第三章薄膜的物理氣相沉積-濺射法課件

第3章

薄膜物理氣相沉積-濺射法及其他PVD方法第3章薄膜物理氣相沉積主要內(nèi)容氣體的放電現(xiàn)象與等離子體物質(zhì)的濺射效應(yīng)和濺射產(chǎn)額各種各樣的濺射技術(shù)其他物理氣相沉積方法主要內(nèi)容氣體的放電現(xiàn)象與等離子體物理氣相沉積濺射法(Sputtering)與蒸發(fā)法(Evaporation)一樣,是一種重要的薄膜PVD

制備方法物理氣相沉積濺射法(Sputtering)與蒸發(fā)法(Ev概述

濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的物質(zhì)做成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子碰撞過程中將后者濺射出來。這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積。由濺射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到離子濺射在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用，期間經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程。1853年，法拉第在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積現(xiàn)象；1902年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物；概述濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速20世紀(jì)30年代，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制備薄膜；60年代初，Bell實(shí)驗(yàn)室和WesternElectric公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用；1963年已經(jīng)制作出全長約10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置；1965年IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜稱為可能；1974年，J.Chapin使高速、低溫濺射鍍膜稱為現(xiàn)實(shí)，并發(fā)表了關(guān)于平面磁控濺射裝置的文章。由于這種濺射裝置的日臻完善和普及，使得濺射鍍膜能以嶄新的面貌出現(xiàn)在技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域。概述20世紀(jì)30年代，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制備薄膜；概與傳統(tǒng)的真空蒸鍍相比，濺射鍍膜具有許多優(yōu)點(diǎn)。如：膜層和基體的附著力強(qiáng)；可以方便的制取高熔點(diǎn)物質(zhì)的薄膜；在大面積連續(xù)基板上可以制取均勻的膜層；容易控制膜的成分，可以制取各種不同成分和配比的合金膜；可以進(jìn)行反應(yīng)濺射、制取多種化合物膜，可以方便的鍍多層膜；便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作等。概述與傳統(tǒng)的真空蒸鍍相比，濺射鍍膜具有許多優(yōu)點(diǎn)。如：概述3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體直流電場作用下物質(zhì)的濺射：對系統(tǒng)抽真空后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，如Ar。在正負(fù)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。電離過程使Ar原子電離為Ar+和可以獨(dú)立運(yùn)動的電子，其中的電子會加速飛向陽極，而Ar+則在電場的作用下加速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出相應(yīng)的能量。離子高速撞擊靶材的結(jié)果之一是使大量的靶材表面原子獲得相當(dāng)高的能量，使其可能脫離靶材的束縛而飛向襯底。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體直流電場作用下物質(zhì)的濺射：第三章薄膜的物理氣相沉積-濺射法ppt課件濺射鍍膜的原理及特點(diǎn)靶面原子的濺射濺射原子向基片的遷移濺射原子在基片沉積靶基片濺射原子正離子濺射鍍膜也是由三個(gè)階段組成。濺射鍍膜的原理及特點(diǎn)靶面原子的濺射濺射原子向基片的遷移濺射原真空室電極高真空泵等離子體RF發(fā)生器匹配部件真空室電極高真空泵等離子體RF發(fā)生器匹配部件氣體放電是濺射過程的基礎(chǔ)，所以首先討論一下氣體的放電過程。氣體的直流放電是在真空度為10~1pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體一、氣體放電現(xiàn)象描述氣體放電是濺射過程的基礎(chǔ)，所以首先討論一下氣體的放電過在陰陽兩極間，由電動勢為E的直流電源提供靶電壓V和靶電流I，并以電阻R作為限流電阻

將真空容器抽真空，到達(dá)10~1pa時(shí)的某一壓力時(shí)，接通相距為d

的兩個(gè)電極間的電源，使電壓逐漸上升。當(dāng)電壓較低時(shí)，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娏?。隨著電壓增加，當(dāng)加速電子能量大到一定值之后，與中性氣體原子（分子）碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級數(shù)迅速增加，形成電子的繁衍過程，也稱為雪崩式放電過程，但此時(shí)的放電屬于非自持放電過程，其特點(diǎn)是，若將原始電離源除去，放電立即停止。若將電離源去掉放電仍能維持，則稱為自持放電過程。在陰陽兩極間，由電動勢為E的直流電源提供靶電壓V和靶電流

為維持放電進(jìn)行，下述兩個(gè)過程必不可少1）、電子的繁衍，開始由陰極表面發(fā)射出一個(gè)電子（初始電子），該電子在電極間電壓的作用下，向陽極運(yùn)動。當(dāng)電子能量超過一定值后，使氣體原子發(fā)生碰撞電離，后者被電離為一個(gè)離子和一個(gè)電子。這樣，一個(gè)電子就變?yōu)閮蓚€(gè)電子，重復(fù)這一過程，即實(shí)現(xiàn)電子的所謂繁衍。2）、二次電子發(fā)射過程：離子在陰極電位降的作用下，轟擊陰極表面，產(chǎn)生二次電子。為維持放電進(jìn)行，下述兩個(gè)過程必不可少

氣體放電時(shí)兩電極間的電壓和電流關(guān)系不滿足歐姆定律，其伏安特性曲線如圖放電曲線分為：湯生放電段（氣體分子開始出現(xiàn)電離）輝光放電段（產(chǎn)生大面積輝光等離子體）弧光放電段（產(chǎn)生高密度弧光等離子體）氣體放電時(shí)兩電極間的電壓和電流關(guān)系不滿足歐由于在放電容器中充有少量氣體，因而始終有一部分氣體分子以游離狀態(tài)存在著。當(dāng)兩電極上加直流電壓時(shí)，這些少量的正離子和電子將在電場下運(yùn)動，形成電流。曲線的開始階段。由于氣體分子在這種情況下的自然游離數(shù)是恒定的，所以，當(dāng)正離子和電子一產(chǎn)生，便被電極拉過去。即使再升高電壓，到達(dá)電極的電子與離子數(shù)目不變。此時(shí)的電流密度很小，一股情況下僅有10-16—10-11安培左右。此區(qū)是導(dǎo)電而不發(fā)光，所以稱為無光放電區(qū)。

1、無光放電

由于在放電容器中充有少量氣體，因而始終有一部分氣體分2、湯生放電

隨著電壓逐漸升高，電離粒子的運(yùn)動速度也隨之加快，即電流隨電壓上升而增加。當(dāng)這部分電離粒子的速度達(dá)到飽和時(shí)，電流不再隨電壓升高而增加。此時(shí)，電流達(dá)到了一個(gè)飽和值，曲線中第一個(gè)垂直段(AB段)。

當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來，在碰撞趨于頻繁的同時(shí)，外電路轉(zhuǎn)移給電子與離子的能量也在逐漸增加。2、湯生放電隨著電壓逐漸升高此時(shí)，一方面離子對陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射，而電子能量也增加到足夠高的水平，它們與氣體分子的碰撞開始導(dǎo)致后者發(fā)生電離。這些均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過程使得離子和電子的數(shù)目迅速增加。這時(shí)，隨著放電電流的迅速增加，電壓的變化卻不大?！獪烹娚鲜鰞煞N情況的放電，都以有自然電離源為前提，如果沒有游離的電子和正離子存在，則放電不會發(fā)生。因此，這種放電方式又稱為非自持放電。此時(shí)，一方面離子對陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射

在湯生放電階段的后期，放電開始進(jìn)入電暈放電階段。這時(shí)，在電場強(qiáng)度較高的電極尖端部位開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。——電暈放電在湯生放電階段之后，氣體會突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象（雪崩點(diǎn)火）；氣體開始具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，我們將這種具備了一定的導(dǎo)電能力的氣體稱為等離子體。3、正常輝光放電

“雪崩點(diǎn)火”后，離子轟擊陰極，釋放出二次電子，二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生出新的更多的二次電子。在湯生放電階段的后期，放電開始進(jìn)入電暈放電階一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達(dá)到自持，氣體開始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)負(fù)阻特性。曲線CD區(qū)域叫做過渡區(qū)。在D點(diǎn)以后，放電區(qū)由原來只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整個(gè)電極表面擴(kuò)展。在這一階段，電流與電壓無關(guān)，而只與陰極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。且氣體中導(dǎo)電粒子的數(shù)目大量增加，粒子碰撞過程伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會發(fā)出明顯的輝光。維持輝光放電的電壓較低，且不變。從D到E之間區(qū)域叫做“正常輝光放電區(qū)”。一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達(dá)到自持，在正常輝光放電時(shí)．放電自動調(diào)整陰極轟擊面積；最初，轟擊是不均勻的，轟擊集中在靠近陰極邊緣處，或在表面其他不規(guī)則處。隨著電源功率的增大．轟擊區(qū)逐漸擴(kuò)大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹埂?/p>

