第四章 濺射工藝

1、微電微電0801-0803 專業(yè)選修課專業(yè)選修課主要講授內(nèi)容第第2 2章章 真空技術(shù)基礎(chǔ)真空技術(shù)基礎(chǔ)第第3 3章章 薄膜生長與薄膜結(jié)構(gòu)薄膜生長與薄膜結(jié)構(gòu)第第4 4章章 薄膜制備的基本工藝薄膜制備的基本工藝 濺射鍍膜濺射鍍膜第第1 1章章 薄膜技術(shù)簡介薄膜技術(shù)簡介 離子束沉積離子束沉積 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積第第6 6章章 薄膜材料的應(yīng)用薄膜材料的應(yīng)用第第5 5章薄膜材料的評價表證及物性測量章薄膜材料的評價表證及物性測量表征、性質(zhì)表征、性質(zhì)和應(yīng)用和應(yīng)用 薄膜制備方法的原理介紹薄膜制備方法的原理介紹 ，典型薄膜材料的制備工藝介紹典型薄膜材料的制備工藝介紹 真空蒸鍍真空蒸鍍薄膜的形核、生長理論薄膜

2、的形核、生長理論 ，薄膜的形成與典型成長機(jī)制薄膜的形成與典型成長機(jī)制WhatWhats the thin films?s the thin films?真空的表征及獲得真空的表征及獲得4-2 濺射工藝 二、濺射的基本原理輝光放電、濺射特性、濺射鍍膜過程、濺射機(jī)理三、濺射鍍膜的類型二極濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、對向靶濺射、反應(yīng)濺射、離子束濺射一、濺射鍍膜的特點 濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀積到被鍍襯底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。概念： 濺射鍍膜廣泛用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)，以及

3、化合物半導(dǎo)體、碳化物、氮化物等薄膜。應(yīng)用：一、濺射鍍膜的特點一、濺射鍍膜的特點濺射鍍膜的特點：濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點： 任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點金屬、低蒸氣壓元素和化合物； 濺射薄膜與襯底的附著性好； 濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高； 膜層厚度可控性和重復(fù)性好。濺射鍍膜的缺點： 濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置； 成膜速率較低（0.01-0.50.01-0.5mm）。一、濺射鍍膜的特點一、濺射鍍膜的特點輝光放電直流輝光放電輝光放電是在真空度約1010-1 -1PaPa的稀薄氣體中，兩個電極之間在一定電壓下產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時，兩電極之間的電壓和電流的關(guān)系復(fù)雜，

4、不能用歐姆定律描述。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電直流輝光放電二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電無光放電由于宇宙射線產(chǎn)生的游離離子和電子在直流電壓作用下運動形成電流，1010-16-16-10-10-14-14A A。自然游離的離子和電子是有限的，所以隨電壓增加，電流變化很小。湯森放電區(qū)隨電壓升高，電子運動速度逐漸加快，由于碰撞使氣體分子開始產(chǎn)生電離。于是在伏- -安特性曲線出現(xiàn)湯森放電區(qū)。上述兩種情況都以自然電離源為前提，且導(dǎo)電而不發(fā)光。因此，稱為非自持放電。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電輝光放電當(dāng)放電容器兩端電壓進(jìn)一步增大時，進(jìn)

5、入輝光放電區(qū)。 氣體擊穿 自持放電（電流密度范圍2-32-3個數(shù)量級） 電流與電壓無關(guān)（與輝光覆蓋面積有關(guān)） 電流密度恒定 電流密度與陰極材料、氣體壓強(qiáng)和種類有關(guān) 電流密度不高（濺射選擇非正常放電區(qū)）此稱為正常輝光放電二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電非正常輝光放電區(qū)當(dāng)轟擊覆蓋住整個陰極表面之后，進(jìn)一步增加功率，放電電壓和電流同時增加，進(jìn)入非正常輝光放電。特點：電流增大時，放電電極間電壓升高，且陰極電壓降與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。 陰極表面情況：此時輝光布滿整個陰極，離子層已無法向四周擴(kuò)散，正離子層向陰極靠攏，距離縮短。 此時若想提高電流密度，必須增加陰極壓降，結(jié)果更多的正離

