第三章_濺射薄膜制備技術(shù)

1、本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)濺射的定義及原理濺射的定義及原理濺射的特性及機(jī)理濺射的特性及機(jī)理濺射與蒸發(fā)的比較濺射與蒸發(fā)的比較1. 濺射技術(shù)性問題濺射技術(shù)性問題第一節(jié)、基本概念第一節(jié)、基本概念1、濺射鍍膜的定義：濺射鍍膜的定義：高能離子在電場(chǎng)作高能離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極用下高速轟擊陰極（靶），經(jīng)過能量（靶），經(jīng)過能量交換與轉(zhuǎn)移，靶材交換與轉(zhuǎn)移，靶材粒子飛離出來，粒子飛離出來， 淀積在基板上形成淀積在基板上形成薄膜。薄膜。濺濺射射離子轟擊固體表曲所引起的各種效應(yīng)離子轟擊固體表曲所引起的各種效應(yīng)鍍膜鍍膜SIMS分析分析刻蝕，清洗刻蝕，清洗占靶產(chǎn)物的占靶產(chǎn)物的85-90等離子體等離子體2、什么是等離子體、什

2、么是等離子體當(dāng)溫度增高到使原子（分子）間的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與當(dāng)溫度增高到使原子（分子）間的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與電離能相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，變成（部分）電離氣體，系電離能相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，變成（部分）電離氣體，系統(tǒng)的基本組元變成了離子和電子（可以包含大量統(tǒng)的基本組元變成了離子和電子（可以包含大量的原子和分子）。電磁力開始作用，這就是等離的原子和分子）。電磁力開始作用，這就是等離子體狀態(tài)。子體狀態(tài)。也被稱作物質(zhì)的第四態(tài)，可看作部分電離的氣體也被稱作物質(zhì)的第四態(tài)，可看作部分電離的氣體等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（離等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（離子），而不是其結(jié)合體，異類帶電粒子之間是子），而不是其結(jié)合體，異類帶

3、電粒子之間是相互相互“自由自由”和獨(dú)立的。等離子體粒子之間的和獨(dú)立的。等離子體粒子之間的相互作用力是電磁力相互作用力是電磁力等離子空間等離子空間第二節(jié)、濺射的基本原理第二節(jié)、濺射的基本原理1、濺射時(shí)入射粒子的來源：氣體放電、濺射時(shí)入射粒子的來源：氣體放電 所謂氣體放電是指電流通過氣體的現(xiàn)所謂氣體放電是指電流通過氣體的現(xiàn)象，氣體放電將產(chǎn)生等離子體。一般是利象，氣體放電將產(chǎn)生等離子體。一般是利用輝光放電，根據(jù)所加電場(chǎng)的不同，又分用輝光放電，根據(jù)所加電場(chǎng)的不同，又分為直流輝光放電、射頻輝光放電，而其他為直流輝光放電、射頻輝光放電，而其他如三極濺射、磁控濺射時(shí)的輝光放電都是如三極濺射、磁控濺射時(shí)的輝光

4、放電都是在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)。2、為什么用氬等惰性氣體？3、輝光放電過程、輝光放電過程定義：是指在低氣壓（定義：是指在低氣壓（110Pa）的稀薄氣體中，在的稀薄氣體中，在兩個(gè)電極間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。兩個(gè)電極間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。l1） 為什么會(huì)產(chǎn)生輝光放電為什么會(huì)產(chǎn)生輝光放電l 空氣中有游離的離子，在電場(chǎng)加速獲得能量后，空氣中有游離的離子，在電場(chǎng)加速獲得能量后，與氣體分子碰撞并使其電離，產(chǎn)生更多的離子，使與氣體分子碰撞并使其電離，產(chǎn)生更多的離子，使更多的分子電離。之所以需要低氣壓，使因?yàn)樵谳^更多的分子電離。之所以需要低氣壓，使因?yàn)樵谳^高的氣壓下，平均

5、自由程短，不能獲得足夠的能量高的氣壓下，平均自由程短，不能獲得足夠的能量使離子被加速。使離子被加速。2）輝光放電的）輝光放電的IV特性特性直流輝光放電的伏安特性曲線直流輝光放電的伏安特性曲線被激導(dǎo)電及被激導(dǎo)電及非自持暗放電非自持暗放電自持暗放電自持暗放電AB段：電壓增加，而電流密度增加很小，說明電段：電壓增加，而電流密度增加很小，說明電壓不夠。壓不夠。BC段：電壓不變，電流密度增加很快。說明電離段：電壓不變，電流密度增加很快。說明電離已經(jīng)產(chǎn)生，但電源的阻抗很大。已經(jīng)產(chǎn)生，但電源的阻抗很大。C點(diǎn)：擊穿電壓點(diǎn)：擊穿電壓VB CD段：段：“雪崩區(qū)雪崩區(qū)”、離子轟擊靶、釋放出二次電、離子轟擊靶、釋放出

