薄膜制備技術(shù)濺射技術(shù)

1、8.2 濺射技術(shù)濺射技術(shù)一、等離子體和輝光放電一、等離子體和輝光放電濺射一般是在輝光放電過(guò)程中產(chǎn)生的，輝光放濺射一般是在輝光放電過(guò)程中產(chǎn)生的，輝光放電是濺射技術(shù)的基礎(chǔ)。電是濺射技術(shù)的基礎(chǔ)。輝光放電：真空度為輝光放電：真空度為10-110-2 Torr，兩電極間加高，兩電極間加高壓，產(chǎn)生輝光放電。壓，產(chǎn)生輝光放電。電流電壓之間不是線性關(guān)系，電流電壓之間不是線性關(guān)系，不服從歐姆定律。不服從歐姆定律。直直流流輝輝光光放放電電伏伏安安特特性性曲曲線線A-B:電流小，主要是游離狀態(tài)的電子，離子電流小，主要是游離狀態(tài)的電子，離子導(dǎo)電；電子原子碰撞為彈性碰撞；導(dǎo)電；電子原子碰撞為彈性碰撞；B-C: 增加電壓

2、，粒子能量增加，達(dá)到電離所增加電壓，粒子能量增加，達(dá)到電離所需能量；碰撞產(chǎn)生更多的帶電粒子；電需能量；碰撞產(chǎn)生更多的帶電粒子；電源的輸出阻抗限制電壓源的輸出阻抗限制電壓(類(lèi)似穩(wěn)壓源類(lèi)似穩(wěn)壓源)。暗光放電暗光放電湯遜放電湯遜放電過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)正常放電正常放電弧光放電弧光放電非自持放電非自持放電C-D: 起輝（雪崩）；離子轟擊產(chǎn)生二次電子，起輝（雪崩）；離子轟擊產(chǎn)生二次電子，電流迅速增大，極板間壓降突然減小電流迅速增大，極板間壓降突然減小(極板極板間電阻減小從而使分壓下降間電阻減小從而使分壓下降)；D-E: 電流與極板形狀、面積、氣體種類(lèi)相關(guān)，與電流與極板形狀、面積、氣體種類(lèi)相關(guān)，與電壓無(wú)關(guān)；電壓無(wú)

3、關(guān)；隨電流增大，離子轟擊區(qū)域增大隨電流增大，離子轟擊區(qū)域增大；極板間電壓幾乎不變；可在較低電壓下維持極板間電壓幾乎不變；可在較低電壓下維持放電；放電；E-F: 異常輝光放電區(qū)；電流隨電壓增大而增大；異常輝光放電區(qū)；電流隨電壓增大而增大；電壓與電流、氣體壓強(qiáng)相關(guān)（可控制區(qū)域，電壓與電流、氣體壓強(qiáng)相關(guān)（可控制區(qū)域，濺射區(qū)域）；濺射區(qū)域）；F-G: 弧光放電過(guò)渡區(qū)；擊穿或短路放電；弧光放電過(guò)渡區(qū)；擊穿或短路放電；自持放電自持放電2eAeA特性特性正常輝光放電正常輝光放電異常輝光放電異常輝光放電陰極位降大小陰極位降大小和電流無(wú)關(guān)和電流無(wú)關(guān)和氣壓無(wú)關(guān)和氣壓無(wú)關(guān)與電流成正比與電流成正比隨氣壓提高而減小隨氣

4、壓提高而減小陰極位降寬度陰極位降寬度和電流無(wú)關(guān)和電流無(wú)關(guān)和氣壓成反比和氣壓成反比隨電流增加而減小隨電流增加而減小隨電壓提高而減小隨電壓提高而減小電流密度電流密度和電流無(wú)關(guān)和電流無(wú)關(guān)隨氣壓增加而增加隨氣壓增加而增加隨電壓升高而增大隨電壓升高而增大隨氣壓增高而增大隨氣壓增高而增大陰極斑點(diǎn)面積陰極斑點(diǎn)面積與電流成正比與電流成正比陰極全部布滿輝光陰極全部布滿輝光正常輝光放電和異常輝光放電的特性對(duì)比正常輝光放電和異常輝光放電的特性對(duì)比dxdxnxnx+dnxna aja an0 0j0 0陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極dxdxnxnx+dnxna aja an0 0j0 0陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極維持放電進(jìn)行的兩個(gè)必要過(guò)程：