正常輝光放電時(shí)的電流密度仍比較小，所以在濺射等方面均是選擇在非正常輝光放電區(qū)工作。4、異常輝光放電

E點(diǎn)以后，當(dāng)離子轟擊覆蓋整個(gè)陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率，會使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度同時(shí)增大，即兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，EF這一區(qū)域稱“異常輝光放電區(qū)”。在正常輝光放電時(shí)．放電自動調(diào)整陰極轟擊面積；最初，轟

異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的放電形式，因?yàn)樗梢蕴峁┟娣e較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實(shí)現(xiàn)大面積的均勻?yàn)R射和薄膜沉積。因?yàn)榇藭r(shí)輝光已布滿整個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無法向四周擴(kuò)散，這樣，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短．此時(shí)若要想提高電流密度，則必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極．使陰極產(chǎn)生更多的二次電子才行。異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法在F點(diǎn)以后，整個(gè)特性都改變了，兩極間電壓將會再次突然大幅度下降，降至很小的數(shù)值，而電流強(qiáng)度則會伴隨有劇烈的增加，其大小幾乎是由外電阻的大小來決定，而且電流越大，極間電壓越小，F(xiàn)G區(qū)域稱為“弧光放電區(qū)”。此時(shí)，相當(dāng)于極間短路。且放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過大而可能將陰極燒毀。同時(shí)，驟然增大的電流有損壞電源的危險(xiǎn)。5、弧光放電

在F點(diǎn)以后，整個(gè)特性都改變了，兩極間電壓將會此時(shí)，等離子體的分布區(qū)域發(fā)生急劇的收縮，陰極表面開始出現(xiàn)很多小的(直徑約10μm)、孤立的電弧放電斑點(diǎn)。在陰極斑點(diǎn)內(nèi)，電流的密度可以達(dá)到108A／cm2的數(shù)量級。在弧光放電過程中、陰極斑點(diǎn)會產(chǎn)生大量的焦耳熱，并引起陰極表面局部溫度大幅度地升高。這不僅會導(dǎo)致陰極熱電子發(fā)射能力的大幅度提高，而且還會導(dǎo)致陰極物質(zhì)自身的熱蒸發(fā)。與此相比，在陽極表面上，電流的分布并不象在陰極表面上那樣集中。但即使如此，冷卻不足也會造成放電斑點(diǎn)處溫度過高和電極材料的蒸發(fā)。此時(shí)，等離子體的分布區(qū)域發(fā)生急劇的收縮，陰極

在實(shí)際的氣體放電中，伏安特性決定于許多因素。如氣體的種類和壓力、電極材料和形狀尺寸、電極表面狀態(tài)、放電回路中的電源、電壓、功率和限流電阻的大小等。在濺射鍍膜、離子鍍等與氣體放電有關(guān)的裝置設(shè)計(jì)、調(diào)試以及運(yùn)行過程中，也都要考慮這些因素。

弧光放電在氣相沉積中的應(yīng)用，仍在進(jìn)一步研究之中。電弧蒸發(fā)方法即利用了弧光放電過程中物質(zhì)的蒸發(fā)現(xiàn)象。但此時(shí)，維持電極持續(xù)放電過程的不是其他種類的氣體，而是被蒸發(fā)物質(zhì)自身的蒸氣。陰極物質(zhì)和陽極物質(zhì)蒸發(fā)所維持的電弧分別稱為陰極弧和陽極弧，它們都可以作為蒸發(fā)源而被用于薄膜材料的制備。在實(shí)際的氣體放電中，伏安特性決定于許多因3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體

氣體的放電類型：?Townsend放電：氣體擊穿的初期，放電電壓比較高，且隨輸入功率的增加變化很??；放電電流隨輸入功率的增加而增加，但比較?。?正常輝光放電：當(dāng)放電達(dá)到一定值以后，足夠多的電子和離子使得放電可以自持，氣體放電轉(zhuǎn)化為正常輝光放電，此時(shí)的氣體電導(dǎo)率比較大，極板間電壓下降；?反常輝光放電：當(dāng)電離度達(dá)到比較高以后，電流隨功率增加變緩，但電壓迅速增加；?弧光放電：進(jìn)一步增加功率導(dǎo)致電弧出現(xiàn)，從而放電轉(zhuǎn)化為弧光放電，氣體電導(dǎo)率再次增加，極板間電壓再次下降；3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體氣體的放電類型：3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體二、輝光放電現(xiàn)象及等離子體鞘層氣體發(fā)生輝光放電，意味著部分氣體分子開始分解為可以導(dǎo)電的離子與電子，即形成了等離子體。

等離子體（Plasma）是指由自由電子、帶電離子以及中性原子和原子團(tuán)為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，對外表現(xiàn)為中性態(tài)。它廣泛存在于宇宙中，常被視為物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體最大的特點(diǎn)是具有很高的電導(dǎo)率。氣體輝光放電形成等離子體之后，放電過程就進(jìn)入了可以自持（自我維持）的階段，氣體中的荷電粒子，也就是帶電荷的粒子，在吸收了一定的電場能量之后，已經(jīng)可以不斷地復(fù)制出新的電子和離子。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體二、輝光放電現(xiàn)象及等離子體鞘層第三章薄膜的物理氣相沉積-濺射法ppt課件3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體放電的自持階段：原先由于輝光放電形成的等離子體當(dāng)中的荷電粒子，開始不斷地轟擊氣體分子，產(chǎn)生新的電子和離子；這些新的電子和離子產(chǎn)生之后，又去不斷地轟擊氣體分子，又產(chǎn)生新的電子和離子；這些新的電子和離子產(chǎn)生之后......于是新和更新的電子和離子就這樣源源不斷地產(chǎn)生出來。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體放電的自持階段：3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體“帕邢（Paschen）曲線”－－前面講到氣體在正常輝光放電階段發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，這個(gè)放電擊穿是有條件的，條件就是要有一定的電壓。這個(gè)電壓跟氣體的壓力有關(guān)。帕邢曲線就是表征均勻電場氣體間隙擊穿電壓、間隙距離和氣壓間關(guān)系的定律。氣體的壓力過低或者電極間距離過小時(shí)，電子很容易跨越電極間的空間，而沒有發(fā)生與氣體之間的碰撞；壓力過高時(shí)，電子與氣體分子的碰撞又過于頻繁，此時(shí)電子獲得的能量較低，不足以引起氣體分子電離3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體“帕邢（Paschen）曲線”3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體相對于弧光放電來講，輝光放電等離子體中電離粒子的密度以及粒子的平均能量較低，而放電的電壓較高。此時(shí)，質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團(tuán)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于質(zhì)量極小的電子的能量。因?yàn)橘|(zhì)量極小的電子極易在電場中加速獲得能量。

不同粒子還具有極為不同的平均速度。電子與離子具有不同的速度的一個(gè)直接結(jié)果是形成所謂的等離子體鞘層，即相對于等離子體來講，任何位于等離子體中或其附近的物體都將自動的處于一個(gè)負(fù)電位，并且在其表面外將伴隨有正電荷的積累。電子：9.5105m/s；Ar離子：約5102

m/s3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體相對于弧光放電來在等離子體中置入處于浮動電位為Vf的表面時(shí)，單位時(shí)間入射到該表面的電子數(shù)和離子數(shù)分別為nivi/4和neve/4

，因?yàn)門e>>Ti

即ve>>vi

，所以neve>>nivi，所以物體表面會因過剩的電子而很快帶負(fù)電。即任何位于等離子體中或附近的物體都將自動地處于一個(gè)負(fù)電位，電位的建立將排斥電子并吸引離子，從而使得到達(dá)表面的電子數(shù)目減少，離子數(shù)目增加。直到達(dá)到物體表面的電子數(shù)與離子數(shù)相等時(shí)，物體表面的電位才達(dá)到平衡。與此同時(shí)，該表面對于離子和電子的吸引和排斥作用還會在表面外形成一個(gè)充斥了正離子的等離子體鞘層。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體在等離子體中置入處于浮動電位為Vf的表面時(shí)，單位3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體假設(shè)在等離子體中，電子的速度服從麥克斯韋分布，則可以求出上述等離子體鞘層電位為：上式表明，鞘層電位正比與電子溫度且與離子和電子的質(zhì)量有關(guān)。

