濺射20100408資料講解

濺射Sputtering濺射是一個(gè)離子轟擊物質(zhì)表面，并在碰撞過程中發(fā)生能量與動量的轉(zhuǎn)移，從而最終將物質(zhì)表面原子激發(fā)出來的復(fù)雜過程。

概述

在電極間加一高電壓，電極間隙內(nèi)為低氣壓的氣體，可激發(fā)產(chǎn)生等離子體，一旦等離子體形成，等離子體內(nèi)的離子將被加速向帶負(fù)電的陰極運(yùn)動，它們轟擊表面，釋放出二次電子，這些電子被加速，離開陰極。在從陰極向陽極運(yùn)動的過程中，電子會與中性粒子碰撞，如果傳遞的能量足夠高，原子將被離化，并且產(chǎn)生的離子將加速移向陰極，將帶有電荷的離子在電場中加速后與靶材料表面的原子碰撞使后者濺射出來并沿一定的方向射向襯底，從而實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。濺射產(chǎn)額：

被濺射出來的原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，是衡量濺射效率的參數(shù)。影響因素：入射離子能量有一閾值，提高—平緩—下降—離子注入。入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類一般采用Ar離子作為入射離子。離子入射角度濺射工作原理——直流濺射特點(diǎn)：可以淀積多種合金和化合物，化學(xué)成份容易控制，沉積層對襯底的附著力較好。并有較好的臺階覆蓋性，輻射缺陷少。純度比蒸發(fā)法低。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用在硅工藝中。

濺射腔靶材濺射工作原理——離子束濺射a、b—正向和大角度直接碰撞散射；c、d—碰撞和通道效應(yīng)引起的離子注入；e—多級碰撞散射；f—表面多原子散射；g—表面吸附雜質(zhì)的去除和表面活化；h—表面原子濺射位移；i、j—濺射和原子位移誘發(fā)空位；k—吸附雜質(zhì)的注入；l—薄膜物質(zhì)原子的自注入；m、n—表面擴(kuò)散和濺射引起的空位填充；o—抑制島狀組織生長臺階覆蓋濺射具有良好的臺階覆蓋能力是由于：

1.有較高的壓力和較高的淀積原子的入射能量2.進(jìn)行襯底加熱，增強(qiáng)表面擴(kuò)散，可以更顯著改善臺階覆蓋。準(zhǔn)直濺射濺射鍍膜的基本原理：濺射是轟擊粒子與靶原子之間動量傳遞的結(jié)果濺射：荷能粒子轟擊固體表面，當(dāng)表面原子獲得足夠大的動能而脫離固體表面，從而產(chǎn)生表面原子的濺射。直流輝光放電區(qū)域可分為8個(gè)發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。實(shí)際鍍膜過程采用異常輝光放電。（１）入射離子的產(chǎn)生：（２）濺射主要參數(shù)：濺射閾值：將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值。與入射離子的種類關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。金屬元素離子濺射閾值/eV元素升華熱/eVNeArKrXeTi222017184.40Cr222218205.28Fe222025234.12Cu171716153.53Zr232218256.14Ag121515173.35Au202020183.90入射離子轟擊靶材時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶材打出的原子數(shù)。

入射離子能量影響：＜150eV，平方關(guān)系；150eV-10keV，變化不大；＞10keV，下降。濺射產(chǎn)額：入射離子的種類影響：濺射產(chǎn)額隨入射原子序數(shù)增加而周期性增加。NeArKrXe離子入射角度的影響：材料（靶材）特性的影響：靶材溫度的影響：表面氧化的影響：合金化的影響：濺射產(chǎn)額（0.01-4）之間SputteringYieldforargonionbombardmentat600eV能量呈麥克斯韋分布，平均在10eV左右。濺射原子能量與靶材、入射離子種類和能量有關(guān)。Z大濺射原子逸出時(shí)能量高，Z小逸出的速度高。同轟擊能量下，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而線形增加。濺射原子平均逸出能量隨入射離子能量的增加而增大，達(dá)到某一高值時(shí)，平均能量趨于恒定。濺射原子能量和速度：濺射沉積方法：濺射方法根據(jù)特征可分為：直流濺射、射頻濺射、磁控濺射和反應(yīng)濺射。I-Vcharacteristicsofthreedifferentmethodsusedforsputtering①傳統(tǒng)濺射方法缺點(diǎn)：垂直方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運(yùn)動軌跡，提高電子與氣體分子的碰撞幾率和電離過程。（１）磁控濺射：沉積速率低；工作氣壓高；氣體分子對薄膜污染高②磁控濺射原理：③磁控濺射靶材：永磁體磁控濺射靶：

