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濺射濺射：荷能粒子轟擊固體表面，固體表面原子或分：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研究輝光放電時首次發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象。研究輝光放電時首次發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象。n離子濺射離子濺射：由于離子易于在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn)，：由于離子易于在電磁場中

2、加速或偏轉(zhuǎn)，荷能粒子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射。荷能粒子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射。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)生一系列的物理過程，每種過程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。的相對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濺射鍍膜過程濺射鍍膜過程：利用帶電離子在電磁場的作用下獲得：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，在襯底上形成射出來的原子以一定的動

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：在實際進行濺射時，多半是讓被加速的正：在實際進行濺射時，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，所以也稱此過程為陰極濺射。以也稱此過程為陰極濺射。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濺射鍍膜的濺射鍍膜的優(yōu)點優(yōu)點：（1）對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實現(xiàn)濺射）對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實現(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）濺

4、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缺點缺點： 相對于真空蒸發(fā)，沉積速率低，基片會受到等離子體的輻相對于真空蒸發(fā)，沉積速率低，基片會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在濺射過程中，大約在濺射過程中，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子和

5、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，相對陽極加數(shù)千伏電壓，陰極，相對陽極加數(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輝光放電過程中，將產(chǎn)生輝光放電過程中，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，包含中性等離子體

6、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、帶電離子和自由電子。原子或分子、原子團、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、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬、通過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 通過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混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、氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他

7、們，受激的原子、或離子返回其最低能級時，以發(fā)射光（或聲子）或離子返回其最低能級時，以發(fā)射光（或聲子）的形式將能量釋放出來。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。不同氣體對應(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 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluori

8、neElectronCollision 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、輝光放電過程包括、輝光放電過程包括n初始階段初始階段AB：I=0 無光放電區(qū)無光放電區(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過渡區(qū)過渡區(qū)CD：離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次：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)生更多離子電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更

9、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：濺射理論模型：動量理論，也稱為級聯(lián)碰撞理論。入射動量理論，也稱為級聯(lián)碰撞理論。入射離子在進入靶材的過程中與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射離離子在進入靶材的過程中與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射離子的一部分動能會傳遞給靶材原子，當后者的動能超過由其子的一

10、部分動能會傳遞給靶材原子，當后者的動能超過由其周圍存在的其他靶材原子所形成的勢壘時，這種原子會從晶周圍存在的其他靶材原子所形成的勢壘時，這種原子會從晶格陣點被碰出產(chǎn)生離位原子，并進一步和附近的靶材原子依格陣點被碰出產(chǎn)生離位原子，并進一步和附近的靶材原子依次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級聯(lián)碰撞。次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級聯(lián)碰撞。 當這種級聯(lián)碰撞到達靶材表面時，如果靠近靶材表面的當這種級聯(lián)碰撞到達靶材表面時，如果靠近靶材表面的原子的動能超過表面結(jié)合能，這些表面原子就會逸出靶材，原子的動能超過表面結(jié)合能，這些表面原子就會逸出靶材，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濺射閾濺射

11、閾指的是入射離子使陰極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)量之間沒有明濺射閾與離子質(zhì)量之間沒有明顯的依賴關(guān)系，主要取決于靶顯的依賴關(guān)系，主要取決于靶材料。材料。p對大多數(shù)金屬來說，濺射閾值對大多數(shù)金屬來說，濺射閾值在在10-40eV范圍內(nèi)，相當于升華范圍內(nèi)，相當于升華熱的熱的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)額濺射產(chǎn)額又稱為濺射率或濺射又稱為濺射率或濺射系數(shù)，表示正離子撞擊陰極時，系數(shù)，表示正離子撞擊陰極時，平均每個正離子能從陰極上打平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。出的原

12、子數(shù)。p 與入射能量，入射離子種類，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濺射物質(zhì)種類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一定閾值以后，才能從被濺射物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。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)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（10

13、Kev)，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 入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類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，重離子的濺射通常采用惰性氣體離子來濺射，重離子的濺射產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價格因素，通常使用產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價格因素，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、離

14、子入射角度對濺射、離子入射角度對濺射 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之間的被濺射靶材表面法線之間的夾角。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，但當入射角接近但當入射角接近80時，產(chǎn)時，產(chǎn)額迅速下降。在額迅速下降。在 =90 時，濺時，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)金屬的值來確定。濺射產(chǎn)額一般不能直接由相應(yīng)金屬的值來確定。n 自動補償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下自動補償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降

