第3章濺射法

1、第3章 薄膜的物理氣相沉積濺射法 被濺射出來的原子被濺射出來的原子E0 , M1, Z1本專題主要內(nèi)容： 3.1 濺射物理的發(fā)展史 3.2 氣體放電現(xiàn)象 3.3 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 3.4 濺射沉積裝置及各種濺射鍍膜方法 3.1 濺射物理的發(fā)展史濺射物理的發(fā)展史1852年英國物理學(xué)家格羅夫（年英國物理學(xué)家格羅夫（William Robert Grove）發(fā)發(fā)現(xiàn)在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成現(xiàn)在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成份完全相同。但當(dāng)時他并不知道產(chǎn)生這份與陰極材料的成份完全相同。但當(dāng)時他并不知道產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物理原因種現(xiàn)象的物理原因 。1902

2、年，年，Goldstein 才指出產(chǎn)生這種濺射現(xiàn)象的原因是才指出產(chǎn)生這種濺射現(xiàn)象的原因是由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的，并且他由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的，并且他完成了第一個離子束濺射實驗。完成了第一個離子束濺射實驗。20世紀世紀30年代，人們開始利用濺射現(xiàn)象在試驗中制取薄年代，人們開始利用濺射現(xiàn)象在試驗中制取薄膜。但由于早年用的直流濺射有許多缺陷，故長期未能得膜。但由于早年用的直流濺射有許多缺陷，故長期未能得到應(yīng)有的發(fā)展。直到到應(yīng)有的發(fā)展。直到20世紀世紀50年代中期，濺射工藝才得年代中期，濺射工藝才得到不斷的發(fā)展和改進。到不斷的發(fā)展和改進。到了到了1960年以后，

3、人們開始重視對濺射現(xiàn)象的研究，其原年以后，人們開始重視對濺射現(xiàn)象的研究，其原因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理過因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理過程直接相關(guān)，而且它具有重要的應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆的程直接相關(guān)，而且它具有重要的應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆的器壁保護、表面分析技術(shù)及薄膜制備等都涉及到濺射現(xiàn)象。器壁保護、表面分析技術(shù)及薄膜制備等都涉及到濺射現(xiàn)象。60年代初年代初，Bell實驗室和實驗室和Western Electric公司利用濺射公司利用濺射制取了集成電路用的制取了集成電路用的Ta膜。膜。1965年年，IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍公司研究出射頻濺

4、射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。膜成為可能。1969年年，Sigmund 在總結(jié)了大量的實驗工作的基礎(chǔ)上，對在總結(jié)了大量的實驗工作的基礎(chǔ)上，對Thompson的理論工作進行了推廣，建立了原子線性級聯(lián)碰的理論工作進行了推廣，建立了原子線性級聯(lián)碰撞的理論模型，并由此得到了原子濺射產(chǎn)額的公式。撞的理論模型，并由此得到了原子濺射產(chǎn)額的公式。 1974年年，H.H. Andersen 和和H. L. Bay 研究（實研究（實驗）了低能重離子輻照固體表面，可以產(chǎn)生非驗）了低能重離子輻照固體表面，可以產(chǎn)生非線性濺射現(xiàn)象，通常稱為線性濺射現(xiàn)象，通常稱為“熱釘扎熱釘扎” (thermalized spike)

5、 效應(yīng)。效應(yīng)。1974年年，J Chapin發(fā)現(xiàn)了平衡磁控濺射后，使發(fā)現(xiàn)了平衡磁控濺射后，使高速、低溫濺射鍍膜成為現(xiàn)實。高速、低溫濺射鍍膜成為現(xiàn)實。3.2 氣體放電現(xiàn)象氣體放電現(xiàn)象 在討論氣體放電現(xiàn)象之前，我們先考思一下直流電場作用下物質(zhì)的濺射現(xiàn)象。如圖所示真空系統(tǒng)，在對系統(tǒng)抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產(chǎn)生氬離子和可以獨立運動的電子，電子在電場作用下飛向陽極，氬離子則在電場作用下加速飛向陰極靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當(dāng)高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。 氣體放電是離子濺射過程的基礎(chǔ)，下面簡單討

