薄膜制備技術(shù)—濺射法ppt課件

1、n3.1 濺射根本原理濺射根本原理n3.2濺射主要參數(shù)濺射主要參數(shù)n3.3 濺射堆積安裝及工藝濺射堆積安裝及工藝n3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù)n3.5 濺射技術(shù)的運用濺射技術(shù)的運用第三章第三章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)濺射法濺射法n濺射：荷能粒子轟擊固體外表，固體外表原子或分濺射：荷能粒子轟擊固體外表，固體外表原子或分 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，從而使其射出的景象。的景象。n1852年年Grove研討輝光放電時初次發(fā)現(xiàn)了濺射景象。研討輝光放電時初次發(fā)現(xiàn)了濺射景象。n離子濺射：由于離子易于在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn)，離子濺射：由于離子易于在電磁場中

2、加速或偏轉(zhuǎn)，荷能粒子普通為離子，這種濺射稱為離子濺射。荷能粒子普通為離子，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外表能夠發(fā)生一系列的物理過程，每種過程離子轟擊固體外表能夠發(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 濺射根本原理濺射根本原理n濺射鍍膜過程：利用帶電離子在電磁場的作用下獲得足夠的能濺射鍍膜過程：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)，從靶材外表被濺射出來的原子以一量，轟擊固體靶物質(zhì)，從靶材外表被濺射出來的原子以一定的動能射向襯底，在襯底上構(gòu)成薄膜。定的動能

3、射向襯底，在襯底上構(gòu)成薄膜。n陰極濺射：在實踐進展濺射時，多半是讓被加速的正離子轟擊陰極濺射：在實踐進展濺射時，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，所以也稱此過程為陰作為陰極的靶，并從陰極靶濺射出原子，所以也稱此過程為陰極濺射。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濺射鍍膜的優(yōu)點：濺射鍍膜的優(yōu)點：n1對于任何待鍍資料，只需能作成靶材，就可實現(xiàn)濺射對于任何待鍍資料，只需能作成靶材，就可實現(xiàn)濺射n2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n3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n4濺射工藝可反復(fù)性好，可

4、以在大面積襯底上獲得厚度濺射工藝可反復(fù)性好，可以在大面積襯底上獲得厚度n 均勻的薄膜均勻的薄膜 n缺陷：缺陷：n 相對于真空蒸發(fā)，堆積速率低，基片會遭到等離子體的相對于真空蒸發(fā)，堆積速率低，基片會遭到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升。輻照等作用而產(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%的能量傳的能量傳送給二次發(fā)射的粒子。送給二次發(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二次離子之比約為

5、100:10:1。3.1 濺射根本原理濺射根本原理一、離子轟擊產(chǎn)生的各種景象一、離子轟擊產(chǎn)生的各種景象n靶材是需求被濺射的物質(zhì)，作為靶材是需求被濺射的物質(zhì)，作為n 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，n 在真空室內(nèi)充入在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極氣，在電極間構(gòu)成輝光放電。間構(gòu)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，陰極資料原子，二次電子，光子陰極資料原子，二次電子，光子等。等。3.1 濺射根本原理濺射根本原理二、輝光放電的物理根底二、輝光放電的物理根底n等離子體等離子體n 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中等離子體是一種中性、

6、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團、帶電離子和自在電子。性原子或分子、原子團、帶電離子和自在電子。n作用：作用：n 1、提供發(fā)生在襯底外表的氣體反響所需求的大、提供發(fā)生在襯底外表的氣體反響所需求的大n 部分能量部分能量 n 2、經(jīng)過等離子刻蝕選擇性地去處金屬、經(jīng)過等離子刻蝕選擇性地去處金屬n 3.1 濺射根本原理濺射根本原理 產(chǎn)生輝光放電產(chǎn)生輝光放電 經(jīng)過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混經(jīng)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、或離子前往其最低能級時，以發(fā)射光或聲子或離子前往其最低能級時，以發(fā)射光或聲子的方式將能量釋放出來。的方式將能量釋放出來。 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 濺射根本原理濺射根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 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineEl

8、ectronCollision 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那么那么 V = E - IR。n1、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：離子開場轟擊陰極，產(chǎn)生：離子開場轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多離子

