北京科技大學(xué) 濺射鍍膜技術(shù)

1、北京科技大學(xué)材料科學(xué)學(xué)院 唐偉忠 Tel: 6233 4144 E-mail: 課件下載網(wǎng)址： wztang_ 下 載 密 碼： 12345678 n 利用帶電荷的陽離子在電場中加速后具 有一定動能的特點，將離子引向欲被濺 射的物質(zhì)制成的靶電極（陰極） n 入射離子在與靶面原子的碰撞過程中， 通過動量的轉(zhuǎn)移，將后者濺射出來 n 這些被濺射出來的原子將沿著一定的方 向射向襯底，從而實現(xiàn)物質(zhì)的PVD沉積 濺射法制備薄膜的物理過程 靶材是要濺射的材料，它作為陰極, 相對于真空室內(nèi)其他部 分處于負(fù)電位。陽極可以是接地的，也可以是浮動的 n以適當(dāng)壓力（10-110Pa）的惰性氣體（一般均為 Ar）作為放

2、電氣體（與PVD的真空蒸發(fā)時不同） n在正負(fù)電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體 原子將被雪崩式地電離，形成可以獨立運動的 Ar+離子和電子。電子加速飛向陽極，而帶正電 荷的Ar+離子則在電場的作用下加速飛向作為陰 極的靶材，并發(fā)生靶物質(zhì)的濺射過程 n氣體放電現(xiàn)象是發(fā)生物質(zhì)濺射過程的基礎(chǔ) 在陰陽兩極間，由電動勢為E的直流電源提供靶 電壓V 和靶電流 I，并以電阻R 作為限流電阻 在兩極之間存在電位差時，氣體分子將因電離過程而分 解為電子和離子。離子轟擊陰極將引發(fā)二次電子發(fā)射。陰極 發(fā)射出來的電子在獲得能量以后將會與等離子體中的分子碰 撞，造成后者的激發(fā)和離化，形成新的電子與離子，使放電 過程得

3、以持續(xù)進(jìn)行。 A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609658 放電曲線分為： n 湯生放電段（氣體分子開始出現(xiàn)電離） n 輝光放電段（產(chǎn)生大面積輝光等離子體） n 弧光放電段（產(chǎn)生高密度弧光等離子體） = 只有當(dāng) Pd 取一定數(shù)值時，氣體才最容易維持輝光放電 d 10cm時，P 10Pa 放電擊穿后，氣體即成為具有一定導(dǎo) 電能力的等離子體，它是一種由離子、電 子及中性原子、原子團(tuán)組成，而宏觀上對 外呈現(xiàn)電中性的物質(zhì)存在形式。 相應(yīng)于輝光和弧光放電，就有了輝光 放電等離子體和弧光放電等離子體。 n 典型輝光放電等離

4、子體的粒子密度 1014/cm3， 即氣體中，只有約 10-4 比例的電子和離子 n 電子質(zhì)量小，其電場中的加速快，電子的平均動 能Ee 2eV，相當(dāng)于電子溫度Te =Ee/k 23000K n 電子、離子質(zhì)量差別大，導(dǎo)致離子及中性原子處 于低能態(tài)，如 300500K n 電子是等離子體中主要的能量攜帶者 n 電子、離子具有極不相同的速度： 電子 va=(8kTe/m)1/2 9.5105 m/s Ar+離子 約5102 m/s 等離子體中電子碰撞參與的主要微觀過程 微觀過程表達(dá)式 電子與氣體分子的彈性碰撞 電子與氣體分子的非彈性碰撞 激發(fā) 分解 電離 XY+eXY+e （使氣體分子的動能增加