在薄膜制備的情況下，鞘層電位的存在意味著任何跨越鞘層而到達(dá)襯底的離子均將受到鞘層電位的加速作用，而獲得一定的能量，并對薄膜表面產(chǎn)生轟擊效應(yīng)；電子則會受到鞘層電位的排斥作用，因而只有一些能量較高的電子才能克服鞘層電位的阻礙，轟擊薄膜表面。鞘層寬度大約為：可見鞘層寬度大致與電子密度的1/2次方、Te的1/4次方成反比，說明越稀薄的等離子體鞘層寬度越大。~100μm3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體假設(shè)在等離子體中，電子3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體陽極接地處于零電位，陽極鞘層電位變化不大，近似等于△Vp，陰極鞘層電位則由于外加電壓的疊加而顯著增加。在等離子體內(nèi)部，沒有靜電荷的積累，而其導(dǎo)電能力較高，因此其電位近似為恒定值，并且高于陰陽兩極各自的電位。這表明，兩極間的全部電壓降幾乎均集中在陰極鞘層中。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體陽極接地處于零電位，陽極鞘層電3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體在輝光放電時(shí)，電極之間有明顯的放電輝光產(chǎn)生，典型的放電區(qū)域劃分如圖：3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體在輝光放電時(shí)，電極之3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體陰極輝光區(qū)是由向陰極運(yùn)動的正離子與陽極發(fā)射出的二次電子發(fā)生復(fù)合所產(chǎn)生的，陰極暗區(qū)是二次電子和離子的主要加速區(qū)，這個(gè)區(qū)域的電壓降占了整個(gè)放電電壓的絕大部分。因此可以近似認(rèn)為，僅僅在陰極暗區(qū)對應(yīng)的陰極鞘層中才有電位梯度存在，其形成的電壓降約等于靶電壓。所以，陽極所處的位置雖會影響氣體擊穿電壓，但對放電后的靶電壓影響不大，即陽極位置具有很大的自由度。

負(fù)輝光區(qū)是輝光最強(qiáng)的區(qū)域，它是已獲加速的電子與氣體分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生電離的區(qū)域，其中的電位梯度接近于零。一般的講，與陽極共同接地的襯底常放在距陰極較近的地方，以提高薄膜的沉積速度。這時(shí)，襯底實(shí)際上已被浸沒在負(fù)輝光區(qū)中，法拉第暗區(qū)等放電區(qū)域也就不會出現(xiàn)了。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體陰極輝光區(qū)是由向產(chǎn)生等離子體的其它方法：?交流放電：低頻放電、中頻放電、射頻放電；?脈沖放電：恒流、恒壓；?微波放電：微波及電子回旋共振(ECR)；?射頻感應(yīng)耦合等離子體；?介質(zhì)阻擋放電等離子體；?大氣壓放電等離子體；?………3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體產(chǎn)生等離子體的其它方法：3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體三、輝光放電過程中電子的碰撞在輝光放電等離子體中，電子的速度、能量遠(yuǎn)高于離子的速度和能量。因此，電子不僅是等離子體導(dǎo)電過程中的主要載流子，而且在粒子相互碰撞、電離的過程中也起著極為重要的作用。等離子體中高速運(yùn)動等電子與其它粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機(jī)制。電子與其它粒子的碰撞有兩類。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體三、輝光放電過程中電子的碰撞3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體彈性碰撞：在兩個(gè)粒子的彈性碰撞過程中，運(yùn)動著的能量為E1的粒子1將把部分動能轉(zhuǎn)移給靜止著的粒子2，碰撞后粒子2的能量E2滿足如下關(guān)系：對于輝光放電等離子體中的碰撞電離過程來講，相當(dāng)于高速運(yùn)動中的電子與低速運(yùn)動中的原子、分子或離子的碰撞：這時(shí)，由于從M1<<M2，因而每次碰撞中發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移是極小的。只有在經(jīng)過很多次的碰撞之后，重粒子的能量才會有顯著的增加；這是造成輝光放電等離子體中重粒子能量遠(yuǎn)小于電子能量的又一個(gè)原因。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體彈性碰撞：在兩個(gè)粒子的彈性碰撞3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體非彈性碰撞：碰撞過程中有部分電子的動能轉(zhuǎn)化為粒子2的內(nèi)能增加，其最大值為：非彈性碰撞可以使電子將大部分能量轉(zhuǎn)移給其它質(zhì)量較大的粒子，如離子或原子，引起其激發(fā)或電離。電子與其它粒子的非彈性碰撞過程是維持自持放電過程的主要機(jī)制。

在電子能量低于ZeV時(shí)，電子與其他粒子的碰撞多為彈性碰撞。當(dāng)電子能量較高時(shí)，則發(fā)生非彈性碰撞的幾率迅速增加。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體非彈性碰撞：碰撞過程中有部分電3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體在非彈性碰撞時(shí)可能發(fā)生許多不同的過程，其中比較有代表性的是以下幾種：（1）電離過程：（2）激發(fā)過程發(fā)生在電子能量比較高的時(shí)候，它導(dǎo)致電子的數(shù)目增加，從而使得放電過程繼續(xù)。（3）分解反應(yīng)分子被分解成兩個(gè)反應(yīng)基團(tuán)。3.1氣體放電現(xiàn)象與等離子體在非彈性碰撞時(shí)可能發(fā)生3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象等離子體鞘層電位的建立使得到達(dá)電極的離子均要經(jīng)過相應(yīng)的加速而獲得相應(yīng)的能量。其中，陰極鞘層電位占了電極間外加電壓的大部分。因此，轟擊陰極的離子具有很高的能量，并使得陰極物質(zhì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象等離子體鞘層電位的建3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象上述每種物理過程的相對重要性取決于入射離子的種類與能量。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象上述每種物理過程的相對重要性取決于3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象一、濺射產(chǎn)額