6、二次電子，二次電子與中性分子碰撞，產(chǎn)生更多離子，這子，二次電子與中性分子碰撞，產(chǎn)生更多離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生新的二次電子。達(dá)到一些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生新的二次電子。達(dá)到一定的電子、離子濃度后，氣體起輝，兩極間電流劇定的電子、離子濃度后，氣體起輝，兩極間電流劇增，電壓劇減。電阻呈負(fù)阻特征。增，電壓劇減。電阻呈負(fù)阻特征。 DE段：電流與電壓無關(guān)，增大功率時(shí)，電壓不變，段：電流與電壓無關(guān)，增大功率時(shí)，電壓不變，電流增加。放電能自動(dòng)調(diào)節(jié)轟擊陰極的面積，起初電流增加。放電能自動(dòng)調(diào)節(jié)轟擊陰極的面積，起初集中在陰極邊緣或表面不規(guī)則處，隨功率密度的增集中在陰極邊緣或表面不規(guī)則處，隨功率密度的增加，

7、陰極面的電流密度達(dá)到近乎于均勻。加，陰極面的電流密度達(dá)到近乎于均勻。 EF段：增大功率，呈正電阻特性。段：增大功率，呈正電阻特性。 濺射一般工作在此區(qū)。濺射一般工作在此區(qū)。PjFEVE、F：常數(shù)，與電極材料、常數(shù)，與電極材料、尺寸和氣體種類有關(guān)。尺寸和氣體種類有關(guān)。F點(diǎn)以后：弧光放電。特點(diǎn)是兩極間電阻很小。點(diǎn)以后：弧光放電。特點(diǎn)是兩極間電阻很小。 在氣體成分和電極材料一定時(shí)，擊穿電壓只與氣在氣體成分和電極材料一定時(shí)，擊穿電壓只與氣壓及電極距離的乘積相關(guān)。壓及電極距離的乘積相關(guān)。3）巴刑（）巴刑（paschen）定律定律 pd太小太小二次電子在碰撞陽(yáng)極前不能進(jìn)行二次電子在碰撞陽(yáng)極前不能進(jìn)行足夠數(shù)

8、量的電離碰撞。足夠數(shù)量的電離碰撞。 pd太大太大氣體中產(chǎn)生的離子，由于非彈性氣體中產(chǎn)生的離子，由于非彈性碰撞被慢化、減速，到達(dá)陰極時(shí)無足夠能量來碰撞被慢化、減速，到達(dá)陰極時(shí)無足夠能量來產(chǎn)生二次電子產(chǎn)生二次電子 大多數(shù)輝光放電，大多數(shù)輝光放電，pd乘積在最小電壓值右乘積在最小電壓值右側(cè)側(cè)p有一定值，有一定值，n較多；較多；d有一定值，濺射有一定值，濺射效率較高，特別是成膜區(qū)可以擴(kuò)大。效率較高，特別是成膜區(qū)可以擴(kuò)大。起輝電壓存在最小值：起輝電壓存在最小值：4）等離子體鞘層）等離子體鞘層對(duì)于對(duì)于1 1PaPa左右的輝光放電：左右的輝光放電： 原子、電子、離子總密度：原子、電子、離子總密度：3 3 1

9、0 101414個(gè)個(gè)/ /cmcm3 3； 其中其中1010-4 -4的比例為電子和離子。的比例為電子和離子。產(chǎn)生的是產(chǎn)生的是冷等離子體冷等離子體：電子和原子及離子溫度不等：電子和原子及離子溫度不等 T Te e23000K23000K，T Ti i=300-500K=300-500K。 離子質(zhì)量大，其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于電子：離子質(zhì)量大，其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于電子： 平均速度：平均速度：V Vi i500m/s500m/s V Ve e9.5 9.5 10105 5m/sm/s 電子優(yōu)先到達(dá)固體表面！電子優(yōu)先到達(dá)固體表面！結(jié)果：任何與等離子體接觸的表面自動(dòng)處于一結(jié)果：任何與等離子體接觸的表面自動(dòng)處于一個(gè)

10、負(fù)電位，并在其表面處伴隨有正電荷的積累。個(gè)負(fù)電位，并在其表面處伴隨有正電荷的積累。形成等離子體鞘層。形成等離子體鞘層。21)3 . 2ln(eepmmekTV鞘層電壓：鞘層電壓：典型值：典型值：-10V，并變化不大。并變化不大。在薄膜制備中的意義：離子受到加速，轟擊基片，在薄膜制備中的意義：離子受到加速，轟擊基片， 電子受到減速，需大的能量方能到達(dá)基片。電子受到減速，需大的能量方能到達(dá)基片。鞘層厚度鞘層厚度b：與電子密度及溫度有關(guān)，典型值與電子密度及溫度有關(guān)，典型值100微米。微米。直流輝光放電直流輝光放電的電位分布和的電位分布和等離子體鞘層等離子體鞘層5）輝光放電的空間分布）輝光放電的空間分