9、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：濺射所選擇的任：濺射所選擇的任務(wù)區(qū)務(wù)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：添加電源功率，電流：添加電源功率，電流迅速添加迅速添加ABCDEFG3.1 濺射根本原理濺射根本原理 3.1 濺射根本原理濺射根本原理 濺射實際模型：動量實際，也稱為級聯(lián)碰撞實際。入射離子在進入濺射實際模型：動量實際，也稱為級聯(lián)碰撞實際。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，入射離子的一部分動能會傳送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送給靶材原子，當后者的

10、動能超越由其周圍存在的其他靶材原子所構(gòu)成的給靶材原子，當后者的動能超越由其周圍存在的其他靶材原子所構(gòu)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次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級聯(lián)碰撞。的靶材原子依次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生所謂的級聯(lián)碰撞。 當這種級聯(lián)碰撞到達靶材外表時，假設(shè)接近靶材外表的原子的動能當這種級聯(lián)碰撞到達靶材外表時，假設(shè)接近靶材外表的原子的動能超越外表結(jié)合能，這些外表原子就會逸出靶材，成為濺射粒子。超越外表結(jié)合能，這些外表原子就會逸出靶材，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)額濺射閾指的是入

11、射離子濺射閾指的是入射離子使陰極靶產(chǎn)生濺射所使陰極靶產(chǎn)生濺射所需的最小能量。需的最小能量。 濺射閾與離子質(zhì)量之間濺射閾與離子質(zhì)量之間沒有明顯的依賴關(guān)系，沒有明顯的依賴關(guān)系，主要取決于靶資料。主要取決于靶資料。對大多數(shù)金屬來說，濺對大多數(shù)金屬來說，濺射閾值在射閾值在10-40eV范范圍內(nèi)，相當于升華熱圍內(nèi)，相當于升華熱的的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)額濺射產(chǎn)額又稱為濺射率濺射產(chǎn)額又稱為濺射率或濺射系數(shù)，表示正或濺射系數(shù)，表示正離子撞擊陰極時，平離子撞擊陰極時，平均每個正離子能從陰均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。極上打出的原子數(shù)。與入射

12、能量，入射離子與入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)種類種類，濺射物質(zhì)種類及入射離子的入射角及入射離子的入射角度有關(guān)。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需入射離子能量超越一定閾值以后，才干從被濺射物質(zhì)只需入射離子能量超越一定閾值以后，才干從被濺射物質(zhì)外表濺射出離子。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。華熱有一定比例關(guān)系。 隨入射離子能量的添加，濺射產(chǎn)額先添加，然后處于平緩隨入射離子能量的添加，濺射產(chǎn)額先添加，然后處于平緩10Kev)，離子能量繼續(xù)添

13、加，濺射產(chǎn)額反而下降。，離子能量繼續(xù)添加，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，但思索價錢要素，濺射產(chǎn)額比輕離子高，但思索價錢要素，通常運用氬氣作為濺射氣體。通常運用氬氣作為濺射氣體。用一樣能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射用一樣能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射產(chǎn)額也是不同的，產(chǎn)額也是不同的，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、離子入射角度對濺射、離子入

14、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外表法線之間的被濺射靶材外表法線之間的夾角。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濺射產(chǎn)額普通不能直接由相應(yīng)金屬的值來確定。濺射產(chǎn)額普通不能直接由相應(yīng)金屬的值來確定。自動補償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)曾經(jīng)貧化，濺射自動補償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)曾經(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

15、下降，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，雖然靶材外表的化學(xué)成速率上升。最終結(jié)果是，雖然靶材外表的化學(xué)成分曾經(jīng)改動，但濺射得到的合金薄膜成分卻與靶分曾經(jīng)改動，但濺射得到的合金薄膜成分卻與靶材的原始成分根本一樣。材的原始成分根本一樣。當靶的溫度很高，各種合金成分由于熱擴分發(fā)生變當靶的溫度很高，各種合金成分由于熱擴分發(fā)生變化時，濺射膜和靶材原來的組分就會發(fā)生變化?；瘯r，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n靶外表受離子轟擊會放出各種粒子，主要是濺射原靶外表受離子轟擊會放出各種粒子，主要是濺射原子絕大

16、部分是單原子。子絕大部分是單原子。n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)。n用用100eV的的Ar離子對多晶離子對多晶Cu靶進展濺射，濺射粒子靶進展濺射，濺射粒子中中95%是是Cu的單原子，其他是的單原子，其他是Cu分子。分子。n隨入射離子能量的添加，構(gòu)成濺射粒子的原子數(shù)也隨入射離子能量的添加，構(gòu)成濺射粒子的原子數(shù)也逐漸添加。逐漸添加。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對化合物靶進展濺射時，情況與單元素靶類似。對化合物靶進展濺射時，情況與單元素靶類似。當入射離子能量在當入射離子能量在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

