材料合成與制備技術(shù)ch

1、6.3 濺射成膜 1濺射是指荷能粒子（如正離子）轟擊靶材，使靶材表面原子或原子團(tuán)逸出的現(xiàn)象，逸出的原子在工件表面形成與靶材成分相同的薄膜。這種制備薄膜的方法稱為濺射成膜。 2濺射技術(shù)的發(fā)展1842年，Grove提出濺射現(xiàn)象；1870年，濺射技術(shù)始用于薄膜制備；1930年，濺射成膜技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段；20世紀(jì)70年代，電子工業(yè)半導(dǎo)體制造工藝需要制備組成復(fù)雜的合金，促進(jìn)了濺射成膜技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用；濺射成膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：可以精確控制膜的組分，增強(qiáng)膜與基體的結(jié)合力。3濺射的基本原理 1氣體放電理論2輝光放電3濺射機(jī)制（1）濺射蒸發(fā)論（2）動(dòng)量轉(zhuǎn)移理論44濺射率及其影響因素 通常，一個(gè)入射靶面的離子，使靶面濺

2、射出來的原子數(shù)稱為濺射率，用S表示?？梢?，濺射率是決定濺射成膜快慢的主要因素之一。影響濺射率大小的主要因素有入射離子能量、入射角度、靶材及表面的晶體結(jié)構(gòu)。其中入射離子能量起決定性的作用，圖6-20是濺射率和入射離子能量的關(guān)系。 5圖6-20 濺射率與入射離子能量關(guān)系示意 （P228）與升華熱具有相同數(shù)量級(jí)100400ev400500ev，S（E）1/2離子注入6事實(shí)上，濺射率S的大小還取決于正離子的種類。靶材為Ag，加速電壓為45kV時(shí)，濺射率隨正離子原子序數(shù)呈周期的變化，而惰性氣體呈現(xiàn)出峰值。所以通常濺射時(shí)多用Ar。此外，靶材料不同對(duì)濺射影響也較大，隨著原子序數(shù)的增大，濺射率也是周期性變化，

3、如Cu、Ag、Au都具有最大的濺射率。表6-6給出了各種物質(zhì)的濺射率。 7表6-6 各種物質(zhì)的濺率 86.3.2 濺射設(shè)備 1直流濺射典型的直流二極濺射設(shè)備原理如圖6-21所示，它由一對(duì)陰極和陽(yáng)極組成的二極冷陰極輝光放電管組成。陰極相當(dāng)于靶，陽(yáng)極同時(shí)起支撐基片作用。9圖6-21 典型的兩極直流濺射設(shè)備 Ar氣壓保持在13.3-0.133Pa之間，附加直流電壓在kV數(shù)量級(jí)時(shí)，則在兩極之間產(chǎn)生輝光放電，于是Ar+由于受到陰極位降而加速，轟擊靶材表面，使靶材表面溢出原子，濺射出的粒子沉積于陽(yáng)極處的基片上，形成與靶材組成相同的薄膜。 10二極直流濺射是濺射方法中最簡(jiǎn)單的，然而有很多缺點(diǎn)，其中最主要是放

4、電不夠穩(wěn)定，需要較高起輝電壓，并且由于局部放電常會(huì)影響制膜質(zhì)量。此外，二極濺射以靶材為陰極，所以不能對(duì)絕緣體進(jìn)行濺射。 112高頻濺射 采用高頻電壓時(shí)，可以濺射絕緣體靶材。由于絕緣體靶表面上的離子和電子的交互撞擊作用，使靶表面不會(huì)蓄積正電荷，因而同樣可以維持輝光放電。一般而言，高頻放電的點(diǎn)燃電壓遠(yuǎn)低于直流或低頻時(shí)的放電電壓。圖6-22是高頻濺射的示意，與直流濺射相比，區(qū)別在于附加了高頻電源。 12圖6-22 高頻濺射儀原理圖 133磁控濺射 與蒸鍍法相比，二極或高頻濺射的成膜速率都非常小，大約50nm/min，這個(gè)速率約為蒸鍍速度的1/5-1/10，因而大大限制了濺射技術(shù)的推廣應(yīng)用。為了提高濺

5、射速度，后來又發(fā)展了磁控濺射。 14磁控濺射原理磁控濺射(magnetron-sputtering)是70年代迅速發(fā)展起來的一種“高速低溫濺射技術(shù)”。磁控濺射是在陰極靶的表面上方形成一個(gè)正交電磁場(chǎng)。當(dāng)濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速為高能電子后，并不直接飛向陽(yáng)極，而是在正交電磁場(chǎng)作用下作來回振蕩的近似擺線的運(yùn)動(dòng)。15高速低溫濺射技術(shù)(補(bǔ)充)高能電子不斷與氣體分子發(fā)生碰撞并向后者轉(zhuǎn)移能量，使之電離而本身變成低能電子。這些低能電子最終沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽(yáng)極而被吸收，避免高能電子對(duì)極板的強(qiáng)烈轟擊，消除了二極濺射中極板被轟擊加熱和被電子輻照引起損傷的根源，體現(xiàn)極板“低溫”的特點(diǎn)。由于外