6、子轟擊陰極，更多的二次電子從陰極產(chǎn)生。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電弧光放電區(qū)異常輝光放電時，常有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷奈ｋU。 極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路； 放電集中在陰極局部，常使陰極燒毀； 損害電源。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電正常輝光與異常輝光放電 在正常輝光放電區(qū)，陰極有效放電面積隨電流增加而增大，從而使有效區(qū)內(nèi)電流密度保持恒定。 當(dāng)整個陰極均成為有效放電區(qū)域后，只有增加陰極電流密度，才能增大電流，形成均勻而穩(wěn)定的“異常輝光放電”，并均勻覆蓋基片，這個放電區(qū)就是濺射區(qū)域濺射區(qū)域。在濺射區(qū)：濺射電壓V，電流密度j和氣體壓強(qiáng)p遵守

7、以下關(guān)系：式中， E和F是取決于電極材料、尺寸和氣體種類的常數(shù)。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電正常輝光與異常輝光放電進(jìn)入異常輝光放電區(qū)后，繼續(xù)增加電壓，有： 更多的正離子轟擊陰極產(chǎn)生大量的電子發(fā)射 陰極暗區(qū)收縮式中， d為暗區(qū)寬度， A、B為常數(shù)二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電 阿斯頓暗區(qū) 冷陰極發(fā)射的電子約1eV1eV左右，很少發(fā)生電離，所以在陰極附近形成阿斯頓暗區(qū)。陰極輝光區(qū) 加速電子與氣體分子碰撞后，激發(fā)態(tài)分子衰變以及進(jìn)入該區(qū)的離子復(fù)合形成中性原子，形成陰極輝光。 穿過陰極輝光區(qū)的電子，不易與正離子復(fù)合，形成又一個暗區(qū)。克魯克斯暗區(qū)二、濺射鍍膜的

8、基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電負(fù)輝光區(qū) 電子在高濃度正離子積聚區(qū)經(jīng)過碰撞速度降低，復(fù)合幾率增加，形成明亮的負(fù)輝光區(qū)。 正離子移動速度慢，產(chǎn)生積聚，電位升高；與陰極之間的電位差成為陰極壓降。 隨著電子速度增大，很快獲得了足以引起電離的能量，于是離開陰極暗區(qū)后使大量氣體電離，產(chǎn)生大量的正離子。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電法拉第暗區(qū) 此區(qū)域電壓降很小，類似一個良導(dǎo)體。 法拉第暗區(qū)過后，少數(shù)電子逐漸加速，并使氣體電離；由于電子較少，產(chǎn)生的正離子不會形成密集的空間電荷。 少數(shù)電子穿過負(fù)輝光區(qū)，形成暗區(qū)。正離子柱二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電輝光放電陰

9、極附近的分子狀態(tài)二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電與濺射現(xiàn)象有關(guān)的重要問題： 在克魯克斯暗區(qū)周圍形成的正離子沖擊陰極； 電壓不變而改變電極間距時，主要發(fā)生變化的是陽極光柱的長度，而從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離幾乎不變。 濺射鍍膜裝置中，陰極和陽極之間距離至少要大于陰極于負(fù)輝光區(qū)的距離。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電低頻輝光放電 在低于50kHz50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的時間在每個半周期內(nèi)，在各個電極上建立直流輝光放電，稱為低頻直流輝光放電?；驹砼c特性與直流輝光放電相同。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電射頻輝光放電 電壓變化

10、周期小于電離或消電離所需時間。離子濃度來不及變化，電子在場內(nèi)作振蕩運動。特點： 在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離； 由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓； 射頻電壓可以通過各種阻抗偶合，所以電極可以是非金屬材料。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電耦合特性：電極表面電位自動偏置為負(fù)極性二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電輝光放電二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電輝光放電二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理輝光放電 輝光放電空間與靶和接地電極之間的電壓存在如下關(guān)系： 式中， Ac和Ad 分別為容性耦合

11、電極（靶）和直接耦合電極（接地電極）的面積。 由于Ad Ac ，所以Vc Vd 。在射頻輝光放電時，等離子體對接地的基片（襯底）只有極微小的轟擊，而對濺射靶進(jìn)行強(qiáng)烈轟擊使之產(chǎn)生濺射。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射閾值 所謂濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。 濺射閾值的測定非常困難，目前已能測出低于10-5原子/離子的濺射率。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射閾值對絕大多數(shù)金屬來說，濺射閾值為1030eV二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射閾值二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射

12、率 濺射率是指正離子轟擊陰極靶時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)：S 。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)。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率1. 1. 靶材料濺射率與靶材料種類的關(guān)系可用周期律來說明。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率2.2.入射離子能量二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率3.3.入射離子種類二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率4.4.入射離子的入射角 入射離子的入射角是指離子入射方向與濺射靶材表面法線之