濺射是一個(gè)在離子與物質(zhì)表面原子碰撞過程中發(fā)生能量與動量轉(zhuǎn)移、最終將物質(zhì)表面原子激發(fā)出來的復(fù)雜過程。靶材釋放出的各種粒子中，主要是濺射出來的單個(gè)原子，也可能有很少量的原子團(tuán)或化合物的分子，離子所占的比例較小，一般只有1%~10%。濺射產(chǎn)額是被濺射出來的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，它是衡量濺射過程效率的一個(gè)參數(shù)。（1）入射粒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，只有當(dāng)入射離子的能量超過一定的閾值以后，才會出現(xiàn)被濺射物質(zhì)表面原子的濺射。濺射產(chǎn)額=被濺射出來的原子數(shù)入射離子數(shù)3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象一、濺射產(chǎn)額（1）入射粒子能量3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象每種物質(zhì)的濺射閾值與入射離子種類關(guān)系不大，但與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定的比例關(guān)系。大部分金屬的濺射閾值在10～40eV之間，約為其升華所需能量的幾倍。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象每種物質(zhì)的濺射閾值與入射離子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(dá)到10kev左右的時(shí)候趨于平緩。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時(shí)，濺射產(chǎn)額反而下降。當(dāng)入射離子的能量達(dá)到100keV左右時(shí)，入射離子將進(jìn)入被轟擊的物質(zhì)內(nèi)部，即發(fā)生了離子注入現(xiàn)象。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象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3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（2）入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類濺射產(chǎn)額隨入射原子序數(shù)的增加而周期性增加；重離子的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子。從經(jīng)濟(jì)考慮一般采用Ar離子。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（2）入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（3）離子入射角對濺射產(chǎn)額的影響入射方向與樣品法向的夾角為60o~70o時(shí)，濺射產(chǎn)額最大；3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（3）離子入射角對濺射產(chǎn)額的影響3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象原子的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)欠余弦分布，即在表面法線方向上濺射的產(chǎn)額稍低3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象原子的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)欠余弦3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（4）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。但是，當(dāng)溫度達(dá)到一定水平之后，濺射產(chǎn)額會發(fā)生急劇的上升。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（4）靶材溫度對濺射產(chǎn)額的影響3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象二、合金的濺射和沉積濺射法與蒸發(fā)法在保持確定的化學(xué)成分方面具有巨大差別的原因可歸納為以下兩點(diǎn)：（1）與不同元素濺射產(chǎn)額間的差別相比，元素之間的平衡蒸汽壓方面的差別太大。例如，在1500K時(shí)，易于蒸發(fā)的硫?qū)僭氐恼魵鈮嚎梢员入y熔金屬的蒸氣壓高出10個(gè)數(shù)量級以上。而相比之下，它們在濺射產(chǎn)額方面的差別則要小得多。（2）在蒸發(fā)情況下，被蒸發(fā)物質(zhì)多處于熔融狀態(tài)。這時(shí)，源物質(zhì)本身將發(fā)生擴(kuò)散甚至對流，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的自發(fā)均勻化的傾向。在持續(xù)的蒸發(fā)過程中，這將造成被蒸發(fā)物質(zhì)的表面成分持續(xù)變動。相比之下，濺射過程中靶物質(zhì)的擴(kuò)散能力較弱。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象二、合金的濺射和沉積3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積的另一個(gè)特點(diǎn)是，在濺射沉積過程中，入射離子與靶材之間有很大能量的傳遞，因此，濺射出的原子將從濺射過程中獲得很大的動量，其數(shù)值一般可以達(dá)到5～20eV，而由蒸發(fā)法獲得的原子動能一般只有0.1eV。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積的另一個(gè)特點(diǎn)是3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象在濺射沉積中，高能量的原子對于襯底的撞擊一方面提高了原子自身在薄膜表面的擴(kuò)散能力，另一方面也會引起襯底溫度的升高。引起襯底溫度升高的能量有以下三個(gè)來源：（1）原子的凝聚能；（2）沉積原子的平均動能；（3）等離子體中的其它粒子，如電子、中性原子等的轟擊帶來的能量。與蒸發(fā)法相比，濺射沉積方法的主要特點(diǎn)包括：（1）沉積原子的能量較高，因此薄膜的組織更致密、附著力也可以得到顯著改善。（2）制備合金薄膜時(shí)，其成分的控制性能好。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象在濺射沉積中，高能量的3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（3）濺射的靶材可以是極難熔的材料。因此濺射法可以方便的用于高熔點(diǎn)物質(zhì)的濺射和薄膜的制備。（4）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。（5）由于被沉積的原子均攜帶有一定的能量，因而有助于改善薄膜對于復(fù)雜形狀表面的覆蓋能量，降低薄膜表面的粗糙度。3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象（3）濺射的靶材可以是極難熔的材料3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3.2物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3.3濺射沉積裝置濺射法使用的靶材可以根據(jù)材質(zhì)的不同分為純金屬、合金以及各種化合物等。一般來講，金屬與合金的靶材可以通過冶煉或者粉末冶金的方法制備，其純度和致密性都較好；化合物靶材則多采用粉末熱壓的辦法制備，其純度和致密性往往就遜于前者。主要濺射方法根據(jù)其特征，可以分為以下四種：（1）直流濺射；（2）射頻濺射；（3）磁控濺射；（4）反應(yīng)濺射。根據(jù)使用目的，不同濺射方法內(nèi)又可以有一些具體的差異。例如，在各種濺射方法中可以結(jié)合不同的施加偏壓的方法。另外，還可以將上述各種方法結(jié)合起來構(gòu)成某種新的方法，比如，將射頻技術(shù)與反應(yīng)濺射相結(jié)合，就構(gòu)成了射頻反應(yīng)濺射的方法。3.3濺射沉積裝置濺射法使用的靶材可以根3.3濺射沉積裝置1、直流濺射（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）3.3濺射沉積裝置1、直流濺射（只適用于靶材為良導(dǎo)體的3.3濺射沉積裝置直流濺射又叫陰極濺射或者二極濺射。典型的濺射條件為：工作氣壓10Pa，濺射電壓3000V，靶電流密度0.5mA/cm2，薄膜沉積速率低于0.1um/min。1、直流濺射3.3濺射沉積裝置直流濺射又叫陰極濺射或者二直流濺射常采用Ar為工作氣體。工作氣壓是很重要的一個(gè)參數(shù)，它對濺射速率以及薄膜的質(zhì)量都具有很大的影響。在相對較低的氣壓條件下，電子的自由程較長，電子在陽極上消失的幾率較大，通過碰撞過程引起氣體分子電離的幾率較低，同時(shí)，離子在陽極上濺射的同時(shí)發(fā)射出二次電子的幾率又由于氣壓較低而相對較小。這些均導(dǎo)致低壓條件下濺射的速率很低。在壓力低于1Pa時(shí)甚至不易維持自持放電。3.3濺射沉積裝置直流濺射常采用Ar為工作氣體。工作氣壓是很重要3.3濺射沉積裝置隨著氣體壓力的升高，電子的平均自由程減小，原子的電離幾率增加，濺射電流增加，濺射速率提高。但當(dāng)氣體壓力過高時(shí)，濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會受到很多的散射，部分濺射原子甚至?xí)簧⑸浠匕胁谋砻娉练e下來，因而其沉積到襯底上的幾率反而下降。也因此，隨著氣壓的變化，濺射法薄膜沉積的速率將會出現(xiàn)一個(gè)極大值。一般來講，沉積速率R與濺射功率W（等于濺射電流I與陰極電壓V的乘積）或?yàn)R射電流的平方成正比，與靶材和襯底之間的間距d成反比。3.3濺射沉積裝置隨著氣體壓力的升高，電子的3.3濺射沉積裝置3.3濺射沉積裝置3.3濺射沉積裝置直流濺射的設(shè)備較為簡單，但有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：不能獨(dú)立地控制各個(gè)工藝參量，包括陰極電壓、電流以及濺射氣壓。另外，直流濺射使用的氣體壓力也較高（10Pa左右），濺射速率較低，這不利于減小氣氛中的雜質(zhì)對薄膜的污染以及濺射效率的提高，因而目前直流濺射方法已較少采用。在直流二極濺射的基礎(chǔ)上增加一個(gè)發(fā)射電子的熱陰極和一個(gè)輔助陽極，即構(gòu)成了三極（或四極）濺射裝置。由于熱陰極發(fā)射電子的能力較強(qiáng)，因而放電氣壓可以維持在較低的水平上，這對于提高沉積速率、減少氣體雜質(zhì)污染等都是有利的。此時(shí)，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到獨(dú)立的調(diào)節(jié)。3.3濺射沉積裝置直流濺射的設(shè)備較為簡單，3.3濺射沉積裝置三極濺射系統(tǒng)典型的工作條件為：工作氣壓0.5Pa，濺射電壓1500V，靶電流密度2.0mA/cm2，薄膜沉積速率0.3um/min。缺點(diǎn)：難于獲得大面積且均勻的等離子體，且其提高薄膜沉積速率的能力有限。3.3濺射沉積裝置三極濺射系統(tǒng)典型的工作條件3.3濺射沉積裝置2、射頻濺射

使用直流濺射方法可以很方便地濺射沉積各類合金薄膜，但這一方法的前提之一是靶材應(yīng)具有較好的導(dǎo)電性。因?yàn)橐欢ǖ臑R射速率需要一定的工作電流，因此要用直流濺射方法濺射導(dǎo)電性較差的非金屬靶材，就需要大幅度地提高直流濺射電源的電壓，以彌補(bǔ)靶材導(dǎo)電性不足引起的電壓降。顯然，對于導(dǎo)電性很差的非金屬材料的濺射，我們需要一種新的濺射方法。當(dāng)靶材是絕緣體時(shí)，由于撞擊到靶上的離子不能導(dǎo)走，會使靶帶電，靶的電位會上升，結(jié)果離子不能繼續(xù)對靶進(jìn)行轟擊。3.3濺射沉積裝置2、射頻濺射使用直流濺射方二極射頻濺射是利用金屬、半導(dǎo)體靶材制取薄膜的有效方法，與直流濺射裝置類似，只是電源換成了射頻電源。二極射頻濺射是利用金屬、半導(dǎo)體靶材制取薄膜的有效方法3.3濺射沉積裝置射頻濺射

射頻濺射是適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。設(shè)想在直流二極濺射設(shè)備的兩電極之間接上交流電源時(shí)的情況。當(dāng)交流電源的頻率低于50kHz時(shí)，氣體放電的情況與直流時(shí)候的相比沒有什么根本的改變，氣體中的離子仍可及時(shí)到達(dá)陰極完成放電過程。唯一的差別只是在交流的每半個(gè)周期后陰極和陽極的電位互相調(diào)換。這種電位極性的不斷交替導(dǎo)致陰極濺射交替式地在兩個(gè)電極上發(fā)生。3.3濺射沉積裝置射頻濺射射頻濺射是3.3濺射沉積裝置當(dāng)頻率超過50kHz以后，放電過程開始出現(xiàn)以下兩個(gè)變化。第一，在兩極之間不斷振蕩運(yùn)動的電子將可從高頻電場中獲得足夠的能量并使得氣體分子電離，而由電極過程產(chǎn)生的二次電子對于維持放電的重要性相對下降。因此，射頻濺射可以在1Pa左右的低壓下進(jìn)行，沉積速率也因氣體分子散射少而較二極濺射時(shí)為高。第二，高頻電場可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進(jìn)入沉積室，而不必再要求電極一定要是導(dǎo)電體。因此，采用高頻電源將使濺射過程擺脫靶材導(dǎo)電性的限制。3.3濺射沉積裝置當(dāng)頻率超過50kHz以后，放3.3濺射沉積裝置使得射頻方法可以被用來產(chǎn)生濺射效應(yīng)的另一個(gè)原因是它可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場起作用的同時(shí)，靶材會自動地處于一個(gè)負(fù)電位下，這導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。要理解射頻電場對于靶材的自偏壓效應(yīng)，我們來看看下圖所示的射頻濺射裝置的示意圖。在圖中，射頻電壓通過匹配阻抗以及一個(gè)電容C被耦合到了靶材上,而接地的電極則包括了襯底、工件臺以及包圍著等離子體的整個(gè)真空室。

