對(duì)多晶Cu靶進(jìn)行濺射，濺射粒子靶進(jìn)行濺射，濺射粒子中中95%是是Cu的單原子，其余是的單原子，其余是Cu分子。分子。l 隨入射離子能量的增加，構(gòu)成濺射粒子的原子數(shù)也隨入射離子能量的增加，構(gòu)成濺射粒子的原子數(shù)也逐漸增加。逐漸增加。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)二、濺射粒子的能量和速度二、濺射粒子的能量和速度l 對(duì)化合物靶進(jìn)行濺射時(shí)，情況與單元素靶相似。對(duì)化合物靶進(jìn)行濺射時(shí)，情況與單元素靶相似。l 當(dāng)入射離子能量在當(dāng)入射離子能

17、量在100eV以下時(shí)，濺射粒子是構(gòu)成化以下時(shí)，濺射粒子是構(gòu)成化合物的原子，只有當(dāng)入射離子能量在合物的原子，只有當(dāng)入射離子能量在10keV以上時(shí)，以上時(shí)，濺射粒子中才較多地出現(xiàn)化合物分子。濺射粒子中才較多地出現(xiàn)化合物分子。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)二、濺射粒子的能量和速度二、濺射粒子的能量和速度 與熱蒸發(fā)原子具有的動(dòng)能（與熱蒸發(fā)原子具有的動(dòng)能（0.01-1eV）相比，濺射原子的）相比，濺射原子的動(dòng)能要大得多。動(dòng)能要大得多。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)二、濺射粒子的能量和速度二、濺射粒子的能量和速度 用用Hg離子轟擊時(shí)，大多數(shù)濺射原子的速度為離子轟擊時(shí)，大多數(shù)濺射原子的速度為4105cm

18、/s，平均動(dòng)能約為平均動(dòng)能約為4.5eV。增大入射離子能量，峰值向高速方向。增大入射離子能量，峰值向高速方向偏移，說(shuō)明濺射原子中能量較高的比例增加。偏移，說(shuō)明濺射原子中能量較高的比例增加。 p43頁(yè)圖頁(yè)圖3103.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)三、濺射速率和淀積速率三、濺射速率和淀積速率靶材原子的遷移涉及到三個(gè)過(guò)程：靶材原子的遷移涉及到三個(gè)過(guò)程： 靶材表面的濺射、由靶材表面到襯底表面的擴(kuò)散、靶材表面的濺射、由靶材表面到襯底表面的擴(kuò)散、襯底表面的沉積。襯底表面的沉積。分別具有一定的速率。分別具有一定的速率。3.2 濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)一、陰極濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）一、陰極

19、濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）氣體離子氣體離子靶材離子靶材離子二次電子二次電子3.3 濺射沉積裝置及工藝濺射沉積裝置及工藝一、陰極濺射裝置及特性一、陰極濺射裝置及特性n工作原理：工作原理： 加上直流電壓后，輝光放電開(kāi)始，正離子打擊靶面，靶加上直流電壓后，輝光放電開(kāi)始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。薄膜。n在離子轟擊靶材的同時(shí)，有大量二次電子從陰極靶發(fā)射在離子轟擊靶材的同時(shí)，有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來(lái)，被電場(chǎng)加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與氣體出來(lái)，被電場(chǎng)加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與氣

20、體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。一、陰極濺射裝置及特性一、陰極濺射裝置及特性n優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行濺射。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行濺射。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：陰極濺射輝光放電的離化率低，沉積速率低，只有陰極濺射輝光放電的離化率低，沉積速率低，只有80nm/min；靶材必須為金屬，在非反應(yīng)性氣氛中不能制備絕緣介質(zhì)材料；靶材必須為金屬，在非反應(yīng)性氣氛中不能制備絕緣介質(zhì)材料；二次電子轟擊，溫度較高，使不能承受高溫的襯底的應(yīng)用受到二次電