5、） XY+eXY*+e XY+eX+Y+e XY+e XY+2e （使氣體分子的內(nèi)能增加） 高能量的電子與其他粒子間的相互碰撞是等離子體 從外界獲得能量的方式 n 等離子體鞘層：任何處于等離子體中或其附近的 物體的外側(cè)都將伴隨有正電荷的積累 n 鞘層電位：相對于等離子體來講，任何處于等離 子體中或其附近的物體都將自動地處于一個負(fù)電 位 電子與離子具有不同速度的一個直接后果是產(chǎn) 生等離子體鞘層以及鞘層電位： 鞘層電位可由電子能量分布為 麥克斯韋分布的假設(shè)求出： 2 1 e e p ) m3 . 2 m ln( e kT V Vp的變化范圍不大，約等于電子溫度Te的4-6倍，10V 鞘層 兩極間的

6、電壓降幾乎全部集中在陰極鞘層中：因為負(fù)電極力圖吸 引的是正離子，但后者的質(zhì)量大，被加速的能力弱，加速較難 陰極鞘層 n 陰極鞘層電位的建立使到達(dá)陰極的Ar+離 子均要經(jīng)過相應(yīng)的加速而獲得相應(yīng)的能量 (102 eV 數(shù)量級)，即轟擊陰極的離子具有 很高的能量，它使陰極物質(zhì)發(fā)生濺射現(xiàn)象 n 濺射僅是離子轟擊物體表面時發(fā)生的物理 現(xiàn)象之一，其相對的重要性取決于入射離 子的種類與能量。幾十至幾十千eV是物質(zhì) 濺射所對應(yīng)的離子能量范圍 a) Single knock-on b)Linear cascade c) High energy spike 不同微觀過程所導(dǎo)致的濺射效率是不一樣的 n濺射產(chǎn)額是是衡

7、量濺射過程效率的一個參數(shù)： 被濺射出來的物質(zhì)總原子數(shù) 濺射產(chǎn)額 S = 入射離子數(shù) n靶材濺射過程釋放出的各種粒子中，主要是單 個的原子，以及少量的原子團(tuán)；離子所占的比 例只有1-10% n使物質(zhì)發(fā)生濺射的能量存在一定的閾值E0；每 種物質(zhì)的濺射閾值與被濺射物質(zhì)的升華熱成比 例。金屬的濺射能量閾值多在1040eV之間 濺射能量有其 閾值 最佳濺射能量區(qū)間 n 元素的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)周期性的變化 n 惰性氣體的濺射產(chǎn)額較高；從經(jīng)濟(jì)性方面考慮, 多使用 Ar 作為濺射氣體 C的濺射 Ar+的濺射 （參見濺射產(chǎn)額的欠余弦分布） 濺射產(chǎn)額隨的溫度變化也有對應(yīng)的閾值 不同于熱蒸發(fā)時的余弦分布 平均能量？ n

8、 濺射過程中的能量傳遞使濺射出來的原子 將具有很大的動能，一般分布在5 20eV之 間，其平均能量約為10eV n 這是濺射過程區(qū)別于熱蒸發(fā)過程的顯著特 點之一。熱蒸發(fā)時，原子的平均動能只有 0.1eV n濺射法易于保證所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶 材的成分相一致，這是它與蒸發(fā)法的另一區(qū)別 。其原因有二： n如，對成分為80%Ni-20%Fe的合金靶來說， 1keV的Ar+離子濺射產(chǎn)額為：Ni：2.2，F(xiàn)e：1.3 。但適當(dāng)?shù)念A(yù)濺射后，其表面開始富Fe，即仍 能保證沉積出合適成分的合金薄膜 p與不同元素在平衡蒸氣壓方面的巨大差異相比， 元素濺射產(chǎn)額間的差別較小，只有0.1-10 p濺射過程中靶物

