濺射鍍膜課件

第三章濺射鍍膜§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)§3-2濺射的基本原理§3-3濺射鍍膜類型§3-4濺射鍍膜的厚度均勻性1第三章濺射鍍膜§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)1223

“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。

射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因離子在電場下易于加速并獲得所需動能，故大多采用離子作為轟擊粒子。該離子又稱入射離子，這種鍍膜技術(shù)又稱為離子濺射鍍膜或淀積。與此相反，利用濺射也可以進(jìn)行刻蝕。淀積和刻蝕是濺射過程的兩種應(yīng)用。

濺射鍍膜裝置：陰極（靶材）、陽極（基片）、擋板、濺射氣體入口33“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），34§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)

與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物。（2）濺射膜與基板之間的附著性好。（3）濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高。（4）膜層可控性和重復(fù)性好。缺點(diǎn)：（1）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；（2）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為0.1～

5μm/min，而濺射速率為0.01～0.5μm/min；（3）基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響。44§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜5§3-2濺射的基本原理

濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，整個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)采用的輝光放電方式有所不同。直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。一準(zhǔn)備知識：電子與氣體分子的碰撞、激發(fā)與電離二輝光放電1．直流輝光放電輝光放電是濺射的基礎(chǔ)。輝光放電是在真空度約為10～1Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)象。55§3-2濺射的基本原理濺射鍍膜基于荷能離子轟擊6圖3-1

表示直流輝光放電的形成過程，亦即兩電極之間的電壓隨電流的變化曲線。66圖3-1表示直流輝光放電的形成過程，亦即兩電極之67（1）無光放電(AB區(qū)域

)

當(dāng)兩電極加上直流電壓時(shí)，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和電子是很有限的（這些少量的正離子和電子在電場下運(yùn)動，形成電流），所以開始時(shí)電流非常小，僅有10-16～10-14安培左右。此區(qū)是導(dǎo)電而不發(fā)光，無光放電區(qū)。（2）湯森放電區(qū)（BC區(qū)）

隨著電壓升高，帶電離子和電子獲得了足夠能量，運(yùn)動速度逐漸加快，與中性氣體分子碰撞產(chǎn)生電離，使電流平穩(wěn)增加，但電壓卻受到電源的高輸出阻抗限制而呈一常數(shù)。

上述兩種放電，都以有自然電離源為前提，如果沒有游離的電子和正離子存在，則放電不會發(fā)生。這種放電方式又稱為非自持放電。7778（3）過渡區(qū)（CD區(qū)域

）

離子轟擊陰極，釋放出二次電子，

二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生新的更多的二次電子。一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達(dá)到自持，發(fā)生“雪崩點(diǎn)火”，氣體開始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)負(fù)阻特性。

（4）正常輝光放電區(qū)（DE區(qū)域）

當(dāng)電流增至C點(diǎn)時(shí)，極板兩端電壓突然降低，電流突然增大，并同時(shí)出現(xiàn)帶有顏色的輝光，此過程稱為氣體的擊穿，圖中電壓VB稱為擊穿電壓。在D點(diǎn)以后，電流與電壓無關(guān)，即增大電源功率時(shí)，電壓維持不變，而電流平穩(wěn)增加。擊穿后氣體的發(fā)光放電稱為輝光放電。

88（3）過渡區(qū)（CD區(qū)域）89特點(diǎn)：（1）電子和正離子是來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使自然游離源不存在，導(dǎo)電也將繼續(xù)下去。（2）維持輝光放電的電壓較低，且不變。（3）電流的增大與電壓無關(guān)，只與陰極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。（4）正常輝光放電的電流密度與陰極材料和氣體的種類有關(guān)。氣體的壓強(qiáng)與陰極的形狀對電流密度的大小也有影響。電流密度隨氣體壓強(qiáng)增加而增大。凹面形陰極的正常輝光放電電流密度，要比平板形陰極大數(shù)十倍左右。

由于正常輝光放電時(shí)的電流密度仍比較小，所以有時(shí)濺射選擇在非正常輝光放電區(qū)工作。99特點(diǎn)：910（5）非正常輝光放電區(qū)（EF區(qū)域）

E點(diǎn)以后，當(dāng)離子轟擊覆蓋整個(gè)陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率，會使兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，進(jìn)入非正常輝光放電狀態(tài)。特點(diǎn)：電流增大時(shí)，兩放電極板間電壓升高，且陰極電壓的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。此時(shí)輝光已布滿整個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無法向四周擴(kuò)散，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短。要想提高電流密度，必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子。

1010（5）非正常輝光放電區(qū)1011巴邢定律--在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V只與氣體壓強(qiáng)P和電極距離d的乘積有關(guān)（見圖3-2所示）。

在大多數(shù)輝光放電濺射過程中要求氣體壓強(qiáng)低，壓強(qiáng)與間距乘積一般都在最小值的左邊，故需要相當(dāng)高的起輝電壓。在極間距小的電極結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要瞬時(shí)地增加氣體壓強(qiáng)以啟動放電。1111巴邢定律--在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V12（6）弧光放電區(qū)（FG區(qū)域）兩極間電壓降至很小的數(shù)值，電流大小幾乎是由外電阻大小決定，而且電流越大，極間電壓越小。危害：（1）極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路；（2）放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過大而將陰極燒毀；（3）驟然增大的電流有損壞電源的危險(xiǎn)；12（6）弧光放電區(qū)（FG區(qū)域）輝光放電圖輝光放電圖1414輝光放電圖1414輝光放電圖15(1)阿斯頓暗區(qū)-

靠近陰極的一層極薄區(qū)域，由于從陰極發(fā)射的電子能量只有1eV左右，不能發(fā)生激發(fā)和電離。(2)陰極輝光區(qū)-

緊靠阿斯頓暗區(qū)，輝光是在加速電子碰撞氣體分子后，由于激發(fā)態(tài)的氣體分子衰變

和進(jìn)入該區(qū)的

離子復(fù)合

而形成中性原子所造成的。(3)克魯克斯暗區(qū)-

隨著電子繼續(xù)加速，很快獲得了足以引起氣體電離的能量，在此空間產(chǎn)生大量的正離子，而正離子的質(zhì)量較大，向陰極的運(yùn)動速度較慢，故由正離子組成了空間電荷并在該處聚集起來，使該區(qū)域電位升高,

與陰極形成很大電位差(陰極壓降),引起的電場畸變。(4)負(fù)輝光區(qū)-進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子可分為兩類：快電子（數(shù)量少，能量大）和慢電子（數(shù)量多，能量?。?。慢電子形成負(fù)空間電荷區(qū)，形成負(fù)電位梯度。在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生激發(fā)碰撞，電子與正離子復(fù)合幾率增多。1515(1)阿斯頓暗區(qū)-靠近陰極的一層極薄區(qū)域，由于從陰極發(fā)16(5)法拉第暗區(qū)-大部分電子已在負(fù)輝區(qū)中經(jīng)歷多次碰撞損失了能量，慢電子不足以引起電離和激發(fā)。(6)陽極光柱，在負(fù)輝光區(qū)與陽極之間，幾乎沒有電壓降。是少數(shù)電子逐漸加速并在空間與氣體分子碰撞而產(chǎn)生電離，形成電子與正離子密度相等的區(qū)域，空間電荷作用不存在，電壓降較小，類似一個(gè)良導(dǎo)體。唯一的作用是連接負(fù)輝光區(qū)和陽極。陰極位降區(qū)—包括：阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、

克魯克斯暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)