13、間的夾角。 0-600-60之間服從1/ cos規(guī)律 60-8060-80時，濺射率最大 9090時，濺射率為零二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率4.4.入射離子的入射角二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率4.4.入射離子的入射角S() 和S(0)對于不同靶材和入射離子種類有如下規(guī)律：對于輕元素靶材， 的比值變化顯著對于重離子入射時， 的比值變化顯著；隨著入射離子能量的增加， 呈最大值的度逐漸增大， 的最大值在入射離子能量超過2keV2keV時，急劇減小。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性濺射率5.5.靶材溫度靶材存在與升華相關(guān)的

14、某一溫度。低于此溫度時， 濺射率幾乎不變； 高于此溫度時， 濺射率急劇增加。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射原子的能量和速度 濺射原子的能量（ 5 - 1 0 5 - 1 0 eVeV） 比熱蒸發(fā)原子能量（0.1eV0.1eV）大1-21-2個數(shù)量級。 濺射原子的能量與靶材、入射離子種類和能量、濺射原子的方向等有關(guān)。幾組實驗數(shù)據(jù)曲線:二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性- 濺射原子的能量和速度二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射原子的能量和速度 重元素靶材濺射出來的原子有較高的能量；而輕元素靶材則有較高的速度； 不同靶材具有不同的

15、原子逸出能量，而濺射率高的靶材，通常具有較低的平均逸出能量； 在入射離子能量相同時，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加；入射離子質(zhì)量小，原子逸出能量低；反之亦然。 平均逸出能量隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量超過1keV1keV時，平均逸出能量趨于恒定； 傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量（守恒定律)濺射原子的能量與速度有如下特點：二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射原子的角度分布l 早期的熱蒸發(fā)理論濺射原子的角度分布符合KnudsenKnudsen余弦定律，并且與入射離子的方向無關(guān)（局部高溫蒸發(fā)）。 實際逸出原子分布并不遵從余弦定律。二、濺射鍍膜的基本原理二、

16、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射原子的角度分布l 實際分布在垂直于靶面方向明顯少于余弦分布時應(yīng)有的逸出原子數(shù)。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射原子的角度分布l與晶體結(jié)構(gòu)方向的關(guān)系 逸出原子與原子排列密度有關(guān)。主要逸出方向為110110，其次為100100、111111。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射原子的角度分布l 與靶材結(jié)構(gòu)（晶態(tài)和非晶態(tài)）的關(guān)系 單晶靶可觀察到濺射原子明顯的擇優(yōu)取向；多晶靶濺射原子近似余弦分布。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射率的表達(dá)式 通過離子與固體相互作用的物理過程，可以得到如下表達(dá)式：（1

17、 1）離子能量小于1keV1keV，在垂直入射時，濺射率為式中， Tm為最大傳遞能量， V0靶材元素的勢壘高度， a是與靶材原子質(zhì)量和入射離子質(zhì)量之比相關(guān)的常數(shù)。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性 濺射率的表達(dá)式 通過離子與固體相互作用的物理過程，可以得到如下表達(dá)式：（2 2）離子能量大于1keV1keV，在垂直入射時，濺射率為（3 3）一般情況下，濺射率的計算可由下式處理式中， W為靶材的損失量， m原子量， I為離子電流， t為濺射時間。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射鍍膜過程靶材濺射過程二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射鍍膜過程靶材濺射過程

18、10-100eV10-100eV能量的ArAr+ +離子對某些金屬表面進(jìn)行轟擊時，平均每個入射離子所產(chǎn)生的各種效應(yīng)及其發(fā)生幾率。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射鍍膜過程濺射粒子的遷移過程濺射粒子： 正離子：不能到達(dá)基片 中性原子或分子 其余粒子均能向基片遷移中性粒子的平均自由程可以用下式表示：式中， C1是濺射粒子的平均速度， V11是濺射粒子相互作用的平均碰撞次數(shù)， V12是濺射粒子與工作氣體分子的平均碰撞次數(shù)。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射鍍膜過程濺射粒子的遷移過程一般情況下，濺射粒子密度遠(yuǎn)小于工作氣體的分子密度，則:V11M1）或0時（M2 M1時，有電

19、子不能產(chǎn)生濺射。當(dāng)M2 M1時，有二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理濺射特性雙體彈性模型：根據(jù)能量轉(zhuǎn)移關(guān)系，可以得出濺射產(chǎn)額正比于核阻止截面。式中， 是核阻止截面， E0入射離子能量， a是原子相互作用屏蔽半徑， U0是表面勢能。二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理二極直流濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：基片三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型二極直流濺射特點：結(jié)構(gòu)簡單，可以獲得大面積均勻薄膜?？刂茀?shù)：功率、電壓、壓力、電極間距等。 缺點a. a. 濺射參數(shù)不易獨立控制，放電電流隨電壓和氣 壓變化，工藝重復(fù)性差；b. b. 真空系統(tǒng)多采用擴(kuò)散泵，殘留氣體對膜層污染較嚴(yán)重，純度較差；c. c.