17、物的原子，只需當入射離子能量在合物的原子，只需當入射離子能量在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，濺射相比，濺射原子的動能要大得多。原子的動能要大得多。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，平均動能約為，平均動能約為4.5eV。增大入射離。增大入射離子能量，

18、峰值向高速方向偏移，闡明濺射原子中子能量，峰值向高速方向偏移，闡明濺射原子中能量較高的比例添加。能量較高的比例添加。 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： 靶材外表的濺射、由靶材外表到襯底靶材外表的濺射、由靶材外表到襯底外表的分散、襯底外表的堆積。外表的分散、襯底外表的堆積。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、陰極濺射安裝及特性只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射一、陰極濺射安裝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

19、電子二次電子3.3 濺射堆積安裝及工藝濺射堆積安裝及工藝一、陰極濺射安裝及特性一、陰極濺射安裝及特性n任務(wù)原理：任務(wù)原理：n 加上直流電壓后，輝光放電開場，正離子打擊靶加上直流電壓后，輝光放電開場，正離子打擊靶面，靶材外表的中性原子濺射出，這些原子堆積在面，靶材外表的中性原子濺射出，這些原子堆積在襯底上構(gòu)成薄膜。襯底上構(gòu)成薄膜。n在離子轟擊靶材的同時，有大量二次電子從陰極靶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，發(fā)射出來，被電場加速向襯底運動，在運動過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟

20、擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電到達擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電到達自持。自持。一、陰極濺射安裝及特性一、陰極濺射安裝及特性優(yōu)點：構(gòu)造簡單，操作方便，可長時間進展濺射。優(yōu)點：構(gòu)造簡單，操作方便，可長時間進展濺射。缺陷：缺陷：陰極濺射輝光放電的離化率低，堆積速率低，只需陰極濺射輝光放電的離化率低，堆積速率低，只需80nm/min；靶材必需為金屬，在非反響性氣氛中不能制備絕緣介質(zhì)資料；靶材必需為金屬，在非反響性氣氛中不能制備絕緣介質(zhì)資料；二次電子轟擊，溫度較高，使不能接受高溫的襯底的運用遭到限二次電子轟擊，溫度較高，使不能接受高溫的襯底的運用遭到限制，且對襯底呵斥損傷；制，且對

21、襯底呵斥損傷；任務(wù)氣壓高，對薄膜呵斥污染，影響堆積速率，降低任務(wù)氣壓易任務(wù)氣壓高，對薄膜呵斥污染，影響堆積速率，降低任務(wù)氣壓易使輝光放電熄滅。使輝光放電熄滅。二、二、 三極濺射和四極濺射安裝及特性三極濺射和四極濺射安裝及特性n在低壓下，為添加離化率并保證放電自持，方法之一是在低壓下，為添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，它經(jīng)過熱離子輻射方式發(fā)射獨立的電子源就是熱陰極，它經(jīng)過熱離子輻射方式發(fā)射電子。電子。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

22、極濺射是在上述三極的根底上再加上輔助電極，也稱四極濺射是在上述三極的根底上再加上輔助電極，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堆積速率約堆積速率約2 m/min。三極濺射三極濺射在低壓下，為添加離化率并保證放電自持，方法之一是在低壓下，為添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安裝及特性三極濺射安裝及特性二、二、 三極濺射和四極濺射安裝及特性三極濺射和四極濺射安裝及特性優(yōu)點：轟擊靶材的離子電流和離子能量可以完全優(yōu)點：轟擊靶材的離子電流和離子能量可以完全獨立控

23、制，而且在比較低的壓力下也能維持放獨立控制，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大；對襯底的輻電，因此濺射條件的可變范圍大；對襯底的輻射損傷小，可以防止襯底溫升。射損傷小，可以防止襯底溫升。缺陷：安裝構(gòu)造復(fù)雜，難以獲得覆蓋面積大、密缺陷：安裝構(gòu)造復(fù)雜，難以獲得覆蓋面積大、密度均勻的等離子體，燈絲易耗費。度均勻的等離子體，燈絲易耗費。除特殊用途外已不在運用。除特殊用途外已不在運用。n任務(wù)原理任務(wù)原理n在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于絕緣在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運動的電子具

