薄膜物理 第3章濺射法

1、第3章 薄膜的物理氣相沉積（2）濺射法 被濺射出來(lái)的原子被濺射出來(lái)的原子 E0 , M1, Z1 本章主要內(nèi)容： 3.1 濺射物理的發(fā)展史 3.2 氣體放電現(xiàn)象 3.3 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 3.4 濺射裝置 3.1 濺射物理的發(fā)展史濺射物理的發(fā)展史 1853年年Grove就觀察到了濺射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在氣體放電室的就觀察到了濺射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在氣體放電室的 器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成 份完全相同。但當(dāng)時(shí)他并不知道產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物理原因份完全相同。但當(dāng)時(shí)他并不知道產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物理原因 。 1902年，年，Goldstein 才指出產(chǎn)生

2、這種濺射現(xiàn)象的原因是才指出產(chǎn)生這種濺射現(xiàn)象的原因是 由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的，并且他由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的，并且他 完成了第一個(gè)離子束濺射實(shí)驗(yàn)。完成了第一個(gè)離子束濺射實(shí)驗(yàn)。 返 回 到了到了1960年以后，人們開(kāi)始重視對(duì)濺射現(xiàn)象的研究，其年以后，人們開(kāi)始重視對(duì)濺射現(xiàn)象的研究，其 原因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理原因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理 過(guò)程直接相關(guān)，而且它具有重要的應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆過(guò)程直接相關(guān)，而且它具有重要的應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆 的器壁保護(hù)、表面分析技術(shù)及薄膜制備等都涉及到濺射現(xiàn)的器壁保護(hù)、表面分析技術(shù)及薄

3、膜制備等都涉及到濺射現(xiàn) 象。象。 1969年，年，Sigmund 在總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)工作的在總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)工作的 基礎(chǔ)上，對(duì)基礎(chǔ)上，對(duì)Thompson的理論工作進(jìn)行了推廣，的理論工作進(jìn)行了推廣， 建立了原子線性級(jí)聯(lián)碰撞的理論模型，并由此得建立了原子線性級(jí)聯(lián)碰撞的理論模型，并由此得 到了原子濺射產(chǎn)額的公式。到了原子濺射產(chǎn)額的公式。 1974年年，H.H. Andersen 和和H. L. Bay 研究研究 （實(shí)驗(yàn)）了低能重離子輻照固體表面，可以產(chǎn)生（實(shí)驗(yàn)）了低能重離子輻照固體表面，可以產(chǎn)生 非線性濺射現(xiàn)象，通常稱(chēng)為非線性濺射現(xiàn)象，通常稱(chēng)為“熱釘扎熱釘扎” (thermalized spike)

4、 效應(yīng)。效應(yīng)。 3.2 氣體放電現(xiàn)象氣體放電現(xiàn)象 在討論氣體放電現(xiàn)象之前，我們 先考思一下直流電場(chǎng)作用下物質(zhì)的濺射現(xiàn) 象。如圖3.1所示真空系統(tǒng)，在對(duì)系統(tǒng)抽 真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬 氣。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，產(chǎn)生氬離 子和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，電子在電場(chǎng)作 用下飛向陽(yáng)極，氬離子則在電場(chǎng)作用下加 速飛向陰極靶材料，高速撞擊靶材料， 使大量的靶材料表面原子獲得相當(dāng)高的能 量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。 氣體放電是離子濺射過(guò)程的基礎(chǔ)，下面簡(jiǎn)單討論一下氣體放 電過(guò)程。設(shè)有如圖3.2a那樣的一個(gè)直流氣體放電體系。 開(kāi)始：開(kāi)始：電極間無(wú)電流通過(guò)，氣體原子

5、多處于中性，只有少量的電離粒 子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成極微弱的電流。 隨電壓升高：隨電壓升高：電離粒子的運(yùn)動(dòng)速度加快，則電流隨電壓而上升，當(dāng)粒 子的速度達(dá)飽和時(shí)，電流也達(dá)到一個(gè)飽和值，不再增加（見(jiàn)第一個(gè) 垂線段）； 湯生放電：湯生放電：電壓繼續(xù)升高，離子與陰極靶材料之 間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來(lái)，同時(shí)外 電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極 產(chǎn)生二次電子，參與與氣體分子碰撞，并使氣體分 子繼續(xù)電離，產(chǎn)生新的離子和電子。這時(shí)，放電電 流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱(chēng)為 湯生放電。 湯生放電后期稱(chēng)為電暈放電。 輝光放電：輝光放電：湯生放電后，氣體會(huì)突然發(fā)生電擊穿現(xiàn)象

