第四章-薄膜的物理氣相沉積(Ⅱ)-濺射法ppt課件

1、4.1 輝光放電與等離子體 4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 4.3 濺射沉積技術(shù),第四章 薄膜制備技術(shù)-濺射法,第四章 薄膜制備技術(shù)-濺射法,濺射法 利用帶電離子在電磁場的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶材表面被濺射出來的原子以一定的動能射向襯底，在襯底上形成薄膜。 濺射法的分類 直流濺射 射頻濺射 磁控濺射 反應(yīng)濺射 偏壓濺射,第四章 薄膜制備技術(shù)-濺射法,濺射鍍膜的特點(diǎn) （1）對于任何待鍍材料，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 （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，可以在大面積襯底上獲 得厚度均勻的薄膜,靶材是需要被濺射

2、的物質(zhì)，作為 陰極，相對陽極加數(shù)千伏電壓， 在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間形成輝光放電。 輝光放電過程中，將產(chǎn)生Ar離子，陰極材料原子，二次電子，光子等,4.1 輝光放電和等離子體,一、輝光放電的物理基礎(chǔ),等離子體 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。 作用： 1、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 2、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬,4.1 輝光放電和等離子體,產(chǎn)生輝光放電 通過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加速，穿過混合氣體，與氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、或離子返回其最低能級時(shí)，以發(fā)

3、射光（或聲子）的形式將能量釋放出來。 不同氣體對應(yīng)不同的發(fā)光顏色,4.1 輝光放電和等離子體,4.1 輝光放電和等離子體,4.1 輝光放電和等離子體,直流電源E, 提供電壓V和電流I則 V = E - IR。 1、輝光放電過程包括 初始階段AB：I=0 無光放電區(qū) 湯生放電區(qū)BC：I迅速增大 過渡區(qū)CD：離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多離子 輝光放電區(qū)DE：I增大，V恒定 異常輝光放電區(qū)EF：濺射所選擇的工作區(qū) 弧光放電：I增大，V減小 弧光放電區(qū)FG：增加電源功率，電流迅速增加,4.1 輝光放電和等離子體,A,B,C,D,E,F,G,2、輝光放電區(qū)域的劃分 陰極輝光；

4、 陰極暗區(qū)； 負(fù)輝光區(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(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域,4.1 輝光放電和等離子體,4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象,離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種過程的相對重要性取決于入射離子的能量,一、濺射的產(chǎn)額： 被濺射出來的原子個(gè)數(shù)與入射離子數(shù)之比。它與入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)種類及入射離子的入射角度有關(guān),4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象,圖3.7,入射離子能量的影響 只有入射離子能量超過一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)表面濺射出離子，閾值能量與入射離子的種類關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定比例關(guān)

5、系 隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然后處于平緩（10Kev)，離子能量繼續(xù)增加，濺射產(chǎn)額反而下降,4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象,2 入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類 通常采用惰性氣體離子來濺射，由圖3.7知，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)額也是不同的，Cu, Ag, Au產(chǎn)額高，而Ti, W, Mo等產(chǎn)額低,4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象,4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象,3、離子入射角度對濺射產(chǎn)額的影響,傾斜入射有利于提高產(chǎn)額，但當(dāng)入射角接近80時(shí)，產(chǎn)額迅速下降,合金的濺射和沉積： 濺射法的優(yōu)點(diǎn)所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶材基本一

6、致。 自動補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率上升,4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象,4.3 濺射沉積裝置,一、直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射,氣體離子,靶材離子,二次電子,一、直流濺射裝置及特性,濺射氣壓1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。 陰-陽極距離適中，大約為陰極暗區(qū)的2倍 濺射電壓1-5KV。 靶材必須為金屬。 為保證薄膜的均勻性，陰極平面面積大約為襯底的2倍,一、直流濺射裝置及特性,工作原理： 當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開始，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薄膜。 在離子轟擊靶材的