24、有足夠高的能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，從而使放電到達自持，陰量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電到達自持，陰極濺射的二次電子不再重要。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負半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達絕緣靶外表，而靶變成負的自偏壓。它將在絕緣靶外表，而靶變成負的自偏壓。它將在外表附近排斥電子，吸引正離子，使離子轟外表附近排斥電子，吸引正離子，使離子轟擊靶，產(chǎn)生濺射。擊靶，產(chǎn)生濺射。三、射頻濺射安裝及特性三、射頻濺射安裝及特性三、射頻濺射安裝及特性三、射頻濺射安裝及

25、特性三、射頻濺射安裝及特性三、射頻濺射安裝及特性三、射頻濺射安裝及特性三、射頻濺射安裝及特性n假設(shè)使襯底為正電位時到達襯底的電子數(shù)等于襯底假設(shè)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)，那么靶材在絕大部為負電位時到達襯底的離子數(shù)，那么靶材在絕大部分時間內(nèi)呈負性，就是說相當于靶自動地加了一個分時間內(nèi)呈負性，就是說相當于靶自動地加了一個負偏壓負偏壓Vb，于是靶材能在正離子轟擊下進展濺射。，于是靶材能在正離子轟擊下進展濺射。n高頻交流電場使靶交替地由離子和電子進展轟擊，高頻交流電場使靶交替地由離子和電子進展轟擊，電子在高頻電場中的振蕩添加了電離幾率，因此射電子在高頻電場中的振

26、蕩添加了電離幾率，因此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)體等。靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。四、磁控濺射安裝及特性四、磁控濺射安裝及特性n為了在低氣壓下進展高速濺射，必需有效地提高氣為了在低氣壓下進展高速濺射，必需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，：堆積速率大，產(chǎn)量高；功率效磁控濺射的優(yōu)點，：堆積速率大，產(chǎn)量高；功率效率高；可進展低能濺射；向襯底的入射能量低，濺率高；可進展低

27、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、磁控濺射安裝及特性四、磁控濺射安裝及特性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、磁控濺射安裝及特性四、磁控濺射安裝及特性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途徑由于磁場的作用而途徑由于磁場的作用而大幅度地添加，從而有大幅度地添加，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堆積速率。效

28、率和薄膜的堆積速率。四、磁控濺射安裝及特性四、磁控濺射安裝及特性 磁控濺射比直流和射頻濺射的堆積速率高很多。磁控濺射比直流和射頻濺射的堆積速率高很多。 緣由：緣由：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、磁控濺射安裝及特性四、磁控濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性 在存

29、在反響氣體的情況下，濺射靶材時，靶資料與反響氣在存在反響氣體的情況下，濺射靶材時，靶資料與反響氣體反響構(gòu)成化合物如氧化物或氮化物，這種在堆積的同時體反響構(gòu)成化合物如氧化物或氮化物，這種在堆積的同時構(gòu)成化合物的濺射稱為反響濺射。普通以為化合物是在薄膜淀構(gòu)成化合物的濺射稱為反響濺射。普通以為化合物是在薄膜淀積的同時構(gòu)成的。積的同時構(gòu)成的。 反響物要進展反響，必需有足夠高能量去抑制反響活化能。反響物要進展反響，必需有足夠高能量去抑制反響活化能。 利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時，能夠薄膜與靶利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時，能夠薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會呵斥氧含量偏低，這材

30、的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會呵斥氧含量偏低，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、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性活化能越高，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，那么發(fā)生化學(xué)反響的低，那么發(fā)生化學(xué)反響的有效碰撞次數(shù)越少，化學(xué)有效碰撞次數(shù)越少，化學(xué)反響速率就越慢。反響速率就越慢。Ea Ea 為放熱反響；為放熱反響；Ea Ea 為吸熱反響；為吸熱反響；活化分子具有的最低動能與反響物分子平均動能之差，為活化能。活化分子具有的最低動能與反響物分子平均動能之差，為活化能。五、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性

31、熱蒸發(fā)粒子的平均能量熱蒸發(fā)粒子的平均能量只需只需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、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性 1889年，瑞典化學(xué)家年，瑞典化學(xué)家Arrhenius在總結(jié)大量實驗的根底上，在總結(jié)大量實驗的根底上，提出了化學(xué)反響速率常數(shù)提出了化學(xué)反響速率常數(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，所以上式可改寫成V=Cexp(-3Ea/2NAE)所以濺射的反響速率要遠大于熱蒸發(fā)。所以濺射的反響