一般來說，濺射法使用的高頻電源的頻率已屬于射頻的范圍．其頻率區(qū)間一般為5~30MHz。國際通常采用的射頻頻率多為美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)建議的13.56MH。3.3濺射沉積裝置使得射頻方法可以被用來產(chǎn)生濺3.3濺射沉積裝置——非對稱的電極形式接地電極的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)電容耦合的靶電極的面積。3.3濺射沉積裝置——非對稱的電極形式接地3.3濺射沉積裝置下面我們分析一下這個(gè)電容耦合的電極在射頻電場發(fā)生周期性變化時(shí)的充放電行為。在第一個(gè)正半周中，電極為跟隨電源的電位變化將接受大量的電子，并使其本身帶負(fù)電。在緊接著的負(fù)半周中，它又將接受少量帶正電荷但運(yùn)動較慢的離子。由于該電極是經(jīng)電容與電源隔離的，因而經(jīng)過幾個(gè)周期之后，該電極上將帶有相當(dāng)量的負(fù)電荷而呈現(xiàn)負(fù)電位。這時(shí)，電極的負(fù)電位相對電子產(chǎn)生排斥作用，因而在以后電位不斷的周期變換過程中，電極所接受的正負(fù)電荷數(shù)目將趨于相等。3.3濺射沉積裝置下面我們分析一下這個(gè)電3.3濺射沉積裝置由于在射頻電場中電子的運(yùn)動速度比離子的速度高得多，因而對于一個(gè)被電容隔離，既可以作為陰極，又可以作為陽極的射頻電極來說，它在正半周期內(nèi)作為正電極接受的電子電量將比在負(fù)半周期內(nèi)作為負(fù)電極接受的離子電量多得多，或者說它吸引電子所需要的正電壓比吸引離子所需要的負(fù)電壓在絕對值上要低得多。這一較大的電位差使靶電極實(shí)際處于一個(gè)負(fù)偏壓之下，它驅(qū)使等離子體中的離子在加速后撞擊靶電極，從而對靶材形成持續(xù)的濺射。

3.3濺射沉積裝置由于在射頻電場中電3.3濺射沉積裝置顯然，上述電極自發(fā)產(chǎn)生負(fù)偏壓的過程與所用的靶材是否是導(dǎo)體或絕緣體無關(guān)。但是，在靶材是金屬的情況下，電源須經(jīng)電容C耦合至靶材，以隔絕電荷流通的路徑以形成自偏壓。另外，由于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。解決這一問題的辦法在于加大非濺射極的極面面積，從而降低該極的自偏壓鞘層電壓。3.3濺射沉積裝置顯然，上述電極自發(fā)產(chǎn)生負(fù)偏如果在射頻裝置中，將射頻靶與基片完全對稱配置，則兩電極的負(fù)電位相等，正離子轟擊靶和基片的能量和幾率相同，正離子以均等的幾率轟擊濺射靶和基片，即使濺射粒子附著在基片上，由于產(chǎn)生的反濺射也會被打落下來，這樣在基片表面上是不能沉積薄膜的。如果在射頻裝置中，將射頻靶與基片完全對稱配置，則兩電極的負(fù)電3.3濺射沉積裝置實(shí)際的做法常常是將樣品臺，真空室器壁與地電極并聯(lián)在一起，形成一個(gè)面積很大的電極。在這種情況下，我們可以將兩個(gè)電極及其中間的等離子體看做是兩個(gè)電容的串聯(lián)，其中靶電極與等離子體間的電容因靶面積小而較小，另一電極與等離子體間的電容因電極面積大而較大。這樣一來，由于鞘層電壓降V與電極面積A的二次方成反比，即Vc/Vd=(Ad/Ac)2

其中，角標(biāo)c和d分別表示電極是經(jīng)過電容C或是直接耦合至射頻電源。

c——表靶電極

d——表地電極3.3濺射沉積裝置實(shí)際的做法常常是將3.3濺射沉積裝置因此，面積較小的靶電極對等離子體擁有較高的負(fù)電位或自偏壓，而地電極對等離子體的自偏壓則很小，其最終效果即形成了一個(gè)處于較大的負(fù)電位的濺射極以及一個(gè)負(fù)電位較小的非濺射極。在電位變化的大部分時(shí)間里，速度較慢的離子會不斷入射到靶電極表面并產(chǎn)生濺射，而速度較快的電子只是在靶電位最高的瞬間里才到達(dá)電極表面。襯底及真空室壁（地電極）受到的偏壓作用很小，因此其對應(yīng)的離子轟擊和濺射效應(yīng)也較小，完全可以被忽略不計(jì)與直流濺射時(shí)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，因而其工作氣壓和對應(yīng)的靶電壓較低，其典型數(shù)值為1.0Pa和1000V，靶電流密度約為1.0mA/cm2，薄膜的沉積速率約為0.5um/min。3.3濺射沉積裝置因此，面積較小的靶電極射頻濺射(RFS)系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)和基片接地,射頻濺射頻率一般采用13.56MHz。將射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬電極上,在射頻電勢的作用下,在交變電場中振蕩的電子具有足夠高的能量,使得中性氣體分子電離、碰撞,從而放電自持。由于單純的射頻濺射是在2個(gè)電極之間添加射頻場,作為無序碰撞的結(jié)果,勢必有從兩極間逃逸的電子,這些電子將不會在射頻場中振蕩,從而不能得到足夠高的能量以使氣體電離,最終損失在輝光中,所以射頻放電效率不高。單純采用射頻濺射技術(shù)制備SiC薄膜過去有些這方面的報(bào)道,近年來已經(jīng)很少采用。3.3濺射沉積裝置射頻濺射(RFS)系統(tǒng)需要在電源與放電室間

特點(diǎn)：

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(gè)數(shù)量級；

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.濺射過程不需要次級電子來維持放電。

缺點(diǎn)：

當(dāng)離子能量高時(shí)，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(diǎn)：缺點(diǎn)：濺射沉積方法具有兩個(gè)缺點(diǎn)：第一，濺射方法沉積薄膜的沉積速度較低；第二，濺射所需的工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長，放電現(xiàn)象不易維持。這兩者的綜合效果是氣體分子對薄膜產(chǎn)生污染的可能性提高。因而，磁控濺射技術(shù)作為一種沉積速度較高、工作氣體壓力較低的濺射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。3、磁控濺射

3.3濺射沉積裝置磁控濺射中的磁場布置是為了對二次電子實(shí)施有效的控制。濺射沉積方法具有兩個(gè)缺點(diǎn)：第一，濺射方法沉積薄膜3.3濺射沉積裝置

磁控濺射是在直流濺射和射頻濺射的基礎(chǔ)上增加磁效應(yīng)裝置。3、磁控濺射

——沉積速率較高?！ぷ鳉鈮狠^低。3.3濺射沉積裝置磁控濺射是在直流濺射和射頻3.3濺射沉積裝置若E、v、B三者相互平行，則電子的軌跡仍是一條直線；若v具有與B垂直的分量的話，電子的運(yùn)動軌跡將是沿電場方向加速，同時(shí)繞磁場方向螺旋前進(jìn)的復(fù)雜曲線。即垂直E方向的磁力線可將電子約束在靶的表面：——延長電子在等離子體中的運(yùn)動軌跡；——提高它參與原子碰撞和電離過程的幾率；——提高了濺射效率，不引起基片溫升過高，實(shí)現(xiàn)了低溫和高速的濺射效果。3.3濺射沉積裝置若E、v、B三者相互平行，3.3濺射沉積裝置該系統(tǒng)可以描述為通過交叉電磁場增加電子在等離子體中漂移的路程,一般是在陰極靶內(nèi)裝上永磁鐵或電磁鐵,并使穿出靶陰極的磁力線的路徑與電場方向垂直,提供一個(gè)環(huán)形磁場,在陰極表面附近的磁力線形成一個(gè)封閉的環(huán)形曲線,以便約束帶電粒子運(yùn)動。這樣靶表面處的帶電粒子不但受到電場作用,也受到靶磁場作用,但在弱磁場中,質(zhì)量比離子小得多的電子受影響更大。3.3濺射沉積裝置該系統(tǒng)可以描述為通過3.3濺射沉積裝置靶表面電子受正交電磁場作用,其運(yùn)動方向不斷改變,繞陰極表面不斷作回旋運(yùn)動,在向陽極方向運(yùn)動的同時(shí),大大延長了運(yùn)動的路徑,也就使電子與中性氣體分子的碰撞次數(shù)和其電離的次數(shù)顯著增加。經(jīng)多次碰撞的電子到達(dá)陽極時(shí),能量顯著下降,這不僅提高了濺射效率,又保證不引起基片溫升過高,實(shí)現(xiàn)了低溫和高速的濺射效果。3.3濺射沉積裝置靶表面電子受正交電磁3.3濺射沉積裝置圖3.19磁控濺射與直流濺射情況下氣體放電的帕郉曲線磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)：氣壓可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染；且沉積速率高（可大于10m/hr）、靶電壓低3.3濺射沉積裝置圖3.19磁控濺射與直流濺射情況3.3濺射沉積裝置磁場設(shè)置的特點(diǎn)是在靶材表面上方使磁場與電場方向相垂直，將電子的軌跡限制到靶面附近，提高電子碰撞和電離的效率，而不讓它去轟擊作為陽極的襯底。