5、維持放電進(jìn)行的兩個(gè)必要過(guò)程：1.電離過(guò)程，電離過(guò)程，a a來(lái)表示電子對(duì)來(lái)表示電子對(duì)氣體的體積電離系數(shù)。氣體的體積電離系數(shù)。2.轟擊陰極過(guò)程，以轟擊陰極過(guò)程，以g g表示離表示離子的表面電離系數(shù)。子的表面電離系數(shù)。假設(shè)開(kāi)始時(shí)陰極發(fā)射電子數(shù)為假設(shè)開(kāi)始時(shí)陰極發(fā)射電子數(shù)為n0，發(fā)射電流為，發(fā)射電流為j0，如圖，如圖所示，則所示，則dxndnxxa)exp(0 xnnxa)exp(0dnnda此過(guò)程中產(chǎn)生的新電子數(shù)或離子數(shù)：此過(guò)程中產(chǎn)生的新電子數(shù)或離子數(shù)：00)exp(ndna自持放電條件：自持放電條件：一個(gè)過(guò)程后陰極發(fā)射電子數(shù)：一個(gè)過(guò)程后陰極發(fā)射電子數(shù)：1)exp(1)exp(0000dnndnnag

6、ag兩個(gè)過(guò)程后陰極發(fā)射電子數(shù)：兩個(gè)過(guò)程后陰極發(fā)射電子數(shù)：)exp()exp(120gaggagddn穩(wěn)定時(shí)陰極發(fā)射電子數(shù)：穩(wěn)定時(shí)陰極發(fā)射電子數(shù)： 1)exp(101dnnag 1)exp(1)exp(0ddnnagaa穩(wěn)定時(shí)到達(dá)陽(yáng)極電子數(shù)：穩(wěn)定時(shí)到達(dá)陽(yáng)極電子數(shù)： 1)exp(1)exp(0ddjjagaa穩(wěn)定時(shí)陽(yáng)極電流密度：穩(wěn)定時(shí)陽(yáng)極電流密度：空間各點(diǎn)的電流密度：空間各點(diǎn)的電流密度：iejjjja1 1)exp(dag維持自持放電的條件：維持自持放電的條件：設(shè)氣體的電離能設(shè)氣體的電離能eUi, 假設(shè)電子能量高于假設(shè)電子能量高于eUi，電離幾率，電離幾率為為1，低于，低于eUi，電離幾率為，電離

7、幾率為0。極板間電場(chǎng)強(qiáng)度。極板間電場(chǎng)強(qiáng)度E，要，要產(chǎn)生電離電子的自由程至少產(chǎn)生電離電子的自由程至少l li,EUiileieieeZellllla/1pee0llEBpAep/a)/(pEgg1 1)exp(dagEBpAep/a)/exp()/11ln(1pEAUApdigadUEAAUzzi/)/11ln(ln(Aln)pdln(pdAUzzglnBAPdVPdB輝光放電的輝光放電的帕邢曲線帕邢曲線不同氣體的不同氣體的曲線不同曲線不同一般的取比一般的取比較小的較小的Pd值值輝輝光光放放電電示示意意圖圖阿斯頓暗區(qū)：慢電子區(qū)域；阿斯頓暗區(qū)：慢電子區(qū)域；陰極輝光：激發(fā)態(tài)氣體發(fā)光；陰極輝光：激發(fā)態(tài)