15、，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 當靶的溫度很高，各種合金成分由于熱擴散發(fā)生變化時，當靶的溫度很高，各種合金成分由于熱擴散發(fā)生變化時，濺射膜和靶材原來的組分就會發(fā)生變化。濺射膜和靶材原來的組分就會發(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放出各種粒子，主要是濺射原靶表面受離子

16、轟擊會放出各種粒子，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離子對多晶離子對多晶Cu靶進行濺射，濺射粒子靶進行濺射，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 對化合物靶進行濺射時，情況與單元素靶相似。對化合物靶進行濺射時，情況與單元素靶相似。l 當入射離子能量在當入射離子能量在

17、100eV以下時，濺射粒子是構(gòu)成化以下時，濺射粒子是構(gòu)成化合物的原子，只有當入射離子能量在合物的原子，只有當入射離子能量在10keV以上時，以上時，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)原子具有的動能（與熱蒸發(fā)原子具有的動能（0.01-1eV）相比，）相比，濺射原子的濺射原子的動能要大得多動能要大得多。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，大多數(shù)濺射原子的速度為離子轟擊時，大多數(shù)濺射原子的速度為4105cm/s，

18、平均動能約為平均動能約為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，說明濺射原子中能量較高的比例增加。偏移，說明濺射原子中能量較高的比例增加。 p43頁圖頁圖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過程：靶材原子的遷移涉及到三個過程： 靶材表面的濺射、由靶材表面到襯底表面的擴散、靶材表面的濺射、由靶材表面到襯底表面的擴散、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、陰極濺射裝

19、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，輝光放電開始，正離子打擊靶面，靶加上直流電壓后，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，有大量二次電子從陰極靶發(fā)射在離子轟擊靶材的同時，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動，在運動過程中，與氣體出來，被電場加速向襯底運動，在運動過程中，與氣體原子

20、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，從而使輝光放電達到自持。放出更多的電子，從而使輝光放電達到自持。一、陰極濺射裝置及特性一、陰極濺射裝置及特性n優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可長時間進行濺射。：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可長時間進行濺射。n缺點缺點：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)用受到二次電子轟擊，

21、溫度較高，使不能承受高溫的襯底的應(yīng)用受到限制，且對襯底造成損傷；限制，且對襯底造成損傷；工作氣壓高，對薄膜造成污染，影響沉積速率，降低工作氣壓工作氣壓高，對薄膜造成污染，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額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中，這個提供一個額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中，這個獨立的電子源就是熱陰極，它通過熱離子輻射形式發(fā)射獨立的電子源就是熱陰極，它通過熱離子輻射形式發(fā)射電子。電子。

22、n所謂三極指的是陰極、陽極和靶電極。所謂三極指的是陰極、陽極和靶電極。n四極濺射是在上述三極的基礎(chǔ)上再加上輔助電極，也稱四極濺射是在上述三極的基礎(chǔ)上再加上輔助電極，也稱為穩(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額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。提供一個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)點優(yōu)點：轟擊

23、靶材的離子電流和離子能量可以完全獨立控制，而：轟擊靶材的離子電流和離子能量可以完全獨立控制，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；對襯底的輻射損傷小，可以避免襯底溫升。大；對襯底的輻射損傷小，可以避免襯底溫升。n缺點缺點：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：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，射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬

24、電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運動的電子電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運動的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達到自持，具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達到自持，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，相對于負半周期，正由于電子比離子具有較高的遷移率，相對于負半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達絕緣靶表面，而靶變成負的半周期內(nèi)將有更多的電子到達絕緣靶表面，而靶變成負的自偏壓。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)生濺射。三、射

25、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到達襯底的電子數(shù)等于襯底為若使襯底為正電位時到達襯底的電子數(shù)等于襯底為負電位時到達襯底的離子數(shù)，則靶材在絕大部分時負電位時到達襯底的離子數(shù)，則靶材在絕大部分時間內(nèi)呈負性，就是說相當于間內(nèi)呈負性，就是說相當于靶自動地加了一個負偏靶自動地加了一個負偏壓壓Vb，于是靶材能在正離子轟擊下進行濺射。，于是靶材能在正離子轟擊下進行濺射。n高頻交流電場使靶交替地由離子和電子進行轟擊，高頻交流電場使靶交替地由離子和電子進行