如圖3-4所示。與濺射現(xiàn)象有關(guān)的重要問題主要有兩個(gè)：

a.在克魯克暗區(qū)周圍所形成的正離子沖擊陰極；1616(5)法拉第暗區(qū)-大部分電子已在負(fù)輝區(qū)中經(jīng)歷多次碰撞損117b.當(dāng)兩極間的電壓不變而改變兩極間的距離時(shí)，主要發(fā)生變化的是由等離子體構(gòu)成的陽極光柱部分的長度,而從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離是幾乎不改變的。

一般的濺射法：使由輝光放電產(chǎn)生的正離子撞擊陰極，把陰極原子濺射出來。陰極與陽極之間的距離，至少必須比陰極與負(fù)輝光區(qū)之間的距離要長。2．低頻交流輝光放電在頻率低于50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的活動性，且有充分的時(shí)間在每個(gè)半周期的時(shí)間內(nèi)，在各個(gè)電極上建立的直流輝光放電。

1717b.當(dāng)兩極間的電壓不變而改變兩極間的距離時(shí)，173.射頻輝光放電（5~30MHz的射頻濺射頻率下）特征：（1）減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓（2）濺射材料范圍拓寬，可以濺射包括介質(zhì)材料在內(nèi)的任何材料為了濺射沉積絕緣材料，將直流電源換成交流電源后由于交流電源的正負(fù)性發(fā)生周期交替，當(dāng)濺射靶處于正半周時(shí)，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(fù)偏壓，導(dǎo)致在射頻電壓的負(fù)半周期時(shí)吸引正離子轟擊靶材，從而實(shí)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。3.射頻輝光放電（5~30MHz的射頻濺射頻率下）19

三．濺射特性

表征濺射特性的參量主要有濺射閥值、濺射率以及濺射粒子的速度和能量等。1．濺射閥值

濺射閥值指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。入射離子不同時(shí)濺射閥值變化很小，而對不同靶材濺射閥值的變化比較明顯，即濺射閥值主要取決于靶材料，與離子質(zhì)量無明顯依賴關(guān)系。

絕大多數(shù)金屬的濺射閾值為10~30eV,

相當(dāng)于升華熱的4倍（表3-1、圖3-7、圖3-8）1919三．濺射特性192020202021212121222．濺射率

濺射率表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，常用S表示。

濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，單晶靶材還與表面取向有關(guān)。（1）靶材料

(表3-2、圖3-9)

a.濺射率S隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。

b.晶格結(jié)構(gòu)不同，S不同。

c.與表面清潔度有關(guān)，清潔度高，S大。

d.升華熱大，S小。22222．濺射率22232323232424242425

（2）入射離子能量（圖3-10、3-11）

2525（2）入射離子能量（圖3-10、3-11）2526（3）入射離子種類（圖3-12）

入射離子的原子量越大，濺射率越高；濺射率也與入射離子的原子序數(shù)呈現(xiàn)周期性變化的關(guān)系。2626（3）入射離子種類（圖3-12）2627

（4）入射離子的入射角

入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角。不同入射角θ的濺射率值S(θ)，和垂直入射時(shí)的濺射率值S(0)，對于不同靶材和入射離子的種類，有以下結(jié)果：

a.對于輕元素靶材，S(θ)/S(0)的比值變化顯著；

b.重離子入射時(shí)，S(θ)/S(0)的比值變化顯著；

c.隨著入射離子能量增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐漸增大，但是S(θ)/S(0)的最大值在入射離子的加速電壓超過2kV時(shí)，急劇減小。2727（4）入射離子的入射角2728282828

（5）靶材溫度

濺射率與靶材溫度的依賴關(guān)系，主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)，在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變。但是，超過此溫度時(shí)，濺射率將急劇增大。(圖3-15)29（5）靶材溫度2930

3．濺射原子的能量和速度（1）

濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的能量大：

一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子的能量為0.1ev

左右。

濺射中，由于濺射原子是與高能量（幾百-幾千ev）入射離子交換能量而飛濺出來的，所以，濺射原子具有較大的能量。一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子

能量大1-2個(gè)數(shù)量級，約5-10ev。

（2）影響濺射原子的能量的因素：

濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類和能量（如圖3-16、3-17、3-18、3-19、3-20)以及濺射原子的方向性(如圖3-21)有關(guān)。30303．濺射原子的能量和速度30313131313232323233

同一離子轟擊不同材料時(shí)，濺射原子平均逸出能量和平均逸出速度如圖3－19和圖3－20所示。原子序數(shù)Z＞20時(shí)，各元素的平均逸出能量差別增大，而平均速度差別較小。3333同一離子轟擊不同材料時(shí)，濺射原子平均逸出能量和平均逸出34由圖3－21可見，不同方向逸出原子的能量分布不相同的。3434由圖3－21可見，不同方向逸出原子的能量分布3435

濺射原子的能量和速度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，而

輕元素靶材則有高的原子逸出速度；(圖3-19、3-20)(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；(表3-2、圖3-19)(3)在相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕入射離子濺射出的原子其逸出能量較低，約為10ev，而重入射離子濺射出的原子其逸出能量較大，平均達(dá)到30－40ev，與濺射率的情形相類似；(圖3-12)35353536

（4）濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量達(dá)到1kev以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；(圖3-16)（5）在傾斜方向逸出的原子具有較高的能量，這符合濺射的碰撞過程遵循動量和能量守恒定律。

(圖3-13、3-14)

*此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶材的結(jié)晶取向與晶體結(jié)構(gòu)對逸出能量影響不大。濺射率高的靶材料通常具有較低的平均逸出能量。36363637

4．濺射原子的角度分布

早期的濺射理論（濺射的熱峰蒸發(fā)理論）認(rèn)為：濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，從而導(dǎo)致靶材料的蒸發(fā)，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律，并且與入射離子的方向性無關(guān)（參見圖3-22中虛線部分）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：（1）用低能離子轟擊時(shí)，逸出原子的分布并不服從余弦分布定律。垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)明顯地少于按余弦分布時(shí)應(yīng)有的逸出原子數(shù)（圖3-23）；（2）對于不同的靶材料，角分布與余弦分布的偏差不相同；（3）改變轟擊離子的入射角時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加（圖3-22

）。（4）濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。37374．濺射原子的角度分布373838383839393939第三章濺射鍍膜課件41

四．濺射過程

濺射過程包括靶的濺射、逸出粒子的形態(tài)、

濺射粒子向基片的遷移和在基板上成膜的過程。1．靶材的濺射過程當(dāng)入射離子在與靶材的碰撞過程中，將動量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量超過其結(jié)合能時(shí)，才可能使靶原子發(fā)生濺射。這是靶材在濺射時(shí)主要發(fā)生的一個(gè)過程。

實(shí)際上，濺射過程十分復(fù)雜，當(dāng)高能入射離子轟擊固體表面時(shí)，會產(chǎn)生如圖3-26

所示的許多效應(yīng)。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最終淀積為薄膜之外，其他一些效應(yīng)會對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。4141四．濺射過程4142424242第三章濺射鍍膜課件44

2．濺射粒子的遷移過程在遷移過程中，濺射粒子與工作氣體分子發(fā)生碰撞的平均自由程：由于，所以

44442．濺射粒子的遷移過程44濺射鍍膜的氣體壓力為101～10-1Pa,此時(shí)濺射粒子的平均自由程為1～10cm，因此，靶與基片的距離應(yīng)與該值大致相等。否則，濺射粒子在遷移過程中將發(fā)生多次碰撞，這樣，既降低了靶材原子的動能，又增加靶材的散射損失。盡管濺射原子在向基片的遷移輸運(yùn)過程中，會因與工作氣體分子碰撞而降低其能量，但是，由于濺射出的靶材原子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射過程中淀積在基片上靶材原子的能量仍比較大，其值相當(dāng)于蒸發(fā)原子能量的幾十至上百倍。濺射鍍膜的氣體壓力為101～10-146

3．濺射粒子的成膜過程

薄膜的生長過程將在第七章中介紹，這里主要敘述靶材粒子入射到基片上在沉積成膜過程中應(yīng)當(dāng)考慮的幾個(gè)問題。（1）淀積速率Q

淀積速率Q是指從靶材上濺射出來的物質(zhì)，在單位時(shí)間內(nèi)淀積到基片上的厚度.