8、氣體發(fā)光；克魯克斯暗區(qū)：氣體原子電離區(qū)，電子離子濃度高克魯克斯暗區(qū)：氣體原子電離區(qū)，電子離子濃度高(電壓降主要在前面的三個(gè)區(qū)域：陰極位降區(qū)電壓降主要在前面的三個(gè)區(qū)域：陰極位降區(qū))；負(fù)輝光：電離；電子離子復(fù)合；正離子濃度高；負(fù)輝光：電離；電子離子復(fù)合；正離子濃度高；法拉第暗區(qū)：慢電子區(qū)域，壓降低，電子不易加速；法拉第暗區(qū)：慢電子區(qū)域，壓降低，電子不易加速；輝光放電時(shí)光強(qiáng)、輝光放電時(shí)光強(qiáng)、電壓、電場(chǎng)強(qiáng)度、電壓、電場(chǎng)強(qiáng)度、電荷密度的分布電荷密度的分布襯底放在陰極襯底放在陰極輝光區(qū)輝光區(qū)電極鞘層，電極鞘層，鞘層電壓降：鞘層電壓降：輝光放電中的粒子、能量和溫度輝光放電中的粒子、能量和溫度Ee2eV，Te

9、23000KEi0.04eV，Ti500KEn0.025eV，Tn293KTv3800K，Tro2800K所以輝光放電所以輝光放電為非平衡過(guò)程。為非平衡過(guò)程。對(duì)于對(duì)于1Pa左右的氣壓，電子和離子的總量約占左右的氣壓，電子和離子的總量約占全部粒子總量的全部粒子總量的10-4。粒子轟擊固體表面或薄膜產(chǎn)生的效應(yīng)粒子轟擊固體表面或薄膜產(chǎn)生的效應(yīng)濺射僅是離子對(duì)物體表面轟擊時(shí)可能發(fā)生的物理過(guò)程之一。濺射僅是離子對(duì)物體表面轟擊時(shí)可能發(fā)生的物理過(guò)程之一。4、離子與物質(zhì)的相互作用，濺射、離子與物質(zhì)的相互作用，濺射及其濺射參數(shù)及其濺射參數(shù)Si單晶上單晶上Ge沉積量與入射沉積量與入射Ge+離子能量間的關(guān)系離子能量間

10、的關(guān)系(實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果)不同能量和離子不同能量和離子/原子質(zhì)量比原子質(zhì)量比下不同的離子轟擊過(guò)程下不同的離子轟擊過(guò)程(1) 從單晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦從單晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦規(guī)律，而趨向于晶體密度最高的方向；規(guī)律，而趨向于晶體密度最高的方向；(2) 濺射系數(shù)不僅決定于轟擊離子的能量，同時(shí)也濺射系數(shù)不僅決定于轟擊離子的能量，同時(shí)也決定于其質(zhì)量；決定于其質(zhì)量；(3) 存在其一臨界能量，在它之下不能產(chǎn)生濺射；存在其一臨界能量，在它之下不能產(chǎn)生濺射；(4) 離子能量很高時(shí)，濺射系數(shù)減??；離子能量很高時(shí)，濺射系數(shù)減??；(5) 濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子能量高許多倍；濺射原子

11、的能量比熱蒸發(fā)原子能量高許多倍；(6) 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子轟擊產(chǎn)生濺射。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子轟擊產(chǎn)生濺射。濺射機(jī)制：濺射機(jī)制：局部加熱蒸發(fā)機(jī)制局部加熱蒸發(fā)機(jī)制動(dòng)能直接傳遞機(jī)制動(dòng)能直接傳遞機(jī)制濺射一般發(fā)生在數(shù)個(gè)原子層的范圍內(nèi)，濺射一般發(fā)生在數(shù)個(gè)原子層的范圍內(nèi)，大量能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘胁牡臒岽罅磕芰哭D(zhuǎn)變?yōu)榘胁牡臒岵煌芰糠秶臑R射機(jī)制不同能量范圍的濺射機(jī)制(a) Single knock-on (low energy), (b) linear cascade, (c) spike (high energy), http:/ 04212121MMMMUEMMUESthSthggS被擊出靶的原子數(shù)轟擊離子數(shù)薄膜的沉積速率與