26、轟擊，電子在高頻電場中的振蕩增加了電離幾率電子在高頻電場中的振蕩增加了電離幾率，因而射，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)體靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。等。四、磁控濺射裝置及特性四、磁控濺射裝置及特性n為了在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣為了在低氣壓下進行高速濺射，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，使離化率提高到磁控濺射引入正交電磁場，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，：沉積速率大，產(chǎn)量高；功率效磁控濺射的優(yōu)點，：沉積速率大，產(chǎn)

27、量高；功率效率高；可進行低能濺射；向襯底的入射能量低，濺率高；可進行低能濺射；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進水口進水口 4進氣口進氣口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磁場的作用使電子不再磁場的作用使電子不再做平行直線運動，而是做平行直線運動，而是圍繞磁力線做螺旋運動，圍繞磁力線做螺旋運動，這就意味著電子的運動這就意味著電子的運動路徑由于磁場的作用而路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有大幅度地增加，

28、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）磁場中電子的電離效率提高，離化率提高到）磁場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。 四、磁控

29、濺射裝置及特性四、磁控濺射裝置及特性五、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，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，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），這種在沉積的同時形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。一般認為化合物是在薄膜淀形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。一般認為化合物是在薄膜淀積的同時形成的。積的同時形成的。 反應(yīng)物要進行反應(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薄膜時，可能薄膜與靶利用化合物直

30、接作為靶材濺射生長薄膜時，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會造成氧含量偏低，這材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會造成氧含量偏低，這時可在濺射氣體中通入適量的氧氣。時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，活化分子占整個分子總數(shù)得百分數(shù)越整個分子總數(shù)得百分數(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能與反應(yīng)物分子平均動能之差，為活化分子具有的最低動

31、能與反應(yīng)物分子平均動能之差，為活化能活化能。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)粒子的平均能量只有只有0.1-0.2eV，而濺射，而濺射粒子可達粒子可達10-20eV，比，比熱蒸發(fā)高出兩個數(shù)量級。熱蒸發(fā)高出兩個數(shù)量級。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)大量實驗的基礎(chǔ)上，在總結(jié)大量實驗的基礎(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，所以上式可改寫成，所以上式可

32、改寫成V=Cexp(-3Ea/2NAE)所以所以濺射的反應(yīng)速率要遠大于熱蒸發(fā)。濺射的反應(yīng)速率要遠大于熱蒸發(fā)。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，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，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），這種在沉積的同時形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。一般認為化合物是在薄膜淀形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。一般認為化合物是在薄膜淀積的同時形成的。積的同時形成的。 反應(yīng)物要進行反應(yīng)，必須有足夠高能量去克服反應(yīng)活化能。反應(yīng)物要進行反應(yīng)，必須有足夠高能量去克服反應(yīng)

33、活化能。 利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時，可能薄膜與靶利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會造成氧含量偏低，這材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會造成氧含量偏低，這時可在濺射氣體中通入適量的氧氣。時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程中，濺射過程中，反應(yīng)基本發(fā)生在襯底表面反應(yīng)基本發(fā)生在襯底表面，氣相反應(yīng)幾，氣相反應(yīng)幾乎可以忽略乎可以忽略.靶面同時進行著濺射和反應(yīng)生成化合物的兩種過程。靶面同時進行著濺射和反應(yīng)生成化合物的兩種過程。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

34、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濺射速率，濺射態(tài)；反之，若化合物形成的速率超過濺射速率，則濺射就可能停止。則濺射就可能停止。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，稱為面形成化合物，稱為靶中毒靶中毒。 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

35、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，以形成壓強梯度。靶材附近，以形成壓強梯度。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

36、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，SnO2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 簡稱離子鍍，是在真空條件下，利用氣體放電使氣簡稱離子鍍，是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被

37、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，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在襯離子轟擊作用的同時，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在襯底上。底上。 是是真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合的一種鍍膜方法，的一種鍍膜方法，明顯提高了薄膜的各種性能，大大擴充了鍍膜技術(shù)的明顯提高了薄膜的各種性能，大大擴充了鍍膜技術(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 直流離子鍍直流離子鍍的特征是利用輝光放電產(chǎn)生離子，的特征是利用輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的

