膜的物理氣相沉積(Ⅱ)- 濺射法

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(chǎng)的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體靶物質(zhì)，從靶材外表被濺射出來(lái)的原子以一定的動(dòng)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 反響濺射偏壓濺射 第四章 薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射鍍膜的特點(diǎn)1對(duì)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的物質(zhì)，作為 陰極，相對(duì)陽(yáng)極加數(shù)千伏電壓， 在真空

2、室內(nèi)充入Ar氣，在電極間形成輝光放電。輝光放電過(guò)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、輝光放電的物理根底等離子體 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)生在襯底外表的氣體反響所需要的大 局部能量 2、通過(guò)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(guò)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(chǎng)加速，穿過(guò)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(jí)時(shí)，以發(fā)射光或聲子的形式將能量釋放出來(lái)。 不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色

3、。 4.1 輝光放電和等離子體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CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine (neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 輝光放電和等離子

4、體直流電源E, 提供電壓V和電流I那么 V = E - IR。1、輝光放電過(guò)程包括初始階段AB：I=0 無(wú)光放電區(qū)湯生放電區(qū)BC：I迅速增大過(guò)渡區(qū)CD：離子開(kāi)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ABCDEFG 2、輝光放電區(qū)域的劃分陰極輝光； 陰極暗區(qū)； 負(fù)輝光區(qū)；法拉第暗區(qū)；陽(yáng)極柱；陽(yáng)極暗區(qū)；陽(yáng)極輝光暗區(qū)是離子和電子從電場(chǎng)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

5、.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象離子轟擊固體外表可能發(fā)生一系列的物理過(guò)程，每種過(guò)程的相對(duì)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(lái)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(guò)一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)外表濺射出離子，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)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(lái)濺射，由圖

6、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(duì)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)成分與靶材根本一致。自動(dòng)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

7、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(yáng)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(kāi)始，正離子打擊靶面，靶材外表的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來(lái)，被電場(chǎng)加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)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，從而使輝光放電到達(dá)自持。一、直流濺射裝置及特性氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽(yáng)極距離太短，二次電子到達(dá)陽(yáng)極

8、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(huì)因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會(huì)產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來(lái)的靶材原子在飛向襯底的過(guò)程中將會(huì)受到過(guò)多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。直流濺射假設(shè)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。假設(shè)是導(dǎo)電性差的靶材，在離子轟擊過(guò)程中，正電荷便會(huì)積累在靶材外表。三極濺射在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。陽(yáng)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

9、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，以防止不希望的射頻電壓在襯底外表出現(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(shì)加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場(chǎng)作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電到達(dá)自持，陰極濺射的二次電子不再重要。由于電子比離子具有較高的遷移率，相對(duì)于負(fù)半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達(dá)絕緣靶外表，而靶變成負(fù)的自偏壓。它將在外表附近排斥電子，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(guò)程與靶材

10、是絕緣體和金屬無(wú)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)際解決的方法將樣品臺(tái)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、磁控濺射裝置及特性磁場(chǎng)的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)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(chǎng)中電子的電離效率提高 2、在較低氣壓下0.

11、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、反響濺射裝置及特性 在存在反響氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反響氣體反響形成化合物，這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為反響濺射。 利用化合物直接作為靶材濺射生長(zhǎng)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(huì)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、反響濺射裝置及特性四、反響濺射裝置及特性四、反響濺射裝置及特性 采用純金屬作為靶材，通入不同的反響氣體，沉積不同的薄膜。如：氧化物：ZnO，Al2

12、O3，SiO2， In2O3，SnO2等(反響氣體O2碳化物：SiC， WC，TiC等(反響氣體CH4氮化物：BN，F(xiàn)eN TiN，AlN，Si3N4等(反響氣體N2硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反響氣體H2S化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7五、偏壓濺射裝置及特性 偏壓濺射是在一般濺射的根底上，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)，到達(dá)改善薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。如下圖，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(guò)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(guò)程3. 列出并解釋濺射過(guò)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)