21、子轟擊，溫度較高，使不能承受高溫的襯底的應(yīng)用受到限制，且對(duì)襯底造成損傷；限制，且對(duì)襯底造成損傷；工作氣壓高，對(duì)薄膜造成污染，影響沉積速率，降低工作氣壓工作氣壓高，對(duì)薄膜造成污染，影響沉積速率，降低工作氣壓易使輝光放電熄滅。易使輝光放電熄滅。二、二、 三極濺射和四極濺射裝置及特性三極濺射和四極濺射裝置及特性n在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中，這個(gè)提供一個(gè)額外的電子源將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，它通過(guò)熱離子輻射形式發(fā)射獨(dú)立的電子源就是熱陰極，它通過(guò)熱離子輻射形式發(fā)射電子

22、。電子。n所謂三極指的是陰極、陽(yáng)極和靶電極。所謂三極指的是陰極、陽(yáng)極和靶電極。n四極濺射是在上述三極的基礎(chǔ)上再加上輔助電極，也稱(chēng)四極濺射是在上述三極的基礎(chǔ)上再加上輔助電極，也稱(chēng)為穩(wěn)定電極，用以穩(wěn)定輝光放電。為穩(wěn)定電極，用以穩(wěn)定輝光放電。n沉積速率約沉積速率約2 m/min。三極濺射三極濺射在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。陽(yáng)極電位高于基片三極濺射裝置及特性三極濺射裝置及特性二、二、 三極濺射和四極濺射裝置及特性三極濺射和四極濺射裝置及特性n優(yōu)點(diǎn)：

23、轟擊靶材的離子電流和離子能量可以完全獨(dú)立控制，而優(yōu)點(diǎn)：轟擊靶材的離子電流和離子能量可以完全獨(dú)立控制，而且在比較低的壓力下也能維持放電，因此濺射條件的可變范圍且在比較低的壓力下也能維持放電，因此濺射條件的可變范圍大；對(duì)襯底的輻射損傷小，可以避免襯底溫升。大；對(duì)襯底的輻射損傷小，可以避免襯底溫升。n缺點(diǎn)：裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以獲得覆蓋面積大、密度均勻的等離缺點(diǎn)：裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以獲得覆蓋面積大、密度均勻的等離子體，燈絲易消耗。子體，燈絲易消耗。n除特殊用途外已不在使用。除特殊用途外已不在使用。n工作原理工作原理n在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢(shì)加在位于絕緣靶下面的金屬在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢(shì)加在位于絕緣靶

24、下面的金屬電極上，在射頻電場(chǎng)作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子電極上，在射頻電場(chǎng)作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)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，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，陰極濺射的二次電子不再重要。陰極濺射的二次電子不再重要。n由于電子比離子具有較高的遷移率，相對(duì)于負(fù)半周期，正由于電子比離子具有較高的遷移率，相對(duì)于負(fù)半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達(dá)絕緣靶表面，而靶變成負(fù)的半周期內(nèi)將有更多的電子到達(dá)絕緣靶表面，而靶變成負(fù)的自偏壓。它將在表面附近排斥電子，吸引正離子，使離子自偏壓。它將在表面附近排斥電子，吸引正離子，使離子轟擊靶，產(chǎn)生濺射。轟擊靶，產(chǎn)生濺

25、射。三、射頻濺射裝置及特性三、射頻濺射裝置及特性三、射頻濺射裝置及特性三、射頻濺射裝置及特性n若使襯底為正電位時(shí)到達(dá)襯底的電子數(shù)等于襯底為若使襯底為正電位時(shí)到達(dá)襯底的電子數(shù)等于襯底為負(fù)電位時(shí)到達(dá)襯底的離子數(shù)，則靶材在絕大部分時(shí)負(fù)電位時(shí)到達(dá)襯底的離子數(shù)，則靶材在絕大部分時(shí)間內(nèi)呈負(fù)性，就是說(shuō)相當(dāng)于靶自動(dòng)地加了一個(gè)負(fù)偏間內(nèi)呈負(fù)性，就是說(shuō)相當(dāng)于靶自動(dòng)地加了一個(gè)負(fù)偏壓壓Vb，于是靶材能在正離子轟擊下進(jìn)行濺射。，于是靶材能在正離子轟擊下進(jìn)行濺射。n高頻交流電場(chǎng)使靶交替地由離子和電子進(jìn)行轟擊，高頻交流電場(chǎng)使靶交替地由離子和電子進(jìn)行轟擊，電子在高頻電場(chǎng)中的振蕩增加了電離幾率，因而射電子在高頻電場(chǎng)中的振蕩增加了