6、。 此時(shí)，氣體具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，稱(chēng)這種具有一定 導(dǎo)電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電 電壓卻有所下降。導(dǎo)電粒子大量增加，能量轉(zhuǎn)移也足 夠大，放電氣體會(huì)發(fā)生明顯的輝光。電流不斷增大， 輝光區(qū)擴(kuò)大到整個(gè)放電長(zhǎng)度上，電壓有所回升，輝光 的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，可提供面積大、 分布均勻的等離子體。 弧光放電：弧光放電：電壓大幅下降，電流大幅增加，產(chǎn)生弧光 放電，電弧放電斑點(diǎn)，陰極局部溫度大幅升高，陰極 自身會(huì)發(fā)生熱蒸發(fā)。返 回 3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 圖圖3.7（教材第（教材第58頁(yè)）頁(yè)）示意性地畫(huà)出了在離子轟擊條件下，固體表面 可能發(fā)生的一系列的物理過(guò)程，濺射僅是離

7、子對(duì)物體表面轟擊時(shí) 可能發(fā)生的物理過(guò)程之一。當(dāng)離子入射到靶材料上時(shí)，對(duì)于濺射 過(guò)程來(lái)說(shuō)比較重要的現(xiàn)象有兩個(gè)，其一是物質(zhì)的濺射，其二則是 電子的發(fā)射。而后者在電場(chǎng)的作用下獲得能量，進(jìn)而參與氣體分 子的碰撞，并維持氣體的輝光放電過(guò)程。物質(zhì)原子的濺射是這一 小節(jié)重點(diǎn)討論的內(nèi)容 1 濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額 （1）濺射產(chǎn)額的定義）濺射產(chǎn)額的定義 濺射過(guò)程可以用濺射產(chǎn)額這個(gè)物理量來(lái)定量地描述，其定義為平均每入濺射過(guò)程可以用濺射產(chǎn)額這個(gè)物理量來(lái)定量地描述，其定義為平均每入 射一個(gè)粒子從靶表面濺射出來(lái)的原子數(shù)，即射一個(gè)粒子從靶表面濺射出來(lái)的原子數(shù)，即 每入射一個(gè)粒子 濺射出來(lái)的原子數(shù) Y 濺射產(chǎn)額同樣可以表述為濺射

8、出來(lái)的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，濺濺射產(chǎn)額同樣可以表述為濺射出來(lái)的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，濺 射產(chǎn)額依賴(lài)于靶材料的結(jié)構(gòu)、成份及表面形貌，同時(shí)還與入射離子的能量、射產(chǎn)額依賴(lài)于靶材料的結(jié)構(gòu)、成份及表面形貌，同時(shí)還與入射離子的能量、 電荷態(tài)和種類(lèi)有關(guān)。電荷態(tài)和種類(lèi)有關(guān)。 （2）濺射產(chǎn)額的影響因素濺射產(chǎn)額的影響因素 a、入射離子能量、入射離子能量 入射離子的能量大小對(duì)物質(zhì)的濺射產(chǎn)額有很大的影響，如圖入射離子的能量大小對(duì)物質(zhì)的濺射產(chǎn)額有很大的影響，如圖3.9所示。所示。 （a) 各種物質(zhì)都有自已的濺射閾值，大部分金屬的濺射閾值在各種物質(zhì)都有自已的濺射閾值，大部分金屬的濺射閾值在1040eV

9、，只有只有 當(dāng)入射離子的能量超過(guò)這個(gè)閾值，才會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)該物質(zhì)表面原子的濺射。物質(zhì)當(dāng)入射離子的能量超過(guò)這個(gè)閾值，才會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)該物質(zhì)表面原子的濺射。物質(zhì) 的濺射閾值與它的升華熱有一定的比例關(guān)系。的濺射閾值與它的升華熱有一定的比例關(guān)系。表表3.1是各種金屬在不同入射離是各種金屬在不同入射離 子的情況下的濺射閾值和升華熱的數(shù)據(jù)。子的情況下的濺射閾值和升華熱的數(shù)據(jù)。 (b) 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。左右的時(shí)候趨于平緩。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時(shí)，濺