6、論一下氣體放電過程。如圖直流氣體放電體系。 開始：開始：電極間無電流通過，氣體原子多處于中性，只有少量的電離粒子在電場作用下定向運動，形成極微弱的電流。 湯生放電：湯生放電：電壓繼續(xù)升高，離子與陰極靶材料之間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來，同時外電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極產(chǎn)生二次電子，參與與氣體分子碰撞，并使氣體分子繼續(xù)電離，產(chǎn)生新的離子和電子。這時，放電電流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱為湯生放電。 湯生放電后期稱為電暈放電。隨電壓升高：隨電壓升高：電離粒子的運動速度加快，則電流隨電壓而上升，當(dāng)粒子的速度達飽和時，電流也達到一個飽和值，不再增加（見第一個垂線段

7、）；輝光放電：輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。此時，氣體具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，稱這種具有一定導(dǎo)電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電電壓卻有所下降。導(dǎo)電粒子大量增加，能量轉(zhuǎn)移也足夠大，放電氣體會發(fā)生明顯的輝光。電流不斷增大，輝光區(qū)擴大到整個放電長度上，電壓有所回升，輝光的亮度不斷提高，叫異常輝光放電異常輝光放電，可提供面積大、分布均勻的等離子體?；」夥烹姡夯」夥烹姡弘妷捍蠓陆担娏鞔蠓黾樱a(chǎn)生弧光放電，電弧放電斑點，陰極局部溫度大幅升高，陰極自身會發(fā)生熱蒸發(fā)。氣體放電與等離子體氣體放電與等離子體 氣體放電：氣體在電場作用下發(fā)生電離的過程。 等離子體：帶正電的粒子與帶負

8、電的粒子具有幾乎相同的密度，整體呈電中性狀態(tài)的粒子集合體。 與常態(tài)的物質(zhì)相比，等離子體處于高溫、高能量、高活性狀態(tài)。 薄膜技術(shù)中所用的等離子體，一般都是通過氣體放電形成的。3.3 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 在離子轟擊條件下，固體表面可能發(fā)生的一系列的物理過程，濺射僅是其一。當(dāng)離子入射到靶材料上時，對于濺射過程來說比較重要的現(xiàn)象有兩個，其一是物質(zhì)的濺射，其二則是電子的發(fā)射。而后者在電場的作用下獲得能量，進而參與氣體分子的碰撞，并維持氣體的輝光放電過程。物質(zhì)原子的濺射是制膜的基礎(chǔ)。濺射的基本原理 濺射：是利用氣體輝光放電過程中產(chǎn)生的荷能粒子（正離子）轟擊固體表面，當(dāng)表面原子獲得足夠大的動能而脫

9、離固體表面，從而產(chǎn)生表面原子的濺射，把物質(zhì)從源材料移向襯底，實現(xiàn)薄膜的沉積。濺射是轟擊粒子與靶原子之間能量和動量傳遞的結(jié)果。濺射是轟擊粒子與靶原子之間能量和動量傳遞的結(jié)果。1 濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額（1）濺射產(chǎn)額的定義）濺射產(chǎn)額的定義 靶材釋放出來的各種粒子中，主要是濺射出來的單個原子，另外還有少靶材釋放出來的各種粒子中，主要是濺射出來的單個原子，另外還有少量原子團或化合物的分子，而離子所占的比例較少，一般僅有量原子團或化合物的分子，而離子所占的比例較少，一般僅有1%-10%。 濺射過程可以用濺射過程可以用濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額這個物理量來定量地描述，其定義為平均每入這個物理量來定量地描述，其定義為平均每