38、負電壓對離子加速。并由基板上所加的負電壓對離子加速。 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。鍍。 直流離子鍍設(shè)備簡單，技術(shù)容易實現(xiàn)，特別是直流離子鍍設(shè)備簡單，技術(shù)容易實現(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 射頻離子鍍射頻離子鍍是在直流法的基板和蒸發(fā)源之間裝上一個射是在直流法的基板和蒸發(fā)源之間裝上一個射 頻線圈，使襯底保持負偏壓。頻線圈，使襯底保持負偏壓。 放電穩(wěn)定，在較高的真空度下也能運行。放電穩(wěn)定，在較高

39、的真空度下也能運行。被蒸鍍物質(zhì)的汽化原子的離化率可達被蒸鍍物質(zhì)的汽化原子的離化率可達10%，工作壓力僅，工作壓力僅 為直流離子鍍的為直流離子鍍的1%。射頻離子鍍的蒸發(fā)、離化、加速可分別獨立控制，易于射頻離子鍍的蒸發(fā)、離化、加速可分別獨立控制，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)點外，還有：除具有真空蒸發(fā)和濺射的優(yōu)點外，還有：膜層附著力強。膜層附著

40、力強。膜層沉積速率快，最高沉積速率可達膜層沉積速率快，最高沉積速率可達50 m/min。膜層密度高。膜層密度高。(1) 繞鍍性能好。為復(fù)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械刀具上沉積耐磨、高硬主要用在制備高硬度機械刀具上沉積耐磨、高硬度膜，沉積耐磨的固體潤滑膜，在金屬、塑料制品上度膜，沉積耐磨的固體潤滑膜，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)

41、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)的共同缺點是不能確真空蒸發(fā)、濺射及離子鍍技術(shù)的共同缺點是不能確定到達基片的粒子流，也不能完全控制入射粒子的數(shù)定到達基片的粒子流，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沉如果采用高真空或超高真空中的固定離子束流來沉積薄膜，則可以實現(xiàn)上述目標。積薄膜，則可以實現(xiàn)上述目標。p這種方法稱為離子束成膜技術(shù)。這種方法稱為離子束成膜技術(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 又稱為二次離子束沉積，由惰性氣體產(chǎn)生又

42、稱為二次離子束沉積，由惰性氣體產(chǎn)生的高能離子束轟擊靶材進行濺射，沉積到襯底的高能離子束轟擊靶材進行濺射，沉積到襯底上成膜。上成膜。 在離子束濺射沉積中，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，將濺射出的原子進行鍍膜。子進行鍍膜。 在沉積室中引入反應(yīng)氣體，還可以進行反在沉積室中引入反應(yīng)氣體，還可以進行反應(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

43、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)生的離子束通過引出電極引入真空通過引出電極引入真空室，打到靶材上濺射，室，打到靶材上濺射，實現(xiàn)薄膜沉積。實現(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：優(yōu)點：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低，可將氣相散射對沉積的影響減到沉積室中的工作壓強低，可將氣相散

44、射對沉積的影響減到 最小，同時又可減小氣體對薄膜的污染；最小，同時又可減小氣體對薄膜的污染；襯底相對于離子源和靶材是獨立的，溫度和電壓可單獨控襯底相對于離子源和靶材是獨立的，溫度和電壓可單獨控 制，與靶材和高頻電路無關(guān)，可避免受高能電子的轟擊；制，與靶材和高頻電路無關(guān)，可避免受高能電子的轟擊；離子束獨立控制，可得到性能很好的薄膜，為濺射過程及離子束獨立控制，可得到性能很好的薄膜，為濺射過程及 薄膜生長過程的研究提供了強有力的手段。薄膜生長過程的研究提供了強有力的手段。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 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) （2）離子束沉積（）離子束沉積（IBD） 又稱為一次離子束沉積，由固態(tài)物質(zhì)的離子束直接打在又稱為一次離子束沉積，由固態(tài)物質(zhì)的離子束直接打在襯底上沉積而形成薄膜。襯底上沉積而形成薄膜。 一般而言，當固態(tài)物質(zhì)離子照射固體表面時，依入射離一般而言，當固態(tài)物質(zhì)離子照射固體表面時，依入射離子能量子能量E的大小不同，會引起三種現(xiàn)象：的大小不同，會引起三種現(xiàn)象：沉積現(xiàn)象沉積現(xiàn)象（E300eV）；濺射現(xiàn)象濺射現(xiàn)象（300eV E 900eV）；）；離子注入現(xiàn)象離子注入現(xiàn)象（E900eV）。）。三種現(xiàn)象不能截然分開，通常是同時存在的。三種現(xiàn)象不能截然分開，通常是同時存在的。3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)離子束沉積離子束