32、速率要遠大于熱蒸發(fā)。五、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性 在存在反響氣體的情況下，濺射靶材時，靶資料與反響氣在存在反響氣體的情況下，濺射靶材時，靶資料與反響氣體反響構(gòu)成化合物如氧化物或氮化物，這種在堆積的同時體反響構(gòu)成化合物如氧化物或氮化物，這種在堆積的同時構(gòu)成化合物的濺射稱為反響濺射。普通以為化合物是在薄膜淀構(gòu)成化合物的濺射稱為反響濺射。普通以為化合物是在薄膜淀積的同時構(gòu)成的。積的同時構(gòu)成的。 反響物要進展反響，必需有足夠高能量去抑制反響活化能。反響物要進展反響，必需有足夠高能量去抑制反響活化能。 利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時，能夠薄膜與靶利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時

33、，能夠薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會呵斥氧含量偏低，這材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時，會呵斥氧含量偏低，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、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性濺射過程中，反響根本發(fā)生在襯底外表，氣相反響幾濺射過程中，反響根本發(fā)生在襯底外表，氣相反響幾乎可以忽略乎可以忽略.靶面同時進展著濺射和反響生成化合物的兩種過程。靶面同時進展著濺射和反響生成化合物的兩種過程。假設(shè)濺射速率大于化合物生成速率，那么靶就處于金假設(shè)濺射速率大于化合物生成速率，那么靶就處于金屬濺射態(tài)；反之，假設(shè)化合物構(gòu)成的速率超越濺射速屬濺射態(tài)；反之，假設(shè)化合物

34、構(gòu)成的速率超越濺射速率，那么濺射就能夠停頓。率，那么濺射就能夠停頓。五、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性 在典型的反響濺射系統(tǒng)中，反響氣體與靶發(fā)生反響，在靶外在典型的反響濺射系統(tǒng)中，反響氣體與靶發(fā)生反響，在靶外表構(gòu)成化合物，稱為靶中毒。表構(gòu)成化合物，稱為靶中毒。 三種要素引起：其一，在靶面構(gòu)成了濺射速率比金屬低得多三種要素引起：其一，在靶面構(gòu)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，反響氣體離子的濺射

35、率比惰性響氣體離子的濺射率比惰性Ar低。低。 為處理這一困難，常將反響氣體和濺射氣體分別送到襯底和為處理這一困難，常將反響氣體和濺射氣體分別送到襯底和靶材附近，以構(gòu)成壓強梯度。靶材附近，以構(gòu)成壓強梯度。五、反響濺射安裝及特性五、反響濺射安裝及特性 反響濺射是低溫等離子體氣相堆積過程，反復(fù)性好，已用于制備大量的化合物薄膜，并作為切削工具、反響濺射是低溫等離子體氣相堆積過程，反復(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。微電子元件的涂層。 采用純金屬作為靶材，通入不同的反響氣體，堆積不同的薄膜。采用純金屬作為靶材，通入不同的反響氣體，堆積不同的薄膜。 如：如：氧化物：氧化

36、物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等等(反響氣體反響氣體O2碳化物：碳化物：SiC， WC，TiC等等(反響氣體反響氣體CH4氮化物：氮化物：BN，F(xiàn)eN TiN，AlN，Si3N4等等(反響氣體反響氣體N2硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反響氣體反響氣體H2S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，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分簡稱離子鍍，是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(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)物或其反響物離化，在氣體離

37、子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時，把蒸發(fā)物或其反響物堆積在襯底上。堆積在襯底上。 是真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合的一種鍍膜方法，明顯提高了薄膜的各種是真空蒸發(fā)和濺射技術(shù)相結(jié)合的一種鍍膜方法，明顯提高了薄膜的各種性能，大大擴展了鍍膜技術(shù)的運用范圍。性能，大大擴展了鍍膜技術(shù)的運用范圍。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 直流離子鍍的特征是利用輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的直流離子鍍的特征是利用輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的負電壓對離子加速。負電壓對離子加速。 普通真空蒸發(fā)的各種電阻蒸發(fā)源都可用于離子鍍。普通真空蒸發(fā)

38、的各種電阻蒸發(fā)源都可用于離子鍍。 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。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. 離子鍍成膜射頻離子鍍離子鍍成膜射頻離子鍍 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 頻線圈，使襯底堅持負偏壓。頻線圈，使襯底堅持負偏壓。 放電穩(wěn)定，在較高的真空度下也能運轉(zhuǎn)。放電穩(wěn)定，在較高的真空度下也能運轉(zhuǎn)。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%，任務(wù)壓力僅，任務(wù)壓

