教學第四章-濺射鍍膜課件

第四章濺射鍍膜4-1濺射鍍膜的特點4-2濺射的基本原理4-3濺射鍍膜類型1PPT課件第四章濺射鍍膜4-1濺射鍍膜的特點1PPT課件2PPT課件2PPT課件

“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。

射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因離子在電場下易于加速并獲得所需動能，故大多采用離子作為轟擊粒子。該離子又稱入射離子，這種鍍膜技術又稱為離子濺射鍍膜或沉積。與此相反，利用濺射也可以進行刻蝕。沉積和刻蝕是濺射過程的兩種應用。

濺射鍍膜裝置：陰極（靶材）、陽極（基片）、擋板、濺射氣體入口3PPT課件“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），3PP1842年，Grove在實驗室中研究電子管陰極腐蝕問題時，發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到了真空管壁上。1853年，法拉第在進行氣體放電實驗時，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積的現(xiàn)象，對造成這種現(xiàn)象的原因不解，且把它作為有害的現(xiàn)象想法避免。1902年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物。1930’s，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實驗室制取薄膜。60年代初，Bell實驗室和WesternElectric公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，開始了濺射技術在工業(yè)上的應用。1963年制作出長度為10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置。1965年，IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。1969年，BattelePacificNorthwest實驗室做成了實用的三極高速濺射裝置。1974年，J.Chapin實現(xiàn)了高速、低溫濺射鍍膜，平面磁控濺射。4PPT課件1842年，Grove在實驗室中研究電子管陰極腐蝕問題時，發(fā)§4-1濺射鍍膜的特點

與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的優(yōu)點：（1）任何物質(zhì)均可以濺射；材料性質(zhì)——高熔點、低蒸汽壓的元素和化合物；材料形態(tài)——塊狀、粉末、粒狀；沒有分解和分餾現(xiàn)象。（2）薄膜與基板之間的附著性好；濺射原子的能量比蒸發(fā)原子高1～2個數(shù)量級，所以高能粒子沉積在基板上進行能量交換，有較高的熱能，增強了薄膜與基板間的附著力。（3）薄膜密度高，針孔少，純度高——因為沒有坩鍋污染；5PPT課件§4-1濺射鍍膜的特點與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有（4）膜厚可控性和重復性好——通過控制靶電流和放電電流。（5）可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜?？梢浴霸谌魏尾牧系幕迳铣练e任何材料的薄膜”，所以在新材料發(fā)現(xiàn)、新功能應用、新器件制作方面起著舉足輕重的作用。缺點：（1）濺射設備復雜、需要高壓裝置；（2）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為0.1～

5μm/min，而濺射速率為0.01～0.5μm/min；（3）基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響。