12、濺射產(chǎn)額薄膜的沉積速率與濺射產(chǎn)額（Sputtering Yield）成正比，成正比，所以濺射產(chǎn)額所以濺射產(chǎn)額是衡量濺射過(guò)是衡量濺射過(guò)程效率的參數(shù)程效率的參數(shù)。濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額（Sputtering Yield）經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：US為表面結(jié)合能，為表面結(jié)合能，a a(M2/M1)只與只與M2，M1相關(guān)的常數(shù)。相關(guān)的常數(shù)。Eth是原子從晶格點(diǎn)陣被碰離，產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)所必須的能量閾是原子從晶格點(diǎn)陣被碰離，產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)所必須的能量閾值，是值，是Us和和M2/M1的函數(shù)。的函數(shù)。Sn(E)是彈性碰撞截面，也是是彈性碰撞截面，也是能量與原子質(zhì)量及原子序數(shù)的函數(shù)。能量與原子質(zhì)量及原子序數(shù)的函數(shù)。Linea

13、r Cascade1/221(/)0.042( )1 ()thnsEMMSSEUEa)88. 6708. 1(335. 61)718. 2lg(411. 3nS3/223/2102122218853. 0ZZaaMMMeZZaE163. 2;4137. 0)(6092. 0163. 2;1019. 0)(0842. 0121708. 012129805. 012MMMMMMMMa115. 3;809. 5)(791. 2115. 3;143. 4)(46.11124816. 012125004. 012MMMMMMMMUEsth影響濺射產(chǎn)額的因素影響濺射產(chǎn)額的因素：靶材料（靶表面原子結(jié)合能）；

14、靶材料（靶表面原子結(jié)合能）；轟擊離子的質(zhì)量；轟擊離子的質(zhì)量；轟擊離子的能量；轟擊離子的能量； 轟擊離子的入射角轟擊離子的入射角;腔體中的氣氛壓強(qiáng)。腔體中的氣氛壓強(qiáng)。Ar離子在離子在400KV加速電壓加速電壓下對(duì)各種元素的濺射產(chǎn)額下對(duì)各種元素的濺射產(chǎn)額取決于表面取決于表面原子束縛能原子束縛能隨隨靶靶材材料料的的變變化化濺射率與入射離子的關(guān)系濺射率與入射離子的關(guān)系1.Ag靶；靶；2.Cu靶；靶；3.W靶靶隨隨入入射射離離子子種種類(lèi)類(lèi)的的變變化化NiNi的濺射產(chǎn)額與入射離子種的濺射產(chǎn)額與入射離子種類(lèi)和能量之間的關(guān)系類(lèi)和能量之間的關(guān)系隨隨入入射射離離子子能能量量的的變變化化低能端外推可低能端外推可得濺

15、射閾值。得濺射閾值。濺射產(chǎn)額隨離子濺射產(chǎn)額隨離子入射角度的變化入射角度的變化單晶靶不遵循此分布單晶靶不遵循此分布:表面結(jié)合能的各向異性表面結(jié)合能的各向異性出射原子的欠余弦分布出射原子的欠余弦分布半導(dǎo)體材料的濺射半導(dǎo)體材料的濺射多晶靶：各向同性。多晶靶：各向同性。單晶靶單晶靶低溫，各向同性低溫，各向同性高溫，各向異性，原高溫，各向異性，原子從密排方向射出子從密排方向射出如如FCC的的110，100，111氣氣體體壓壓強(qiáng)強(qiáng)的的影影響響濺射原子的能量分布濺射原子的能量分布原子數(shù)原子數(shù)原子能量原子能量能量為能量為801200 eV的離子轟擊下，的離子轟擊下，從從110方向逸出的銅原子能量分布方向逸出的