10、入射一個粒子從靶表面濺射出來的原子數(shù)，即射一個粒子從靶表面濺射出來的原子數(shù)，即每入射一個粒子濺射出來的原子數(shù)Y濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額同樣可以表述為濺射出來的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，同樣可以表述為濺射出來的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，濺濺射產(chǎn)額依賴于靶材料的射產(chǎn)額依賴于靶材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、成份成份及及表面形貌表面形貌，同時還與入射離子的，同時還與入射離子的能量能量、電荷態(tài)電荷態(tài)和和種類種類有關(guān)。有關(guān)。（2）濺射產(chǎn)額的影響因素濺射產(chǎn)額的影響因素a、入射離子能量、入射離子能量 入射離子的能量大小對物質(zhì)的濺射產(chǎn)額有很大的影響。入射離子的能量大小對物質(zhì)的濺射產(chǎn)額有很大的影響。（a) 各種物質(zhì)都有自已

11、的濺射閥值，大部分金屬的濺射閥值在各種物質(zhì)都有自已的濺射閥值，大部分金屬的濺射閥值在1040eV，只有只有當(dāng)入射離子的能量超過這個閥值，才會實現(xiàn)對該物質(zhì)表面原子的濺射。物質(zhì)當(dāng)入射離子的能量超過這個閥值，才會實現(xiàn)對該物質(zhì)表面原子的濺射。物質(zhì)的濺射閥值與它的升華熱有一定的比例關(guān)系。如下表：的濺射閥值與它的升華熱有一定的比例關(guān)系。如下表：濺射閥值：濺射閥值：將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值。與入射離子的種類與入射離子的種類關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。(b) 隨著入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先是提高，然后在離子能量達隨著入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先是提高，然后在離子能量達到

12、到10keV左右的時候趨于平緩。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時，濺射產(chǎn)額反而左右的時候趨于平緩。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時，濺射產(chǎn)額反而下降。如下圖下降。如下圖 圖 3.9b、入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類、入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類 入射離子種類入射離子種類和和被濺射物質(zhì)種類被濺射物質(zhì)種類對物質(zhì)的濺射對物質(zhì)的濺射產(chǎn)額也有很大的影響。產(chǎn)額也有很大的影響。圖是在圖是在45kV加速電壓條件下各種入射離子轟擊加速電壓條件下各種入射離子轟擊Ag表面時得到的濺射產(chǎn)額表面時得到的濺射產(chǎn)額隨離子的原子序數(shù)的變化。易知，重離子惰性氣體作為入射離子時的濺射隨離子的原子序數(shù)的變化。易知，重離子惰性氣體作為入射離子時的濺射產(chǎn)額明顯

13、高于輕離子。但是出于經(jīng)濟方面的考慮，多數(shù)情況下均采用產(chǎn)額明顯高于輕離子。但是出于經(jīng)濟方面的考慮，多數(shù)情況下均采用Ar離離子作為薄膜濺射沉積時的入射離子。子作為薄膜濺射沉積時的入射離子。濺射產(chǎn)額隨入射原子序數(shù)增加而周期性增加。濺射產(chǎn)額隨入射原子序數(shù)增加而周期性增加。 圖是加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質(zhì)的濺射產(chǎn)額的變化情況。可以看出，元素的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性，即隨著元素外層d電子數(shù)的增加，其濺射產(chǎn)額提高，因而Cu、Ag、Au等元素的濺射產(chǎn)額明顯高于Ti、Zr、Nb、Mo、W等元素。c、離子入射角度對濺射產(chǎn)額的影響、離子入射角度對濺射產(chǎn)額的影響圖圖3.11 隨著離子入射方向

14、與靶面法線隨著離子入射方向與靶面法線間夾角間夾角的增加，濺射產(chǎn)額先呈現(xiàn)的增加，濺射產(chǎn)額先呈現(xiàn)1/cos 規(guī)律的增加，即傾斜入射規(guī)律的增加，即傾斜入射有利于提高濺射產(chǎn)額。當(dāng)入射角有利于提高濺射產(chǎn)額。當(dāng)入射角接近接近80度角時，產(chǎn)額迅速下降。離度角時，產(chǎn)額迅速下降。離子入射角對濺射產(chǎn)額的影響如圖子入射角對濺射產(chǎn)額的影響如圖3.11。d、靶材溫度對濺射產(chǎn)額的影響、靶材溫度對濺射產(chǎn)額的影響 在一定的溫度范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系不大。在一定的溫度范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系不大。但是，當(dāng)溫度達到一定水平后，濺射產(chǎn)額會發(fā)生急劇的上升。但是，當(dāng)溫度達到一定水平后，濺射產(chǎn)額會發(fā)生急劇的上升。原因可