射頻濺射和磁控濺射技術已經(jīng)克服了后二者的缺點。

6PPT課件（4）膜厚可控性和重復性好——通過控制靶電流和放電電流。6P§4-2濺射的基本原理

濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應，整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎之上，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術采用的輝光放電方式有所不同。直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。7PPT課件§4-2濺射的基本原理濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶一準備知識：氣體放電的過程將真空容器抽真空，到達10～1Pa的某一壓力時，接通相距為d的兩個電極間的電源，使電壓逐漸上升。當電壓低時，基于宇宙射線和存在于自然界的極微弱放射性物質(zhì)射線引起的電離，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當?shù)陌惦娏?。隨著電壓增加，當加速電子能量大到一定值之后，與中性氣體原子（分子）碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級數(shù)迅速增加，形成電子的繁衍過程，也稱為雪崩式放電過程。但此時的放電屬于非自持放電過程，其特點為，若將原始電離源除去，放電立即停止。若將原始電離源去掉放電仍能維持，則稱為自持放電過程。8PPT課件一準備知識：氣體放電的過程將真空容器抽真空，到達10～1P1、由非支持放電過渡到自持放電的條件為了維持放電進行，兩個過程必不可少。（1）α過程：開始由陰極表面發(fā)射出一個電子（初始電子），該電子在電極間電壓的作用下，向陽極加速運動。當電子能量超過一定值之后，使氣體原子發(fā)生碰撞電離，后者被電離為一個離子和一個電子。這樣，一個電子就變成了兩個電子，重復這一過程，即實現(xiàn)了電子的所謂繁衍。定義α為電子對氣體的體積電離系數(shù)，即每一個電子從陰極到陽極繁衍過程中，單位距離所增加的電子數(shù)。（2）γ過程：正離子在陰極位降的作用下，轟擊陰極表面，產(chǎn)生γ電子（二次電子）。定義γ為正離子的表面電離（二次電子發(fā)射）系數(shù)，即每一個正離子轟擊陰極表面而發(fā)射的γ電子（二次電子）的平均數(shù)。γ的大小與陰極材料、離子的種類、電場的強度有關。以γ電子為火種，可引發(fā)后續(xù)的α過程，產(chǎn)生的離子還可轟擊陰極表面繼續(xù)產(chǎn)生γ電子。達到一定條件，即使沒有外界因素產(chǎn)生的電子，也能維持放電的進行，即放電進入自持階段。9PPT課件1、由非支持放電過渡到自持放電的條件（2）γ過程：正離子在陰（2）非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件：假設在單位時間內(nèi)從單位陰極表面逸出的二次電子數(shù)為n0，相對應的陰極電流密度為j0，如圖所示。又假設距陰極為x的平面上每單位面積的電子數(shù)為nx。α為電離系數(shù)，因此，每個電子在路程dx上所產(chǎn)生的平均電離次數(shù)為αdx，而由飛入dx薄層的nx個電子產(chǎn)生的平均電離次數(shù)應為nxαdx，即在dx路程內(nèi)由nx個電子所產(chǎn)生的電子數(shù)用下式表示：設x=0時，nx=n0，對上式積分如果陰極和陽極間的距離為d，在均勻電場中，到達陽極的電子數(shù)為10PPT課件（2）非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件：假設在單位時間內(nèi)從單位陰那么可以算出從陰極逸出的n0個電子所引起的電離次數(shù)，即所產(chǎn)生的新電子數(shù)（或等量的正離子數(shù)）應為：個正離子轟擊陰極時，γ過程將使陰極逸出個新電子。