Q=CIS(3-16)C-

與濺射裝置有關(guān)的特征常數(shù)，I

-離子流，

S-

濺射率對于一定的濺射裝置（即C確定值）和一定的工作氣體，該淀積速率Q

與濺射率S與離子電流I

的乘積成正比。提高淀積速率的有效辦法是提高離子電流I

。在不增高電壓的條件下，增加I就只有增高工作氣體的壓力，但較多地增加氣體壓力反而會降低濺射率。46463．濺射粒子的成膜過程4647圖3－27示出了氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線。

當(dāng)壓力增高到一定值時(shí)，濺射率將開始明顯下降。這是由于靶材粒子的背返射和散射增大所引起的。事實(shí)上，在大約10Pa的氣壓下，從陰極靶濺射出來的粒子中，只有10%左右才能夠穿越陰極暗區(qū)。所以，由濺射率來選擇氣壓的最佳值是比較恰當(dāng)?shù)摹?747圖3－27示出了氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線。4748

（2）淀積薄膜的純度為了提高淀積薄膜的純度，必須盡量減少淀積到基片上雜質(zhì)的量（雜質(zhì)主要指真空室的殘余氣體）。因?yàn)?，通常有約百分之幾的濺射氣體分子注入淀積薄膜中，特別在基片加偏壓時(shí)。若真空室容積為V，殘余氣體分壓為，氬氣分壓為，送入真空室的殘余氣體量為，氬氣量為，則有

(3-17)

由此可見，欲降低殘余氣體壓力，提高薄膜的純度，可采取提高本底真空度和增加送氬量這兩項(xiàng)有效措施。本底真空度為較合適4848（2）淀積薄膜的純度4849（3）淀積過程中的污染

在通入濺射氣體之前，把真空室內(nèi)的壓強(qiáng)降低到高真空區(qū)內(nèi)（）是很必要的。即便如此，仍可存在許多污染源存在：

a.

真空壁和真空室中的其他零件可能會有吸附氣體、水汽和二氧化碳。由于輝光中電子和離子的轟擊作用，這些氣體可能重新釋出。因此，可能接觸輝光的一切表面都必須在淀積過程中適當(dāng)冷卻，以便使其在淀積的最初幾分鐘內(nèi)達(dá)到熱平衡，也可在抽氣過程中進(jìn)行高溫烘烤。

b.在濺射氣壓下，擴(kuò)散泵抽氣效力很低，擴(kuò)散泵油的回流現(xiàn)象可能十分嚴(yán)重。4949（3）淀積過程中的污染4950c.基片表面的顆粒物質(zhì)對薄膜的影響是會產(chǎn)生針孔和形成淀積污染。因此，淀積前應(yīng)對基片進(jìn)行徹底的清洗，盡可能保證基片不受污染或攜帶微粒狀污物。（4）成膜過程中的濺射條件控制

應(yīng)選擇濺射率高、對靶材呈惰性、價(jià)廉、高純的濺射氣體

或工作氣體

。應(yīng)注意濺射電壓及基片電位（接地、懸浮或偏壓）對薄膜特性的嚴(yán)重影響。濺射電壓不僅影響淀積速率，而且還嚴(yán)重影響薄膜的結(jié)構(gòu)；基片電位則直接影響入射的電子流或離子流。5050c.基片表面的顆粒物質(zhì)對薄膜的影響是會產(chǎn)生針孔和形5051基片溫度直接影響膜層的生長及特性。在濺射淀積之前對靶進(jìn)行預(yù)濺射是使靶表面凈化的有效方法。

此外，在濺射過程中，還應(yīng)注意濺射設(shè)備中存在的諸如電場、磁場、氣氛、靶材、基片溫度、幾何結(jié)構(gòu)、真空度等參數(shù)間的相互影響。5151基片溫度直接影響膜層的生長及特性。5152五．濺射機(jī)理

濺射現(xiàn)象很早就為人們所認(rèn)識，通過大量實(shí)驗(yàn)研究，對這一重要物理現(xiàn)象得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）濺射率隨入射離子的能量增加而增大；而在離子能量增加到一定程度時(shí)，由于離子注入效應(yīng)，濺射率將隨之減??；(圖3-10、3-11)（2）濺射率的大小與入射粒子的質(zhì)量有關(guān)；(圖3-12)（3）當(dāng)入射離子的能量低于某一臨界值（閾值）時(shí)，不會發(fā)生濺射；(圖3-11)5252五．濺射機(jī)理52（4）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的大許多倍；(圖3-16)（5）入射原子的能量低時(shí)，濺射原子角度分布就不完全符合于余弦分布規(guī)律。角分布還與入射離子方向有關(guān)。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在晶體密度最大的方向。(圖3-22、3-23、3-24)（6）因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量小，所以，即使用具有極高能量的電子轟擊靶材時(shí)，也不會產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。（4）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的大許多倍；(圖3-16)54解釋濺射現(xiàn)象的兩種較為成熟的理論：1．熱蒸發(fā)理論

早期認(rèn)為：濺射現(xiàn)象是被電離氣體的荷能正離子，在電場的加速下轟擊靶表面，而將能量傳遞給碰撞處的原子，結(jié)果導(dǎo)致表面碰撞處很小區(qū)域內(nèi)，發(fā)生瞬間強(qiáng)烈的局部高溫，從而使這個(gè)區(qū)域的靶材料熔化，發(fā)生熱蒸發(fā)。

*

在一定程度上解釋了濺射的某些規(guī)律和濺射現(xiàn)象，如濺射率與靶材料的蒸發(fā)熱和轟擊離子的能量關(guān)系、濺射原子的余弦分布規(guī)律等。

*不能解釋濺射率與離子入射角的關(guān)系、單晶材料濺射時(shí)，濺射原子的角分布的非余弦分布規(guī)律、以及濺射率與入射離子質(zhì)量的關(guān)系等。5454解釋濺射現(xiàn)象的兩種較為成熟的理論：54552．動量轉(zhuǎn)移理論低能離子碰撞靶時(shí)，不能從固體表面直接濺射出原子，而是把動量轉(zhuǎn)移給被碰撞的原子，引起晶格點(diǎn)陣上原子的鏈瑣式碰撞。這種碰撞將沿著晶體點(diǎn)陣的各個(gè)方向進(jìn)行。同時(shí)，碰撞因在原子最緊密排列的點(diǎn)陣方向上最為有效，結(jié)果晶體表面的原子從鄰近原子那里得到愈來愈大的能量，如果這個(gè)能量大于原子的結(jié)合能，原子就從固體表面被濺射出來。55552．動量轉(zhuǎn)移理論5556§3-3濺射鍍膜類型

濺射鍍膜的方式較多，從電極結(jié)構(gòu)上可分為二極濺射、三或四極濺射和磁控濺射；射頻濺射制備絕緣薄膜而研制的；反應(yīng)濺射可制備化合物薄膜；為了提高薄膜純度而分別研究出偏壓濺射、非對稱交流濺射和吸氣濺射等；近年來為進(jìn)行磁性薄膜的高速低溫制備，還研究開發(fā)成功對向靶濺射裝置。