11、布阿斯頓暗區(qū)：陰極發(fā)射的二次電子能量小阿斯頓暗區(qū)：陰極發(fā)射的二次電子能量小 （1ev），不足以電離中性分子。不足以電離中性分子。陰極輝光區(qū)：電子獲得足夠能量，碰撞氣體分子使其陰極輝光區(qū)：電子獲得足夠能量，碰撞氣體分子使其 激發(fā)，退激發(fā)而發(fā)光。激發(fā)，退激發(fā)而發(fā)光。 少數(shù)電子和正離子復(fù)合發(fā)光。少數(shù)電子和正離子復(fù)合發(fā)光?？唆斂怂拱祬^(qū)：電子能量太大，不易與正離子復(fù)合發(fā)光。克魯克斯暗區(qū)：電子能量太大，不易與正離子復(fù)合發(fā)光。 電離產(chǎn)生低速電子。電離產(chǎn)生低速電子。負(fù)輝光區(qū)：大量電離區(qū)，產(chǎn)生大量的正離子，正離子與負(fù)輝光區(qū)：大量電離區(qū)，產(chǎn)生大量的正離子，正離子與 電子復(fù)合發(fā)光。該區(qū)是正的空間電荷區(qū)，電子復(fù)合發(fā)光

12、。該區(qū)是正的空間電荷區(qū)， 也是主要的壓降區(qū)。也是主要的壓降區(qū)。法拉第暗區(qū)：少數(shù)電子穿過負(fù)輝光區(qū)，電子動(dòng)能小。法拉第暗區(qū)：少數(shù)電子穿過負(fù)輝光區(qū)，電子動(dòng)能小。正光柱區(qū)：正光柱區(qū)： 上述少數(shù)電子加速，產(chǎn)生電離。上述少數(shù)電子加速，產(chǎn)生電離。負(fù)輝光區(qū)以后：等離子體密度低，幾乎無電壓降，類似負(fù)輝光區(qū)以后：等離子體密度低，幾乎無電壓降，類似 一良導(dǎo)體。一良導(dǎo)體。兩電極間電壓降主要在陰極與負(fù)輝光區(qū)之間。因此，兩電極間電壓降主要在陰極與負(fù)輝光區(qū)之間。因此，當(dāng)極間電壓不變而長(zhǎng)度改變時(shí)，陰極到負(fù)輝光區(qū)的距當(dāng)極間電壓不變而長(zhǎng)度改變時(shí)，陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離不變，而是正光柱區(qū)變化。離不變，而是正光柱區(qū)變化。產(chǎn)生的正離子沖

13、擊陰極產(chǎn)生濺射產(chǎn)生的正離子沖擊陰極產(chǎn)生濺射陰極鞘層陰極鞘層陽(yáng)極鞘層陽(yáng)極鞘層陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極電位電位0Vp6)輝光放電的主要形式（用于濺射）輝光放電的主要形式（用于濺射）直流輝直流輝光放電光放電射頻輝射頻輝光放電光放電第三節(jié)、濺射特性第三節(jié)、濺射特性1. 濺射率（產(chǎn)額）濺射率（產(chǎn)額）入射離子數(shù)出射原子數(shù)S1.1 與入射離子能量的關(guān)系與入射離子能量的關(guān)系存在濺射閾值，存在濺射閾值，通常金屬通常金屬10-30ev。 （2Kev時(shí)，時(shí)，opt 解釋：解釋： Ar1.5 與靶材的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)與靶材的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)單晶靶濺射顯現(xiàn)出各向異性，而多晶靶是各向同性單晶靶濺射顯現(xiàn)出各向異性，而多晶靶是各向同性現(xiàn)象：

14、對(duì)應(yīng)于低指數(shù)晶面的濺現(xiàn)象：對(duì)應(yīng)于低指數(shù)晶面的濺射率低，而高指數(shù)晶面的濺射射率低，而高指數(shù)晶面的濺射率略高于多晶靶材。率略高于多晶靶材。解釋：溝道效應(yīng)，即原子排列解釋：溝道效應(yīng)，即原子排列密度最大的方向上濺射率越大。密度最大的方向上濺射率越大。1.6 與靶材溫度的關(guān)系與靶材溫度的關(guān)系現(xiàn)象：主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)。現(xiàn)象：主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)。 在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；而高于此在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；而高于此 溫度，濺射率急劇增加。溫度，濺射率急劇增加。解釋：濺射與熱蒸發(fā)解釋：濺射與熱蒸發(fā) 二者的復(fù)合作二者的復(fù)合作 用。用。2. 濺射原子的角度分