Nd-Fe-B永磁體（簡單經(jīng)濟(jì)、鐵磁性材料濺射效率低）勵(lì)磁磁控濺射靶：勵(lì)磁線圈、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可濺射鐵磁材料平面靶和圓柱形靶通過減小或增大靶中心的磁體體積，使部分磁力線發(fā)散到距靶較遠(yuǎn)的襯底附近，使等離子體擴(kuò)展到襯底附近且部分等離子體起轟擊襯底作用。拓展等離子體區(qū)域；增加離子比例；增加沉積能量。④非平衡磁控濺射：帕邢（Paschen）曲線降低工作氣壓，可到0.5Pa左右；電離效率高，提高了靶電流密度和濺射效率，降低靶電壓；離子電流密度高，是射頻濺射的10-100倍；不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁性材料的低溫高速濺射；靶材濺射不均勻、靶材利用率低。⑤磁控濺射特征：（２）反應(yīng)濺射：在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體形成化合物（氮化物、碳化物、氧化物）。靶中毒：反應(yīng)氣體與靶反應(yīng)，在靶表面形成化合物；沉積膜的成分不同于靶材；化合物靶材濺射后，組元成分（氧、氮）含量下降，補(bǔ)償反應(yīng)氣體；調(diào)整氬氣和反應(yīng)氣體分壓，可控制化合物薄膜的組成、沉積速率和薄膜性能。①反應(yīng)濺射特征：②靶中毒現(xiàn)象：

取決于金屬與反應(yīng)氣體的結(jié)合特性及形成化合物表層的性質(zhì)。降低薄膜沉積速率，化合物的濺射產(chǎn)額低于金屬的濺射產(chǎn)額。③降低靶中毒措施：將反應(yīng)氣體輸入位置遠(yuǎn)離靶材靠近襯底。提高靶材濺射速率，降低活性氣體的吸附。采用中頻或脈沖濺射。反應(yīng)濺射的回線圖④反應(yīng)濺射應(yīng)用：ZnO薄膜氧氣（３）反應(yīng)磁控濺射：有機(jī)結(jié)合反應(yīng)濺射和磁控濺射特征Zn靶氧化鋅薄膜制備方法：反應(yīng)磁控濺射實(shí)例——濺射法制備ZnO薄膜：（１）結(jié)構(gòu)：閃鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO晶胞含有四個(gè)原子，其中兩個(gè)Zn占據(jù)(0,0,0)和(1/3,2/3,1/2)位置；而氧占據(jù)(0,0,3/8)和(1/3,2/3,7/8)位置；晶格常數(shù)a=0.324nm，c=0.519nm。

具有較大的耦合系數(shù)而作為一種壓電材料；響應(yīng)時(shí)間快、感應(yīng)能力強(qiáng)而應(yīng)用于光學(xué)傳感器；經(jīng)Al或Ga元素?fù)诫s后，同時(shí)具有良好的可見光透過性和類金屬的電導(dǎo)率而用做透明導(dǎo)電薄膜；用Li或Mg摻雜的ZnO可作為鐵電材料；ZnO與Mn元素合金化后是一種具有磁性的半導(dǎo)體材料；大面積高質(zhì)量的單晶ZnO可以作為藍(lán)色光和紫外光的激光發(fā)射器。（２）性能與應(yīng)用：方法和步驟（1）超聲波清洗器清洗玻璃基片。（2）安裝Zn靶。（3）玻璃基片放入沉積室里面的樣品臺上。（4）檢查水源、氣源和電源，打開冷卻循環(huán)水。（5）抽真空與測量真空度。 機(jī)械泵＋分子泵抽真空； 熱偶真空計(jì)＋電離真空計(jì)。（6）關(guān)閉分子泵，機(jī)械泵仍然工作，開始通入Ar和O2氣體。（7）沉積ZnO薄膜