5656§3-3濺射鍍膜類型濺射鍍膜的方式較多，從電極結(jié)57一．二極濺射

被濺射的靶（陰極）和成膜的基板及其固定架（陽極）構(gòu)成了濺射裝置的兩個(gè)極。因?yàn)R射過程發(fā)生在陰極，又稱陰極濺射。5757一．二極濺射5758射頻二極濺射：使用射頻電源直流二極濺射：使用直流電源

平面二極濺射：靶和基板固定架都是平板狀同軸二極濺射：靶和基板都是同軸圓柱狀布置直流二極濺射原理：*用膜材制成陰極靶，并接上負(fù)高壓，為了在輝光放電過程中使靶表面保持可控的負(fù)高壓，靶材必須是導(dǎo)體。

*工作時(shí)，先將真空室預(yù)抽到高真空（如10-3Pa），然后，

通入氬氣使真空室內(nèi)壓力維持在1～10Pa時(shí)，接通電源使在陰極和陽極間產(chǎn)生異常輝光放電，并建立起等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子受到電場加速而轟擊陰極靶，從而使靶材產(chǎn)生濺射。

5858射頻二極濺射：使用射頻電源5859

*直流二極濺射放電所形成電回路，是依靠氣體放電產(chǎn)

生的正離子飛向陰極靶，一次電子飛向陽極而形成的。而放電是依靠正離子轟擊陰極進(jìn)所產(chǎn)生的二次電子，經(jīng)陰極暗區(qū)被加速后去補(bǔ)充被消耗的一次電子來維持的。因此，在濺射鍍膜過程中，電離效應(yīng)是必備的條件。

*直流二極濺射的工作參數(shù)為濺射功率、放電電壓、氣體壓力和電極間距。濺射時(shí)主要監(jiān)視功率、電壓和氣壓參數(shù)。當(dāng)電壓一定時(shí)，放電電流與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系如

圖3－32所示。5959*直流二極濺射放電所形成電回路，是依靠氣體放電產(chǎn)6060606061優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜。缺點(diǎn)：（1）濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，放電電流易隨電壓和氣壓變化，工藝重復(fù)性差；（2）濺射裝置的排氣系統(tǒng)，一般多采用油擴(kuò)散泵，但在直流二極濺射的壓力范圍內(nèi)，擴(kuò)散泵幾乎不起作用，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣速率小，所以殘留氣體對膜層污染較嚴(yán)重，薄膜純度較差；6161優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得大面積膜厚均勻的6162（3）基片溫升高（達(dá)數(shù)百度左右）、淀積速率低；（4）靶材必須是良導(dǎo)體。措施：

（1）設(shè)法在10-1Pa以上的真空度下產(chǎn)生輝光放電，同時(shí)形成滿足濺射要求的高密度等離子體；（2）加強(qiáng)靶的冷卻，在減少熱輻射的同時(shí)，盡量減少或減弱由靶放出的高速電子對基片的轟擊；（3）選擇適當(dāng)?shù)娜肷潆x子能量。62626263二．偏壓濺射

特點(diǎn)：(1)它與直流二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓。若施加的是負(fù)偏壓，則在薄膜淀積過程中，基片表面都將受到氣體離子的穩(wěn)定轟擊，隨時(shí)清除可能進(jìn)入薄膜表面的氣體，有利于提高薄膜的純度。并且也可除掉粘附力弱的淀積粒子，加之在淀積之前可對基片進(jìn)行轟擊清洗，使表面凈化，從而提高了薄膜的附著力。(2)偏壓濺射還可改變淀積薄膜的結(jié)構(gòu)。直流偏壓濺射的原理示意如圖3-33。

6363二．偏壓濺射63第三章濺射鍍膜課件65

三．三極或四極濺射

原理：在真空室內(nèi)附加一個(gè)熱陰極，由它發(fā)射電子并和陽極產(chǎn)生等離子體。同時(shí)使靶相對于該等離子體為負(fù)電位，用等離子體中的正離子轟擊靶材而進(jìn)行濺射。如果為了引入熱電子并使放電穩(wěn)定，再附加第四極—穩(wěn)定化電極，即稱為四極濺射。優(yōu)點(diǎn)：（1）克服了二極直流濺射只能在較高

氣壓下進(jìn)行的缺點(diǎn)，因?yàn)樗?/p>

是依賴離子轟擊陰極所發(fā)射的

次級電子來維持輝光放電。6565三．三極或四極濺射656666（2）三極濺射的進(jìn)行不再依賴于陰極所發(fā)射的二次電子，濺射速率可以由熱陰極的發(fā)射電流控制，提高了濺射參數(shù)的可控性和工藝重復(fù)性。（3）四極濺射的穩(wěn)定電極使放電趨于穩(wěn)定。6666（2）三極濺射的進(jìn)行不再依賴于陰極所發(fā)射的二次電子，67缺點(diǎn)：(1)三（四）極濺射還不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對基板的轟擊，特別在高速濺射的情況下，基板的溫升較高；(2)燈絲壽命短，也還存在燈絲的不純物使膜層沾污等問題。(3)這種濺射方式并不適用于反應(yīng)濺射，特別在用氧作反應(yīng)氣體的情況下，燈絲的壽命將顯著縮短。四.射頻濺射

射頻濺射裝置如圖3-38所示。相當(dāng)于直流濺射裝置中的直流電源部分改由射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)和電源所代替，利用射頻輝光放電產(chǎn)生濺射所需正離子。6767缺點(diǎn)：676868射頻濺射原理圖6868射頻濺射原理圖69

機(jī)理和特點(diǎn)：(1)對于直流濺射來說，如果靶材不是良導(dǎo)體材料，而是絕緣材料，正離子轟擊靶面時(shí)靶就會帶正電，使其電位上升，離子加速電場就要逐漸變小，使離子濺射靶材不可能，以至輝光放電和濺射停止。

如果在靶上施加的是射頻電壓，當(dāng)濺射靶處于上半周期時(shí)，由于電子的質(zhì)量比離子的質(zhì)量小得多，故其遷移率很高僅用很短時(shí)間就可以飛向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且在靶面又迅速積累大量的電子，使其表面因空間電荷呈現(xiàn)負(fù)電位，導(dǎo)致在射頻電壓的正半周期時(shí)也吸引離子轟擊靶材。從而實(shí)現(xiàn)了在正、負(fù)半周期均可產(chǎn)生濺射。6969機(jī)理和特點(diǎn)：6970(2)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，電子與工作氣體分子碰撞并使之電離的幾率非常大，使得擊穿電壓和放電電壓顯著降低，其值只有直流濺射時(shí)的十分之一左右。(3)克服了直流濺射（含磁控）只能濺射導(dǎo)體材料的缺點(diǎn)，射頻濺射能淀積包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體在內(nèi)的幾乎所有材料。(3)當(dāng)離子能量高達(dá)數(shù)千電子伏時(shí)，絕緣靶上發(fā)射的次級電子數(shù)量也相當(dāng)大，又由于靶具有較高負(fù)電位，電子通過暗區(qū)得到加速，將成為高能電子轟擊基片，導(dǎo)致基片發(fā)熱、帶電并損害鍍膜的質(zhì)量。須將基片放置在不直接受次級電子轟擊的位置上，或者利用磁場使電子偏離基片。