6、加磁場(chǎng)的存在，電子的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)增加了電離率，實(shí)現(xiàn)了高速濺射。磁控濺射的技術(shù)特點(diǎn)是要在陰極靶面附件產(chǎn)生與電場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)，一般采用永久磁鐵實(shí)現(xiàn)。16在濺射裝置中附加磁場(chǎng)，由于洛侖茲力作用，可以使濺射速度成倍提高。當(dāng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)方向決定了其兩種運(yùn)動(dòng)傾向。其一是不受洛侖茲力作用，此時(shí)電子速度平行于磁場(chǎng)方向；其二是做螺旋運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電子速度與磁場(chǎng)成角。 17無論哪種情形，在磁場(chǎng)作用下，電子的運(yùn)動(dòng)被封閉在電極范圍內(nèi)，大大減少了電子與腔體的復(fù)合損耗，同時(shí)電子的螺旋運(yùn)動(dòng)增加了電子從陰極到陽(yáng)極的運(yùn)動(dòng)路程，有效地增加了氣體的電離。當(dāng)磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交時(shí)，電子在陰極附近作擺線運(yùn)動(dòng)，而后返回到陰極，增加

7、了碰撞電子數(shù)量，從而有效增加了氣體分子的電離。這剛好與增加反應(yīng)室氣體壓力具有相同的效果。 184反應(yīng)濺射 在濺射中，如果將靶材做成化合物來制備化合物薄膜，則薄膜的成分一般與靶材化合物的成分偏差較大。為了濺射化合物薄膜，通常在反應(yīng)氣氛下來實(shí)現(xiàn)濺射，即將活性氣體混入放電氣體中，就可以控制成膜的組成和性質(zhì)，這種方法叫反應(yīng)濺射方法。 19反應(yīng)濺射裝置中一般設(shè)有引入活性氣體的入口，并且基片應(yīng)預(yù)熱到500左右的溫度。此外，要對(duì)濺射氣體與活性氣體的混合比例進(jìn)行適當(dāng)控制。通常情況下，對(duì)于二極直流濺射，氦氣加上活性氣體后的總壓力為l.3Pa，而在高頻濺射時(shí)一般為0.6Pa左右。表6-7是利用反應(yīng)濺射法制備化合物

8、薄膜的常用工藝參數(shù)。 20表6-7 反應(yīng)濺射法制備薄膜的工藝條件 21濺射鍍膜工藝 以磁控濺射為例，如果是間歇式的，一般工序?yàn)椋海?）鍍前表面處理。與蒸發(fā)鍍膜相同。（2）真空室的準(zhǔn)備。包括清潔處理，檢查或更換靶（不能有滲水、漏水，不能與屏蔽罩短路），裝工件等。（3）抽真空。22（4）磁控濺射。通常在0.066Pa-0.13Pa真空度時(shí)通入氬氣，其分壓為0.66Pa-1.6Pa。然后接通靶冷卻水，調(diào)節(jié)濺射電流或電壓到規(guī)定值時(shí)進(jìn)行濺射。自濺射電流達(dá)到開始濺射的電流時(shí)算起，到時(shí)停止濺射，停止抽氣。這是一般的操作情況，實(shí)際上不同材料和產(chǎn)品所采用的工藝條件是不一樣的，應(yīng)根據(jù)具體要求來確定，有些條件要嚴(yán)格

9、控制。（5）鍍后處理235離子鍍 濺射法是利用被加速的正離子的撞擊作用，使蒸氣壓低而難蒸發(fā)的物質(zhì)變成氣體。這種正離子若打到基片上，還會(huì)起到表面清洗的作用，提高薄膜質(zhì)量。然而，這樣又帶來一個(gè)新的問題，就是成膜速度受到一定限制。為了解決這一難題，將真空蒸鍍與濺射結(jié)合起來，利用真空蒸鍍來鍍膜，利用濺射來清洗基片表面，這種制膜方法被稱為離子鍍膜。圖6-23給出了離子鍍裝置原理。 24圖6-23 離子鍍膜裝置 25將基片放在陰極板上，在基片和蒸發(fā)源之間加高電壓，真空室內(nèi)充入1.3-1.310-2Pa放電氣體。與放電氣體成比例的蒸發(fā)分子，由于強(qiáng)電場(chǎng)作用而激發(fā)電離，離子加速后打到基片上，而大部分中性蒸發(fā)分子不能加速而直接到達(dá)基片上。采用這種方法制備的薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度大。若加之磁場(chǎng)控制濺射，或在兩極間加高頻電場(chǎng)或混入反應(yīng)性氣體，可以制備多種單質(zhì)或化合物薄膜。 26離子鍍膜的基本過程包括鍍料蒸發(fā)。離化、離子加速、離子轟擊工件表面。離子或原子之間的反應(yīng)、離子的中和、成膜等過程，而且這些過程是在真空、氣體放電的條件下完成的。一般情況下，離子鍍?cè)O(shè)備由真空室、蒸發(fā)源（或氣源、濺射源等）、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。不同類型的離子鍍方法采用不同的真空度；鍍料氣