第8章 濺射鍍膜

1、第八章第八章 濺射鍍膜濺射鍍膜1濺射鍍膜掃描電鏡實驗室常用小型離子濺射鍍膜儀，可鍍C、Au、Pt等2定義：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。 濺射鍍膜概述濺射鍍膜概述原理：濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)，整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來源于氣體放電。例如：直流二極濺射直流輝光放電三 極 濺 射熱陰極輝光放電射 頻 濺 射射頻輝光放電磁 控 濺 射環(huán)狀磁場控制下的輝光放電3濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點：p 任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點金屬、低蒸氣壓

2、元素和化合物；q 濺射薄膜與襯底的附著性好 (濺射原子的能量比蒸發(fā)原子高12個數(shù)量級)；q 濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高；q 膜層厚度可控性和重復(fù)性好 (控制把電流和放電電流)。q 可在較大的面積上獲得厚度均勻的薄膜。濺射鍍膜的缺點：q 濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置；p 成膜速率較低0.01-0.5m/min (真空鍍膜淀積速率0.1-5 m/min)。射頻濺射和磁控濺射已克服此缺點。濺射鍍膜概述濺射鍍膜概述4離子濺射過程離子濺射過程荷能離子與表面的相互作用荷能離子與表面的相互作用5離子濺射過程離子濺射過程荷能離子與表面的相互作用荷能離子與表面的相互作用u 入射到表面的離子和高能原子有如

3、下作用：入射到表面的離子和高能原子有如下作用：u 濺射出表面的原子可能會出現(xiàn)如下情況：濺射出表面的原子可能會出現(xiàn)如下情況：6離子濺射過程離子濺射過程濺射粒子的遷移過程濺射粒子的遷移過程 濺射粒子的成膜過程淀積速率：是指從靶材上濺射出來的物質(zhì)，在單位時間內(nèi)淀積到基片上的薄膜厚度。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7離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù)1 1、濺射閾值、濺射閾值定義：定義：濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須的最小能量。 濺射閾值的大小與離子質(zhì)量之間無明顯關(guān)系，主要取決于靶材料。 絕大多數(shù)金屬靶材的濺射閾值為1030 eV。8離子濺射參數(shù)離子濺射

4、參數(shù)濺射閾值能量單位：eV9離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù)2 2、濺射產(chǎn)額、濺射產(chǎn)額定義：定義：濺射產(chǎn)額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)，濺射產(chǎn)額又稱為濺射率。 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)。10離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù)濺射產(chǎn)額的影響因素：濺射產(chǎn)額的影響因素：(1) (1) 入射離子能量入射離子能量 當(dāng)入射離子的能量高于濺射閾值時，才會發(fā)生濺射。 入射離子的能量與濺射率的關(guān)系可分三個區(qū)域，指數(shù)上升區(qū)SE 2 (E數(shù)百eV）下降區(qū)SE1/2 (E=10-100keV 一般當(dāng)入射離子能量為110 keV時，濺射率可達(dá)到

5、最大值。11惰性氣體離子對靶材的濺射產(chǎn)額有峰值惰性氣體離子對靶材的濺射產(chǎn)額有峰值NeArKrXe離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù) 濺射率依賴于入射離子的種類，靶材中不同成分的濺射率不一樣； 濺射率隨入射離子的周期性變化: 同一周期中惰性氣體的濺射率最高。濺射產(chǎn)額的影響因素：濺射產(chǎn)額的影響因素：(2) (2) 入射離子種類入射離子種類12離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù) 入射角：離子入射方向與被濺射靶材表面法線間的夾角; 隨入射角的增大濺射率逐漸增大。在060間相對濺射率基本服從1/cos 規(guī)律; 6080濺射率最大; 90時，濺射率為零。濺射產(chǎn)額的影響因素：濺射產(chǎn)額的影響因素：(3) (3) 入射離子的入射角

6、入射離子的入射角13離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù) 濺射率隨靶材料元素的原子序數(shù)呈周期性變化。 同一周期元素內(nèi)，濺射率隨靶材原子的d層原子填滿程度增加而變大。Cu、Ag、Au等產(chǎn)額最高。濺射產(chǎn)額的影響因素：濺射產(chǎn)額的影響因素：(4) (4) 靶材原子序數(shù)靶材原子序數(shù)14離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù) 與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)。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。除此之外，還與靶的結(jié)構(gòu)和靶材的結(jié)晶取向、表面形貌等因素有關(guān)。45keV Xe+濺射產(chǎn)額的影響因素：濺射產(chǎn)額的影響因素：(5) (5) 靶材溫度靶材溫度15離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù)3 3、濺射原子的能量與速度、濺射