7070(2)在射頻濺射裝置中，等離子體中的電子容易在射頻場中771五．磁控濺射

磁控濺射中引入了正交電磁場，使離化率提高了5～6%，于是濺射速率可比三極濺射提高10倍左右。對許多材料，濺射速率達(dá)到了電子束蒸發(fā)的水平。

磁控濺射的工作原理

以磁場來改變電子的運(yùn)動方向，并束縛和延長電子的運(yùn)動軌跡，從而提高了電子對工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。因此，使正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效。同時(shí)，受正交電磁場束縛的電子，又只能在其能量要耗盡時(shí)才沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點(diǎn)的道理。

7171五．磁控濺射717272727273主要有三種類型：（1）柱狀磁控濺射源；（2）平面磁控濺射源；（3）濺射槍（S槍）

7373主要有三種類型：7374六．對向靶濺射

對于Fe、Co、Ni、Fe2O3、坡莫合金等磁性材料，要實(shí)現(xiàn)低溫、高速濺射鍍膜，有特殊的要求。采用前述幾種磁控方式都受到很大的限制。

(由于靶的磁阻很低，磁場幾乎完全從靶中通過，不可能形成平行于靶表面的使二次電子作圓擺線運(yùn)動的強(qiáng)磁場。若采用三極濺射和射頻濺射時(shí)，基板溫升非常嚴(yán)重。)

而采用對向靶濺射法，即使用強(qiáng)磁性靶能實(shí)現(xiàn)低溫高速濺射鍍膜。

優(yōu)點(diǎn)：

濺射速率高，基板溫度低，可淀積磁性薄膜等。原理如圖3-44所示。

7474六．對向靶濺射747575757576七．反應(yīng)濺射

利用濺射技術(shù)制備介質(zhì)薄膜除可采用射頻濺射法外，另一種方法是采用反應(yīng)濺射法。即在濺射鍍膜時(shí)，引入某些活性反應(yīng)氣體，來改變或控制淀積特性?？色@得不同靶材的新物質(zhì)薄膜。例如在O2中濺射反應(yīng)而獲得氧化物，在N2或NH3中獲得氮化物，在O2＋N2混合氣體中得到氮氧化合物，在C2H2或CH4中得到碳化物，在硅烷中得到硅化物和在HF或CF4中得到氟化物等。

反應(yīng)物之間產(chǎn)生反應(yīng)的必要條件是：反應(yīng)物分子必須有足夠高的能量以克服分子間的勢壘。勢壘和能量之間的關(guān)系為：7676七．反應(yīng)濺射

7677

式中，為反應(yīng)活化能，是阿佛加德羅常數(shù)。根據(jù)過渡態(tài)模型理論，兩種反應(yīng)物的分子進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，首先經(jīng)過過渡態(tài)—活化絡(luò)合物，然后再生成反應(yīng)物，如圖3－45所示。圖中和分別為正、逆向反應(yīng)活化能；為反應(yīng)物初始態(tài)能量,W為終態(tài)能量；為活化絡(luò)合物能量；△E是反應(yīng)物與生成物能量之差。如前所述，蒸發(fā)粒子的平均能量只有0.1－0.2ev,而濺射粒子可達(dá)10－20ev，比蒸發(fā)高二個(gè)數(shù)量級左右。蒸發(fā)和濺射粒子的能量分布如圖3－46所示。7777式中，為反應(yīng)活化能，是阿佛加德羅常數(shù)。77787878787979797980八．離子束濺射

又稱離子束沉積，它是在離子束技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的成膜技術(shù)。按用于薄膜淀積的離子束功能不同，可分為兩類：一次離子束沉積，這時(shí)離子束由需要淀積的薄膜組分材料的離子組成，離子能量較低，它們在到達(dá)基片后就淀積成膜，又稱低能離子束淀積。另一類為二次離子束淀積，離子束系由惰性氣體或反應(yīng)氣體的離子組成，離子的能量較高，它們打到由需要淀積的材料組成的靶上，引起靶原子濺射，再淀積到基片上形成薄膜。因此，又稱離子束濺射。8080八．離子束濺射808181818182

離子束濺射淀積原理如圖3－49所示，由大口徑離子束發(fā)生源（1＃離子源）引出惰性氣體離子（Ar+、Xe+等），使其照射在靶上產(chǎn)生濺射作用，利用濺射出的粒子淀積在基片上制得薄膜。在大多數(shù)情況下，淀積過程中還要采用第二個(gè)離子源（2＃離子源）使其發(fā)出的第二個(gè)離子束對形成的薄膜進(jìn)行照射，以便在更廣范圍控制淀積膜的性質(zhì)。上述第二種方法又稱雙離子束濺射法。通常，第一個(gè)離子源多用考夫曼源，第二個(gè)離子源可用考夫漫源或自交叉場型離子源等。缺點(diǎn)：

離子束濺射，簡稱IBS是一種新的制膜技術(shù)，和等離子濺射鍍膜相比，裝置較復(fù)雜，成膜速率低。8282離子束濺射淀積原理如圖3－49所示，由大口8283

優(yōu)點(diǎn)：（1）在10-3Pa的高真空下，在非等離子狀態(tài)下成膜，淀積的薄膜很少摻有氣體雜質(zhì)，所以純度較高；（2）淀積發(fā)生在無場區(qū)域，基片不再是電路的一部分，不會由于快速電子轟擊使基片引起過熱，所以基片的溫升低；（3）可以對制膜條件進(jìn)行獨(dú)立的嚴(yán)格的控制，重復(fù)性較好；（4）適用于制備多成分膜的多層膜；（5）許多材料都可以用離子束濺射，其中包括各種粉末、介質(zhì)材料、金屬材料和化合物等。特別是對于飽和蒸氣壓低的金屬和化合物以及高熔點(diǎn)物質(zhì)的淀積等，用IBS比較適合。

8383優(yōu)點(diǎn)：8384

離子束濺射技術(shù)中所用離子源可以是單源、雙源和多源。雖然這種鍍膜技術(shù)所涉及到和現(xiàn)象比較復(fù)雜，但是，通過合適地選擇靶及離子的能量、種類等，可以比較容易地制取各種不同的金屬、氧化物、氮化物及其它化合物等薄膜。特別適合制作多組元金屬氧化物薄膜。目前這一技術(shù)已在磁性材料、超導(dǎo)材料以及其它電子材料的薄膜制備方面得到應(yīng)用。此外，由于離子束的方向性強(qiáng)，離子流的能量和通量較易控制，所以也可用于研究濺射過程特性，如高能離子的轟擊效應(yīng)、單晶體的濺射角分布以及離子注入和輻射損傷等。8484離子束濺射技術(shù)中所用離子源可以是單源、雙源和多源。雖第三章濺射鍍膜課件第三章濺射鍍膜課件87TheEnd8787TheEnd87第三章濺射鍍膜§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)§3-2濺射的基本原理§3-3濺射鍍膜類型§3-4濺射鍍膜的厚度均勻性88第三章濺射鍍膜§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)189290

“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。

射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因離子在電場下易于加速并獲得所需動能，故大多采用離子作為轟擊粒子。該離子又稱入射離子，這種鍍膜技術(shù)又稱為離子濺射鍍膜或淀積。與此相反，利用濺射也可以進(jìn)行刻蝕。淀積和刻蝕是濺射過程的兩種應(yīng)用。

濺射鍍膜裝置：陰極（靶材）、陽極（基片）、擋板、濺射氣體入口903“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），391§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)

與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物。（2）濺射膜與基板之間的附著性好。（3）濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高。（4）膜層可控性和重復(fù)性好。缺點(diǎn)：（1）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；（2）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為0.1～