9、質(zhì)處于固態(tài)，其擴(kuò)散能力較弱； 濺射產(chǎn)額差別造成的靶材表面成分的偏離在隨后 的濺射過程中會實現(xiàn)自動的補(bǔ)償 濺射法在應(yīng)用于化合物濺射時，有兩個重要的問 題： n許多化合物的導(dǎo)電性較差；如何實現(xiàn)其濺射過 程？ n化合物在濺射過程中，其成分又是如何變化的 ？會不會發(fā)生化合物的分解？ 關(guān)于這兩點，我們在稍后一些介紹 u 直流濺射（即二極濺射） u 三極、四極濺射 u 磁控濺射 u 射頻濺射 u 偏壓濺射 u 反應(yīng)濺射 u 中頻孿生靶濺射和脈沖濺射 u 離子束濺射 u 陰極是要濺射的靶材, 陽極即是真空室 u Ar 壓力 10Pa u 電壓上千伏 u低壓時等離子體密度低，濺射速率低 u高壓時氣體分子對濺射

10、粒子的散射嚴(yán)重，濺射速率低 沉積的效率 放電電流 二極濺射有兩個缺點： n 不能獨立控制各個工藝參量：電壓、電流 及濺射氣壓 n 氣體壓力較高（10Pa左右），濺射速率較 低（0.5m/hr）。這不利于減少雜質(zhì)污染 及提高濺射效率 在二極濺射的基礎(chǔ)上, 增加一個發(fā)射電子的熱陰 極，即構(gòu)成了三極濺射裝置。它有助于克服上 述兩個問題 其優(yōu)點是: 可獨立調(diào)節(jié)參數(shù)，降低氣體壓力，提高濺射效率 _ 第四極 _ 第三極 n 上述的直流濺射方法要求靶材具有好的導(dǎo)電性，否 則靶上電荷積累，會造成靶電流過小，靶電壓過高 n 射頻濺射是適用于導(dǎo)體、非導(dǎo)體靶材的濺射方法 射頻濺射多使用13.56MHz 頻率的射頻電

11、源 ？ u 電容C 將射頻能量耦合至靶電極，而地電極則包括了襯底和真 空室，即放電系統(tǒng)具有非對稱的電極配置： 靶電極面積 地電極面積 u “電容耦合”指兩電極間形成了一等效電容，將能量耦合至體 系 與直流時相比，射頻放電過程有兩個顯著的變化： u高頻電場已可經(jīng)其他阻抗形式（電容C）耦合 到靶上，而不必要求靶材是導(dǎo)體。電極在前半 周期內(nèi)積累的電荷將會在下半周期內(nèi)得到釋放 u在射頻頻率下，惰性較大的離子已跟不上電場 的高速變化，而只能感受到平均的電位分布； 而惰性較小的電子，可以緊跟電場的周期變化 在兩極間振蕩運動，從電場中獲得能量，使氣 體分子電離和轟擊電極產(chǎn)生二次電子 n 射頻電源的采用使放電

12、過程擺脫了對靶材導(dǎo)電性的 限制 n 但：靶物質(zhì)如何在交變電場的作用下被濺射的呢？ 使射頻方法可被用來產(chǎn)生物質(zhì)濺射效應(yīng)的根本 原因是它可在靶上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)自偏壓效應(yīng)，即在射頻激勵 之下，靶電極會自動地處于一個負(fù)電位，它導(dǎo)致離 子受到吸引，對靶電極造成轟擊和濺射 電子、離子間巨大的質(zhì)量（速度）差異是自偏 壓得以產(chǎn)生的根本原因；通過電容電容C 的能量耦合方的能量耦合方 式式和電極面積差電極面積差是獲得適當(dāng)幅度自偏壓的必要條件 A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609658 激勵電壓 射頻極的 電位 自偏壓(電容電壓降