39、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 反響；和其他離子鍍相比，襯底溫升低而且易于控制。反響；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。膜層附著力強。膜層堆積速率快，最高堆積速率可達膜層堆積速率快，最高堆積速率可達50m/min。膜層密度高。膜層密度高。

40、 繞鍍性能好。為復(fù)雜外形零件鍍膜提供好方法。繞鍍性能好。為復(fù)雜外形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 運用離子鍍，襯底選擇廣泛。運用離子鍍，襯底選擇廣泛。 主要用在制備高硬度機械刀具上堆積耐磨、高硬主要用在制備高硬度機械刀具上堆積耐磨、高硬度膜，堆積耐磨的固體光滑膜，在金屬、塑料制品上度膜，堆積耐磨的固體光滑膜，在金屬、塑料制品上堆積一層耐久的裝飾膜；半導(dǎo)體薄膜等。堆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) 2. 離子束成膜離子束成膜真空蒸發(fā)、濺射及離子鍍技術(shù)的共同缺陷是不能確定到達基片的粒子流，真空蒸發(fā)、濺射及離子鍍技術(shù)的

41、共同缺陷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)目、入射角及粒子能量等參數(shù)。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)。假設(shè)采用高真空或超高真空中的固定離子束流來堆積薄膜，那么可以實現(xiàn)假設(shè)采用高真空或超高真空中的固定離子束流來堆積薄膜，那么可以實現(xiàn)上述目的。上述目的。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離子束濺射堆積離子束濺射堆積 又稱為二次離子束堆積，由惰性氣又稱為二次離子束堆積，由惰性氣體產(chǎn)生的高能離子束轟擊靶材進展濺體產(chǎn)生的高能離子束轟擊靶材進展濺射，堆積到襯底上成膜。射，堆積到襯底上成

42、膜。 在離子束濺射堆積中，用離子源發(fā)在離子束濺射堆積中，用離子源發(fā)出離子，經(jīng)引出、加速、取焦，使其出離子，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，將濺射出的原子進展鍍空室中的靶，將濺射出的原子進展鍍膜。膜。 在堆積室中引入反響氣體，還可以在堆積室中引入反響氣體，還可以進展反響離子束磁控濺射，構(gòu)成化合進展反響離子束磁控濺射，構(gòu)成化合物薄膜。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子束濺射堆積中，在離子束濺射堆積中，由離子源產(chǎn)生的離子束由離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過引出電極引入真空經(jīng)過引出電極引入真空室，打到靶

43、材上濺射，室，打到靶材上濺射，實現(xiàn)薄膜堆積。實現(xiàn)薄膜堆積。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離子束濺射堆積離子束濺射堆積1離子束濺射堆積離子束濺射堆積-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，可以做到離子束的準確聚焦和掃描；能量易于控制，可以做到離子束的準確聚焦和掃描；堆積室中的任務(wù)壓強低，可將氣相散射對堆積的影響減到堆積室中的任務(wù)壓強低，可將氣相散射對堆積的影響減到 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

44、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)，可防止受高能電子的轟擊；制，與靶材和高頻電路無關(guān)，可防止受高能電子的轟擊；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 薄膜生長過程的研討提供了強有力的手段。薄膜生長過程的研討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) -濺射堆積濺射堆積3.4 離子成膜技術(shù)離子成膜技術(shù) -濺射堆積濺射堆積2離子束堆積離子束堆積IBD 又稱為一次離子束堆積，由固態(tài)物質(zhì)的離子束直接打在又稱為一次離子束堆積，由固態(tài)物質(zhì)的離子束直接打在襯底上堆積而構(gòu)成薄膜。襯底上堆積而構(gòu)成薄膜。 普通而言，當固態(tài)物質(zhì)離子照射固體外表時，依入射離普通而言，當固態(tài)物質(zhì)離子照射固體外表時，依入射離子能量子能量E的大小不同，會引起三種景象：的大小不同，會引起三種景象：堆積景象堆積景象E300eV；濺射景象濺射景象300eV E 900eV；離子注入景象離子注入景象E900eV。三種景象不能截然分開，通常是同時存在的。三種景象不能截然分開，通常是同時存在的。3.4 離子成膜技術(shù)離子束堆積離子成