5μm/min，而濺射速率為0.01～0.5μm/min；（3）基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響。914§3-1濺射鍍膜的特點(diǎn)與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜92§3-2濺射的基本原理

濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，整個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)采用的輝光放電方式有所不同。直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。一準(zhǔn)備知識：電子與氣體分子的碰撞、激發(fā)與電離二輝光放電1．直流輝光放電輝光放電是濺射的基礎(chǔ)。輝光放電是在真空度約為10～1Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)象。925§3-2濺射的基本原理濺射鍍膜基于荷能離子轟擊93圖3-1

表示直流輝光放電的形成過程，亦即兩電極之間的電壓隨電流的變化曲線。936圖3-1表示直流輝光放電的形成過程，亦即兩電極之694（1）無光放電(AB區(qū)域

)

當(dāng)兩電極加上直流電壓時(shí)，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和電子是很有限的（這些少量的正離子和電子在電場下運(yùn)動，形成電流），所以開始時(shí)電流非常小，僅有10-16～10-14安培左右。此區(qū)是導(dǎo)電而不發(fā)光，無光放電區(qū)。（2）湯森放電區(qū)（BC區(qū)）

隨著電壓升高，帶電離子和電子獲得了足夠能量，運(yùn)動速度逐漸加快，與中性氣體分子碰撞產(chǎn)生電離，使電流平穩(wěn)增加，但電壓卻受到電源的高輸出阻抗限制而呈一常數(shù)。

上述兩種放電，都以有自然電離源為前提，如果沒有游離的電子和正離子存在，則放電不會發(fā)生。這種放電方式又稱為非自持放電。947795（3）過渡區(qū)（CD區(qū)域

）

離子轟擊陰極，釋放出二次電子，

二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生新的更多的二次電子。一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達(dá)到自持，發(fā)生“雪崩點(diǎn)火”，氣體開始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)負(fù)阻特性。

（4）正常輝光放電區(qū)（DE區(qū)域）

當(dāng)電流增至C點(diǎn)時(shí)，極板兩端電壓突然降低，電流突然增大，并同時(shí)出現(xiàn)帶有顏色的輝光，此過程稱為氣體的擊穿，圖中電壓VB稱為擊穿電壓。在D點(diǎn)以后，電流與電壓無關(guān)，即增大電源功率時(shí)，電壓維持不變，而電流平穩(wěn)增加。擊穿后氣體的發(fā)光放電稱為輝光放電。

958（3）過渡區(qū)（CD區(qū)域）896特點(diǎn)：（1）電子和正離子是來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使自然游離源不存在，導(dǎo)電也將繼續(xù)下去。（2）維持輝光放電的電壓較低，且不變。（3）電流的增大與電壓無關(guān)，只與陰極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。（4）正常輝光放電的電流密度與陰極材料和氣體的種類有關(guān)。氣體的壓強(qiáng)與陰極的形狀對電流密度的大小也有影響。電流密度隨氣體壓強(qiáng)增加而增大。凹面形陰極的正常輝光放電電流密度，要比平板形陰極大數(shù)十倍左右。

由于正常輝光放電時(shí)的電流密度仍比較小，所以有時(shí)濺射選擇在非正常輝光放電區(qū)工作。969特點(diǎn)：997（5）非正常輝光放電區(qū)（EF區(qū)域）

E點(diǎn)以后，當(dāng)離子轟擊覆蓋整個(gè)陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率，會使兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，進(jìn)入非正常輝光放電狀態(tài)。特點(diǎn)：電流增大時(shí)，兩放電極板間電壓升高，且陰極電壓的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。此時(shí)輝光已布滿整個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無法向四周擴(kuò)散，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短。要想提高電流密度，必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子。

9710（5）非正常輝光放電區(qū)1098巴邢定律--在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V只與氣體壓強(qiáng)P和電極距離d的乘積有關(guān)（見圖3-2所示）。

在大多數(shù)輝光放電濺射過程中要求氣體壓強(qiáng)低，壓強(qiáng)與間距乘積一般都在最小值的左邊，故需要相當(dāng)高的起輝電壓。在極間距小的電極結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要瞬時(shí)地增加氣體壓強(qiáng)以啟動放電。9811巴邢定律--在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V99（6）弧光放電區(qū)（FG區(qū)域）兩極間電壓降至很小的數(shù)值，電流大小幾乎是由外電阻大小決定，而且電流越大，極間電壓越小。危害：（1）極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路；（2）放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過大而將陰極燒毀；（3）驟然增大的電流有損壞電源的危險(xiǎn)；12（6）弧光放電區(qū)（FG區(qū)域）輝光放電圖輝光放電圖101101輝光放電圖1414輝光放電圖102(1)阿斯頓暗區(qū)-

靠近陰極的一層極薄區(qū)域，由于從陰極發(fā)射的電子能量只有1eV左右，不能發(fā)生激發(fā)和電離。(2)陰極輝光區(qū)-

緊靠阿斯頓暗區(qū)，輝光是在加速電子碰撞氣體分子后，由于激發(fā)態(tài)的氣體分子衰變

和進(jìn)入該區(qū)的

離子復(fù)合

而形成中性原子所造成的。(3)克魯克斯暗區(qū)-

隨著電子繼續(xù)加速，很快獲得了足以引起氣體電離的能量，在此空間產(chǎn)生大量的正離子，而正離子的質(zhì)量較大，向陰極的運(yùn)動速度較慢，故由正離子組成了空間電荷并在該處聚集起來，使該區(qū)域電位升高,

與陰極形成很大電位差(陰極壓降),引起的電場畸變。(4)負(fù)輝光區(qū)-進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子可分為兩類：快電子（數(shù)量少，能量大）和慢電子（數(shù)量多，能量小）。慢電子形成負(fù)空間電荷區(qū)，形成負(fù)電位梯度。在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生激發(fā)碰撞，電子與正離子復(fù)合幾率增多。10215(1)阿斯頓暗區(qū)-靠近陰極的一層極薄區(qū)域，由于從陰極發(fā)103(5)法拉第暗區(qū)-大部分電子已在負(fù)輝區(qū)中經(jīng)歷多次碰撞損失了能量，慢電子不足以引起電離和激發(fā)。(6)陽極光柱，在負(fù)輝光區(qū)與陽極之間，幾乎沒有電壓降。是少數(shù)電子逐漸加速并在空間與氣體分子碰撞而產(chǎn)生電離，形成電子與正離子密度相等的區(qū)域，空間電荷作用不存在，電壓降較小，類似一個(gè)良導(dǎo)體。唯一的作用是連接負(fù)輝光區(qū)和陽極。陰極位降區(qū)—包括：阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、

克魯克斯暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)

如圖3-4所示。與濺射現(xiàn)象有關(guān)的重要問題主要有兩個(gè)：

a.在克魯克暗區(qū)周圍所形成的正離子沖擊陰極；10316(5)法拉第暗區(qū)-大部分電子已在負(fù)輝區(qū)中經(jīng)歷多次碰撞損1104b.當(dāng)兩極間的電壓不變而改變兩極間的距離時(shí)，主要發(fā)生變化的是由等離子體構(gòu)成的陽極光柱部分的長度,而從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離是幾乎不改變的。

一般的濺射法：使由輝光放電產(chǎn)生的正離子撞擊陰極，把陰極原子濺射出來。陰極與陽極之間的距離，至少必須比陰極與負(fù)輝光區(qū)之間的距離要長。2．低頻交流輝光放電在頻率低于50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的活動性，且有充分的時(shí)間在每個(gè)半周期的時(shí)間內(nèi)，在各個(gè)電極上建立的直流輝光放電。