10、射產(chǎn)額反而下降。 如下圖如下圖 圖 3.9 b、入射離子種類(lèi)和被濺射物質(zhì)種類(lèi)、入射離子種類(lèi)和被濺射物質(zhì)種類(lèi) 入射離子種類(lèi)和被濺射物質(zhì)種類(lèi)對(duì)物質(zhì)的濺射產(chǎn)額也有很大的影響。入射離子種類(lèi)和被濺射物質(zhì)種類(lèi)對(duì)物質(zhì)的濺射產(chǎn)額也有很大的影響。 （a）圖）圖3.10a是在加速電壓為是在加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質(zhì)的離子入射的情況下，各種物質(zhì)的 濺射產(chǎn)額的變化情況。易知，濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性。濺射產(chǎn)額的變化情況。易知，濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性。 圖圖3.10 （b）圖）圖3.10b是在是在45kV加速電壓條件下各種入射離子轟擊加速電壓條件下各種入射離子轟擊Ag表面時(shí)得到表面時(shí)得到 的濺

11、射產(chǎn)額隨離子的原子序數(shù)的變化。易知，重離子惰性氣體作為入射離的濺射產(chǎn)額隨離子的原子序數(shù)的變化。易知，重離子惰性氣體作為入射離 子時(shí)的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子。但是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，多數(shù)情況下子時(shí)的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子。但是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，多數(shù)情況下 均采用均采用Ar離子作為薄膜濺射沉積時(shí)的入射離子。離子作為薄膜濺射沉積時(shí)的入射離子。 c、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響 圖圖3.12圖圖3.11 （b）在濺射過(guò)程中，濺射產(chǎn)額隨粒子的運(yùn)動(dòng)方）在濺射過(guò)程中，濺射產(chǎn)額隨粒子的運(yùn)動(dòng)方 向呈現(xiàn)如圖向呈現(xiàn)如圖3.12所示的欠余弦分布，即在表面法所示的欠余弦分布，即在表面法

12、線方向上濺射的產(chǎn)額稍低。尤其是當(dāng)入射離子能線方向上濺射的產(chǎn)額稍低。尤其是當(dāng)入射離子能 量較低時(shí)，這種欠余弦分布的特征更為明顯。量較低時(shí)，這種欠余弦分布的特征更為明顯。 （a）隨著離子入射方向與靶面法線間夾角）隨著離子入射方向與靶面法線間夾角的的 增加，濺射產(chǎn)額先呈現(xiàn)增加，濺射產(chǎn)額先呈現(xiàn)1/cos 規(guī)律的增加，規(guī)律的增加， 即傾斜入射有利于提高濺射產(chǎn)額。當(dāng)入射角即傾斜入射有利于提高濺射產(chǎn)額。當(dāng)入射角接接 近近80度角時(shí)，產(chǎn)額迅速下降。離子入射角對(duì)濺度角時(shí)，產(chǎn)額迅速下降。離子入射角對(duì)濺 射產(chǎn)額的影響如圖射產(chǎn)額的影響如圖3.11。 d、靶材溫度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響、靶材溫度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響 在一定的溫度

13、范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系不大。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)到一定水平后，濺射產(chǎn)額會(huì)發(fā)生急劇的上升。但是，當(dāng)溫度達(dá)到一定水平后，濺射產(chǎn)額會(huì)發(fā)生急劇的上升。 原因可能與溫度升高之后，物質(zhì)中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閾值原因可能與溫度升高之后，物質(zhì)中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閾值 減小有關(guān)。因此在實(shí)際薄膜沉積過(guò)程中，均需要控制濺射功率及濺射減小有關(guān)。因此在實(shí)際薄膜沉積過(guò)程中，均需要控制濺射功率及濺射 靶材的溫升。靶材的溫升。 圖圖3.13 （教材第（教材第63頁(yè)）是在頁(yè)）是在45keV的的Xe離子入射的情況下，多種物質(zhì)的離子入射的情況下，多種物質(zhì)