13、) u 在射頻激勵下，正半周內(nèi)高速電子將迅速涌入，使電極 電位迅速降低；負(fù)半周內(nèi)慢速離子少量涌入將使電位少 量回升 u 最終，電極將獲得一個負(fù)電位，以抑制電子的持續(xù)涌入 大電容,小電流 耦合電容C 使電極與電源間不能有實際的電流 流過；電容C 的負(fù)端和靶電極被充上負(fù)電荷后，使 其不再傾向于接受電子，即它將使靶電極調(diào)整到相 應(yīng)的負(fù)電位，使其后它每個周期內(nèi)吸納的電子、離 子的數(shù)量趨于相抵 靶電極獲得的這一負(fù)電位,即是靶電極上產(chǎn)生的 自偏壓 系統(tǒng)可被描述為一個由電容、電阻、二極管組 成的體系；二極管描述了其單向?qū)щ姷奶匦?，電?描述其能量耗散特性 自偏壓產(chǎn)生后，電極維持于一個負(fù)電位，以排斥電子 的涌

14、入；電極在正半周內(nèi)接受的電子與負(fù)半周內(nèi)接受 的離子數(shù)相等，使平均電流為零 電流的波形 電壓的波形 電子-離子運動的速度 差異使電極的電流-電 壓特性就象一只二極管 負(fù)偏壓 n 因此，面積較小的靶電極將擁有較高的自偏壓 n 兩極及其間的等離 子體還可以被看成 是兩個串聯(lián)的電容 ，其中 “靶電極 電容” 因靶面積 小而較小，而 “ 地電極電容” 因 電極面積大而較大 。電容電壓降V 與 電極面積A 成反比 ，即： u Vc-Vp 射頻極對等離子體的電位差 u Vp-0地電極對等離子體的電位差 u 即，濺射極產(chǎn)生的自偏壓 Vb O 等離子體電位 地電位 射頻極的電位 自偏壓 離子電 流脈沖 直流時情

15、況 根據(jù)電極面積比、電 源連接方式 (經(jīng)電容 C) 的不同，可以有 不同的偏壓效果 （左）面積小的射頻電極將擁有較高的自偏壓 （右）而對稱配置的一對電極將因為會受到等量的離子轟擊，因而 會造成濺射污染（特別是氣壓低、氣體分子散射不嚴(yán)重時） 射頻極射頻極 平均電位 平均電位 n 靶電極上的自偏壓將吸引離子，造成射頻靶 的濺射，使非導(dǎo)體靶的濺射成為可能 n 自偏壓的大小取決于靶面積比、外加射頻電 壓的高低、氣體的種類與壓力等。射頻濺射 時，自偏壓一般為1001000V，氣體壓力 1100Pa, 電子密度1091011/cm3 n 真空室壁感受到的自偏壓較小，受到離子轟 擊和濺射的效應(yīng)很小，可以被忽

16、略 n 出于同樣的道理，在襯底或薄膜（可以是導(dǎo)出于同樣的道理，在襯底或薄膜（可以是導(dǎo) 體和非導(dǎo)體）上施加一射頻電源，也可以起體和非導(dǎo)體）上施加一射頻電源，也可以起 到對其施加負(fù)偏壓的作用到對其施加負(fù)偏壓的作用 早期的(非磁控的)濺射方法有兩大缺點： n 濺射沉積薄膜的速率較低（1m/h） n 濺射所需的氣壓較高，否則放電現(xiàn)象不易 維持 兩者導(dǎo)致污染幾率增加，濺射效率低下 解決的辦法：磁控濺射 電子在電場E、磁場B中將受到洛侖茲力作用 F=-q(E+vB) 若E、B相互垂直，則電子的軌跡將是既沿電場方向 加速，同時繞磁場方向螺旋前進(jìn)的復(fù)雜曲線。即靶 表面垂直E方向的磁力線可將電子約束在靶表面附近