10417b.當(dāng)兩極間的電壓不變而改變兩極間的距離時(shí)，173.射頻輝光放電（5~30MHz的射頻濺射頻率下）特征：（1）減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓（2）濺射材料范圍拓寬，可以濺射包括介質(zhì)材料在內(nèi)的任何材料為了濺射沉積絕緣材料，將直流電源換成交流電源后由于交流電源的正負(fù)性發(fā)生周期交替，當(dāng)濺射靶處于正半周時(shí)，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(fù)偏壓，導(dǎo)致在射頻電壓的負(fù)半周期時(shí)吸引正離子轟擊靶材，從而實(shí)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。3.射頻輝光放電（5~30MHz的射頻濺射頻率下）106

三．濺射特性

表征濺射特性的參量主要有濺射閥值、濺射率以及濺射粒子的速度和能量等。1．濺射閥值

濺射閥值指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。入射離子不同時(shí)濺射閥值變化很小，而對不同靶材濺射閥值的變化比較明顯，即濺射閥值主要取決于靶材料，與離子質(zhì)量無明顯依賴關(guān)系。

絕大多數(shù)金屬的濺射閾值為10~30eV,

相當(dāng)于升華熱的4倍（表3-1、圖3-7、圖3-8）10619三．濺射特性19107107202010810821211092．濺射率

濺射率表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，常用S表示。

濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，單晶靶材還與表面取向有關(guān)。（1）靶材料

(表3-2、圖3-9)

a.濺射率S隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。

b.晶格結(jié)構(gòu)不同，S不同。

c.與表面清潔度有關(guān)，清潔度高，S大。

d.升華熱大，S小。109222．濺射率2211011023231111112424112

（2）入射離子能量（圖3-10、3-11）

11225（2）入射離子能量（圖3-10、3-11）25113（3）入射離子種類（圖3-12）

入射離子的原子量越大，濺射率越高；濺射率也與入射離子的原子序數(shù)呈現(xiàn)周期性變化的關(guān)系。11326（3）入射離子種類（圖3-12）26114

（4）入射離子的入射角

入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角。不同入射角θ的濺射率值S(θ)，和垂直入射時(shí)的濺射率值S(0)，對于不同靶材和入射離子的種類，有以下結(jié)果：

a.對于輕元素靶材，S(θ)/S(0)的比值變化顯著；

b.重離子入射時(shí)，S(θ)/S(0)的比值變化顯著；

c.隨著入射離子能量增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐漸增大，但是S(θ)/S(0)的最大值在入射離子的加速電壓超過2kV時(shí)，急劇減小。11427（4）入射離子的入射角271151152828

（5）靶材溫度

濺射率與靶材溫度的依賴關(guān)系，主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)，在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變。但是，超過此溫度時(shí)，濺射率將急劇增大。(圖3-15)116（5）靶材溫度29117

3．濺射原子的能量和速度（1）

濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的能量大：

一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子的能量為0.1ev

左右。

濺射中，由于濺射原子是與高能量（幾百-幾千ev）入射離子交換能量而飛濺出來的，所以，濺射原子具有較大的能量。一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子

能量大1-2個(gè)數(shù)量級，約5-10ev。

（2）影響濺射原子的能量的因素：

濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類和能量（如圖3-16、3-17、3-18、3-19、3-20)以及濺射原子的方向性(如圖3-21)有關(guān)。117303．濺射原子的能量和速度3011811831311191193232120

同一離子轟擊不同材料時(shí)，濺射原子平均逸出能量和平均逸出速度如圖3－19和圖3－20所示。原子序數(shù)Z＞20時(shí)，各元素的平均逸出能量差別增大，而平均速度差別較小。12033同一離子轟擊不同材料時(shí)，濺射原子平均逸出能量和平均逸出121由圖3－21可見，不同方向逸出原子的能量分布不相同的。12134由圖3－21可見，不同方向逸出原子的能量分布34122

濺射原子的能量和速度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，而

輕元素靶材則有高的原子逸出速度；(圖3-19、3-20)(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；(表3-2、圖3-19)(3)在相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕入射離子濺射出的原子其逸出能量較低，約為10ev，而重入射離子濺射出的原子其逸出能量較大，平均達(dá)到30－40ev，與濺射率的情形相類似；(圖3-12)1223535123

（4）濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量達(dá)到1kev以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；(圖3-16)（5）在傾斜方向逸出的原子具有較高的能量，這符合濺射的碰撞過程遵循動量和能量守恒定律。

(圖3-13、3-14)

*此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶材的結(jié)晶取向與晶體結(jié)構(gòu)對逸出能量影響不大。濺射率高的靶材料通常具有較低的平均逸出能量。1233636124

4．濺射原子的角度分布

早期的濺射理論（濺射的熱峰蒸發(fā)理論）認(rèn)為：濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，從而導(dǎo)致靶材料的蒸發(fā)，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律，并且與入射離子的方向性無關(guān)（參見圖3-22中虛線部分）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：（1）用低能離子轟擊時(shí)，逸出原子的分布并不服從余弦分布定律。垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)明顯地少于按余弦分布時(shí)應(yīng)有的逸出原子數(shù)（圖3-23）；（2）對于不同的靶材料，角分布與余弦分布的偏差不相同；（3）改變轟擊離子的入射角時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加（圖3-22

）。（4）濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。124374．濺射原子的角度分布3712512538381261263939第三章濺射鍍膜課件128

四．濺射過程

濺射過程包括靶的濺射、逸出粒子的形態(tài)、

濺射粒子向基片的遷移和在基板上成膜的過程。1．靶材的濺射過程當(dāng)入射離子在與靶材的碰撞過程中，將動量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量超過其結(jié)合能時(shí)，才可能使靶原子發(fā)生濺射。這是靶材在濺射時(shí)主要發(fā)生的一個(gè)過程。

實(shí)際上，濺射過程十分復(fù)雜，當(dāng)高能入射離子轟擊固體表面時(shí)，會產(chǎn)生如圖3-26

所示的許多效應(yīng)。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最終淀積為薄膜之外，其他一些效應(yīng)會對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。12841四．濺射過程411291294242第三章濺射鍍膜課件131

2．濺射粒子的遷移過程在遷移過程中，濺射粒子與工作氣體分子發(fā)生碰撞的平均自由程：由于，所以

131442．濺射粒子的遷移過程44濺射鍍膜的氣體壓力為101～10-1Pa,此時(shí)濺射粒子的平均自由程為1～10cm，因此，靶與基片的距離應(yīng)與該值大致相等。否則，濺射粒子在遷移過程中將發(fā)生多次碰撞，這樣，既降低了靶材原子的動能，又增加靶材的散射損失。盡管濺射原子在向基片的遷移輸運(yùn)過程中，會因與工作氣體分子碰撞而降低其能量，但是，由于濺射出的靶材原子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射過程中淀積在基片上靶材原子的能量仍比較大，其值相當(dāng)于蒸發(fā)原子能量的幾十至上百倍。濺射鍍膜的氣體壓力為101～10-1133

3．濺射粒子的成膜過程

薄膜的生長過程將在第七章中介紹，這里主要敘述靶材粒子入射到基片上在沉積成膜過程中應(yīng)當(dāng)考慮的幾個(gè)問題。（1）淀積速率Q

淀積速率Q是指從靶材上濺射出來的物質(zhì)，在單位時(shí)間內(nèi)淀積到基片上的厚度.