14、的 濺射產(chǎn)額的變化規(guī)律。濺射產(chǎn)額的變化規(guī)律。 2 合金的濺射與沉積合金的濺射與沉積 （1）合金的濺射）合金的濺射 與蒸發(fā)法相比，合金的濺射法最大的優(yōu)點(diǎn)就是：與蒸發(fā)法相比，合金的濺射法最大的優(yōu)點(diǎn)就是： 易保證所制備的薄膜成份與靶材料成份基本一致。易保證所制備的薄膜成份與靶材料成份基本一致。 原因：原因：a、不同元素的濺射產(chǎn)額相差較小，而不同元素的平衡蒸氣壓、不同元素的濺射產(chǎn)額相差較小，而不同元素的平衡蒸氣壓 相差太大；相差太大； b、更重要的是，蒸發(fā)源處于熔融狀態(tài)，易形成擴(kuò)散甚至對(duì)、更重要的是，蒸發(fā)源處于熔融狀態(tài)，易形成擴(kuò)散甚至對(duì) 流，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的自發(fā)均勻化的傾向，這將導(dǎo)致被蒸發(fā)物質(zhì)的表面流

15、，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的自發(fā)均勻化的傾向，這將導(dǎo)致被蒸發(fā)物質(zhì)的表面 成分持續(xù)變動(dòng)；相比之下，濺射過(guò)程中靶物質(zhì)的擴(kuò)散能力很弱。由于濺成分持續(xù)變動(dòng)；相比之下，濺射過(guò)程中靶物質(zhì)的擴(kuò)散能力很弱。由于濺 射產(chǎn)額差別而造成的靶材表面成分的偏差很快就會(huì)使靶材表面成分趨于射產(chǎn)額差別而造成的靶材表面成分的偏差很快就會(huì)使靶材表面成分趨于 某一平衡成分，從而在隨后的濺射過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)一種成分的自動(dòng)補(bǔ)償效某一平衡成分，從而在隨后的濺射過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)一種成分的自動(dòng)補(bǔ)償效 應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)貧化，濺射速率下降；濺射產(chǎn)額低的元素富集，應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)貧化，濺射速率下降；濺射產(chǎn)額低的元素富集， 濺射速率上升。最終的結(jié)果是，盡管靶

16、材表面成分已經(jīng)改變，但濺射出濺射速率上升。最終的結(jié)果是，盡管靶材表面成分已經(jīng)改變，但濺射出 的物的物 質(zhì)的成分卻與靶材的原始成分相同。質(zhì)的成分卻與靶材的原始成分相同。 例如，對(duì)于成分為例如，對(duì)于成分為80%Ni-20%Fe的合金靶，的合金靶，1keV的的Ar+離子濺射，濺射產(chǎn)離子濺射，濺射產(chǎn) 額分別為：額分別為：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的預(yù)濺射之后，靶材表。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的預(yù)濺射之后，靶材表 面的成分比將逐漸變?yōu)槊娴某煞直葘⒅饾u變?yōu)镹i/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即，即70.2%Ni-29.8%Fe。 在這之后，濺射的成分能夠保證沉積出合適成分的薄膜

17、。在這之后，濺射的成分能夠保證沉積出合適成分的薄膜。 （2）濺射法的主要特點(diǎn)）濺射法的主要特點(diǎn) 與蒸發(fā)法相比，合金的濺射法最大的主要特點(diǎn)有： a 、在濺射過(guò)程中入射離子與靶材之間有很大的能量傳遞，因 此濺射出的原子將從中獲得很大的能量，在沉積時(shí)，高能量 的原子對(duì)襯底的撞擊提高了原子自身在薄膜表面的擴(kuò)散能力， 使薄膜的組織更致密、附著力也得到明顯改善。當(dāng)然這也會(huì) 引起襯底溫度的升高。 b、制備合金薄膜時(shí)，成分的控制性能好。 c、濺射靶材可以是極難熔的材料。因此，濺射法可以方便地 用于高熔點(diǎn)物質(zhì)的濺射和薄膜的制備。 d、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。 我們將在反應(yīng)濺射這一節(jié)中討

18、論。 e、有助于改善薄膜對(duì)于復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜 表面的粗糙度。 表3.2是從沉積原理方面對(duì)濺射和蒸發(fā)這兩種薄膜制備方法 進(jìn)行的總結(jié)與比較 返 回 3.4 濺射沉積裝置濺射沉積裝置 靶材：靶材：純金屬、合金通過(guò)冶煉或粉末冶金法制備，純度及致密性較好。 化 合 物粉末熱壓法制備，純度及致密性較差。 主要濺射法： 直流濺射 射頻濺射 磁控濺射 離子束濺射 其他濺射法 1 直流濺射直流濺射 直流濺射又稱(chēng)陰極濺射或二極濺射，適用直流濺射又稱(chēng)陰極濺射或二極濺射，適用 于導(dǎo)電性較好各類(lèi)合金薄膜。于導(dǎo)電性較好各類(lèi)合金薄膜。 （1）直流濺射設(shè)備）直流濺射設(shè)備(如右圖）如右圖） （2）直流濺射的基本