因此，從陰極逸出的電子數(shù)將不止是由外界電源所產(chǎn)生的電子數(shù)ni，而且加上由γ過程產(chǎn)生的二次電子數(shù)，即：如果放電達到穩(wěn)定狀態(tài)，則從陰極逸出的電子數(shù)（二次電子數(shù)）不會再增加，仍為n1，n0=n1，則：到達陽極的電子數(shù)，則有：11PPT課件那么可以算出從陰極逸出的n0個電子所引起的電離次數(shù)，即所產(chǎn)生式中，若分母等于零時，nα為無窮大，其物理意義為，表示，在陰極發(fā)射出一個電子，而這一個電子到達陽極時，共產(chǎn)生次電離碰撞，因而產(chǎn)生同樣數(shù)目的正離子，這些正離子打到陰極后將產(chǎn)生個二次電子，這些二次電子的數(shù)目為1。也就是，一個電子自陰極逸出后產(chǎn)生的各種直接和間接過程將使陰極再發(fā)射一個電子，使放電過程不需要外致電離因素而成為自持放電。即放電所需的帶電粒子可以自給自足，不需要外界因素作用，因此：為非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件，上式也是輝光放電的初始條件，即氣體發(fā)生擊穿的充分條件。此時對應的電壓為擊穿電壓，又稱起輝電壓（點燃電壓）Uz。12PPT課件式中，若分母等于零時，nα為無窮大，其物理意義為，二輝光放電1．直流輝光放電在真空度為0.5～10Pa的稀薄氣體中，兩個電極之間加上電壓產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時，兩個電極之間的電壓和電流的關系不符合歐姆定律，具體如下圖：13PPT課件二輝光放電13PPT課件AB段——當兩電極加上直流電壓時，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和電子很少，所以電流很小，AB區(qū)域稱為“無光”放電。無光放電：真空室的兩個極板之間存在的氣體總是有少量游離狀態(tài)的氣體分子。當陰陽極之間加上電壓后，這些少量的正離子和電子在電場作用下到達極板，形成電流。但這些游離的氣體分子數(shù)量恒定，所以電流密度隨著電壓的增加沒有多少變化，僅為10-16A左右。此時的氣體只導電，不發(fā)光。14PPT課件AB段——當兩電極加上直流電壓時，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和BC段——電壓升高后，帶電離子和電子獲得了足夠的能量，與中性氣體分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電離，電流平穩(wěn)增加，但電壓在電源高輸出阻抗的限制下呈一常數(shù)。“湯森放電區(qū)”（Townsenddischarge）。湯森放電：電壓繼續(xù)增加，電子的運動速度越來越快，它與中性氣體之間的碰撞有可能使分子電離出新的離子和電子，這些新的電子又加入向陽極加速的進程中，從而碰撞電離出更多的氣體分子。B點電壓Ub即為點燃電壓Uz。上述兩種放電，都以有自然電離源為前提，如果沒有游離的電子和正離子存在，則放電不會發(fā)生。即，非自持放電。15PPT課件BC段——電壓升高后，帶電離子和電子獲得了足夠的能量，與中性CE段——“雪崩點火”，離子轟擊陰極時，釋放出二次電子，二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，產(chǎn)生出新的更多的二次電子。等產(chǎn)生出了足夠的離子和電子后，放電達到自持，氣體開始起輝。兩級間電流劇增，而電壓迅速下降，呈現(xiàn)負阻特性?！斑^渡區(qū)”。16PPT課件CE段——“雪崩點火”，離子轟擊陰極時，釋放出二次電子，二次帕邢定律及點燃電壓1889年帕邢（Paschen）在測量擊穿電壓對擊穿距離和氣體壓力的依賴關系發(fā)現(xiàn)：在下圖所示的兩個平行平板電極上加以直流電壓后，在極間形成均勻電場。令極間距離為d，壓力為p，如果氣體成分和電極材料一定，氣體恒溫，那么擊穿電壓Uz是pd的函數(shù)，而不單獨是p，d這兩個變量的函數(shù)。當改變pd時，Uz有一極小值Uzmin。這便是氣體放電的帕邢定律。17PPT課件帕邢定律及點燃電壓17PPT課件氣體放電有非支持轉(zhuǎn)入自持放電的條件是：。使氣體放電的極間電壓稱為自持放電點燃電壓，也稱為擊穿電壓，用Uz表示。氣體點燃時，則：一定的氣體，電離電位Ui為定值，故設AUi=Az。電場強度E=Uz/d，代入上式后：18PPT課件氣體放電有非支持轉(zhuǎn)入自持放電的條件是：此式表明，Uz是pd乘積的函數(shù)，不單獨是p或者d的函數(shù)。