16、銅原子能量分布沉積過(guò)程中的污染沉積過(guò)程中的污染（1）真空室的腔壁和真空室中的其他零件可能含有）真空室的腔壁和真空室中的其他零件可能含有吸附氣體、水氣和二氧化碳。由于輝光中電子吸附氣體、水氣和二氧化碳。由于輝光中電子和離子的轟擊作用，這些氣體可能重新釋出。和離子的轟擊作用，這些氣體可能重新釋出。 解決辦法：可能接觸輝光的一切表面部必須在解決辦法：可能接觸輝光的一切表面部必須在沉積過(guò)程中適當(dāng)?shù)乩鋮s以便使其在沉積的最初沉積過(guò)程中適當(dāng)?shù)乩鋮s以便使其在沉積的最初幾分鐘內(nèi)達(dá)到熱平衡幾分鐘內(nèi)達(dá)到熱平衡(假設(shè)在適當(dāng)位置有一遮斷假設(shè)在適當(dāng)位置有一遮斷器器)；也可在抽氣過(guò)程中進(jìn)行高溫烘烤。；也可在抽氣過(guò)程中進(jìn)行高

17、溫烘烤。（2）基片表面的污染。）基片表面的污染。 不同元素的濺射產(chǎn)額沒(méi)有平衡蒸汽壓那么大；不同元素的濺射產(chǎn)額沒(méi)有平衡蒸汽壓那么大； 蒸發(fā)法中熔體中的快速擴(kuò)散和對(duì)流使熔體很快蒸發(fā)法中熔體中的快速擴(kuò)散和對(duì)流使熔體很快達(dá)到均勻，而濺射法中，固體表面在經(jīng)過(guò)一段達(dá)到均勻，而濺射法中，固體表面在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的濺射后能使濺射產(chǎn)額比穩(wěn)定。時(shí)間的濺射后能使濺射產(chǎn)額比穩(wěn)定。合金的濺射和沉積合金的濺射和沉積濺射制膜的化學(xué)成分與靶材基本一致，濺射制膜的化學(xué)成分與靶材基本一致， 與蒸發(fā)不同：與蒸發(fā)不同：ABAgABgBC (1-n S / )C (1-n S / )CnCn設(shè)組分濃度設(shè)組分濃度CA=nA/n, CB=n

18、B/n, n=nA+nB設(shè)有設(shè)有ng原子入射，則表原子入射，則表面的剩余組分比面的剩余組分比AAABBBS CS CAABBAAgABBgBS C (1-n S / )S C (1-n S / )ABS CnS Cn初始濺射出來(lái)的原子比：初始濺射出來(lái)的原子比：假設(shè)假設(shè)SASBAABB則ABABBACC SCC S最終：最終：BABAABAABACCSCSSCS這時(shí)濺射出這時(shí)濺射出來(lái)的原子比：來(lái)的原子比：被濺射出的粒子的一些特性 大多數(shù)為中性不帶點(diǎn)的粒子。 濺出的粒子的能量因?yàn)R射條件、靶材原子的鍵能和結(jié)晶方向等因素而異。e.g. Ge (1.2 KeV, Ar+) 15 eV 帶有較大動(dòng)能的粒子

19、，可促成表面鍵合較弱的污染物脫離，並促進(jìn)增原子在表面的擴(kuò)散，但也多少會(huì)造成一些因撞擊而產(chǎn)生的缺陷。 帶有較大動(dòng)能的粒子會(huì)引起襯底溫度的升高。濺射沉積的另一個(gè)特點(diǎn)是，在濺射過(guò)程中入射離子與靶材之間有很大能量的傳遞。因此，濺射出的原子將從濺射過(guò)程中獲得很大的動(dòng)能，其數(shù)值一敗可以達(dá)到520eV。相比之下，由蒸發(fā)法獲得的原子動(dòng)能一般只有0.1eV。這導(dǎo)致在沉積過(guò)程中，高能量的原子對(duì)于襯底的撞擊一方面提高了原子自身在沉積表面的擴(kuò)散能力，另一方面也將引起襯底溫度的升高。 在濺射沉積過(guò)程中，引起襯底溫度升高的能量有以下三個(gè)來(lái)源： (1)原子的凝聚能； (2)沉積原子的平均動(dòng)能； (3)等離子體中的其它粒子，