19、原理：）直流濺射的基本原理： 在對(duì)系統(tǒng)抽真空后，充入一定在對(duì)系統(tǒng)抽真空后，充入一定 壓力的惰性氣體，如氬氣。在正壓力的惰性氣體，如氬氣。在正 負(fù)電極間外加電壓的作用下，電負(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，極間的氣體原子將被大量電離， 產(chǎn)生氬離子和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電產(chǎn)生氬離子和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電 子，電子在電場(chǎng)作用下飛向陽(yáng)極，子，電子在電場(chǎng)作用下飛向陽(yáng)極， 氬離子則在電場(chǎng)作用下加速飛向氬離子則在電場(chǎng)作用下加速飛向 陰極陰極靶材料，高速撞擊靶材料，靶材料，高速撞擊靶材料， 使大量的靶材料表面原子獲得相使大量的靶材料表面原子獲得相 當(dāng)高的能量而脫離靶材料的束縛當(dāng)高的能量而脫離靶材

20、料的束縛 飛向襯底。飛向襯底。 （3）濺射條件：工作氣壓）濺射條件：工作氣壓10Pa，濺射電，濺射電 壓壓000V，靶電流密度，靶電流密度0.5mA/cm2,薄膜薄膜 沉積率低于沉積率低于0.1m/min。 （4）工作氣壓對(duì)濺射速率的影響）工作氣壓對(duì)濺射速率的影響 氣壓低，電子自由程較長(zhǎng)，通過(guò)碰氣壓低，電子自由程較長(zhǎng)，通過(guò)碰 撞而引起的氣體分子電離的幾率較低，撞而引起的氣體分子電離的幾率較低， 同時(shí)離子在陽(yáng)極上濺射時(shí)發(fā)出二次電同時(shí)離子在陽(yáng)極上濺射時(shí)發(fā)出二次電 子的幾率也相對(duì)較小。這些導(dǎo)致濺射子的幾率也相對(duì)較小。這些導(dǎo)致濺射 速率很低；速率很低； 隨氣壓升高，濺射速率提高；隨氣壓升高，濺射速率提

21、高； 氣壓過(guò)高時(shí)，濺射出來(lái)的原子在飛氣壓過(guò)高時(shí)，濺射出來(lái)的原子在飛 向襯底的過(guò)程中受過(guò)多的散射，部分向襯底的過(guò)程中受過(guò)多的散射，部分 濺射原子甚至被散射回靶材表面沉積濺射原子甚至被散射回靶材表面沉積 下來(lái)，因此濺射速率反而下降。下來(lái)，因此濺射速率反而下降。 圖圖3.16 （5）工作氣壓對(duì)薄膜質(zhì)量的影響）工作氣壓對(duì)薄膜質(zhì)量的影響 濺射氣壓較低時(shí)，入射到襯底表面的原子沒(méi)有經(jīng)過(guò)很多次碰撞，因而其能量濺射氣壓較低時(shí)，入射到襯底表面的原子沒(méi)有經(jīng)過(guò)很多次碰撞，因而其能量 較高，這有利于提高沉積時(shí)原子的擴(kuò)散能力，提高沉積組織的致密度。較高，這有利于提高沉積時(shí)原子的擴(kuò)散能力，提高沉積組織的致密度。 濺射氣壓的

22、提高使得入射原子的能量降低，這不利于薄膜組織的致密化。濺射氣壓的提高使得入射原子的能量降低，這不利于薄膜組織的致密化。 （6）直流濺射裝置的缺點(diǎn)）直流濺射裝置的缺點(diǎn) 不能獨(dú)立控制各個(gè)工藝參數(shù)，如陰極電壓、電流以及濺射氣壓；不能獨(dú)立控制各個(gè)工藝參數(shù)，如陰極電壓、電流以及濺射氣壓； 使用的氣壓較高（使用的氣壓較高（10Pa左右），濺射速率低，薄膜質(zhì)量（致密度、純度）差。左右），濺射速率低，薄膜質(zhì)量（致密度、純度）差。 （7）直流濺射裝置的改進(jìn)）直流濺射裝置的改進(jìn) 如圖如圖3.17所示（教材第所示（教材第70頁(yè)）。在直流二極濺射的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)發(fā)射電子頁(yè)）。在直流二極濺射的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)發(fā)射電子