不同氣體的Uz=f(pd)曲線如圖所示。此曲線稱為帕邢曲線。由圖可知，同一氣體的帕邢曲線是有最低點的。在曲線的左部，隨pd減小，Uz上升很快。右半部隨pd增加，Uz上升緩慢。pd的單位為1.33Pa×m：氣體最低點燃電壓Uzmin和與之對應的pdk值不僅與氣體有關，也與陰極材料有關。19PPT課件此式表明，Uz是pd乘積的函數(shù)，不單獨是p或者d的函數(shù)。不同在真空容器中，若無空間電荷時，兩極間電位分布如圖所示，OA0成直線分布。放電后，在空間產(chǎn)生的正離子和電子的密度差不多。由于電子質(zhì)量小、運動速度大，向陽極遷移率大。正離子則相反，質(zhì)量大，向陰極運動速度小，所以堆積在陽極附近，這種正的空間電荷效應使兩極間電場畸變，相當于使陽極A向陰極K移動，形成等效陽極。兩級間電壓主要分布在陰極和等效陽極之間，也近似為直線分布，稱為陰極位降。如圖中OA1，OA2所示。等效陽極到陰極的距離用d1、d2表示，也稱為陰極位降區(qū)寬度。等效陽極實際改變了電場強度E，在氣體點燃之前，場強E=Uz/d，在Uz作用下使電子得到了足夠能量將氣體點燃，進入自持放電階段。在放電發(fā)展過程中，由于正空間電荷的作用，形成的等效陽極逐漸靠近陰極K，即陽極相當由A處移至A1處，再移至A2處。由于陰陽極之間距離的縮短使場強增加，E2=Uz/d2。當氣體壓強p不改變時，電子平均自由程λ不變，所以電子能量eE2λ>eEλ。但電子原來具有的能量eEλ足以使氣體電離，無需更多的能量，降低極間電壓Uz仍可持續(xù)放電過程。因此，一旦將氣體點燃后，兩極間電壓Uz將自動沿帕邢曲線降至Uzmin。此時等效陽極和陰極間距離用dk表示。放電便進入了穩(wěn)定的正常輝光放電壓。Uzmin是維持正常輝光放電所需電壓。因此，當氣體點燃后，極間電壓將出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。陰極陽極20PPT課件在真空容器中，若無空間電荷時，兩極間電位分布如圖所示，OA0EF段——在E點以后，電流平穩(wěn)增加，而電壓維持不變。這時兩極之間出現(xiàn)輝光。“正常輝光放電區(qū)”。在此階段，放電自動調(diào)整陰極轟擊面積。最初，轟擊不均勻，主要集中在陰極邊緣附近或表面不規(guī)則處。但隨著電源功率的增加，轟擊區(qū)逐漸增大，直到陰極面上的電流密度均勻為止。輝光放電：隨著電壓繼續(xù)增加，電流一直增加直到C點，電壓突然降低，此時表明氣體已被擊穿，Ub是擊穿電壓（點燃電壓）。被擊穿的氣體發(fā)光放電稱為輝光放電。這時的電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，而不是自然的游離離子和電子，所以稱為自持放電。此時的電流密度與電壓無關，而與極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關，與陰極材料及其形狀、氣體種類和壓強有關。Un即Uzmin由于正常輝光放電時的電流密度仍比較小，所以有時濺射選擇在異常輝光放電區(qū)工作。21PPT課件EF段——在E點以后，電流平穩(wěn)增加，而電壓維持不變。這時兩極FG段——“異常輝光放電區(qū)”。整個陰極表面都在離子轟擊的范圍內(nèi)后，繼續(xù)增加功率，會使放電區(qū)內(nèi)的電流密度隨著電壓的增加而增加。異常輝光放電：在整個陰極表面都受到離子的轟擊后，電流密度將和電壓同時繼續(xù)增加，陰極電壓的大小與電流密度和氣體壓強有關。因為此時輝光已經(jīng)布滿整個陰極表面，再增加電流，離子層無法向周圍擴散，便向陰極靠攏，使得二者的距離縮短。如果要進一步增大電流密度，就需增加陰極壓降，給予離子更大的能量轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子。22PPT課件FG段——“異常輝光放電區(qū)”。整個陰極表面都在離子轟擊的范圍G點以后——“弧光放電區(qū)”。此時的兩極電壓突然降低到很小的數(shù)值，電流越大，電壓越小，電流主要由外電阻決定。弧光放電：異常輝光放電在有些因素的影響下，有可能變化為弧光放電。此時兩級板之間的電壓陡降，電流又在增加，相當于極間短路。放電集中在陰極的某個區(qū)域，可能使局部電流密度過高而燒毀陰極靶。而且，較大的電流也可能損壞電源。