17、 ，延長其運動軌跡，提高其參與氣體電離過程的幾 率，降低濺射過程的氣體壓力，提高濺射效率 E、B 相互平行 E、B 相互垂直 形成一條濺射帶，使靶的利用率低；不宜于鐵磁性物質(zhì)的濺射 在E與B相垂直的地方，電子密度高，因為這里電子軌跡被延長 u 可提高靶的 利用率 u 但靶的制造 較為困難 u 氣壓可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染傾向； u 沉積速率高（可大于10m/hr）、效率大大提高。 磁控濺射的上述優(yōu)點，使其成為了濺射法技術(shù)的主流。 射頻濺射的靶電流 高于直流濺射，而 磁控濺射的靶電流 又高于射頻濺射 n 磁控濺射還具有可將等離子體約束于靶附近，離 子對薄膜的轟擊作用小的特點；這對于希

18、望減少 薄膜損傷、降低沉積溫度的場合來說是有利的 n 但有時，又希望保持適度的離子對薄膜的轟擊效 應(yīng)。這時，可借助所謂的非平衡磁控濺射方法 n 非平衡磁控濺射靶有意減?。ɑ蚣哟螅┝税兄行?的磁體體積，使部分磁力線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的地 方 n 非平衡磁控濺射時，等離子體的作用范圍擴(kuò)展到 了薄膜附近，引起該處氣體分子電離和部分離子 轟擊薄膜表面 有意減小（或加大）靶中心的磁體強(qiáng)度，使部分磁力 線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的地方 n 在一般濺射裝置的基礎(chǔ)上，將襯底的電位與接地 陽極（真空室）的電位分開設(shè)置，在襯底與等離 子體之間有意識地施加一偏置電壓，吸引部分離 子轟擊薄膜的方法。有時，這種方法又被稱為濺 射離子

19、鍍 n 通常，負(fù)偏壓的大小控制在數(shù)百伏之內(nèi)。偏壓濺 射是改善薄膜組織及性能的常用手段 偏壓直流濺射和偏壓射頻濺射制備的Ta薄膜顯示了類似的 結(jié)果，表明偏壓對薄膜組織及電阻率的影響遵循著一種普遍的 內(nèi)在規(guī)律 n 制備化合物薄膜時，可以直接使用化合物作為靶 材。但有時化合物濺射會發(fā)生化合物分解的情況 ，使沉積的薄膜在成分上與靶材有很大的差別 n 上述現(xiàn)象的原因是濺射環(huán)境中相應(yīng)元素的分壓低 于形成相應(yīng)化合物所需的壓力。因此，解決問題 的辦法是調(diào)整氣體的組成和壓力，通入相應(yīng)的活 性氣體，抑制化合物的分解 n 進(jìn)一步，也可采用純金屬作濺射靶，但在工作氣 體中混入適量的反應(yīng)氣體（如O2、N2、NH3、 C

20、H4、H2S等），在濺射沉積的同時生成所需的化 合物。上述的濺射技術(shù)被稱為反應(yīng)濺射方法反應(yīng)濺射方法 利用反應(yīng)濺射方法可以制備 n 氧化物，如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2 n 碳化物，如SiC、WC、TiC n 氮化物，如TiN、AlN、Si3N4 n 硫化物，如CdS、ZnS、CuS n 復(fù)合化合物，如碳氮化物Ti(C,N)、Al(O,N) 反應(yīng)濺射由于采用了金屬靶材，因而它可以： p 大大降低靶材的制造成本 p 有效改善靶材和薄膜的純度 通過控制活性氣體N2的壓力，可控制沉積產(chǎn)物的成分與 性能。如反應(yīng)濺射沉積TaN時，可形成的相包括Ta、Ta2N、 TaN 以及它們的混合物 n

