各種濺射法的比較

主要的濺射方法：直流濺射，射頻濺射，磁控濺射，反應(yīng)濺射。一 直流濺射又稱陰極濺射或二極濺射濺射條件：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0.1mm/min。工作原理：先讓惰性氣體（通常為Ar氣）產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象產(chǎn)生帶電的離子；帶電離子緊電場加速撞擊靶材表面，使靶材原子被轟擊而飛出來，同時(shí)產(chǎn)生二次電子，再次撞擊氣體原子從而形成更多的帶電離子；靶材原子攜帶著足夠的動(dòng)能到達(dá)被鍍物（襯底）的表面進(jìn)行沉積。隨著氣壓的變化，濺射法薄膜沉積速率將出現(xiàn)一個(gè)極大值，但氣壓很低的條件下，電子的自由程較長，電子在陰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，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)致低氣壓條件下濺射的速率很低。在壓力1Pa時(shí)甚至不易維持自持放電！隨著氣壓的升高，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，濺射速率增加。改進(jìn)：三極濺射工作條件：工作氣壓0.5pa，濺射電壓1500V，靶電流密度2.0 mA/cm2，薄膜沉積速率0.3mm/min。三級濺射的缺點(diǎn)：難于獲得大面積的且分布均勻的等離子體，且其提高薄膜沉積速率的能力有限，二 射頻濺射定義：射頻濺射是利用射頻放電等離子體中的正離子轟擊靶材、濺射出靶材原子從而沉積在接地的基板表面的技術(shù)。工作原理：人們將直流電源換成交流電源。由于交流電源的正負(fù)性發(fā)生周期交替，當(dāng)濺射靶處于正半周時(shí)，電子流向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且積累電子，使其表面呈現(xiàn)負(fù)偏壓，導(dǎo)致在射頻電壓的負(fù)半周期時(shí)吸引正離子轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)濺射。由于離子比電子質(zhì)量大，遷移率小，不像電子那樣很快地向靶表面集中，所以靶表面的點(diǎn)位上升緩慢，由于在靶上會形成負(fù)偏壓，所以射頻濺射裝置也可以濺射導(dǎo)體靶。在射頻濺射裝置中，等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量并在電場內(nèi)振蕩，因此，電子與工作氣體分子碰撞并使之電離產(chǎn)生離子的概率變大，故使得擊穿電壓、放電電壓及工作氣壓顯著降低。工作條件：射頻濺射可以在1Pa左右的低壓下進(jìn)行，濺射電壓1000V，靶電流密度1.0 mA/cm2，薄膜沉積速率0.5mm/min。優(yōu)點(diǎn)：1、可在低氣壓下進(jìn)行，濺射速率高。2、不僅可濺射金屬靶，也可濺射絕緣靶，可以把導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體中的任意材料薄膜化。3、必須十分注意接地問題。三 磁控濺射工作原理：電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。磁控濺射一般分為直流濺射和射頻濺射，其中直流濺射設(shè)備原理簡單，在濺射金屬是速率較快。而射頻濺射的適用范圍更廣泛，除可濺射到導(dǎo)電材料外，也可濺射非導(dǎo)電的材料，同時(shí)還可進(jìn)行反應(yīng)濺射制備氧化物、氮化物和碳化物等化合物。優(yōu)點(diǎn)：沉積速度較高，工作氣體壓力較低，由于在濺射裝置中引入磁場，既可以降低濺射過程的氣體壓力，也可以在同樣的電流和氣壓的條件下顯著的提高濺射速率！濺射速率高的原因：1磁場中電子的電離效率較高，有效的提高了靶電流密度和濺射效率；2在較低的氣壓下濺射原子被氣體分子散射的幾率較小。缺點(diǎn)：對靶材的濺射不均勻，不適合于鐵磁性材料的濺射。四 反應(yīng)濺射定義：反應(yīng)濺射是指在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材會與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物(如氮化物或氧化物)，在惰性氣體濺射化合物靶材時(shí)由于化學(xué)不穩(wěn)定性往往導(dǎo)致薄膜較靶材少一個(gè)或更多組分，此時(shí)如果加上反應(yīng)氣體可以補(bǔ)償所缺少的組分，或者采用純金屬作為靶材，在工作氣體中混入適量的活性氣體如O2 N2 NH3 CH4等方法，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，這種濺射稱為反應(yīng)濺射。優(yōu)點(diǎn)：彌補(bǔ)了普通濺射法制備化合物薄膜時(shí)化學(xué)成分與靶材有很大差別的缺點(diǎn)：隨著活性氣體壓力的增加，靶材表面也可能形成一層相應(yīng)的化合物，并導(dǎo)致濺射和薄膜沉積速率的降低，稱為靶中毒。PVD：利用某物理過程，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移過程。CVD：利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。在完整的單晶襯底上延續(xù)生長單晶薄膜的方法被稱為外延生長。陰影效應(yīng)：蒸發(fā)出來的物質(zhì)將被障礙物阻擋而不能沉積到襯底上。害處：破壞薄膜沉積的均勻性、受到蒸發(fā)源方向性限制，造成某些位置沒有物質(zhì)沉積。利用：目的性使用一定形狀的掩膜，實(shí)現(xiàn)薄膜選擇性的沉積。單質(zhì)、化合物蒸發(fā)存在的問題及解決：成分偏差，易于蒸發(fā)的組元優(yōu)先蒸發(fā)將造成該組元的不斷貧化，進(jìn)而蒸發(fā)率不斷下降。解決: 1,使用較多的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，即盡量減少組元成分的相對變化率。2，向蒸發(fā)源不斷少量添加被蒸發(fā)物質(zhì)（