15、布濺射原子的角度分布2.1 與入射離子能量的關(guān)系與入射離子能量的關(guān)系現(xiàn)象：入射離子能現(xiàn)象：入射離子能量越高，角分布越量越高，角分布越趨向于余弦分布，趨向于余弦分布，但在低能狀態(tài)下但在低能狀態(tài)下（幾千（幾千ev）并非如并非如此。此。欠余弦分布欠余弦分布。蒸發(fā)原子的角分蒸發(fā)原子的角分布為余弦分布。布為余弦分布。2.2 與入射離子的角度的關(guān)系與入射離子的角度的關(guān)系輕離子入射，與入射角輕離子入射，與入射角的關(guān)系很大。的關(guān)系很大。重離子入射，基本為重離子入射，基本為余弦分布，與入射角余弦分布，與入射角無關(guān)。無關(guān)。第四節(jié)、濺射機(jī)理第四節(jié)、濺射機(jī)理1. 熱蒸發(fā)理論熱蒸發(fā)理論認(rèn)為濺射是一個(gè)能量傳遞過程，靶表面

16、被碰撞處產(chǎn)生認(rèn)為濺射是一個(gè)能量傳遞過程，靶表面被碰撞處產(chǎn)生局域高溫，發(fā)生熔化而蒸發(fā)。局域高溫，發(fā)生熔化而蒸發(fā)。該理論可解釋的現(xiàn)象：該理論可解釋的現(xiàn)象：a)濺射率與靶材蒸發(fā)熱的關(guān)系；濺射率與靶材蒸發(fā)熱的關(guān)系；b)濺射率與入射離子能量的關(guān)系；濺射率與入射離子能量的關(guān)系；c)濺射原子的余弦分布律。濺射原子的余弦分布律。該理論不能解釋的現(xiàn)象：該理論不能解釋的現(xiàn)象：濺射原子的角分布并不象熱蒸發(fā)原子那樣符合余弦濺射原子的角分布并不象熱蒸發(fā)原子那樣符合余弦規(guī)律，從單晶靶濺射出的原子趨向于集中在晶體原子規(guī)律，從單晶靶濺射出的原子趨向于集中在晶體原子密排方向；密排方向；濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子能量，同時(shí)也取決

17、于濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子能量，同時(shí)也取決于其質(zhì)量與靶原子質(zhì)量之比；其質(zhì)量與靶原子質(zhì)量之比；濺射產(chǎn)額取決于轟擊離子的入射角，當(dāng)入射角不同濺射產(chǎn)額取決于轟擊離子的入射角，當(dāng)入射角不同時(shí)，濺射原子的角分布也不相同；時(shí)，濺射原子的角分布也不相同；離子能量很高時(shí)，濺射產(chǎn)額會(huì)減少；離子能量很高時(shí)，濺射產(chǎn)額會(huì)減少；濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子的能量高濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子的能量高100倍。倍。電子質(zhì)量小，即使用高能電子轟擊靶材，也不會(huì)產(chǎn)電子質(zhì)量小，即使用高能電子轟擊靶材，也不會(huì)產(chǎn)生濺射。生濺射。2. 級(jí)聯(lián)碰撞理論級(jí)聯(lián)碰撞理論濺射是一個(gè)動(dòng)量傳遞過程，而不是能量傳遞過程。濺射是一個(gè)動(dòng)量傳遞過程，而不是能量

18、傳遞過程。入射離子與靶原子發(fā)生二體彈性碰撞，入射離子與靶原子發(fā)生二體彈性碰撞，一部分能量傳遞給靶原子。一部分能量傳遞給靶原子。當(dāng)后者獲得的能量超過勢(shì)壘高度后（金屬當(dāng)后者獲得的能量超過勢(shì)壘高度后（金屬5-10ev），），原子原子 離位原子，并進(jìn)一步和附近的原子碰撞，產(chǎn)離位原子，并進(jìn)一步和附近的原子碰撞，產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)。生碰撞級(jí)聯(lián)。當(dāng)碰撞到達(dá)樣品表面時(shí)，當(dāng)碰撞到達(dá)樣品表面時(shí)，若表面原子獲得的動(dòng)能超若表面原子獲得的動(dòng)能超過表面結(jié)合能（金屬過表面結(jié)合能（金屬1-6ev），靶原子從表面逸出。靶原子從表面逸出。二體彈性碰撞二體彈性碰撞動(dòng)量守恒：動(dòng)量守恒：22111cosvmumvm能量守恒：能量守恒：222