23PPT課件G點以后——“弧光放電區(qū)”。此時的兩極電壓突然降低到很小的數(shù)注意事項（1）盡量避免電流密度達到0.1A/cm2，出現(xiàn)弧光放電。（2）在異常輝光放電階段，大量離子在負輝光區(qū)域中。如果在這一區(qū)域正好有其他物體存在，就會對陰極造成陰影，影響放電的均勻性。（3）陰極附近的其他物體可能受到離子的轟擊而產(chǎn)生其他雜質(zhì)混入沉積的薄膜中。無關零件應遠離陰極和沉積區(qū)。24PPT課件注意事項24PPT課件二直流輝光放電區(qū)域劃分輝光放電是氣體的自持放電過程（1）阿斯頓暗區(qū)：從陰極表面發(fā)出的電子，剛從陰極跑出，能量較低，不足以使氣體原子激發(fā)或者電離。（2）陰極輝光區(qū)：電子加速到能量足夠引起氣體原子激發(fā)，然后激發(fā)態(tài)的氣體原子衰變和進入此區(qū)域的離子復合產(chǎn)生輝光。（3）陰極暗區(qū)（克魯克斯暗區(qū)）：電子能量進一步加大到引起氣體原子電離，產(chǎn)生大量離子和電子，但不發(fā)生可見光。由于電子質(zhì)量小，容易被加速，可迅速離開陰極暗區(qū)，而離子的質(zhì)量較大，向陰極移動的速度較慢，所以正離子組成了空間電荷并在該處聚集起來，正空間電荷的存在使電場嚴重變形，形成等效陽極。使此區(qū)域的電位升高，與陰極形成很大的電位差（陰極輝光放電的陰極壓降），陰極的壓降主要在此區(qū)域。該區(qū)域的電場強度很大，正離子加速轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。以上三區(qū)總稱陰極區(qū)。video25PPT課件二直流輝光放電區(qū)域劃分輝光放電是氣體的自持放電過程vide（4）負輝光區(qū)：在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的電子多數(shù)能量不大，進入負輝區(qū)后，可以和離子復合或產(chǎn)生激發(fā)碰撞。因此有大量的激發(fā)發(fā)光和復合發(fā)光。此區(qū)域的光最強。（5）法拉第暗區(qū)：大部分電子在上一區(qū)損失了能量，而此區(qū)的電場強度較弱，不足以引起激發(fā)，從而產(chǎn)生暗區(qū)。（6）正離子柱：少數(shù)電子逐漸加速，并在空間與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離。因為電子數(shù)量少，產(chǎn)生的正離子不多，形成正離子與電子密度相等的區(qū)域，類似于一個良導體，成為等離子體。陰陽極的電位降主要發(fā)生在負輝區(qū)之前。維持輝光放電的電離大部分在陰極暗區(qū)。這是PVD、CVD等薄膜沉積所用的氣體放電中，我們最感興趣的兩個區(qū)域。26PPT課件（4）負輝光區(qū)：在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的電子多數(shù)能量不大，進入負輝區(qū)陰極位降區(qū)陰極位降區(qū)是維持輝光放電不可缺少的部分，自持放電主要在這個區(qū)域中進行。在輝光放電濺射鍍膜和離子鍍膜中，入射離子的能量是由陰極位降確定的。粗略估計，可以認為陰極位降近似等于放電電壓。陰極位降的大小又與維持輝光放電所必需的二次電子的放出效果，電子在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的一次電離效果相聯(lián)系。因此，陰極位降即放電電壓的大小要由陰極材料，放電氣體離子的種類，放電氣壓，陰極電流密度來決定。27PPT課件陰極位降區(qū)27PPT課件輝光放電的產(chǎn)生條件：（1）放電開始前，放電間隙中電場是均勻的或不均勻性不大；（2）放電主要靠陰極發(fā)射電子的過程來維持；（3）放電氣壓P一般需要保持在4～102Pa范圍內(nèi)。太高，可能出現(xiàn)弧光放電，太低可能不能產(chǎn)生放電現(xiàn)象。（4）輝光放電電流密度一般為10-1～102mA/cm2,而電壓為300～5000V，屬于高電壓、小電流密度放電。28PPT課件輝光放電的產(chǎn)生條件：28PPT課件輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)：阿斯頓暗區(qū)：從陰極發(fā)射的電子的初始能量只有1eV左右，所以與氣體分子不發(fā)生相互作用，因此中性分子居多，且處于基態(tài)；其次還有些濺射原子。