實(shí)際的做法可將永久磁體或電磁線圈放置在靶的后方，從而造成磁力線先穿出靶面，然后變成與電場方向垂直，最終返回靶面的分布，即如圖中所示的磁力線方向那樣。在濺射過程中，由陰極發(fā)射出來的電子在電場的作用下具有向陽極運(yùn)動的趨勢，但是，在垂直磁場的作用下，它的運(yùn)動軌跡被其彎曲而重新返回靶面，就如同在電子束蒸發(fā)裝置中電子束被磁場折向盛有被蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝一樣。3.3濺射沉積裝置磁場設(shè)置的特點(diǎn)是在靶3.3濺射沉積裝置我們將幾種濺射方法加以比較，可知在相同條件下，射頻濺射的靶電流高于一般直流濺射的靶電流，而磁控濺射的靶電流又高于射頻濺射的靶電流。這一特性決定了磁控濺射具有沉積速率高、維持放電所需的靶電壓低、電子對于襯底的轟擊能量小、容易實(shí)現(xiàn)在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積等顯著的特點(diǎn)。3.3濺射沉積裝置我們將幾種濺射方法加以比較，可3.3濺射沉積裝置

磁控濺射的沉積速率可以比其他濺射方法高出一個(gè)數(shù)量級。

這—方面要?dú)w結(jié)于在磁場中電子的電離效率提高，另一方面還因?yàn)樵谳^低氣壓條件下，濺射原子被氣體分子散射的幾率較小。

工作的氣壓可以降低到二極濺射氣壓的1/20，即可由10Pa降低至0.5Pa。這一方面降低了薄膜污染的可能性，另一方面也將提高入射到襯底表面原子的能量，因而將可以在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。磁控濺射也存在對靶材的濺射不均勻、不適合于鐵磁性材料的濺射的缺點(diǎn)。這從上述磁控濺射靶材表面形成的“跑道”即可看出，而對于鐵磁性材料，由于其本身的磁場與所施加的磁場容易產(chǎn)生相互干擾，因而不宜濺射此類材料。3.3濺射沉積裝置磁控濺射的沉積速率可以比3.3濺射沉積裝置磁控濺射靶的形式常用的磁控濺射靶包括平面磁控靶及圓柱靶。在圓柱靶中，磁力線的分布大致與靶表面相平行，其作用仍是要將電子約束在靶的表面附近。圓柱磁控靶的優(yōu)點(diǎn)是靶材的利用率較高。

3.3濺射沉積裝置磁控濺射靶的形式常用的磁磁控濺射磁控濺射3.3濺射沉積裝置增大入射離子流的密度是改善磁控濺射薄膜性能和提高濺射效率的關(guān)鍵。離子的產(chǎn)生最初采用上文中提及的平衡磁控源。平衡磁控濺射具有可將等離子體約束于靶的附近，對襯底的轟擊作用小的特點(diǎn)，這對于希望減少襯底損傷、降低沉積溫度的應(yīng)用場合來說是有利的。但在某些情況下，又希望保持適度的對襯底的轟擊效應(yīng)。這時(shí)，可以借助于所謂的非平衡磁控濺射的方法。在設(shè)計(jì)上，這種磁控濺射靶有意識地減?。ɑ蚣哟螅┝税兄行牡拇朋w體積，造成部分磁力線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的襯底附近的效果。這時(shí)，等離子體的作用范圍擴(kuò)展到了襯底附近，而部分的電子又像在二極濺射時(shí)那樣被直接加速射向襯底，同時(shí)在此過程中造成氣體分子電離和部分離子轟擊襯底。非平衡磁控濺射方法3.3濺射沉積裝置增大入射離子流的密度3.3濺射沉積裝置3.3濺射沉積裝置磁控濺射舉例Fig.2.SEMmicrographsshowingthefracturecross-sectionsofTiC/a-Cnano-compositecoatingsdepositedin2hwithDCsputteringat60Vsubstratebiasandofdifferentcarboncontent:(a)82at.%,(b)94at.%,(c)100at.%and(d)100at.%onastationarysubstrate(1hdepositiontime).磁控濺射舉例Fig.2.SEMmicrographs3.3濺射沉積裝置實(shí)際的操作中常常需要進(jìn)行化合物薄膜的制備，例如TiN、Al2O3、TiAlN等，在采用濺射法制備化合物薄膜時(shí)，可以考慮直接使用化合物作為濺射靶材。然而這里存在一個(gè)問題。我們知道，利用蒸發(fā)法制備化合物或合金薄膜時(shí)，常常要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)源成分的問題，也就是說，在化合物的蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)出來的物質(zhì)蒸氣可能具有完全不同于固態(tài)或液態(tài)化合物的化學(xué)成分，可想而知，當(dāng)這些蒸氣在基體表面凝結(jié)成膜后，其成分將與原蒸發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生偏離。濺射化合物靶材同樣會發(fā)生上述氣態(tài)或固態(tài)化合物分解的情況。此時(shí)沉積得到的薄膜往往在化學(xué)成分上與靶材有很大差別，電負(fù)性較強(qiáng)的元素的含量一般會低于化合物正確的化學(xué)計(jì)量比。4、反應(yīng)濺射3.3濺射沉積裝置實(shí)際的操作中常常需要3.3濺射沉積裝置電負(fù)性是周期表中各元素的原子吸引電子能力的一種相對標(biāo)度，又稱負(fù)電性。元素的電負(fù)性愈大，吸引電子的傾向愈大，非金屬性也愈強(qiáng)。比如，在濺射SnO2、SiO2等氧化物薄膜時(shí)，就經(jīng)常會發(fā)生沉積產(chǎn)物中氧含量偏低的情況。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于在濺射環(huán)境中，相應(yīng)元素的分壓低于化合物形成所需要的平衡壓。就是說較之蒸發(fā)法鍍膜時(shí)的溫度，濺射法要低的多，因而元素的分壓達(dá)不到平衡蒸氣壓。3.3濺射沉積裝置電負(fù)性是周期表中各元素3.3濺射沉積裝置那么解決的辦法呢，既然元素分壓小，那我們就可以調(diào)整濺射室內(nèi)的氣體組成和壓力，在通入Ar氣的同時(shí)，通入相應(yīng)的活性氣體，例如要生成的化合物薄膜中有O元素存在，那么可以通氧氣；有N元素存在，就通氮?dú)?，從而抑制了化合物的分解傾向。但是有這么幾個(gè)問題：一個(gè)是有沒有合適的化合物靶材？化合物靶的制備工藝比較復(fù)雜，成分純度的控制和高溫高壓成型技術(shù)也存在一系列困難，導(dǎo)致的結(jié)果就是靶材一般都比較貴，不合算；所以另一方面，我們也可以采用純金屬作為濺射靶材，同時(shí)在工作氣體中混入適量的活性氣體如O2、N2、NH3、CH4、H2S等，使金屬原子與活性氣體在濺射沉積的同時(shí)生成所需的化合物。3.3濺射沉積裝置那么解決的辦法呢，既然3.3濺射沉積裝置一般認(rèn)為，化合物是在原子沉積的過程中，由濺射原子與活性氣體分子在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射技術(shù)，便被稱為反應(yīng)濺射方法。反應(yīng)濺射由于采用了金屬靶材，因而它不僅可以大大降低靶材的制造成本，而且還可以有效地改善靶材和薄膜的純度。利用反應(yīng)濺射方法可以制備：氧化物，如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2碳化物，如SiC、WC、TiC氮化物，如TiN、AlN、Si3N4硫化物，如CdS、ZnS、CuS復(fù)合化合物，如碳氮化物Ti(C，N)3.3濺射沉積裝置一般認(rèn)為，化合物是在原3.3濺射沉積裝置顯然，通過控制反應(yīng)濺射過程中活性氣體的壓力，得到的沉積產(chǎn)物具有不同化學(xué)成份，得到的沉積產(chǎn)物可以是合金固溶體，也可以是化合物，甚至還可以是上述兩相的混合物。比如在含N2的氣氛中濺射Ti的時(shí)候，薄膜中可能出現(xiàn)的相包括Ti、Ti2N、TiN以及它們的混合物。沉積產(chǎn)物化學(xué)成份的變化將影響薄膜最終使用性能。3.3濺射沉積裝置顯然，通過控制反應(yīng)濺射過程中活性氣體3.3濺射沉積裝置不過問題接著就來了。當(dāng)參與反應(yīng)的氣體粒子濃度過高時(shí)，就會使金屬靶與其反應(yīng)生成化合物。如果靶面被大量化合物所覆蓋，則靶的濺射將從“金屬膜”轉(zhuǎn)變成“化合物膜”。此時(shí)濺射產(chǎn)額很低，而使薄膜生長速率驟降，這時(shí)，靶材上活性氣體的吸附速率已經(jīng)大于其濺射速率，靶材上發(fā)生了相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。入射離子不是在對金屬靶材進(jìn)行濺射，而是在濺射不斷形成的表層化合物。因此，反應(yīng)濺射過程中會出現(xiàn)兩種不同的濺射模式，即濺射速率相對較高的金屬模式和濺射速率相對較低的化合物模式。3.3濺射沉積裝置不過問題接著就來了。當(dāng)3.3濺射沉積裝置