26、電離幾率，因而射頻濺射的濺射速率要高于陰極濺射。頻濺射的濺射速率要高于陰極濺射。n靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。四、磁控濺射裝置及特性四、磁控濺射裝置及特性n為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。體的離化率。n磁控濺射引入正交電磁場(chǎng)，使離化率提高到磁控濺射引入正交電磁場(chǎng)，使離化率提高到5%-6%，濺射速率提高十倍左右。，濺射速率提高十倍左右。n磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)，：沉積速率大，產(chǎn)量高；功率效磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)，：沉積速率大，產(chǎn)量高；功率效率高；可進(jìn)行低能濺射；向襯底的入射能量低，濺率高；可進(jìn)行低能濺射；

27、向襯底的入射能量低，濺射原子的離化率高等。射原子的離化率高等。四、磁控濺射裝置及特性四、磁控濺射裝置及特性1直流電源直流電源 2出水口出水口 3進(jìn)水口進(jìn)水口 4進(jìn)氣口進(jìn)氣口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏壓基片偏壓四、磁控濺射裝置及特性四、磁控濺射裝置及特性n磁場(chǎng)的作用使電子不再磁場(chǎng)的作用使電子不再做平行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而是做平行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線(xiàn)做螺旋運(yùn)動(dòng)，圍繞磁力線(xiàn)做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)的作用而路徑由于磁場(chǎng)的作用而大幅度地增加，從而有大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。效率和薄膜

28、的沉積速率。四、磁控濺射裝置及特性四、磁控濺射裝置及特性 磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。 原因：原因：（1）磁場(chǎng)中電子的電離效率提高，離化率提高到）磁場(chǎng)中電子的電離效率提高，離化率提高到 5%-6%，濺射速率可提高十倍左右。，濺射速率可提高十倍左右。（2）在較低氣壓下（）在較低氣壓下（0.1Pa)濺射原子被散射的幾率濺射原子被散射的幾率 減小，提高了入射到襯底上的原子的能量，從減小，提高了入射到襯底上的原子的能量，從 而提高薄膜的質(zhì)量。而提高薄膜的質(zhì)量。 五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性 在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材

29、料與反應(yīng)氣在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物（如氧化物或氮化物），這種在沉積的同時(shí)體反應(yīng)形成化合物（如氧化物或氮化物），這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱(chēng)為反應(yīng)濺射。一般認(rèn)為化合物是在薄膜淀形成化合物的濺射稱(chēng)為反應(yīng)濺射。一般認(rèn)為化合物是在薄膜淀積的同時(shí)形成的。積的同時(shí)形成的。 反應(yīng)物要進(jìn)行反應(yīng)，必須有足夠高能量去克服反應(yīng)活化能。反應(yīng)物要進(jìn)行反應(yīng)，必須有足夠高能量去克服反應(yīng)活化能。 利用化合物直接作為靶材濺射生長(zhǎng)薄膜時(shí)，可能薄膜與靶利用化合物直接作為靶材濺射生長(zhǎng)薄膜時(shí)，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這材的成分偏離，如制備氧化物薄膜

30、時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性活化能越高，活化分子占活化能越高，活化分子占整個(gè)分子總數(shù)得百分?jǐn)?shù)越整個(gè)分子總數(shù)得百分?jǐn)?shù)越低，則發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有低，則發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有效碰撞次數(shù)越少，化學(xué)反效碰撞次數(shù)越少，化學(xué)反應(yīng)速率就越慢。應(yīng)速率就越慢。Ea Ea 為放熱反應(yīng)；為放熱反應(yīng)；Ea Ea 為吸熱反應(yīng)；為吸熱反應(yīng)；活化分子具有的最低動(dòng)能與反應(yīng)物分子平均動(dòng)能之差，為活化能?；罨肿泳哂械淖畹蛣?dòng)能與反應(yīng)物分子平均動(dòng)能之差，為活化能。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性熱蒸發(fā)粒子的平均能量熱蒸發(fā)粒子的