15、能與溫度升高之后，物質(zhì)中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閥值原因可能與溫度升高之后，物質(zhì)中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閥值減小有關(guān)。減小有關(guān)。因此在實際薄膜沉積過程中，均需要控制濺射功率及因此在實際薄膜沉積過程中，均需要控制濺射功率及。2 合金的濺射與沉積合金的濺射與沉積（1）合金的濺射）合金的濺射 與蒸發(fā)法相比，合金的濺射法最大的優(yōu)點就是：易保證所制備的薄膜成份與靶材料成份基本一致。 原因：原因：a、不同元素的濺射產(chǎn)額相差較小，而不同元素的平衡蒸氣壓相差太大； b、更重要的是，蒸發(fā)源處于熔融狀態(tài)，易形成擴散甚至對流，從而表現(xiàn)出很強的自發(fā)均勻化的傾向，這將導(dǎo)致被蒸發(fā)物質(zhì)的表面成分持續(xù)變動；相比

16、之下，濺射過程中靶物質(zhì)的擴散能力很弱。由于濺射產(chǎn)額差別而造成的靶材表面成分的偏差很快就會使靶材表面成分趨于某一平衡成分，從而在隨后的濺射過程中，實現(xiàn)一種成分的自動補償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)貧化，濺射速率下降；濺射產(chǎn)額低的元素富集，濺射速率上升。最終的結(jié)果是，盡管靶材表面成分已經(jīng)改變，但濺射出的物質(zhì)的成分卻與靶材的原始成分相同。例如，對于成分為80%Ni-20%Fe的合金靶，1keV的Ar+離子濺射，濺射產(chǎn)額分別為：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。經(jīng)過一段時間的預(yù)濺射之后，靶材表面的成分比將逐漸變?yōu)镹i/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即70.2%Ni-29.8%Fe。在這之

17、后，濺射的成分能夠保證沉積出合適成分的薄膜。（2）濺射法的主要特點）濺射法的主要特點 與蒸發(fā)法相比，合金的濺射法最大的主要特點主要特點有： a 、在濺射過程中入射離子與靶材之間有很大的能量傳遞，因此濺射出的原子將從中獲得很大的能量，在沉積時，高能量的原子對襯底的撞擊提高了原子自身在薄膜表面的擴散能力，使薄膜的組織更致密、附著力也得到明顯改善。當(dāng)然這也會引起襯底溫度的升高。 b、制備合金薄膜時，成分的控制性能好。 c、濺射靶材可以是極難熔的材料。因此，濺射法可以方便地用于高熔點物質(zhì)的濺射和薄膜的制備。 d、可利用反應(yīng)濺射技術(shù)，從金屬元素靶材制備化合物薄膜。 e、有助于改善薄膜對于復(fù)雜形狀表面的覆

18、蓋能力，降低薄膜表面的粗糙度。表表3.2是從沉積是從沉積原理方面對濺原理方面對濺射和蒸發(fā)這兩射和蒸發(fā)這兩種薄膜制備方種薄膜制備方法進行的總結(jié)法進行的總結(jié)與比較與比較3.4 濺射沉積裝置濺射沉積裝置及各種濺射鍍膜方法及各種濺射鍍膜方法多功能磁控濺射設(shè)備多功能磁控濺射設(shè)備 濺射靶濺射靶 靶材：靶材： 純金屬、合金通過冶煉或粉末冶金法制備，純度 及致密性較好。 化合物 粉末熱壓法制備，純度及致密性較差。靶材生產(chǎn)廠家：北京有研總院靶材中心、北京蒙泰有研技術(shù)開發(fā)中心、北京泛德辰公司、合肥科晶、深圳宏瑞興、惠州天億等。主要濺射法：主要濺射法：直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射、離子束濺射1 直流濺射直