20、如電子、中性原子等的轟擊帶來(lái)的能量。離子轟擊在對(duì)薄膜生長(zhǎng)的作用離子轟擊在對(duì)薄膜生長(zhǎng)的作用1) 在膜層沉積之前的離子濺射清洗在膜層沉積之前的離子濺射清洗2) 離子轟擊對(duì)基體和鍍層界面的影響離子轟擊對(duì)基體和鍍層界面的影響 a) 使基體中產(chǎn)生缺陷；使基體中產(chǎn)生缺陷； b) 熱效應(yīng)；熱效應(yīng)； c) 物理混合；反沖注入，偽擴(kuò)散層。物理混合；反沖注入，偽擴(kuò)散層。3) 離子轟擊在薄膜生長(zhǎng)中的作用離子轟擊在薄膜生長(zhǎng)中的作用 a) 優(yōu)先去除松散結(jié)合的原子；優(yōu)先去除松散結(jié)合的原子； b) 增強(qiáng)擴(kuò)散和反應(yīng)活性，提高成核密度；增強(qiáng)擴(kuò)散和反應(yīng)活性，提高成核密度； c) 對(duì)形貌的影響對(duì)形貌的影響(晶粒的擇優(yōu)取向晶粒的擇優(yōu)

21、取向)； b) 對(duì)沉積膜組分的影響；對(duì)沉積膜組分的影響； c) 對(duì)膜層物理性能的影響（應(yīng)力，結(jié)合力）對(duì)膜層物理性能的影響（應(yīng)力，結(jié)合力）19710117 對(duì)附著力的影響對(duì)附著力的影響蒸鍍薄膜與濺射薄膜的附著強(qiáng)度蒸鍍薄膜與濺射薄膜的附著強(qiáng)度對(duì)形貌的影響對(duì)形貌的影響與離子能量有關(guān)與離子能量有關(guān)平滑平滑粗糙化粗糙化對(duì)膜層結(jié)構(gòu)的影響對(duì)膜層結(jié)構(gòu)的影響膜層的晶粒尺膜層的晶粒尺寸和位錯(cuò)密度寸和位錯(cuò)密度膜層的晶膜層的晶面間距面間距濺射方法和濺射裝置濺射方法和濺射裝置 直流濺射直流濺射(二極，三極，四極二極，三極，四極) 射頻濺射射頻濺射 磁控濺射磁控濺射 反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射 其它濺射技術(shù)其它濺射技術(shù)沉積速率：沉

22、積速率：QC I S 沉積速率：沉積速率： Q為沉積速率，為沉積速率，C為表示濺射裝置特性的常數(shù)，為表示濺射裝置特性的常數(shù)，I為離子流，為離子流，S為濺射產(chǎn)額。濺射產(chǎn)額是濺射電壓與為濺射產(chǎn)額。濺射產(chǎn)額是濺射電壓與濺射離子種類(lèi)得函數(shù)。濺射離子種類(lèi)得函數(shù)。沉積速率與靶到基片的距沉積速率與靶到基片的距離、濺射電壓、濺射電流等有關(guān)。離、濺射電壓、濺射電流等有關(guān)。QC I S 1. 直流濺射（雙極型）直流濺射（雙極型）直流濺射沉積裝置示意圖直流濺射沉積裝置示意圖電壓約電壓約15 kV，出射，出射原子的速率約原子的速率約3-6x105 cm/s，能量約，能量約 10-40 eV，到達(dá)基板的原子能量約到達(dá)基

23、板的原子能量約1-2eV。濺射沉積速率與工作氣壓間的關(guān)系濺射沉積速率與工作氣壓間的關(guān)系QC I S 放電電流與氣壓和偏壓的關(guān)系： i K(P) VmK(P)隨氣壓的增加而增加，m5或更大；離子平均能量隨氣壓的增加而下降，濺射產(chǎn)額降低；沉積率在100mTorr(10Pa)附近最大；薄膜生長(zhǎng)速率：Pdensity功率密度(W/cm2)、g陰-陽(yáng)極間距、E 平均濺射能量; e湯生二次電子發(fā)射系數(shù)、原子密度，與材料有關(guān); 濺射原子熱化的平均距離，與氣體壓強(qiáng)有關(guān)； 濺射原子與氣體原子的碰撞導(dǎo)致濺射原子的濺射原子與氣體原子的碰撞導(dǎo)致濺射原子的散射（方向及能量無(wú)序），到達(dá)基片的幾率散射（方向及能量無(wú)序），到