19、212121121)sin(2121vmvumvmcos212112vmmmv22212112cos)(4mmmmEE能量轉(zhuǎn)移函數(shù)能量轉(zhuǎn)移函數(shù) m2m10uv2v1sin m1m2 v1碰撞前碰撞前碰撞后碰撞后當(dāng)當(dāng)m1=m2， =0時(shí)，時(shí)， 1，為最大值，完全能量轉(zhuǎn)移為最大值，完全能量轉(zhuǎn)移當(dāng)當(dāng)m1 m2時(shí)，重離子入射輕靶，時(shí)，重離子入射輕靶，124mm此時(shí)，此時(shí)，122112221242121mmvmvmEEv2 = 2v112122vmmv v2v1濺射率的表達(dá)式濺射率的表達(dá)式前提：線形級(jí)聯(lián)碰撞理論；非晶靶模型；二體碰撞近似；前提：線形級(jí)聯(lián)碰撞理論；非晶靶模型；二體碰撞近似； 原子作用勢(shì)為原

20、子作用勢(shì)為Thomas-Fermi勢(shì)勢(shì) 平均表面勢(shì)壘；垂直入射平均表面勢(shì)壘；垂直入射012)()/(042. 0UESmmSn1969年，年，Sigmund給出，當(dāng)離子能量給出，當(dāng)離子能量1keV：表面勢(shì)壘，表面勢(shì)壘，一般取升華能一般取升華能121213. 015. 0)/(mmmm碰撞阻止能碰撞阻止能02112/322/312112)()/(56. 3UESmmmZZZZmmSn若考慮原子的相互作用：若考慮原子的相互作用：第五節(jié)、濺射的特點(diǎn)第五節(jié)、濺射的特點(diǎn)l任何物質(zhì)均可以濺射任何物質(zhì)均可以濺射 尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物 不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可

21、以作為靶材不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材l濺射膜與基板之間的附著性好濺射膜與基板之間的附著性好 濺射原子的能量濺射原子的能量10ev，蒸發(fā)蒸發(fā)0.1ev 表面遷移強(qiáng)，濺射清洗作用，偽擴(kuò)散層表面遷移強(qiáng)，濺射清洗作用，偽擴(kuò)散層l濺射鍍膜膜密度高，濺射鍍膜膜密度高，針孔少，針孔少，且膜層的純度較高且膜層的純度較高 濺射鍍膜中，不存在坩堝污染現(xiàn)象濺射鍍膜中，不存在坩堝污染現(xiàn)象l膜厚可控性和重復(fù)性好膜厚可控性和重復(fù)性好二、缺點(diǎn)（二、缺點(diǎn)（針對(duì)二極濺射）針對(duì)二極濺射）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；濺射淀積的成膜速度低，濺射淀積的成膜速度低， 真空蒸鍍：真空蒸鍍：0.15m/

22、min， 濺射：濺射：0.010.5m/min?；鍦厣^高和易受雜質(zhì)氣體影響等?；鍦厣^高和易受雜質(zhì)氣體影響等。 第六節(jié)、蒸發(fā)與濺射的比較第六節(jié)、蒸發(fā)與濺射的比較1、淀積粒子的過程、淀積粒子的過程蒸發(fā)：熱交換過程，氣化過程，蒸發(fā)粒子能量蒸發(fā)：熱交換過程，氣化過程，蒸發(fā)粒子能量低、附著力低；低、附著力低；濺射：動(dòng)量交換過程，能量交換率高，濺射粒濺射：動(dòng)量交換過程，能量交換率高，濺射粒子能量高，附著力好。子能量高，附著力好。2、淀積粒子的角分布、淀積粒子的角分布蒸發(fā)：余弦分布，膜厚分布不均；蒸發(fā)：余弦分布，膜厚分布不均；濺射：軸平面對(duì)稱性分布，狀態(tài)與入射粒子動(dòng)濺射：軸平面對(duì)稱性分布，狀態(tài)與入射

23、粒子動(dòng)能有關(guān)。能有關(guān)。3、逸出粒子性質(zhì)、逸出粒子性質(zhì)蒸發(fā)：不帶電，極少熱電子發(fā)射；蒸發(fā)：不帶電，極少熱電子發(fā)射；濺射：離子種類多，性質(zhì)各異，中性原子、正濺射：離子種類多，性質(zhì)各異，中性原子、正負(fù)離子、高能電子、光子、低能原子或離子團(tuán)、負(fù)離子、高能電子、光子、低能原子或離子團(tuán)、氣體分子、解吸附原子分子、入射離子。氣體分子、解吸附原子分子、入射離子。4、合金的蒸發(fā)、濺射不同、合金的蒸發(fā)、濺射不同（1）粒子的產(chǎn)生過程）粒子的產(chǎn)生過程蒸發(fā)：要出現(xiàn)分餾，膜成分偏離源組分，各元素的蒸蒸發(fā)：要出現(xiàn)分餾，膜成分偏離源組分，各元素的蒸發(fā)速率相差較大，膜成分隨蒸發(fā)時(shí)間而變發(fā)速率相差較大，膜成分隨蒸發(fā)時(shí)間而變?yōu)R射：