19、流濺射 直流濺射直流濺射又稱陰極濺射或二極濺又稱陰極濺射或二極濺射，適用于射，適用于導(dǎo)電性較好導(dǎo)電性較好的各類合金的各類合金薄膜。薄膜。（1）直流濺射設(shè)備）直流濺射設(shè)備(如右圖）如右圖）（2）直流濺射的基本原理：直流濺射的基本原理： 在對系統(tǒng)抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產(chǎn)生氬離子和可以獨立運動的電子，電子在電場作用下飛向陽極，氬離子則在電場作用下加速飛向陰極靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當(dāng)高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。（3）濺射條件：）濺射條件：工作氣壓工作氣壓10Pa，濺射電壓，濺射電壓10

20、00V，靶電流密度靶電流密度0.5mA/cm2,薄 膜 沉 積 率 低 于薄 膜 沉 積 率 低 于0.1m/min。（4）工作氣壓對濺射速率）工作氣壓對濺射速率的影響的影響 氣壓低，電子自由程氣壓低，電子自由程較長，通過碰撞而引起較長，通過碰撞而引起的氣體分子電離的幾率的氣體分子電離的幾率較低，同時離子在陽極較低，同時離子在陽極上濺射時發(fā)出二次電子上濺射時發(fā)出二次電子的幾率也相對較小。這的幾率也相對較小。這些導(dǎo)致濺射速率很低；些導(dǎo)致濺射速率很低； 圖圖3.16 隨氣壓升高，濺射速率提高；隨氣壓升高，濺射速率提高； 氣壓過高時，濺射出來的原子在飛向襯底的過程中受氣壓過高時，濺射出來的原子在飛向

21、襯底的過程中受過多的散射，部分濺射原子甚至被散射回靶材表面沉積下過多的散射，部分濺射原子甚至被散射回靶材表面沉積下來，因此濺射速率反而下降。來，因此濺射速率反而下降。（5）工作氣壓對薄膜質(zhì)量的影響）工作氣壓對薄膜質(zhì)量的影響 濺射氣壓較低時，入射到襯底表面的原子沒有經(jīng)過濺射氣壓較低時，入射到襯底表面的原子沒有經(jīng)過很多次碰撞，因而其能量較高，這有利于提高沉積時原子很多次碰撞，因而其能量較高，這有利于提高沉積時原子的擴散能力，提高沉積組織的致密度。的擴散能力，提高沉積組織的致密度。 濺射氣壓的提高使得入射原子的能量降低，這不利于濺射氣壓的提高使得入射原子的能量降低，這不利于薄膜組織的致密化。薄膜組織

22、的致密化。（6）直流濺射裝置的缺點）直流濺射裝置的缺點 不能獨立控制各個工藝參數(shù)，如陰極電壓、電流以及不能獨立控制各個工藝參數(shù)，如陰極電壓、電流以及濺射氣壓；濺射氣壓； 使用的氣壓較高（使用的氣壓較高（10Pa左右），濺射速率低，薄膜質(zhì)左右），濺射速率低，薄膜質(zhì)量（致密度、純度）差。量（致密度、純度）差。（7）直流濺射裝置的改進）直流濺射裝置的改進 如圖所示。如圖所示。在直流二極濺射的基礎(chǔ)上，增加一個在直流二極濺射的基礎(chǔ)上，增加一個發(fā)射電發(fā)射電子的熱陰極子的熱陰極和一個和一個輔助陽極輔助陽極，構(gòu)成三極（或稱四極）濺射裝，構(gòu)成三極（或稱四極）濺射裝置。置。 特點：由于熱陰極發(fā)射電子的能力較強，因