7、同時(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來，被電場加速向襯底運(yùn)動，在運(yùn)動過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持,一、直流濺射裝置及特性,氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽極距離太短，二次電子達(dá)到陽極之前不能有足夠多的離化碰撞發(fā)生。反之所產(chǎn)生的離子會因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會受到過多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。 直流濺射若要保持一定的濺射速率，就必須一定的工作電流，要求靶材為金屬靶。若是導(dǎo)電性差的靶材，在離子轟擊過程中，正電荷便會積累在靶材表面,三極濺射 在低壓下，為增加離化

8、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,陽極電位高于基片,直流濺射裝置及特性,二、射頻濺射裝置及特性,4.3 濺射沉積裝置,二、射頻濺射裝置及特性,射頻電源的頻率13.56MHz 射頻濺射電壓1-2KV 射頻濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)。 在射頻濺射系統(tǒng)中，襯底接地，以避免不希望的射頻電壓在襯底表面出現(xiàn)。 靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等,二、射頻濺射裝置及特性,工作原理 在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動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，陰極濺射的二次電子不再重要。

9、 由于電子比離子具有較高的遷移率，相對于負(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,二、射頻濺射裝置及特性,電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的路徑，自發(fā)產(chǎn)生負(fù)的自偏壓的過程與靶材是絕緣體和金屬無關(guān)。 射頻電壓周期性地改變每個(gè)電極的電位，因而每個(gè)電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。實(shí)際解決的辦法將樣品臺和真空室接地，形成一個(gè)面積很大的電極，降低該極的自偏壓鞘層電壓,三、磁控濺射裝置及特性,4.3 濺射沉積裝置,1直流電源 2出水口 3進(jìn)水口 4進(jìn)氣口5 靶材 6真空泵 7 基片架 8基片偏壓,三、磁控濺射

10、裝置及特性,磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動，這就意味著電子的運(yùn)動路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。 磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因： 1、磁場中電子的電離效率提高 2、在較低氣壓下（0.1Pa)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，從而提高薄膜 的質(zhì)量,三、磁控濺射裝置及特性,三、磁控濺射裝置及特性,三、磁控濺射裝置及特性,四、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)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物，這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。 利用化合物直接作為靶

11、材濺射生長薄膜時(shí)，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣,4.3 濺射沉積裝置,四、反應(yīng)濺射裝置及特性,四、反應(yīng)濺射裝置及特性,四、反應(yīng)濺射裝置及特性,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： 氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等(反應(yīng)氣體O2） 碳化物：SiC， WC，TiC等(反應(yīng)氣體CH4） 氮化物：BN，F(xiàn)eN TiN，AlN，Si3N4等(反應(yīng)氣體N2） 硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反應(yīng)氣體H2S） 化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7,五、偏壓濺射

12、裝置及特性,偏壓濺射是在一般濺射的基礎(chǔ)上，在襯底與靶材間加一定的偏壓，以改變?nèi)肷潆x子能量和離子數(shù)，達(dá)到改善薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。 如圖所示，改變偏壓可改變Ta薄膜的電阻率,濺射制備的Ta薄膜的電阻率隨偏壓的變化,4.3 濺射沉積裝置,六、離子束濺射,在離子束濺射沉積中，由離子源產(chǎn)生的離子束通過引出電極引入真空室，打到靶材上濺射，實(shí)現(xiàn)薄膜沉積,六、離子束濺射,六、離子束濺射,4.3 濺射沉積裝置,作業(yè),1. 描述濺射產(chǎn)額？ 2. 解釋濺射的物理過程 3. 列出并解釋濺射過程的6個(gè)步驟？ 4. 濺射沉積的優(yōu)點(diǎn)是什么？濺射適合于合金沉積嗎？ 5. 描述RF濺射系統(tǒng)？什么是它的主要限制？ 6. 討論磁控濺射系統(tǒng)是怎樣提高沉積速率的,1