24、達(dá)基片的幾率隨極板間距增加降低。一般要確保薄膜的均隨極板間距增加降低。一般要確保薄膜的均勻性，極板間距是克魯克暗區(qū)的兩倍，陰極勻性，極板間距是克魯克暗區(qū)的兩倍，陰極平面面積為基片面積的兩倍。平面面積為基片面積的兩倍。 低氣壓濺射：降低污染，提高濺射原子的平低氣壓濺射：降低污染，提高濺射原子的平均能量；需額外的電子源；外加磁場(chǎng)或高頻均能量；需額外的電子源；外加磁場(chǎng)或高頻放電提高離化率。放電提高離化率。濺射設(shè)備的中心問(wèn)題：增加濺射設(shè)備的中心問(wèn)題：增加電子對(duì)氣體的電離效率電子對(duì)氣體的電離效率直流三極濺射：直流三極濺射：可以在低壓強(qiáng)可以在低壓強(qiáng)(450C ； 表面擴(kuò)散速率提高，由于受表面能減小的表面擴(kuò)

25、散速率提高，由于受表面能減小的驅(qū)動(dòng)，表面平滑；驅(qū)動(dòng)，表面平滑； 通常先在低溫下沉積以改進(jìn)黏附；通常先在低溫下沉積以改進(jìn)黏附； 然后再用熱濺射法。然后再用熱濺射法。濺射靶濺射靶澆鑄，噴鑄，燒結(jié)，碾壓澆鑄，噴鑄，燒結(jié)，碾壓純度純度致密性：電弧，顆粒，放氣，非均勻刻蝕致密性：電弧，顆粒，放氣，非均勻刻蝕水冷問(wèn)題：靶的斷裂水冷問(wèn)題：靶的斷裂濺射法的缺點(diǎn)：濺射法的缺點(diǎn)：u 濺射設(shè)備復(fù)雜，需要真空系統(tǒng)及高壓裝置；濺射設(shè)備復(fù)雜，需要真空系統(tǒng)及高壓裝置；u 基片溫度會(huì)升高；基片溫度會(huì)升高；u 濺射速率慢。濺射速率慢。0.010.5m mm/分鐘。分鐘。濺射法與蒸發(fā)法的比較濺射法與蒸發(fā)法的比較8.3 離子鍍離子

26、鍍?cè)谡婵諚l件下，利用氣體放電使在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。反應(yīng)物沉積在基片上。結(jié)合蒸發(fā)結(jié)合蒸發(fā)與濺射兩種薄膜沉積技術(shù)與濺射兩種薄膜沉積技術(shù)而發(fā)展而發(fā)展的一種的一種 PVD方法。方法。1產(chǎn)生輝光；產(chǎn)生輝光；2蒸發(fā)離化；蒸發(fā)離化；3被加速；被加速；4沉積成膜沉積成膜濺射和沉積同時(shí)進(jìn)行濺射和沉積同時(shí)進(jìn)行增加了對(duì)沉積束團(tuán)的控制；增加了對(duì)沉積束團(tuán)的控制；與基片結(jié)合良好；與基片結(jié)合良好；在低溫下可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)；在低溫下可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)；晶化，擇優(yōu)取向；晶化，擇優(yōu)取向；可在低溫襯