23、而特點：由于熱陰極發(fā)射電子的能力較強，因而放電氣壓可以放電氣壓可以維持在較低水平上維持在較低水平上，這對于提高沉積速率、減少氣體污染等，這對于提高沉積速率、減少氣體污染等都是有利的。此時提高輔助陽極的電流密度即可提高等離子都是有利的。此時提高輔助陽極的電流密度即可提高等離子體的密度和薄膜的沉積速率，而轟擊靶材的離子流又可以得體的密度和薄膜的沉積速率，而轟擊靶材的離子流又可以得到獨立的調(diào)節(jié)。到獨立的調(diào)節(jié)。缺點：難于獲得大面積且分缺點：難于獲得大面積且分布均勻的等離子體，且在提布均勻的等離子體，且在提高薄膜沉積速率方面的能力高薄膜沉積速率方面的能力有限。有限。2 射頻濺射射頻濺射 適用于適用于各種

24、金屬各種金屬和和非金屬材料非金屬材料的一種濺射沉積方法。的一種濺射沉積方法。（1）射頻濺射設(shè)備）射頻濺射設(shè)備（如圖）（如圖）（2）射頻濺射的基本原理射頻濺射的基本原理 兩極間接上射頻（兩極間接上射頻（530MHz，國際上國際上多采用美國聯(lián)邦通訊委員會（多采用美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）建議的）建議的13.56MHz）電源后，兩極間等離子體中不）電源后，兩極間等離子體中不斷振蕩運動的電子從高頻電場中獲得足夠的斷振蕩運動的電子從高頻電場中獲得足夠的能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使后者電離，產(chǎn)生大量的離子和電子，此時使后者電離，產(chǎn)生大量的離子和電子，此時

25、不再需要在高壓下（不再需要在高壓下（10Pa左右）產(chǎn)生二次電左右）產(chǎn)生二次電子來維持放電過程，射頻濺射可以在低壓子來維持放電過程，射頻濺射可以在低壓（ 1Pa左右）下進行，沉積速率也因氣體散左右）下進行，沉積速率也因氣體散射少而較二極濺射為高；高頻電場可以經(jīng)由射少而較二極濺射為高；高頻電場可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進入沉積室，而不必再要其他阻抗形式耦合進入沉積室，而不必再要求電極一定要是導(dǎo)體；由于射頻方法可以在求電極一定要是導(dǎo)體；由于射頻方法可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場作用靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場作用的同時，靶材會自動處于一個較大的負電位的同時，靶材會自動處于一個較大的負電

26、位下，從而導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊下，從而導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，將主離子對其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過程。要是沉積過程。如何理解射頻電場對于靶材的自偏壓效應(yīng)？如何理解射頻電場對于靶材的自偏壓效應(yīng)？ 由于電子的運動速度比離子的速度大得多，因而相對于等離子體來說，由于電子的運動速度比離子的速度大得多，因而相對于等離子體來說，等離子體近旁的任何部位都處于負電位。等離子體近旁的任何部位都處于負電位。 設(shè)想一個電極上開始并沒有任何電荷積累。在射頻電壓的驅(qū)動下，它設(shè)想一

27、個電極上開始并沒有任何電荷積累。在射頻電壓的驅(qū)動下，它既可作為陽極接受電子，又可作為陰極接受離子。在一個正半周期中，電既可作為陽極接受電子，又可作為陰極接受離子。在一個正半周期中，電極將接受大量電子，并使其自身帶有負電荷。在緊接著的負半周期中，它極將接受大量電子，并使其自身帶有負電荷。在緊接著的負半周期中，它又將接受少量運動速度較慢的離子，使其所帶負電荷被中和一部分。經(jīng)過又將接受少量運動速度較慢的離子，使其所帶負電荷被中和一部分。經(jīng)過這樣幾個周期后，電極上將帶有一定數(shù)量的負電荷而對等離子體呈現(xiàn)一定這樣幾個周期后，電極上將帶有一定數(shù)量的負電荷而對等離子體呈現(xiàn)一定的負電位。（此負電位對電子產(chǎn)生排斥