31、平均能量只有，而濺射粒子可達(dá)只有，而濺射粒子可達(dá)10-20eV，比熱蒸發(fā)高，比熱蒸發(fā)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性 1889年，瑞典化學(xué)家年，瑞典化學(xué)家Arrhenius在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)提出了化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)V與活化能、熱力學(xué)溫度與活化能、熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：V=Cexp(-Ea/RT)平均能量平均能量E=3/2kT，所以上式可改寫(xiě)成，所以上式可改寫(xiě)成V=Cexp(-3Ea/2NAE)所以濺射的反應(yīng)速率要遠(yuǎn)大于熱蒸發(fā)。所以濺射的反應(yīng)速率要遠(yuǎn)大于熱蒸發(fā)。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)

32、濺射裝置及特性 在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物（如氧化物或氮化物），這種在沉積的同時(shí)體反應(yīng)形成化合物（如氧化物或氮化物），這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱(chēng)為反應(yīng)濺射。一般認(rèn)為化合物是在薄膜淀形成化合物的濺射稱(chēng)為反應(yīng)濺射。一般認(rèn)為化合物是在薄膜淀積的同時(shí)形成的。積的同時(shí)形成的。 反應(yīng)物要進(jìn)行反應(yīng)，必須有足夠高能量去克服反應(yīng)活化能。反應(yīng)物要進(jìn)行反應(yīng)，必須有足夠高能量去克服反應(yīng)活化能。 利用化合物直接作為靶材濺射生長(zhǎng)薄膜時(shí)，可能薄膜與靶利用化合物直接作為靶材濺射生長(zhǎng)薄膜時(shí)，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄

33、膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性濺射過(guò)程中，反應(yīng)基本發(fā)生在襯底表面，氣相反應(yīng)幾濺射過(guò)程中，反應(yīng)基本發(fā)生在襯底表面，氣相反應(yīng)幾乎可以忽略乎可以忽略.靶面同時(shí)進(jìn)行著濺射和反應(yīng)生成化合物的兩種過(guò)程。靶面同時(shí)進(jìn)行著濺射和反應(yīng)生成化合物的兩種過(guò)程。如果濺射速率大于化合物生成速率，則靶就處于金屬如果濺射速率大于化合物生成速率，則靶就處于金屬濺射態(tài)；反之，若化合物形成的速率超過(guò)濺射速率，濺射態(tài)；反之，若化合物形成的速率超過(guò)濺射速率，則濺射就可能停止。則濺

34、射就可能停止。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性 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)，在靶表在典型的反應(yīng)濺射系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體與靶發(fā)生反應(yīng)，在靶表面形成化合物，稱(chēng)為靶中毒。面形成化合物，稱(chēng)為靶中毒。 三種因素引起：其一，在靶面形成了濺射速率比金屬低得多三種因素引起：其一，在靶面形成了濺射速率比金屬低得多的化合物；其二，化合物的二次電子發(fā)射要比相應(yīng)的金屬大的化合物；其二，化合物的二次電子發(fā)射要比相應(yīng)的金屬大得多，更多的離子能量用于產(chǎn)生和加速二次電子；其三，反得多，更多的離子能量用于產(chǎn)生和加速二次電子；其三，反應(yīng)氣體離子的濺射率比惰性應(yīng)氣體離子的濺射率比惰性Ar低。低。 為解決這

35、一困難，常將反應(yīng)氣體和濺射氣體分別送到襯底和為解決這一困難，常將反應(yīng)氣體和濺射氣體分別送到襯底和靶材附近，以形成壓強(qiáng)梯度。靶材附近，以形成壓強(qiáng)梯度。五、反應(yīng)濺射裝置及特性五、反應(yīng)濺射裝置及特性 反應(yīng)濺射是低溫等離子體氣相沉積過(guò)程，重復(fù)性好，已用于制備大反應(yīng)濺射是低溫等離子體氣相沉積過(guò)程，重復(fù)性好，已用于制備大量的化合物薄膜，并作為切削工具、微電子元件的涂層。量的化合物薄膜，并作為切削工具、微電子元件的涂層。 采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜。采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜。 如：如：p 氧化物：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，S