27、底沉積，避免高溫引起的擴(kuò)散可在低溫襯底沉積，避免高溫引起的擴(kuò)散離子鍍的優(yōu)點(diǎn)離子鍍的優(yōu)點(diǎn)離子鍍的粒子繞射性離子鍍的粒子繞射性離子鍍的工作氣壓約離子鍍的工作氣壓約10-1Pa，比普通的真空，比普通的真空蒸鍍蒸鍍10-4高，所以蒸發(fā)原子的平均自由程低，高，所以蒸發(fā)原子的平均自由程低，散射嚴(yán)重，所以繞射性好。散射嚴(yán)重，所以繞射性好。 在氣體放電的離子鍍中，沉積粒子呈現(xiàn)在氣體放電的離子鍍中，沉積粒子呈現(xiàn) 正正電性，從而受到處于負(fù)電位的基片的吸引作電性，從而受到處于負(fù)電位的基片的吸引作用。離子鍍的粒子繞射性提高薄膜對(duì)于復(fù)雜用。離子鍍的粒子繞射性提高薄膜對(duì)于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力。外形表面的覆蓋能力。Plo

28、ts of front/back film thickness ratio ( R ) vs source-substrate distance (l). Curves are for different values of l The coating thickness uniformity model is also physically depicted.離子鍍的核心問(wèn)題：離化率離子鍍的核心問(wèn)題：離化率 離子鍍是在等離子體內(nèi)，蒸發(fā)或?yàn)R射的原離子鍍是在等離子體內(nèi)，蒸發(fā)或?yàn)R射的原子部分或大部分被離化的情況下進(jìn)行沉積子部分或大部分被離化的情況下進(jìn)行沉積的。離化率即被電離的原子占全部蒸發(fā)原的。離

29、化率即被電離的原子占全部蒸發(fā)原子的百分比。子的百分比。 二極型：二極型：0.12% 射頻：射頻： 10% 多弧多弧: 6080%離子鍍的類(lèi)型和特點(diǎn)離子鍍的類(lèi)型和特點(diǎn)1 1陽(yáng)極陽(yáng)極 2 2蒸發(fā)源蒸發(fā)源 3 3進(jìn)氣口進(jìn)氣口 4 4輝光放電輝光放電區(qū)區(qū) 5 5陰極暗區(qū)陰極暗區(qū) 6 6基片基片 7 7絕緣支架絕緣支架 8 8直流電源直流電源 9 9真空室真空室 1010蒸發(fā)電源蒸發(fā)電源 1111真空真空系統(tǒng)系統(tǒng)直流二極型離子鍍直流二極型離子鍍田民波：田民波：薄膜技術(shù)與薄膜材料薄膜技術(shù)與薄膜材料p378直流三極型直流三極型1陽(yáng)極陽(yáng)極 2進(jìn)氣口進(jìn)氣口 3蒸發(fā)源蒸發(fā)源 4電子吸收極電子吸收極 5基片基片 6

30、熱電子發(fā)射極熱電子發(fā)射極 7直流電源直流電源 8真空室真空室 9蒸發(fā)電源蒸發(fā)電源 10真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)1/23()(%)2.2 10cJMTP離化率：電電子子束束輔輔助助離離子子鍍鍍反應(yīng)性電子束反應(yīng)性電子束輔助離子鍍輔助離子鍍射頻放電離子鍍射頻放電離子鍍1溶化坩堝 2熱電偶 3基片支持架(陰極) 4真空室 5基片 6RF線圈 7匹配箱 8同軸電纜 9高頻電源 10加速用直流電源 11蒸發(fā)電源12真空系統(tǒng) 13真空計(jì)14調(diào)節(jié)閥 15反應(yīng)氣體入口陰極電弧等離子體沉積陰極電弧等離子體沉積離化率高，離化的離子動(dòng)離化率高，離化的離子動(dòng)能高能高(40-100 eV)?？沙练e復(fù)雜形狀基片，沉可沉積復(fù)雜形狀基片，沉積率高，均勻性好，基片溫積率高，均勻性好，基片溫度低，易于制備理想化學(xué)計(jì)度低，易于制備理想化學(xué)計(jì)量比的化合物或合金。量比的化合物或合金。離子束輔助沉積 離子束濺射離子束濺射工作壓強(qiáng)低，濺射粒子工作壓強(qiáng)低，濺射粒子被散射少，基片遠(yuǎn)離粒被散射少，基片遠(yuǎn)離粒子發(fā)生過(guò)程；凝聚粒子子發(fā)生過(guò)程；凝聚粒子