21、 隨著活性氣體壓力的增加，靶材表面也要形成 一層相應(yīng)的化合物,并導(dǎo)致濺射和薄膜沉積速 率的變化 n 化合物的濺射產(chǎn)額一般低于金屬，即濺射效率 會下降。這時，靶材上活性氣體的吸附速率已 經(jīng)大于或等于其濺射速率；大量的入射離子不 是在對靶進(jìn)行濺射，而是在濺射不斷吸附到靶 上的氣體，并大量產(chǎn)生二次電子的發(fā)射 n 上述濺射特征的變化呈現(xiàn)出滯后的特征。只有 當(dāng)活性氣體的流量降低至更低的水平時，濺射 效率才會提高到原來的水平。變化前后的濺射 模式被稱為金屬態(tài)的濺射和化合物態(tài)的濺射金屬態(tài)的濺射和化合物態(tài)的濺射 從提高濺射效率的角度考慮，希望在保證薄膜成分的同 時，盡量將濺射過程控制在曲線的 E 點附近。 金

22、屬態(tài)的 濺射 化合物態(tài)的 濺射 靶電流與Al靶396nm光發(fā)射譜線強(qiáng)度的變化 O2流量增加時, 光強(qiáng)度先降低, 后靶電流大增; O2流量再增加時, 光強(qiáng)度和靶電流都增加; 其后光 強(qiáng)度大降, 同時氣體放電顏色由紅變?yōu)榫G A. Schutze, D.T. Quinto / Surface and Coatings Technology 162 (2003) 174182 金屬態(tài)的 濺射 化合物態(tài)的 濺射 n 更嚴(yán)重的是，陽極上生成化合物,導(dǎo)致陽極不能 再接受電子即出現(xiàn) 陽極消失 現(xiàn)象, 以 至濺射過程不能穩(wěn)定進(jìn)行 n 同時,靶面上形成的化合物會使得靶面上發(fā)生電 荷積累、不時引起電弧放電，損害靶材

23、與薄膜 上述反應(yīng)濺射特有的靶上形成化合物的現(xiàn)象被稱 為 “靶中毒” 現(xiàn)象 n 靶中毒不僅會降低薄膜的沉積速度，而且也會 損害靶和薄膜，它對濺射工藝的控制提出了嚴(yán) 格的要求 n 避免靶材中毒的可能措施包括： u 將反應(yīng)氣體的輸入位置盡量設(shè)置在遠(yuǎn)離靶 材而靠近襯底的地方，提高活性氣體的利 用效率，抑制其與靶材表面反應(yīng)的進(jìn)行 u 提高反應(yīng)氣體的活性，以降低其所需的壓 力 (使用高活性氣體/等離子體) u 提高靶材的濺射速率，降低活性氣體吸附 的相對影響 u 中頻孿生靶濺射和脈沖濺射中頻孿生靶濺射和脈沖濺射 (象射頻濺射) n 導(dǎo)致靶中毒問題出現(xiàn)的原因在于靶材與陽極表面 出現(xiàn)化合物層和電荷積累 n 顯

24、然，若可以每隔一段時間讓靶及陽極表面積累 的電荷得以釋放的話，就可避免靶面打火等現(xiàn)象 的出現(xiàn) n 因此，解決的辦法之一: 可采取對濺射靶周期地 施加交變電壓的方法，不斷提供釋放靶電荷的機(jī) 會 針對靶表面的電荷積累，可估計靶面電弧擊穿 ”打 火” 現(xiàn)象出現(xiàn)的時間間隔。設(shè)相應(yīng)化合物層的介電 常數(shù)與擊穿場強(qiáng)為 r 和 Eb ，轟擊靶面的離子流密 度為 J，從電荷開始積累到發(fā)生放電擊穿的時間間 隔大致等于 J E t brb b 以反應(yīng)濺射SiO2為例，設(shè)靶面濺射區(qū)離子流密度為1mA/cm2， SiO2的Eb=3105V/cm，介電常數(shù)r=3.7，則放電現(xiàn)象發(fā)生的時 間間隔約等于tb=100s。因此，