24、膜成分與靶材接近，各元素間濺射速率差異小濺射：膜成分與靶材接近，各元素間濺射速率差異?。?）遷移過程）遷移過程蒸發(fā)：真空度蒸發(fā)：真空度10-510-6Torr， 源源基距，淀積?；?，淀積粒子幾乎不發(fā)生碰撞，直線淀積，薄膜不均勻；子幾乎不發(fā)生碰撞，直線淀積，薄膜不均勻；濺射：濺射：真空度真空度10-210-4Torr， 源源基距，基距，（3）成膜過程）成膜過程濺射原子動(dòng)能蒸發(fā)原子動(dòng)能，有凈化和粗化表濺射原子動(dòng)能蒸發(fā)原子動(dòng)能，有凈化和粗化表面作用，促進(jìn)吸附粒子遷移與核生長(zhǎng)；面作用，促進(jìn)吸附粒子遷移與核生長(zhǎng)；濺射離子入射可滲透到幾個(gè)原子層厚度，產(chǎn)生缺濺射離子入射可滲透到幾個(gè)原子層厚度，產(chǎn)生缺陷，使

25、基板晶體結(jié)構(gòu)畸變；陷，使基板晶體結(jié)構(gòu)畸變；a. 濺射入射離子可使成核小島瞬間充電，有利于小濺射入射離子可使成核小島瞬間充電，有利于小島聚集，晶核密度大，晶粒尺寸小。島聚集，晶核密度大，晶粒尺寸小。第七節(jié)、濺射類型第七節(jié)、濺射類型靶為陰極，基片為陽(yáng)極，由輝光放電產(chǎn)生等離子體靶為陰極，基片為陽(yáng)極，由輝光放電產(chǎn)生等離子體工作氣壓：工作氣壓：1 11010PaPa缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，工藝重復(fù)性差；濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，工藝重復(fù)性差；2. 2. 真空度低，真空度低，1-10Pa，方能維持放電。方能維持放電。3. 3. 殘留氣體對(duì)膜層的污染較嚴(yán)重。殘留氣體對(duì)膜層的污染較嚴(yán)重。4. 4. 淀積

26、速率低，小于淀積速率低，小于10nm/min；5. 5. 基板的溫升高，輻照損傷大；基板的溫升高，輻照損傷大；6. 6. 靶材必須是良導(dǎo)體（直流）。靶材必須是良導(dǎo)體（直流）。二、偏壓濺射二、偏壓濺射二極濺射中：基片與陽(yáng)極同電位二極濺射中：基片與陽(yáng)極同電位偏壓濺射：偏壓濺射：基片與陽(yáng)極分離，基片與陽(yáng)極分離，在基片上加偏壓。在基片上加偏壓。 若加負(fù)偏壓（基片電位低于陽(yáng)極電位）若加負(fù)偏壓（基片電位低于陽(yáng)極電位） 可以提高薄膜的純度和附著力。可以提高薄膜的純度和附著力。 除掉吸附氣體；除掉吸附氣體；離子轟擊基片離子轟擊基片 除掉附著力差的淀積原子；除掉附著力差的淀積原子； 清洗作用。清洗作用。2. 2

27、. 偏壓可改變薄膜的結(jié)構(gòu)偏壓可改變薄膜的結(jié)構(gòu) a a 偏壓在（偏壓在（-100-100+10+10V V） 四方結(jié)構(gòu)，電阻率高；四方結(jié)構(gòu)，電阻率高； b b 偏壓偏壓-100-100V V， 體心立方體心立方結(jié)構(gòu)，電阻率低。結(jié)構(gòu)，電阻率低。偏壓的作用偏壓的作用3. 3. 偏壓可改變薄膜中雜質(zhì)離子的濃度偏壓可改變薄膜中雜質(zhì)離子的濃度在負(fù)偏壓大于在負(fù)偏壓大于2020v v以上時(shí)，以上時(shí)，電阻率迅速上升，電阻率迅速上升，O O2 2已從鉭已從鉭膜中濺射出來。膜中濺射出來。當(dāng)負(fù)偏壓較高時(shí)，電阻率逐當(dāng)負(fù)偏壓較高時(shí)，電阻率逐漸上升，漸上升，ArAr滲入薄膜。滲入薄膜。二極濺射二極濺射：放電靠離子轟擊陰極發(fā)