36、nO2等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體O2）p 碳化物：碳化物：SiC， WC，TiC等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體CH4）p 氮化物：氮化物：BN，F(xiàn)eN TiN，AlN，Si3N4等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體N2）p 硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體H2S）p 化合物：化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7 1. 離子鍍成膜離子鍍成膜 簡(jiǎn)稱(chēng)離子鍍，是在真空條件下，利用氣體放電使氣簡(jiǎn)稱(chēng)離子鍍，是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時(shí)，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在襯離子

37、轟擊作用的同時(shí)，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在襯底上。底上。 是真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合的一種鍍膜方法，是真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合的一種鍍膜方法，明顯提高了薄膜的各種性能，大大擴(kuò)充了鍍膜技術(shù)的明顯提高了薄膜的各種性能，大大擴(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。應(yīng)用范圍。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) 1. 離子鍍成膜離子鍍成膜-直流離子鍍直流離子鍍 直流離子鍍的特征是利用輝光放電產(chǎn)生離子，直流離子鍍的特征是利用輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的負(fù)電壓對(duì)離子加速。并由基板上所加的負(fù)電壓對(duì)離子加速。 普通真空蒸發(fā)的各種電阻蒸發(fā)源都可用于離子普通真空蒸發(fā)的各種電阻蒸發(fā)源都可用于離子鍍

38、。鍍。 直流離子鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，特別是直流離子鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，特別是在導(dǎo)電基板上制備金屬膜是很方便的。在導(dǎo)電基板上制備金屬膜是很方便的。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)-離子鍍成膜離子鍍成膜 1. 離子鍍成膜離子鍍成膜射頻離子鍍射頻離子鍍 射頻離子鍍是在直流法的基板和蒸發(fā)源之間裝上一個(gè)射射頻離子鍍是在直流法的基板和蒸發(fā)源之間裝上一個(gè)射 頻線(xiàn)圈，使襯底保持負(fù)偏壓。頻線(xiàn)圈，使襯底保持負(fù)偏壓。 放電穩(wěn)定，在較高的真空度下也能運(yùn)行。放電穩(wěn)定，在較高的真空度下也能運(yùn)行。被蒸鍍物質(zhì)的汽化原子的離化率可達(dá)被蒸鍍物質(zhì)的汽化原子的離化率可達(dá)10%，工作壓力僅，工作壓力僅 為直流離子鍍的為直流

39、離子鍍的1%。射頻離子鍍的蒸發(fā)、離化、加速可分別獨(dú)立控制，易于射頻離子鍍的蒸發(fā)、離化、加速可分別獨(dú)立控制，易于 反應(yīng)；和其他離子鍍相比，襯底溫升低而且易于控制。反應(yīng)；和其他離子鍍相比，襯底溫升低而且易于控制。 用于在玻璃和塑料等絕緣體上制備介質(zhì)膜。用于在玻璃和塑料等絕緣體上制備介質(zhì)膜。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)-離子鍍成膜離子鍍成膜 1. 離子鍍成膜離子鍍成膜 除具有真空蒸發(fā)和濺射的優(yōu)點(diǎn)外，還有：除具有真空蒸發(fā)和濺射的優(yōu)點(diǎn)外，還有：膜層附著力強(qiáng)。膜層附著力強(qiáng)。膜層沉積速率快，最高沉積速率可達(dá)膜層沉積速率快，最高沉積速率可達(dá)50 m/min。膜層密度高。膜層密度高。(1) 繞鍍性能好。為復(fù)