我們把靶材形成化合物層造成濺射模式發(fā)生上述變化的現(xiàn)象就稱為靶材的中毒現(xiàn)象，簡稱“靶中毒”。

“靶中毒”現(xiàn)象是一種反應(yīng)濺射過程中出現(xiàn)的正?，F(xiàn)象。由前述工藝過程我們可以知道，要得到所成膜層滿足理想的化學(xué)計(jì)量比，就得通活性氣體，通少了作用不大，通多了就會引起“靶中毒”。當(dāng)活性氣體濃度越來越高，薄膜的速率就會一直下降，直到沉積的非常緩慢，這時(shí)候基本上就屬于“靶的過度中毒”了。3.3濺射沉積裝置我們把靶材形成化合物層3.3濺射沉積裝置靶中毒的程度跟靶材材料、活性氣體成分、真空室內(nèi)的放電電流、電壓、反應(yīng)室內(nèi)氣體總壓、各種氣體的分壓、溫度、及反應(yīng)室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)等諸多因素都有關(guān)。不同靶材，同樣的反應(yīng)氣體，可能有的會中毒，有的不會中毒，有的中毒深，有的中毒淺，那么有沒有判斷標(biāo)準(zhǔn)呢？因?yàn)槌练e速率和靶電壓有基本相同的變化規(guī)律，可以一邊通反應(yīng)氣體一邊觀察靶的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)看到靶電壓出現(xiàn)突降然后到下降到比較平緩的時(shí)候（這里的突降是指從濺射區(qū)間突降到弧光狀態(tài)），就說明靶處在中毒狀態(tài)。

3.3濺射沉積裝置靶中毒的程度跟靶材3.3濺射沉積裝置我們看這條靶中毒曲線，有這樣的特征：當(dāng)靶中毒現(xiàn)象比較嚴(yán)重的時(shí)候我們就想到降低活性氣體的分壓，但是發(fā)現(xiàn)當(dāng)降低到原來沉積速率比較快的時(shí)候的數(shù)值時(shí)，沉積速率卻沒有多大起色，再降低分壓，沉積速率才慢慢又升上來，亦即薄膜沉積速率的變化呈現(xiàn)出滯后的特征。

顯然，從提高濺射速率的角度考慮，我們希望在保證薄膜成分的同時(shí)，盡量將濺射過程控制在曲線的E點(diǎn)附近。3.3濺射沉積裝置我們看這條靶中毒曲線3.3濺射沉積裝置那么為什么靶中毒之后會導(dǎo)致薄膜沉積速率降低呢？剛才我們說了，化合物的濺射產(chǎn)額低于金屬的濺射產(chǎn)額，而其二次電子的發(fā)射能力又大于金屬，濺射離子的能量被大量用于二次電子發(fā)射，也就是用于濺射的能量部分減少了。因而導(dǎo)致沉積速率的下降。靶材的毒化不僅會降低薄膜的沉積速率，同時(shí)也對濺射工藝的控制提出了嚴(yán)格要求，因?yàn)榘兄卸?，使得濺射過程變得不穩(wěn)定。3.3濺射沉積裝置那么為什么靶中毒之3.3濺射沉積裝置那么避免靶材中毒的可能措施，有這樣幾種方式：1）將反應(yīng)氣體的輸入位置盡可能設(shè)置在遠(yuǎn)離靶材而靠近基體的地方，避免其與靶材表面發(fā)生過度反應(yīng)，提高活性氣體的利用效率。

2）提高靶材的濺射速率，降低活性氣體吸附的相對影響。

3）采用中頻或脈沖濺射技術(shù)。3.3濺射沉積裝置那么避免靶材中毒的可能措施，有這樣幾3.3濺射沉積裝置5、中頻濺射與脈沖濺射上次我們談了談反應(yīng)濺射，在制備電導(dǎo)率較低的化合物類涂層，例如Al2O3、ZrO2、Si3N4時(shí)，通常有兩種選擇，一種是以化合物為靶材，使用射頻濺射的方法，即在直流濺射設(shè)備的兩電極之間接上一個(gè)交流電源，當(dāng)其頻率高于50kHz（通常為13.56MHz）時(shí)，相當(dāng)于獨(dú)立于設(shè)備之外施加了一個(gè)高頻電場，此時(shí)在兩極之間等離子體中不斷振蕩的電子將能夠獲得足夠能量，與氣體分子碰撞并使之電離，維持濺射過程的進(jìn)行。但射頻濺射結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要額外配置阻抗匹配電路，帶來設(shè)備成本問題。那么另外一種方法就是采用金屬為靶材，通入活性氣體，即采用反應(yīng)濺射的方法。3.3濺射沉積裝置5、中頻濺射與脈沖濺射3.3濺射沉積裝置不過直流反應(yīng)濺射技術(shù)會遇到以下問題：（1）靶中毒。在金屬靶面形成的導(dǎo)電性較差的化合物層不僅會造成濺射速率及薄膜沉積速率的降低，還會引起濺射工況的變化以及薄膜結(jié)構(gòu)、成分的波動。（2）陽極消失。從靶材濺射出來的物質(zhì)在陽極表面沉積出相應(yīng)的化合物，由于膜層的電導(dǎo)率較低，阻塞了電荷傳導(dǎo)的通路，造成電荷的不斷積累，最后導(dǎo)致陽極作用的喪失。此時(shí)，放電體系的阻抗以及輝光等離子體的分布發(fā)生相應(yīng)變化，放電現(xiàn)象變得很不穩(wěn)定，濺射過程和所制備的薄膜性能發(fā)生波動。3.3濺射沉積裝置不過直流反應(yīng)濺射技術(shù)會遇到以下問題：3.3濺射沉積裝置靶材和陽極表面導(dǎo)電性能的惡化使得靶面和陽極處產(chǎn)生電荷的積累，最后造成化合物層的放電擊穿，在靶表面引起弧光放電。在靶材的濺射區(qū)和非濺射區(qū)之間的邊界處，最容易發(fā)生打火擊穿現(xiàn)象。打火會造成靶材表面的局部熔化和物質(zhì)顆粒的噴濺。這不僅會縮短靶材的壽命，還會大大增加薄膜中缺陷的密度。（3）靶面及電極間打火（弧光放電）3.3濺射沉積裝置靶材和陽極表面導(dǎo)電性能3.3濺射沉積裝置導(dǎo)致上述問題出現(xiàn)的根本原因，在于靶材與陽極表面的電荷積累（針對靶材表面的電荷積累，估計(jì)靶面打火現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間間隔）。如果我們能夠想到一種方法，能夠讓積累的電荷釋放或者說宣泄掉，那么濺射過程將會有顯著的改善。

通過對濺射靶施加交變電壓的方法，即交流濺射的方法，不斷提供釋放靶電荷的機(jī)會，解決了上述問題。這種使用交變電壓進(jìn)行薄膜濺射的方法被稱為交流濺射法。根據(jù)所采用的交變電源的不同，交流濺射法又被分為兩類，即采用正旋波電源的中頻濺射法和采用矩形脈沖波電壓的脈沖濺射法。3.3濺射沉積裝置導(dǎo)致上述問題出現(xiàn)的根針對靶表面的電荷積累，可估計(jì)靶面電弧擊穿”打火”現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間間隔。設(shè)相應(yīng)化合物層的介電常數(shù)與擊穿場強(qiáng)為r

和Eb，轟擊靶面的離子流密度為J，從電荷開始積累到發(fā)生放電擊穿的時(shí)間間隔大致等于 以反應(yīng)濺射SiO2為例，設(shè)靶面濺射區(qū)離子流密度為1mA/cm2，SiO2的Eb=3105V/cm，介電常數(shù)r=3.7，則放電現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間間隔約等于tb=100s。因此，電荷釋放所需要的放電頻率應(yīng)該高于10kHz3.3濺射沉積裝置針對靶表面的電荷積累，可估計(jì)靶面電弧擊穿”打火”現(xiàn)象3.3濺射沉積裝置中頻濺射在中頻濺射的情況下，靶材上將加有頻率為數(shù)十千赫茲（常用10-150kHz）的交變電壓。對地來說，靶材周期性的處于高電位和低電位。當(dāng)靶材處于低電位時(shí)，靶材吸引離子而排斥電子，在靶物質(zhì)被濺射的同時(shí)，離子電荷可以在靶材表面積累下來；當(dāng)靶材處于高電位時(shí)，靶材吸引電子而排斥離子。電子的流入將中和掉靶材表面的電荷積累，從而抑制了靶面的打火現(xiàn)象。3.3濺射沉積裝置中頻濺射在中頻濺射的情3.3濺射沉積裝置中頻濺射法由于抑制了靶面打火現(xiàn)象，并克服了陽極消失的難題，使得反應(yīng)濺射的過程得以穩(wěn)定進(jìn)行。因此，使用中頻反應(yīng)濺射方法制備的化合物薄膜的缺陷密度大為降低。而且，由于濺射過程運(yùn)行穩(wěn)定，因此可以使用較高的濺射功率和較為優(yōu)化的濺射參數(shù)，進(jìn)而獲得較高的薄膜沉積速率。中頻電源與靶的連接也較為簡單，不需要像在射頻濺射法時(shí)那樣需要復(fù)雜的阻抗匹配線路。3.3濺射沉積裝置中頻濺射法由于抑制3.3濺射沉積裝置中頻濺射常被用于對兩個(gè)并排安置、形狀相同的磁控靶的濺射。這樣的兩個(gè)靶被稱之為孿生靶，它們各自與電源的一極相連，并于整個(gè)真空室相絕緣。在濺射的過程中，兩個(gè)靶材交替地作為陰極和陽極，并在處于低電位的半周期內(nèi)（陰極）出現(xiàn)靶材物質(zhì)的濺射。3.3濺射沉積裝置中頻濺射常被用于對兩個(gè)3.3濺射沉積裝置脈沖濺射脈沖濺射法使用輸出電壓為矩形波的脈沖電源。在負(fù)脈沖期間，靶材吸引離子，處于被濺射狀態(tài)；在正脈沖期間，靶材表面的電荷將由于電子的迅速流入而得到釋放。為了在較短的時(shí)間內(nèi)釋放掉靶材表面的電荷積累，正脈沖的電壓幅值要提高?？梢岳斫獾氖?，脈沖濺射與中頻濺射在克服電荷積累方面的作用機(jī)理是相同的。3.3濺射沉積裝置脈沖濺射脈沖濺射法使用脈沖濺射時(shí)的電壓波形