25、電荷釋放所需要的放電頻率應(yīng) 該高于10kHz 在中頻濺射的情況下，靶材周期性地處于高電位和 低電位 n低電位時，靶材在被離子被濺射的同時，正電 荷積累下來 n高電位時，等離子體中的電子迅速涌入, 中和 掉靶材表面積累的電荷，抑制了靶材表面的打 火現(xiàn)象 目前, 反應(yīng)濺射多使用 n 頻率為 10-150kHz 的正弦波中頻電源 n 頻率為 10-70kHz 的脈沖電源 中頻濺射法常使用兩個并列的靶、即孿生靶，它們各 自與中頻電源的一端相連，并與整個的真空室相絕緣 。兩靶交替作為陰極和陽極, 分別被離子所濺射 中頻濺射法使化合物濺射的工業(yè)化不再成為問題 U. Krause et al.Thin So

26、lid Films 392(2001)196200 脈沖濺射法使用的是矩形波式的脈沖電源 n 在負(fù)脈沖期間，靶材處于被濺射的狀態(tài) n 在正脈沖期間，靶材表面積累的電荷將由于電 子的迅速流入而得到中和 脈沖濺射法也可以使用與中頻濺射法時類似的孿生 靶 為保持高的濺射速率，同時也由于電子的速度遠(yuǎn)高于 離子的速度，因此正脈沖的寬度可以遠(yuǎn)小于負(fù)脈沖的 寬度 中頻濺射和脈沖濺射法統(tǒng)稱為交流濺射法。它克服 了困擾反應(yīng)濺射技術(shù)的靶電極電荷積累問題，因而 靶材毒化的問題不再是妨害反應(yīng)濺射過程進(jìn)行的限 制性因素。這大大促進(jìn)了化合物薄膜材料制備技術(shù) 的發(fā)展，因而已在實際生產(chǎn)中迅速獲得了推廣與使 用。 可以理解，脈

27、沖濺射與中頻濺射兩種濺射方法在克 服濺射靶材表面電荷積累方面的作用是相同的，因 而它們也具有相同的優(yōu)點，即抑制靶中毒和打火現(xiàn) 象發(fā)生、穩(wěn)定并提高薄膜的沉積速率與質(zhì)量。 中頻孿生靶磁控濺射法制備的 各種化合物薄膜的相對沉積速率 薄膜種類與直流磁控濺射法相比的相對沉積速率 SiO2 Si3N4 TiO2 Ta2O5 SnO2 6 2 6 2 2 中頻孿生靶可以穩(wěn)定運行，意味著可以使用更高的功率水平 和獲得高的沉積速率 (a)直流和(b)脈沖反應(yīng)濺射法制備的Al2O3涂層的 斷面形貌 與中頻孿生靶類似，脈沖濺射可大大改善薄膜的質(zhì)量 直流和脈沖反應(yīng)濺射制備的 Al2O3涂層的光學(xué)透過率曲線 n 一般的

28、濺射方法多是將靶、薄膜置于輝光放電 環(huán)境中，氣體壓力一般在0.1-10Pa之間。其缺 點是薄膜沉積過程處于等離子體中，這造成 n 離子束濺射方法與此不同，它將離子的產(chǎn)生與 靶的濺射過程相分開。離子產(chǎn)生區(qū)的真空度保 持在0.1Pa的數(shù)量級，而濺射區(qū)的真空度則可 維持在低于10-3Pa（甚至可達(dá)10-7Pa） u 離子能量、強(qiáng)度不能精確控制 u 氣體雜質(zhì)的污染 u 等離子體轟擊導(dǎo)致薄膜溫度上升 u 會產(chǎn)生電子、離子轟擊損傷 離子束以一定的角度轟擊靶材并濺射出其表層的原子。在靶材 不導(dǎo)電時，需要在離子槍外或是在靶材的表面附近，用直接對 離子束提供電子的方法，中和離子束所攜帶的電荷。 較高的真空度 較