28、射二次電子來維持，：放電靠離子轟擊陰極發(fā)射二次電子來維持，此需較高的工作氣壓。此需較高的工作氣壓。三極濺射三極濺射：由熱陰極發(fā)射電子來維持放電，：由熱陰極發(fā)射電子來維持放電， 同時(shí)使靶電位低于等離子體電位，同時(shí)使靶電位低于等離子體電位， 陽(yáng)極和基板支架分離，陰極和靶分離。陽(yáng)極和基板支架分離，陰極和靶分離。四極濺射四極濺射：在三極濺射的基礎(chǔ)上增加輔助陽(yáng)極，：在三極濺射的基礎(chǔ)上增加輔助陽(yáng)極， 作用是使放電更加穩(wěn)定。作用是使放電更加穩(wěn)定。陽(yáng)極陽(yáng)極線線圈圈靶靶基片基片熱陰極熱陰極等離子等離子三、四極濺射示意圖三、四極濺射示意圖穩(wěn)定化電極穩(wěn)定化電極 濺射條件：靶電位濺射條件：靶電位 等離子體電位等離子體

29、電位 正離子轟擊靶，正離子轟擊靶，9999以上注入，以上注入， 使靶電位升高使靶電位升高三、射頻濺射三、射頻濺射48第一周期第一周期The disparity in electron & ion mobilitThe disparity in electron & ion mobility y positively cha positively chargedrged, , electrode electrode draws moredraws more e e- - current butcurrent but no charge transfer through capac

30、itor no charge transfer through capacitor self-biasself-bias volta voltage (negative) at target electrode (capacitively coupled ge (negative) at target electrode (capacitively coupled electrode)electrode) 在正半周在正半周( (靶電位靶電位為正為正) )，絕緣體的，絕緣體的極化作用，靶表極化作用，靶表面吸引電子，電面吸引電子，電位很快降低至等位很快降低至等離子體電位；離子體電位；B. B. 在

31、負(fù)半周在負(fù)半周( (靶電位為負(fù)靶電位為負(fù)) )，吸引正離子，但由于正，吸引正離子，但由于正離子移動(dòng)速度慢，所以靶電位上升慢。離子移動(dòng)速度慢，所以靶電位上升慢。最終結(jié)果使得靶相對(duì)于等離子體而言處于負(fù)電位最終結(jié)果使得靶相對(duì)于等離子體而言處于負(fù)電位射頻濺射時(shí)等離子鞘層和靶電位的變化曲線射頻濺射時(shí)等離子鞘層和靶電位的變化曲線結(jié)果：在等離子鞘層與靶之間形成結(jié)果：在等離子鞘層與靶之間形成Vd的直流偏壓，的直流偏壓，造成正離子對(duì)靶的持續(xù)濺射造成正離子對(duì)靶的持續(xù)濺射3. 3. 射頻濺射的空間電位分布射頻濺射的空間電位分布為什么在正半周不對(duì)基片進(jìn)行濺射？為什么在正半周不對(duì)基片進(jìn)行濺射？4)(STTPSPAAVV

32、陰極鞘層陰極鞘層陽(yáng)極鞘層陽(yáng)極鞘層陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極電位電位0VpC1C2VP-TVP-S基片基片靶靶陽(yáng)極與等陽(yáng)極與等離子形成離子形成的偏壓小的偏壓小6. 6. 射頻濺射的特點(diǎn)射頻濺射的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：A) A) 可淀積導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體在內(nèi)的所有材料；可淀積導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體在內(nèi)的所有材料；B) B) 擊穿電壓及維持放電電壓均很低；工作氣壓低擊穿電壓及維持放電電壓均很低；工作氣壓低電子作振蕩運(yùn)動(dòng)，增加了碰撞幾率，便于吸收能電子作振蕩運(yùn)動(dòng)，增加了碰撞幾率，便于吸收能量，不需要二次電子來維持放電。量，不需要二次電子來維持放電。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：靶上發(fā)射的二次電子對(duì)基片的輻照損傷沒有消除。靶上發(fā)射的二次

33、電子對(duì)基片的輻照損傷沒有消除。四、磁控濺射四、磁控濺射1. 1. 原理原理EE靶面，靶面，BB靶面靶面濺射產(chǎn)生二次電子和原子，對(duì)于濺射產(chǎn)生二次電子和原子，對(duì)于e e1 1電子電子近似認(rèn)為：二次電子在陰極暗區(qū)只受磁場(chǎng)作用；近似認(rèn)為：二次電子在陰極暗區(qū)只受磁場(chǎng)作用； 在負(fù)輝光區(qū)只受磁場(chǎng)作用在負(fù)輝光區(qū)只受磁場(chǎng)作用在電磁場(chǎng)的作用下，二次電子作上下的振蕩在電磁場(chǎng)的作用下，二次電子作上下的振蕩 橫向的漂移橫向的漂移運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)若電磁場(chǎng)是閉合的，則二次電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為若電磁場(chǎng)是閉合的，則二次電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條圓滾線一條圓滾線。 二次電子與氣體分子碰撞以后，損失能量，其運(yùn)動(dòng)二次電子與氣體分子碰撞以后，損失能量，