23、 的熱陰極和一個(gè)輔助陽(yáng)極，構(gòu)成三極（或稱(chēng)四極）濺射裝置。的熱陰極和一個(gè)輔助陽(yáng)極，構(gòu)成三極（或稱(chēng)四極）濺射裝置。 特點(diǎn)：由于熱陰極發(fā)射電子的能力較強(qiáng)，特點(diǎn)：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水平上，這因而放電氣壓可以維持在較低水平上，這 對(duì)于提高沉積速率、減少氣體污染等都是對(duì)于提高沉積速率、減少氣體污染等都是 有利的。此時(shí)提高輔助陽(yáng)極的電流密度即有利的。此時(shí)提高輔助陽(yáng)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，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)而轟擊靶材的離子流又可以得到獨(dú)立的調(diào) 節(jié)。節(jié)。 缺點(diǎn)：難于獲得大面積且分布均勻

24、的等離子體，缺點(diǎn)：難于獲得大面積且分布均勻的等離子體， 且在提高薄膜沉積速率方面的能力有限。且在提高薄膜沉積速率方面的能力有限。 2 射頻濺射射頻濺射 適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法。 （1）射頻濺射設(shè)備（如圖）射頻濺射設(shè)備（如圖3.18a） （2）射頻濺射的基本原理）射頻濺射的基本原理 兩極間接上射頻（兩極間接上射頻（530MHz，國(guó)際上多采用美國(guó)國(guó)際上多采用美國(guó) 聯(lián)邦通訊委員會(huì)（聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）建議的）建議的13.56MHz）電源后，兩極）電源后，兩極 間等離子體中不斷振蕩運(yùn)動(dòng)的電子從高頻電場(chǎng)中獲得足夠的間等離子體中不斷振

25、蕩運(yùn)動(dòng)的電子從高頻電場(chǎng)中獲得足夠的 能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使后者電離，產(chǎn)能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使后者電離，產(chǎn) 生大量的離子和電子，此時(shí)不再需要在高壓下（生大量的離子和電子，此時(shí)不再需要在高壓下（10Pa左右）左右） 產(chǎn)生二次電子來(lái)維持放電過(guò)程，射頻濺射可以在低壓（產(chǎn)生二次電子來(lái)維持放電過(guò)程，射頻濺射可以在低壓（ 1Pa 左右）下進(jìn)行，沉積速率也因此時(shí)氣體散射少而較二極濺射左右）下進(jìn)行，沉積速率也因此時(shí)氣體散射少而較二極濺射 為高；高頻電場(chǎng)可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進(jìn)入沉積室，而為高；高頻電場(chǎng)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)體；由于射

26、頻方法可以在靶材上不必再要求電極一定要是導(dǎo)體；由于射頻方法可以在靶材上 產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場(chǎng)作用的同時(shí)，靶材會(huì)自動(dòng)處產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場(chǎng)作用的同時(shí)，靶材會(huì)自動(dòng)處 于一個(gè)較大的負(fù)電位下，從而導(dǎo)致氣體離子對(duì)其產(chǎn)生自發(fā)的于一個(gè)較大的負(fù)電位下，從而導(dǎo)致氣體離子對(duì)其產(chǎn)生自發(fā)的 轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對(duì)其產(chǎn)轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對(duì)其產(chǎn) 生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過(guò)程。生的轟擊和濺射可以忽略，將主要是沉積過(guò)程。 如何理解射頻電場(chǎng)對(duì)于靶材的自偏壓效應(yīng)？如何理解射頻電場(chǎng)對(duì)于靶材的自偏壓效應(yīng)？ 由于電子的運(yùn)動(dòng)速度比離子的速度大得多，因而相對(duì)