7、原子的能量與速度 濺射原子的能量（5-10eV）比熱蒸發(fā)原子能量（0.1eV）大1-2個數(shù)量級。 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。1.2keV Kr+16離子濺射參數(shù)離子濺射參數(shù) 不同靶材具有不同的原子逸出能量，而濺射率高的靶材，通常具有較低的平均逸出能量。 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1 keV時，平均逸出能量趨于恒定。17離子濺射機理離子濺射機理動量轉(zhuǎn)移理論動量轉(zhuǎn)移理論該理論認(rèn)為，低能離子碰撞靶時，不能直接從表面濺射出原子，而是把動量傳遞給被碰撞的原子，引起原子的級聯(lián)碰撞。這種碰撞沿晶體點陣的各個方向進(jìn)行。當(dāng)靠近表面原子的能量大

8、于表面結(jié)合能 (對于金屬是16 eV) 時，這些原子就會從表面濺射出來。 18濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 二極直流濺射二極直流濺射基片基片Ar陰極接負(fù)高壓13kV，陽極通常接地。陰陽極間構(gòu)成冷陰極輝光放電結(jié)構(gòu)。根據(jù)電極形狀，可分為平板型二極濺射和同軸型二極濺射。19 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； 真空系統(tǒng)壓強通常高于1Pa，排氣速度小，殘留氣體對膜層污染較嚴(yán)重，純度較差； 基片溫度升高，淀積速率低； 靶材必須是良導(dǎo)體。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，可以獲得大面積均勻薄膜。 缺點： 濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 二極直流濺射二極直流濺射20濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 三極和四

9、極直流濺射三極和四極直流濺射三極濺射中的第三電極：發(fā)射熱電子，強化等離子體放電，增加入射離子密度四極濺射：又稱等離子體弧柱濺射。在二極、三極濺射基礎(chǔ)上，更有效的熱電子強化放電形式。四極濺射裝置圖負(fù)電位負(fù)電位21 缺點：缺點： 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。 特點：特點： 靶電流和靶電壓可獨立調(diào)節(jié)，克服了二極濺射的缺點； 靶電壓低 (可低至102伏)，濺射損傷?。?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。濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 三極和四極直流濺射三極和四極直流濺射22濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 射頻

10、濺射射頻濺射即把二極濺射裝即把二極濺射裝置的直流電源換置的直流電源換成射頻電源成射頻電源可制備從導(dǎo)體可制備從導(dǎo)體到絕緣體任意到絕緣體任意材料的薄膜材料的薄膜23濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 射頻濺射射頻濺射 缺點：缺點： 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。 特點：特點： 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； 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； 濺射過程不需要次級電子來維持放電。24濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 磁控濺射磁控濺射磁控靶 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

11、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旋輪線運動。 高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞能量，使氣體分子電離。25濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 磁控濺射磁控濺射 特點：特點： 工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性； 維持放電所需的靶電壓低； 電子對襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度； 容易實現(xiàn)在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。 缺點：缺點： 對靶材的濺射不均勻，利用效率低（30%）； 靶材為絕緣材料時，會使基板升溫； 不適合鐵磁材料的濺射，如果是強磁材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無磁力線通過。26濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 磁控濺射磁控濺射磁控

12、濺射儀 （JGP-560）27濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 離子束濺射離子束濺射定義：定義：用離子源發(fā)出離子，經(jīng)引出、加速、聚焦，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（或分子）進(jìn)行鍍膜。 前面所述各種濺射方法都是利用輝光放電產(chǎn)生的離子進(jìn)行濺射，基片置于等離子體中。存在如下問題： 基片受電子轟擊；濺射條件下，氣體壓力、放電電流等參數(shù)不能獨立控制；工藝重復(fù)性差。28濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 離子束濺射離子束濺射放出大量電子，促進(jìn)氣體分子電離放出大量電子，促進(jìn)氣體分子電離29濺射鍍膜方式濺射鍍膜方式l 離子束濺射離子束濺射 特點特點 高真空下成膜，純度高； 淀積在無場區(qū)進(jìn)行，基片不是電路的一部分，不會產(chǎn)生電子轟擊引起的基片溫升； 可以對工藝參數(shù)獨立