34、其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)稍微偏離陰極而靠近陽(yáng)極（陰陽(yáng)極間距的軌跡會(huì)稍微偏離陰極而靠近陽(yáng)極（陰陽(yáng)極間距的1/1001/100左右），這樣必須經(jīng)多次碰撞后二次電子才能到達(dá)陽(yáng)極左右），這樣必須經(jīng)多次碰撞后二次電子才能到達(dá)陽(yáng)極（基片）。（基片）。一方面增加了碰撞電離的幾率，另一方面對(duì)一方面增加了碰撞電離的幾率，另一方面對(duì)基片的損傷小基片的損傷小。 e e2 2電子可直接到達(dá)陽(yáng)極，電子可直接到達(dá)陽(yáng)極，但其比例很少。但其比例很少。 氣體電離后的正離子轟氣體電離后的正離子轟擊靶，擊靶，打出新的打出新的e e1 1電子電子，重復(fù)上述過程。重復(fù)上述過程。1）高沉積速率，比二極濺射高）高沉積速率，比二極濺射高100倍；倍；

35、離化率從離化率從0.3-0.5 5-6。 2）基片溫升低，只及）基片溫升低，只及RF入射能量的入射能量的1/10?？蓪?duì)塑料?？蓪?duì)塑料 基片、光刻膠等進(jìn)行濺射?；?、光刻膠等進(jìn)行濺射。3）基片的輻照損傷低。）基片的輻照損傷低。4）工作氣壓可下降）工作氣壓可下降2個(gè)數(shù)量級(jí)，個(gè)數(shù)量級(jí)， 10Pa 0.5Pa5）靶的平均電流密度高靶的平均電流密度高缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1）靶的不均勻刻蝕；）靶的不均勻刻蝕； 2）強(qiáng)磁性材料困難）強(qiáng)磁性材料困難。2. 特點(diǎn)特點(diǎn)3.3.磁控濺射靶的類型磁控濺射靶的類型適合大面積適合大面積靶材利用率高，靶材利用率高，膜厚分布均勻膜厚分布均勻五、對(duì)向靶濺射五、對(duì)向靶濺射兩靶對(duì)向放置，兩

36、靶對(duì)向放置， B B 靶面，靶面， 陽(yáng)極與靶垂直陽(yáng)極與靶垂直在陰極暗區(qū)，在陰極暗區(qū)，EBEB，電子只受電場(chǎng)力作用。電子只受電場(chǎng)力作用。電子在離開陰極暗區(qū)電子在離開陰極暗區(qū)后，具有后，具有X X方向的速度方向的速度分量，受洛侖茲力偏轉(zhuǎn)分量，受洛侖茲力偏轉(zhuǎn)作回旋運(yùn)動(dòng)。作回旋運(yùn)動(dòng)。但但Y Y方向速度很大，作方向速度很大，作振蕩運(yùn)動(dòng)。振蕩運(yùn)動(dòng)。綜合來看，作螺旋線綜合來看，作螺旋線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 電子被束縛在兩個(gè)靶之間，增加了碰撞電子被束縛在兩個(gè)靶之間，增加了碰撞電離的幾率，所以具有磁控濺射同樣的優(yōu)點(diǎn)：電離的幾率，所以具有磁控濺射同樣的優(yōu)點(diǎn)：1. 1. 高速高速2. 2. 低溫低溫3. 3. 低損傷低損傷突出的優(yōu)點(diǎn)：可濺射磁性材料。突出的優(yōu)點(diǎn)：可濺射磁性材料。六、反應(yīng)濺射六、反應(yīng)濺射1.1.定義定義 在濺射鍍膜時(shí)，引入某些活性反應(yīng)氣體，來獲得在濺射鍍膜時(shí)，引入某些活性反應(yīng)氣體，來獲得不同與靶材的新物質(zhì)薄膜的方法。不同與靶材的新物質(zhì)薄膜的方法。 是除射頻濺射外，另一種制備介質(zhì)薄膜的方法。是除射頻濺射外，另一種制備介質(zhì)薄膜的方法。反應(yīng)反應(yīng)氣體氣體O2N2NH3O2+N2C2H2CH4CSi4HFCF4產(chǎn)物產(chǎn)物氧化氧化物物氮化氮化物物氮氧氮氧化物化物碳化碳化物物硅化硅化物物氟化氟化物物2.2.反應(yīng)濺