27、于等離子體來(lái)說(shuō)，由于電子的運(yùn)動(dòng)速度比離子的速度大得多，因而相對(duì)于等離子體來(lái)說(shuō)， 等離子體近旁的任何部位都處于負(fù)電位。等離子體近旁的任何部位都處于負(fù)電位。 設(shè)想一個(gè)電極上開(kāi)始并沒(méi)有任何電荷積累。在射頻電壓的驅(qū)動(dòng)下，它設(shè)想一個(gè)電極上開(kāi)始并沒(méi)有任何電荷積累。在射頻電壓的驅(qū)動(dòng)下，它 既可作為陽(yáng)極接受電子，又可作為陰極接受離子。在一個(gè)正半周期中，電極既可作為陽(yáng)極接受電子，又可作為陰極接受離子。在一個(gè)正半周期中，電極 將接受大量電子，并使其自身帶有負(fù)電荷。在緊接著的負(fù)半周期中，它又將將接受大量電子，并使其自身帶有負(fù)電荷。在緊接著的負(fù)半周期中，它又將 接受少量運(yùn)動(dòng)速度較慢的離子，使其所帶負(fù)電荷被中和一部分。

28、經(jīng)過(guò)這樣幾接受少量運(yùn)動(dòng)速度較慢的離子，使其所帶負(fù)電荷被中和一部分。經(jīng)過(guò)這樣幾 個(gè)周期后，電極上將帶有一定數(shù)量的負(fù)電荷而對(duì)等離子體呈現(xiàn)一定的負(fù)電位。個(gè)周期后，電極上將帶有一定數(shù)量的負(fù)電荷而對(duì)等離子體呈現(xiàn)一定的負(fù)電位。 （此負(fù)電位對(duì)電子產(chǎn)生排斥作用，使電極此后接受的正負(fù)電荷數(shù)目相等）（此負(fù)電位對(duì)電子產(chǎn)生排斥作用，使電極此后接受的正負(fù)電荷數(shù)目相等） 設(shè)等離子電位為設(shè)等離子電位為Vp（為正值），則接地的真空室（包含襯底）電極（為正值），則接地的真空室（包含襯底）電極 （電位為（電位為0）對(duì)等離子的電位差為）對(duì)等離子的電位差為-Vp，設(shè)靶電極的電位為，設(shè)靶電極的電位為Vc（是一個(gè)負(fù)值），（是一個(gè)負(fù)值），

29、 則靶電極相對(duì)于等離子體的電位差為則靶電極相對(duì)于等離子體的電位差為Vc-Vp。 |Vc-Vp|幅值要遠(yuǎn)大于幅值要遠(yuǎn)大于| -Vp|。因因 此，這一較大的電位差使靶電極實(shí)際上處在一個(gè)負(fù)偏壓之下，它驅(qū)使等離子此，這一較大的電位差使靶電極實(shí)際上處在一個(gè)負(fù)偏壓之下，它驅(qū)使等離子 體在加速后撞擊靶電極，從而對(duì)靶材形成持續(xù)的濺射。書(shū)中從電極面積的非體在加速后撞擊靶電極，從而對(duì)靶材形成持續(xù)的濺射。書(shū)中從電極面積的非 對(duì)稱(chēng)性角度同樣解釋了不同電極相對(duì)于等離子體處不同負(fù)電位的原因，見(jiàn)對(duì)稱(chēng)性角度同樣解釋了不同電極相對(duì)于等離子體處不同負(fù)電位的原因，見(jiàn)P73 第四段落。第四段落。 （3）濺射條件：工作氣壓）濺射條件：

30、工作氣壓1.0Pa，濺射電壓，濺射電壓1000V，靶電流密，靶電流密 度度1.0mA/cm2,薄膜沉積速率低于薄膜沉積速率低于0.5m/min。 （）射頻濺射法的特點(diǎn)（）射頻濺射法的特點(diǎn) a、能夠產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，達(dá)到對(duì)靶材的轟擊濺射，并沉、能夠產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，達(dá)到對(duì)靶材的轟擊濺射，并沉 積在襯底上；積在襯底上； b、自發(fā)產(chǎn)生負(fù)偏壓的過(guò)程與所用靶材是否是導(dǎo)體無(wú)關(guān)。、自發(fā)產(chǎn)生負(fù)偏壓的過(guò)程與所用靶材是否是導(dǎo)體無(wú)關(guān)。 但是，在靶材是金屬導(dǎo)體的情況下，電源須經(jīng)電容耦合至靶但是，在靶材是金屬導(dǎo)體的情況下，電源須經(jīng)電容耦合至靶 材，以隔絕電荷流通的路徑，從而形成自偏壓；材，以隔絕電荷流通的路徑，從而形成自偏