29、低的真空度 由于濺射的原子攜帶有一定的能量，因而有助于改善薄膜表 面的平整度和覆蓋能力 (雖然仍有陰影效應(yīng)) n 值得注意的是，上述的各種濺射方法一般不具有 排他性，而是可以有機(jī)地綜合在一起被使用 n 如磁控濺射： 可以是 直流磁控濺射 也可以是 射頻磁控濺射 n 又如反應(yīng)濺射：可以是 孿生靶反應(yīng)磁控濺射 也可以是 脈沖反應(yīng)磁控濺射 n 其中，磁控濺射已成為標(biāo)準(zhǔn)的薄膜濺射沉積方法磁控濺射已成為標(biāo)準(zhǔn)的薄膜濺射沉積方法 濺射法蒸鍍法 沉積氣相的產(chǎn)生過程 1.離子轟擊和碰撞動量轉(zhuǎn)移機(jī)制 2.較高的濺射原子能量（ 230eV） 3.稍低的沉積速率 4.濺射原子的運動具方向性 5.可保證合金成分，但有的

30、化合 物有分解傾向 6.靶材純度隨材料種類而變化 1.原子的熱蒸發(fā)機(jī)制 2.低的原子動能（溫度1200K時約 為0.1eV） 3.較高的蒸發(fā)速率 4.蒸發(fā)原子的運動具方向性 5.蒸發(fā)時會發(fā)生元素的貧化或富集 ，部分化合物有分解傾向 6.蒸發(fā)源純度可較高 濺射法蒸鍍法 氣相過程 1.工作壓力稍高 2.原子的平均自由程小于靶與 襯底間距，原子沉積前要經(jīng) 過多次碰撞 1.高真空環(huán)境 2.蒸發(fā)原子不經(jīng)碰撞直接在襯底上 沉積 薄膜的沉積過程 1.沉積原子具有較高能量 2.沉積過程會引入部分氣體雜 質(zhì) 1.沉積原子能量較低 2.氣體雜質(zhì)含量低 例一：CdTe/CdS 太陽能電池 A. Bosio et a

31、l. / Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 275 52 (2006) 247e279 電池的層狀結(jié)構(gòu)： u 襯底：普通堿性窗玻璃 u 前電極： ITO500nm u 隔離層： ZnO100nm u 透光層：CdS80 nm u 吸收層：CdTe4-6 m u 后電極：Sb2Te3100 nm u 金屬電極：Mo100 nm n-type p-type XPS方法測量獲得的CdTe/CdS電池的能帶圖 u 具有較寬禁帶寬度的n-CdS 是透光層，而p-CdTe是光的 吸收層 u 兩者之間形成p-n結(jié) W.

32、Diehl et al. / Surface & Coatings Technology 332 193 (2005) 329334 The group of Dr. A. Klein 射頻磁控濺射法制備的 CdS、CdTe薄膜的光學(xué)透過率曲線 H. Hernandez-Contreras et al. / Thin Solid Films 403 404 (2002) 148152 兩種薄膜對可見光具有不同的吸收特性 CdTe/CdS 太陽能電池板的生產(chǎn)流程 A. Bosio et al. / Progress in Crystal Growth and Characterization o

33、f Materials 275 52 (2006) 247e279 u 傳送帶將玻璃襯底送入各真空室，加工成太陽能電池板后 離開生產(chǎn)線。 u 生產(chǎn)能力： 兩分鐘加工一塊0.61.2m2 的電池板 u 生產(chǎn)成本： 1 Euro/ Watt u 主要的薄膜沉積方法: 濺射 u 玻璃清洗與干燥 u 400C，O2氣氛中磁控反應(yīng)濺射法制備ITO 電極層 u 室溫下，第一次激光切割 u 250C，Ar+CHF3氣氛中磁控反應(yīng)濺射CdS u 500C， CSS法制備CdTe u 400C，可控氣氛及真空熱處理 u 室溫下，第二次激光切割 u 300C，磁控濺射制備 Sb2Te3/Mo電極層 u 第三次激光切割 CdTe/CdS 太陽能電池板的生產(chǎn)流程 CdTe/C