28、作用，使電極此后接受的正負電荷的負電位。（此負電位對電子產(chǎn)生排斥作用，使電極此后接受的正負電荷數(shù)目相等）數(shù)目相等） 設(shè)等離子電位為設(shè)等離子電位為Vp（為正值），則接地的真空室（包含襯底）電極（為正值），則接地的真空室（包含襯底）電極（電位為（電位為0）對等離子的電位差為）對等離子的電位差為-Vp，設(shè)靶電極的電位為，設(shè)靶電極的電位為Vc（是一個負（是一個負值），則靶電極相對于等離子體的電位差為值），則靶電極相對于等離子體的電位差為Vc-Vp。|Vc-Vp|幅值要遠大于幅值要遠大于| -Vp|。因此，這一較大的電位差使靶電極實際上處在一個負偏壓之下，它因此，這一較大的電位差使靶電極實際上處在一個負

29、偏壓之下，它驅(qū)使等離子體在加速后撞擊靶電極，從而對靶材形成持續(xù)的濺射。驅(qū)使等離子體在加速后撞擊靶電極，從而對靶材形成持續(xù)的濺射。工作頻率50Hz或60Hz叫工頻, 在它以下的叫低頻;60Hz至20kHz叫中頻;20kHz以上叫高頻。 （3）濺射條件：）濺射條件： 工作氣壓工作氣壓1.0Pa，濺射電壓，濺射電壓1000V，靶電流密度，靶電流密度1.0mA/cm2,薄膜沉積速率低于薄膜沉積速率低于0.5m/min。（）射頻濺射法的特點（）射頻濺射法的特點a、能夠、能夠產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，達到對靶材的轟擊濺射，并沉，達到對靶材的轟擊濺射，并沉積在襯底上；積在襯底上；b、自發(fā)產(chǎn)生負偏壓的過程

30、與所用、自發(fā)產(chǎn)生負偏壓的過程與所用靶材是否是導(dǎo)體無關(guān)靶材是否是導(dǎo)體無關(guān)。但是，在靶材是金屬導(dǎo)體的情況下，電源須經(jīng)電容耦合至靶但是，在靶材是金屬導(dǎo)體的情況下，電源須經(jīng)電容耦合至靶材，以隔絕電荷流通的路徑，從而形成自偏壓；材，以隔絕電荷流通的路徑，從而形成自偏壓；c、與直流濺射時的情況相比，射頻濺射法由于可以將能、與直流濺射時的情況相比，射頻濺射法由于可以將能量直接耦合給等離子體中的電子，因而其量直接耦合給等離子體中的電子，因而其工作氣壓和對應(yīng)的工作氣壓和對應(yīng)的靶電壓較低靶電壓較低。相對于蒸發(fā)沉積來說，一般的濺射沉積方法具有的兩個缺點：a、沉積速率較蒸發(fā)法低；b、所需工作氣壓較高，否則電子的平均自

31、由程太長，放電現(xiàn)象不易維持。從而導(dǎo)致薄膜被污染的可能性較高。磁控濺射法則因為磁控濺射法則因為其沉積速率較高（比其他濺射法高出一個數(shù)量級），工作其沉積速率較高（比其他濺射法高出一個數(shù)量級），工作氣體壓力較低而具有獨特的優(yōu)越性。氣體壓力較低而具有獨特的優(yōu)越性。 磁控濺射磁控濺射磁控濺射設(shè)備磁控濺射儀（型號JGP-560） 磁控濺射裝置示意圖實驗樣品（1）磁控濺射的基本原理）磁控濺射的基本原理 當(dāng)電子在正交電磁場中運動時，由于受到洛侖茲力的影響，當(dāng)電子在正交電磁場中運動時，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運動將由直線運動變成擺線運動，如圖所示。電子電子的運動將由直線運動變成擺線運動，如圖所示。電子將可

32、以被約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運將可以被約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運動軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過程的幾率。這動軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過程的幾率。這樣，既可以降低濺射過程的氣體壓力，也可以顯著提高濺樣，既可以降低濺射過程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效率和沉積速率。射效率和沉積速率。磁控濺射原理 電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛倫茲力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛

33、，遠離靶材，最終沉積在基片上。磁控濺射原理 Ar離子在磁場的作用下加速撞擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。磁控濺射特點 電子運動路徑變長，與Ar原子碰撞幾率增加，提高濺射效率。 電子只有在其能量將耗盡時才會落得基片上，基片溫度上升慢。影響濺射效率的因素 磁場分布 工作氣壓 工作電壓 濺射功率 靶基距 磁控濺射的分類磁控濺射的分類 射頻（RF）磁控濺射 直流（DC）磁控濺射（2）磁控濺射）磁控濺射設(shè)備設(shè)備 根據(jù)靶材形根據(jù)靶材形狀不同，磁狀不同，磁控濺射可以控濺射可以有許多形式，有許多形式，常用的主要常用的主要有：平面磁有：平面磁控靶、圓柱控靶、圓柱磁控靶。磁

34、控靶。 a、平面磁控靶、平面磁控靶b、圓柱磁控靶、圓柱磁控靶 這里用的是電磁線圈，這里用的是電磁線圈，書中用的是永磁鐵來提供磁場。書中用的是永磁鐵來提供磁場。 （）磁控濺射的特點（）磁控濺射的特點a、工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；、工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；b、維持放電所需的靶電壓低；、維持放電所需的靶電壓低；c、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；、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；d、容易實現(xiàn)在、容易實現(xiàn)在塑料塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。等襯底上的薄膜低溫沉積。缺點：缺點：a、對靶材的濺射不均勻；、對靶材

35、的濺射不均勻；b、不適合鐵磁材料的濺射不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁，如果鐵磁材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無磁力線通過；材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無磁力線通過；（）磁控濺射法的改進（）磁控濺射法的改進保持適度的離子對襯底的轟擊效應(yīng)，保持適度的離子對襯底的轟擊效應(yīng)，以提高薄膜的質(zhì)量：附著力、致密度等。以提高薄膜的質(zhì)量：附著力、致密度等。 a、采用非平衡磁控濺射法，有意識、采用非平衡磁控濺射法，有意識地增大（或減?。┌兄行牡拇朋w體積，造成地增大（或減?。┌兄行牡拇朋w體積，造成部分磁力線發(fā)散至距靶較遠的襯底附近，這部分磁力線發(fā)散至距靶較遠的襯底附近，這時等離子體的作用擴展到了襯底附近，而部時等離子

36、體的作用擴展到了襯底附近，而部分電子被加速射向襯底，同時在此過程中造分電子被加速射向襯底，同時在此過程中造成氣體分子電離和部分離子轟擊襯底，成氣體分子電離和部分離子轟擊襯底，如圖如圖3.23所示。所示。b、為進一步提高離子的轟擊效果，、為進一步提高離子的轟擊效果，還可以在襯底上有意地施加各種偏壓。對襯底施加偏壓時的磁控濺射法又叫還可以在襯底上有意地施加各種偏壓。對襯底施加偏壓時的磁控濺射法又叫磁控濺射離子鍍磁控濺射離子鍍。引言 為何要使用離子束濺射 濺射系統(tǒng)的一個主要缺點就是工作壓強較高，由此導(dǎo)致濺射膜中有氣體分子的進入。而離子束濺射，除具有工作壓強低，減小氣體進入薄膜，濺射粒子輸送過程中較少受到散射等優(yōu)點外，還可以讓基片遠離離子發(fā)生過程。 離子束濺射的靶和基片與加速極不相干，因此，通常在傳統(tǒng)濺射沉積中由于離子碰撞引起的損傷會降到極小。并且在外延生長薄膜領(lǐng)域，離子束濺射沉積變得非常有用。因為在高真空環(huán)境下，離子束濺射出來的凝聚粒子具有超過10eV的動能。即使在低基片溫度下，也會得到較高的表面擴散率，對外延生長十分有利。4 離子束濺射離子束濺射（1）離子束濺射薄膜沉積裝置示意圖）離子束