Q=CIS(3-16)C-

與濺射裝置有關(guān)的特征常數(shù)，I

-離子流，

S-

濺射率對于一定的濺射裝置（即C確定值）和一定的工作氣體，該淀積速率Q

與濺射率S與離子電流I

的乘積成正比。提高淀積速率的有效辦法是提高離子電流I

。在不增高電壓的條件下，增加I就只有增高工作氣體的壓力，但較多地增加氣體壓力反而會降低濺射率。133463．濺射粒子的成膜過程46134圖3－27示出了氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線。

當(dāng)壓力增高到一定值時(shí)，濺射率將開始明顯下降。這是由于靶材粒子的背返射和散射增大所引起的。事實(shí)上，在大約10Pa的氣壓下，從陰極靶濺射出來的粒子中，只有10%左右才能夠穿越陰極暗區(qū)。所以，由濺射率來選擇氣壓的最佳值是比較恰當(dāng)?shù)摹?3447圖3－27示出了氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線。47135

（2）淀積薄膜的純度為了提高淀積薄膜的純度，必須盡量減少淀積到基片上雜質(zhì)的量（雜質(zhì)主要指真空室的殘余氣體）。因?yàn)椋ǔＳ屑s百分之幾的濺射氣體分子注入淀積薄膜中，特別在基片加偏壓時(shí)。若真空室容積為V，殘余氣體分壓為，氬氣分壓為，送入真空室的殘余氣體量為，氬氣量為，則有

(3-17)

由此可見，欲降低殘余氣體壓力，提高薄膜的純度，可采取提高本底真空度和增加送氬量這兩項(xiàng)有效措施。本底真空度為較合適13548（2）淀積薄膜的純度48136（3）淀積過程中的污染

在通入濺射氣體之前，把真空室內(nèi)的壓強(qiáng)降低到高真空區(qū)內(nèi)（）是很必要的。即便如此，仍可存在許多污染源存在：

a.

真空壁和真空室中的其他零件可能會有吸附氣體、水汽和二氧化碳。由于輝光中電子和離子的轟擊作用，這些氣體可能重新釋出。因此，可能接觸輝光的一切表面都必須在淀積過程中適當(dāng)冷卻，以便使其在淀積的最初幾分鐘內(nèi)達(dá)到熱平衡，也可在抽氣過程中進(jìn)行高溫烘烤。

b.在濺射氣壓下，擴(kuò)散泵抽氣效力很低，擴(kuò)散泵油的回流現(xiàn)象可能十分嚴(yán)重。13649（3）淀積過程中的污染49137c.基片表面的顆粒物質(zhì)對薄膜的影響是會產(chǎn)生針孔和形成淀積污染。因此，淀積前應(yīng)對基片進(jìn)行徹底的清洗，盡可能保證基片不受污染或攜帶微粒狀污物。（4）成膜過程中的濺射條件控制

應(yīng)選擇濺射率高、對靶材呈惰性、價(jià)廉、高純的濺射氣體

或工作氣體

。應(yīng)注意濺射電壓及基片電位（接地、懸浮或偏壓）對薄膜特性的嚴(yán)重影響。濺射電壓不僅影響淀積速率，而且還嚴(yán)重影響薄膜的結(jié)構(gòu)；基片電位則直接影響入射的電子流或離子流。13750c.基片表面的顆粒物質(zhì)對薄膜的影響是會產(chǎn)生針孔和形50138基片溫度直接影響膜層的生長及特性。在濺射淀積之前對靶進(jìn)行預(yù)濺射是使靶表面凈化的有效方法。

此外，在濺射過程中，還應(yīng)注意濺射設(shè)備中存在的諸如電場、磁場、氣氛、靶材、基片溫度、幾何結(jié)構(gòu)、真空度等參數(shù)間的相互影響。13851基片溫度直接影響膜層的生長及特性。51139五．濺射機(jī)理

濺射現(xiàn)象很早就為人們所認(rèn)識，通過大量實(shí)驗(yàn)研究，對這一重要物理現(xiàn)象得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）濺射率隨入射離子的能量增加而增大；而在離子能量增加到一定程度時(shí)，由于離子注入效應(yīng)，濺射率將隨之減??；(圖3-10、3-11)（2）濺射率的大小與入射粒子的質(zhì)量有關(guān)；(圖3-12)（3）當(dāng)入射離子的能量低于某一臨界值（閾值）時(shí)，不會發(fā)生濺射；(圖3-11)13952五．濺射機(jī)理52（4）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的大許多倍；(圖3-16)（5）入射原子的能量低時(shí)，濺射原子角度分布就不完全符合于余弦分布規(guī)律。角分布還與入射離子方向有關(guān)。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在晶體密度最大的方向。(圖3-22、3-23、3-24)（6）因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量小，所以，即使用具有極高能量的電子轟擊靶材時(shí)，也不會產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。（4）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的大許多倍；(圖3-16)141解釋濺射現(xiàn)象的兩種較為成熟的理論：1．熱蒸發(fā)理論

早期認(rèn)為：濺射現(xiàn)象是被電離氣體的荷能正離子，在電場的加速下轟擊靶表面，而將能量傳遞給碰撞處的原子，結(jié)果導(dǎo)致表面碰撞處很小區(qū)域內(nèi)，發(fā)生瞬間強(qiáng)烈的局部高溫，從而使這個(gè)區(qū)域的靶材料熔化，發(fā)生熱蒸發(fā)。

*

在一定程度上解釋了濺射的某些規(guī)律和濺射現(xiàn)象，如濺射率與靶材料的蒸發(fā)熱和轟擊離子的能量關(guān)系、濺射原子的余弦分布規(guī)律等。

*不能解釋濺射率與離子入射角的關(guān)系、單晶材料濺射時(shí)，濺射原子的角分布的非余弦分布規(guī)律、以及濺射率與入射離子質(zhì)量的關(guān)系等。14154解釋濺射現(xiàn)象的兩種較為成熟的理論：541422．動量轉(zhuǎn)移理論低能離子碰撞靶時(shí)，不能從固體表面直接濺射出原子，而是把動量轉(zhuǎn)移給被碰撞的原子，引起晶格點(diǎn)陣上原子的鏈瑣式碰撞。這種碰撞將沿著晶體點(diǎn)陣的各個(gè)方向進(jìn)行。同時(shí)，碰撞因在原子最緊密排列的點(diǎn)陣方向上最為有效，結(jié)果晶體表面的原子從鄰近原子那里得到愈來愈大的能量，如果這個(gè)能量大于原子的結(jié)合能，原子就從固體表面被濺射出來。142552．動量轉(zhuǎn)移理論55143§3-3濺射鍍膜類型

濺射鍍膜的方式較多，從電極結(jié)構(gòu)上可分為二極濺射、三或四極濺射和磁控濺射；射頻濺射制備絕緣薄膜而研制的；反應(yīng)濺射可制備化合物薄膜；為了提高薄膜純度而分別研究出偏壓濺射、非對稱交流濺射和吸氣濺射等；近年來為進(jìn)行磁性薄膜的高速低溫制備，還研究開發(fā)成功對向靶濺射裝置。

14356§3-3濺射鍍膜類型濺射鍍膜的方式較多，從電極結(jié)144一．二極濺射

被濺射的靶（陰極）和成膜的基板及其固定架（陽極）構(gòu)成了濺射裝置的兩個(gè)極。因?yàn)R射過程發(fā)生在陰極，又稱陰極濺射。14457一．二極濺射57145射頻二極濺射：使用射頻電源直流二極濺射：使用直流電源

平面二極濺射：靶和基板固定架都是平板狀同軸二極濺射：靶和基板都是同軸圓柱狀布置直流二極濺射原理：*用膜材制成