為保持高的濺射速率，同時(shí)也由于電子的速度遠(yuǎn)高于離子的速度，因此正脈沖的寬度可以小于負(fù)脈沖的寬度3.3濺射沉積裝置脈沖濺射時(shí)的電壓波形為保持高的濺射速率，同時(shí)也由于電子的速3.3濺射沉積裝置脈沖濺射法可以只用一個(gè)靶。這時(shí)，所用的電源就是上面討論過的非對稱式的脈沖電源。這種濺射法被稱為單極脈沖濺射法。另一方面，脈沖濺射也可以使用與中頻濺射時(shí)相類似的孿生靶。此時(shí)，正、負(fù)電壓脈沖交替地驅(qū)動兩個(gè)并列的靶材。這種濺射法稱為雙極脈沖濺射法。顯然，在后者的情況下，可以依靠調(diào)整正負(fù)脈沖寬度的方法，方便地調(diào)整兩只靶材的濺射速率，進(jìn)而調(diào)控所制備的薄膜的成分。中頻濺射和脈沖濺射克服了困擾反應(yīng)濺射技術(shù)的電荷積累問題，因而靶材的毒化不再是妨礙反應(yīng)濺射進(jìn)行的限制因素。即使是在靶材被毒化以后，反應(yīng)濺射的過程仍然可以較平穩(wěn)的進(jìn)行。3.3濺射沉積裝置脈沖濺射法可以只用一個(gè)(a)直流和(b)脈沖反應(yīng)濺射法制備的Al2O3涂層的斷面形貌與中頻孿生靶類似，脈沖濺射可大大改善薄膜的質(zhì)量(a)直流和(b)脈沖反應(yīng)濺射法制備的Al2O3涂層的斷面形在一般濺射裝置的基礎(chǔ)上，將襯底的電位與接地陽極（真空室）的電位分開設(shè)置，在襯底與等離子體之間有意識地施加一偏置電壓(直流、或射頻偏壓)，吸引部分轟擊襯底的離子，從而利用改變?nèi)肷涞揭r底的帶電粒子數(shù)量和能量的手段，達(dá)到改變薄膜微觀組織與性能的目的的方法。有時(shí)，這種方法又被稱為濺射離子鍍。偏壓與薄膜性能的關(guān)系如圖。帶電粒子對薄膜表面的轟擊可提高原子在薄膜表面擴(kuò)散和參與化學(xué)反應(yīng)的能力，提高薄膜的致密度與成膜能力，細(xì)化薄膜晶粒等。6、偏壓濺射（濺射離子鍍）3.3濺射沉積裝置在一般濺射裝置的基礎(chǔ)上，將襯底的電位與接地陽極（真空室）的電Ta薄膜電阻率隨偏置電壓的變化

偏壓直流濺射和偏壓射頻濺射制備的Ta薄膜顯示了類似的結(jié)果，表明偏壓對薄膜組織及電阻率的影響遵循著一種普遍的內(nèi)在規(guī)律3.3濺射沉積裝置Ta薄膜電阻率隨偏置電壓的變化偏壓直流濺射和偏壓射偏壓還可改變薄膜中的氣體含量，適當(dāng)能量的帶電粒子轟擊可以清除襯底表面吸附的氣體原子，減少薄膜中氣體的含量，同時(shí)某些氣體原子又可能因偏壓下的較高能量的離子轟擊而深埋在薄膜中。通常，負(fù)偏壓的大小控制在數(shù)百伏之內(nèi)。偏壓濺射是改善薄膜組織及性能的常用手段之一。3.3濺射沉積裝置偏壓還可改變薄膜中的氣體含量，適當(dāng)能量的帶電粒子轟擊可以清除第三章薄膜的物理氣相沉積-濺射法ppt課件3.3濺射沉積裝置7、離子束濺射一般的濺射方法多是將靶、薄膜置于輝光放電環(huán)境中，氣體壓力一般在0.1-10Pa之間。其缺點(diǎn)是薄膜沉積過程處于等離子體中，這造成離子束濺射方法與此不同，它將離子的產(chǎn)生與靶的濺射過程相分開。離子產(chǎn)生區(qū)的真空度保持在0.1Pa的數(shù)量級，而濺射區(qū)的真空度則可維持在低于10-3Pa（甚至可達(dá)10-7Pa）離子能量、強(qiáng)度不能精確控制氣體雜質(zhì)的污染等離子體轟擊導(dǎo)致薄膜溫度上升會產(chǎn)生電子、離子轟擊損傷3.3濺射沉積裝置7、離子束濺射一般的濺射方法多是將靶3.3濺射沉積裝置

離子束的產(chǎn)生與靶材的濺射過程分開。離子束以一定的入射角度轟擊靶材并濺射出其表面的原子，后者沉積到襯底表面即形成薄膜。在靶材不導(dǎo)電的情況下，需要在離子槍外或是靶材的表面附近，用直接對離子束提供電子的方法，中和離子束所帶的電荷。3.3濺射沉積裝置離子束的產(chǎn)生與靶材的濺3.3濺射沉積裝置特點(diǎn)：

離子束濺射是在較高的真空條件下進(jìn)行的，氣體雜質(zhì)的污染小，容易提高薄膜的純度；做到了在襯底附近沒有等離子體的存在，無等離子體轟擊導(dǎo)致襯底溫度上升、電子和離子轟擊損傷等一系列問題；精確控制離子束的能量、束流的大小與束流的方向。濺射出的原子可以不經(jīng)過碰撞過程直接沉積為薄膜。所以，很適合作為薄膜沉積的研究手段。缺點(diǎn)：裝置過于復(fù)雜；薄膜沉積速率低；不適于沉積厚度均勻的大面積薄膜；設(shè)備運(yùn)行成本高。3.3濺射沉積裝置特點(diǎn)：缺點(diǎn)：裝置過于復(fù)雜；薄膜沉積速3.3濺射沉積裝置離子源---離子源的基本結(jié)構(gòu)

?

離子源由產(chǎn)生高密度等離子體的腔體和引出系統(tǒng)組成；

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氣體離于源靠腔體中氣體放電形成等離于體而引出正離子；

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金屬離于源是將金屬氣化電離而引出正離子；?引出系統(tǒng)：

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直接引出系統(tǒng)由帶孔(孔徑很小/mm)的陽極和陰極構(gòu)成；

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間接引出系統(tǒng)在陽極和引出極間插入另一陽極，在兩陽極間形成一個(gè)離于體密度較低的等離子體，形成雙等離子體。

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引出系統(tǒng)要求能引出分散性小的強(qiáng)束流，并具有大的氣阻(因放電區(qū)處于低真空狀態(tài)，束流加速區(qū)處于高真空狀態(tài)，若氣流過大，會給高真空的獲得和加速帶來困難)3.3濺射沉積裝置離子源---離子源的基本結(jié)構(gòu)值得注意的是，上述的各種濺射方法一般不具有排他性，而是可以有機(jī)地綜合在一起被使用如磁控濺射：可以是直流磁控濺射也可以是射頻磁控濺射又如反應(yīng)濺射：可以是孿生靶反應(yīng)磁控濺射也可以是脈沖反應(yīng)磁控濺射其中，磁控濺射已成為標(biāo)準(zhǔn)的濺射方法各種濺射方法相互的關(guān)系值得注意的是，上述的各種濺射方法一般不具有排他性，而是可以有還有一些不能簡單劃歸蒸發(fā)、濺射法的PVD方