31、壓； c、與直流濺射時(shí)的情況相比，射頻濺射法由于可以將能、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(duì)應(yīng)的量直接耦合給等離子體中的電子，因而其工作氣壓和對(duì)應(yīng)的 靶電壓較低。靶電壓較低。 相對(duì)于蒸發(fā)沉積來(lái)說(shuō)，一般的濺射沉積方法具有的兩個(gè)缺點(diǎn)： a、沉積速率較蒸發(fā)法低； b、所需工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長(zhǎng)，放電現(xiàn)象不易維持。 從而導(dǎo)致薄膜被污染的可能性較高。磁控濺射法則因?yàn)槠涑练e速率磁控濺射法則因?yàn)槠涑练e速率 較高（比其他濺射法高出一個(gè)數(shù)量級(jí)），工作氣體壓力較低而具有獨(dú)特較高（比其他濺射法高出一個(gè)數(shù)量級(jí)），工作氣體壓力較低而具有獨(dú)特

32、的優(yōu)越性。的優(yōu)越性。 （1）磁控濺射的基本原理）磁控濺射的基本原理 當(dāng)電子在正交電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運(yùn)動(dòng)將由當(dāng)電子在正交電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到洛侖茲力的影響，電子的運(yùn)動(dòng)將由 直線運(yùn)動(dòng)變成擺線運(yùn)動(dòng)，如圖所示。電子將可以被約束在靶材表面附近，延長(zhǎng)直線運(yùn)動(dòng)變成擺線運(yùn)動(dòng)，如圖所示。電子將可以被約束在靶材表面附近，延長(zhǎng) 其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過(guò)程的幾率。這其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過(guò)程的幾率。這 樣，既可以降低濺射過(guò)程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效率和沉積速率。樣，既可以降低濺射過(guò)程的氣體壓力，也可以顯著提高濺射效

33、率和沉積速率。 磁控濺射磁控濺射 （2）磁控濺射設(shè)備）磁控濺射設(shè)備 根據(jù)靶材形狀不同，磁控濺射可以有許多形式，常用的主要有：平面磁控靶、根據(jù)靶材形狀不同，磁控濺射可以有許多形式，常用的主要有：平面磁控靶、 圓柱磁控靶。圓柱磁控靶。 a、平面磁控靶、平面磁控靶 b、圓柱磁控靶、圓柱磁控靶 這里用的是電磁線圈，書(shū)中用這里用的是電磁線圈，書(shū)中用 的是永磁鐵來(lái)提供磁場(chǎng)。的是永磁鐵來(lái)提供磁場(chǎng)。 （）磁控濺射的特點(diǎn)（）磁控濺射的特點(diǎn) a、工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性；、工作氣壓低，沉積速率高，且降低了薄膜污染的可能性； b、維持放電所需的靶電壓低；、維持放電所需的靶電壓低； c、電子對(duì)

34、襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度；、電子對(duì)襯底的轟擊能量小，可以減少襯底損傷，降低沉積溫度； d、空易實(shí)現(xiàn)在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。、空易實(shí)現(xiàn)在塑料等襯底上的薄膜低溫沉積。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：a、對(duì)靶材的濺射不均勻；、對(duì)靶材的濺射不均勻； b、不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁、不適合鐵磁材料的濺射，如果鐵磁 材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無(wú)磁力線通過(guò)；材料，則少有漏磁，等離子體內(nèi)無(wú)磁力線通過(guò)； （）磁控濺射法的改進(jìn)（）磁控濺射法的改進(jìn) 保持適度的離子對(duì)襯底的轟擊效應(yīng)，保持適度的離子對(duì)襯底的轟擊效應(yīng)， 以提高薄膜的質(zhì)量：附著力、致密度等。以提高薄膜的質(zhì)量：附著力、致密度等。 a、采用非平衡磁控濺射法，有意識(shí)、采用非平衡磁控濺射法，有意識(shí) 地增大（或減?。┌兄行牡拇朋w體積，造成地增大（或減?。┌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，這部分磁力線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的襯底附近，這 時(shí)等離子體的作用擴(kuò)展到了襯底附近，而部時(shí)等離子體的作用擴(kuò)展到了襯底附近，而部 分電子被加速射向襯底，同時(shí)在此過(guò)程中造分電子被加速射向襯底，同時(shí)在此過(guò)程中造 成氣體分子