20、 基片溫度升高，淀積速率低；d. d. 靶材必須是良導(dǎo)體。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型偏壓濺射模型： 結(jié)構(gòu)：基片施加負(fù)偏壓。 特點： 1. 1. 提高薄膜純度； 2. 2. 提高附著力。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型三級或四級濺射 二極直流濺射只能在高氣壓下進(jìn)行，因為它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。 當(dāng)氣壓下降（ 1 . 3 -2.7Pa1 . 3 -2.7Pa） 時， 陰極暗區(qū)擴(kuò)大，電子自由程增加，等離子體密度下降，輝光放電將無法維持。負(fù)電位三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型三級或四級濺射穩(wěn)定電極電位三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型三級或四級濺射 特點

21、： 缺點：1. 1. 靶電流和靶電壓可獨立調(diào)節(jié)，克服了二極濺射的缺點；2. 2. 靶電壓低（幾百伏），濺射損傷??；3. 3. 濺射過程不依賴二次電子，由熱陰極發(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； 不能抑制電子轟擊對基片的影響（溫度升高）；燈絲污染問題；不適合反應(yīng)濺射等。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型射頻濺射三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型射頻濺射三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型射頻濺射 特點： 缺點：1. 1. 電子與工作氣體分子碰撞電離幾率非常大，擊穿電壓和放電電壓顯著降低，比直流濺射小一個數(shù)量級；2. 2. 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.

22、 3. 濺射過程不需要次級電子來維持放電。 當(dāng)離子能量高時，次級電子數(shù)量增大，有可能成為高能電子轟擊基片，導(dǎo)致發(fā)熱，影響薄膜質(zhì)量。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射磁控濺射是7070年代發(fā)展起來的一種高速濺射技術(shù)。磁控濺射可以使淀積速率提高。氣體電離從0.3-0.5%0.3-0.5%提高到5-6%5-6%。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射工作原理磁控濺射技術(shù)中使用了磁控靶磁控靶三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射在陰極靶的表面上形成一個正交的電磁場。濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速成為高能電子，但是它并不直接飛向陽極，而在電場和磁場的作用下作擺線運動。高能電

23、子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞能量，并成為低能電子。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射E = 0B along y-axisv0 along z-axisE = 0B along y-axisv0 along yz-plane三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射E along x-axisB along y-axisv0 along yz-planeE along x-axisB along y-axisv0 in z-directionE/B=0.02三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射E along x-axisB along y-axisv0 in

24、 z-directionE/B=0.1三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射特點：1. 1. 在陰極靶的表面形成一個正交的電磁場；2. 2. 電離效率高（電子一般經(jīng)過大約上百米的飛行才能到達(dá)陽極，碰撞頻率約為10-7 s-1 10-7 s-1 ）；3. 3. 可以在低真空（10-1Pa10-1Pa，濺射電壓數(shù)百伏，靶流可達(dá)到幾十毫安/m2/m2）實現(xiàn)高速濺射；4. 4. 低溫、高速。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射源類型 圓柱狀磁控濺射源 平面磁控濺射源 S S 槍（ 錐型磁控濺射源）三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型平面磁控濺射源三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射磁控濺射靶的最基本要求是：在陰極表面形成環(huán)形磁場，對靶面發(fā)射的二次電子進(jìn)行有效控制。環(huán)行磁場區(qū)域一般稱為跑道，磁力線從跑道外環(huán)指向內(nèi)環(huán)（或由內(nèi)環(huán)指向外環(huán)），橫貫跑道。二次電子在跑道內(nèi)作擺線運動。由于磁場強(qiáng)度分布不均勻造成了離子密度的不均勻，進(jìn)而形成靶面不均勻濺射。三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型磁控濺射三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型對向靶濺射對于磁性材料，要實現(xiàn)低溫、高速濺射鍍膜，由于靶的磁阻很低，磁場幾乎完全