40、雜形狀零件鍍膜提供好方法。繞鍍性能好。為復(fù)雜形狀零件鍍膜提供好方法。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)1. 離子鍍成膜離子鍍成膜 使用離子鍍，襯底選擇廣泛。使用離子鍍，襯底選擇廣泛。 主要用在制備高硬度機(jī)械刀具上沉積耐磨、高硬主要用在制備高硬度機(jī)械刀具上沉積耐磨、高硬度膜，沉積耐磨的固體潤(rùn)滑膜，在金屬、塑料制品上度膜，沉積耐磨的固體潤(rùn)滑膜，在金屬、塑料制品上沉積一層耐久的裝飾膜；半導(dǎo)體薄膜等。沉積一層耐久的裝飾膜；半導(dǎo)體薄膜等。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) 2. 離子束成膜離子束成膜p真空蒸發(fā)、濺射及離子鍍技術(shù)的共同缺點(diǎn)是不能確真空蒸發(fā)、濺射及離子鍍技術(shù)的共同缺點(diǎn)是不能確定到達(dá)基片的粒子流，

41、也不能完全控制入射粒子的數(shù)定到達(dá)基片的粒子流，也不能完全控制入射粒子的數(shù)目、入射角及粒子能量等參數(shù)。目、入射角及粒子能量等參數(shù)。p如果采用高真空或超高真空中的固定離子束流來(lái)沉如果采用高真空或超高真空中的固定離子束流來(lái)沉積薄膜，則可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。積薄膜，則可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。p這種方法稱(chēng)為離子束成膜技術(shù)。這種方法稱(chēng)為離子束成膜技術(shù)。 3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) 離子束成膜離子束成膜（1）離子束濺射沉積）離子束濺射沉積 又稱(chēng)為二次離子束沉積，由惰性氣體產(chǎn)生又稱(chēng)為二次離子束沉積，由惰性氣體產(chǎn)生的高能離子束轟擊靶材進(jìn)行濺射，沉積到襯底的高能離子束轟擊靶材進(jìn)行濺射，沉積到襯底上成膜。上成膜。 在離

42、子束濺射沉積中，用離子源發(fā)出離子，在離子束濺射沉積中，用離子源發(fā)出離子，經(jīng)引出、加速、取焦，使其成為束狀，用此離經(jīng)引出、加速、取焦，使其成為束狀，用此離子束轟擊置于高真空室中的靶，將濺射出的原子束轟擊置于高真空室中的靶，將濺射出的原子進(jìn)行鍍膜。子進(jìn)行鍍膜。 在沉積室中引入反應(yīng)氣體，還可以進(jìn)行反在沉積室中引入反應(yīng)氣體，還可以進(jìn)行反應(yīng)離子束磁控濺射，形成化合物薄膜。應(yīng)離子束磁控濺射，形成化合物薄膜。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) -2. 離子束成膜離子束成膜在離子束濺射沉積中，在離子束濺射沉積中，由離子源產(chǎn)生的離子束由離子源產(chǎn)生的離子束通過(guò)引出電極引入真空通過(guò)引出電極引入真空室，打到靶材上濺射，

43、室，打到靶材上濺射，實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) 離子束成膜離子束成膜（1）離子束濺射沉積）離子束濺射沉積（1）離子束濺射沉積）離子束濺射沉積-優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：用平行離子束濺射靶材，離子束的入射角和束流以及離子用平行離子束濺射靶材，離子束的入射角和束流以及離子 能量易于控制，可以做到離子束的精確聚焦和掃描；能量易于控制，可以做到離子束的精確聚焦和掃描；沉積室中的工作壓強(qiáng)低，可將氣相散射對(duì)沉積的影響減到沉積室中的工作壓強(qiáng)低，可將氣相散射對(duì)沉積的影響減到 最小，同時(shí)又可減小氣體對(duì)薄膜的污染；最小，同時(shí)又可減小氣體對(duì)薄膜的污染；襯底相對(duì)于離子源和靶材是獨(dú)立的，溫度和電壓可單獨(dú)控襯底相對(duì)于離子源和靶材是獨(dú)立的，溫度和電壓可單獨(dú)控 制，與靶材和高頻電路無(wú)關(guān)，可避免受高能電子的轟擊；制，與靶材和高頻電路無(wú)關(guān)，可避免受高能電子的轟擊；離子束獨(dú)立控制，可得到性能很好的薄膜，為濺射過(guò)程及離子束獨(dú)立控制，可得到性能很好的薄膜，為濺射過(guò)程及 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的研究提供了強(qiáng)有力的手段。薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的研究提供了強(qiáng)有力的手段。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) 3.4