陰極輝光區(qū)：電子的能量進一步增加，使氣體分子激發(fā)，當其躍遷回到基態(tài)就發(fā)出光波。還有一部分進入到此區(qū)域的離子發(fā)生和電子復合發(fā)光。所以此處激發(fā)態(tài)原子最多，其次是在電場作用下遷移來的離子。29PPT課件輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)：阿斯頓暗區(qū)：從陰極發(fā)射的電子的初克魯克斯暗區(qū)：電子的能量逐漸增加，使大量的氣體分子電離。此處的離子數(shù)量最多。負輝光區(qū)：在克魯克斯暗區(qū)產(chǎn)生的大量低速電子加速后又獲得能量，激發(fā)氣體分子發(fā)光。所以此區(qū)的激發(fā)原子再次增多。30PPT課件克魯克斯暗區(qū)：電子的能量逐漸增加，使大量的氣體分子電離。此處濺射現(xiàn)象的兩個主要問題：（1）克魯克斯暗區(qū)形成的大量正離子會在電場作用下沖擊陰極；（2）當兩極板之間的電壓不變，距離改變時，陰極到負輝光區(qū)的距離幾乎不變，變化的主要是陽極光柱的長度。因為兩極間的壓降主要發(fā)生在陰極到負輝區(qū)之間。因此陽極（基板）至少應放在負輝光區(qū)以外遠離陰極的一邊。31PPT課件濺射現(xiàn)象的兩個主要問題：31PPT課件正常輝光放電和異常輝光放電：正常輝光放電的陰極位降區(qū)寬度dk由下式?jīng)Q定：式中，A為常數(shù)。可知，dk與p成反比。正常輝光放電的電流密度一定。因此，在一定氣壓時，dk一定。32PPT課件正常輝光放電和異常輝光放電：正常輝光放電的陰極位降區(qū)寬度dk異常輝光放電的陰極位降Uka和陰極位降區(qū)寬度dka由下式?jīng)Q定：整理二式得：式中，E，F(xiàn)，G，H為常數(shù)，可由下表查知33PPT課件異常輝光放電的陰極位降Uka和陰極位降區(qū)寬度dka由下式?jīng)Q定射頻輝光放電：概念：交流電壓的頻率增加到射頻頻率時，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。特征：（1）放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，從而產(chǎn)生碰撞電離。減少了對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓。（2）射頻電壓可以通過任何類型的阻抗耦合進去，所以電極并不需要是良好的導體。所以可以實現(xiàn)任何材料的濺射，應用非常廣泛。放電過程：一般射頻頻率達到5～30MHz范圍，就可產(chǎn)生射頻放電。此時外加電壓的變化周期很短，而且小于電離和消電離所需的時間。對等離子體，其濃度來不及變化；對離子，質(zhì)量大，來不及進行有效移動，可近似認為不動。正離子在空間不動，形成更強的正空間電荷，對放電起增強作用。對電子，質(zhì)量小，容易在電場作用下在射頻場內(nèi)來回振蕩。經(jīng)過放電空間的路程較長，因此能增加與氣體分子的碰撞幾率，使電離能力顯著提高，降低擊穿電壓和工作電壓。低頻交流輝光放電概念：在頻率低于50kHz的交流電壓下，離子有足夠的活動性，也有足夠的時間在每個半周的時間內(nèi)，產(chǎn)生輝光放電。與直流放電的區(qū)別僅僅在于兩個電極交替地成為陰極和陽極。實際用處不大。34PPT課件射頻輝光放電：低頻交流輝光放電34PPT課件三濺射的特性

表征濺射特性的參量主要有濺射閥值、濺射率以及濺射粒子的速度和能量等。1．濺射閾值

濺射閾值指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。入射離子不同時濺射閾值變化很小，而對不同靶材濺射閥值的變化比較明顯，即濺射閾值主要取決于靶材料，與離子質(zhì)量無明顯依賴關系。

絕大多數(shù)金屬的濺射閾值為10~30eV,

相當于升華熱的4倍濺射閾值與離子質(zhì)量沒有明顯的依賴關系，而主要取決于靶材。對于同一周期的元素，濺射閾值隨著原子序數(shù)的增加而減小。35PPT課件三濺射的特性表征濺射特性的參量主要有濺射閥值、濺射率以2．濺射率

濺射率表示正離子轟擊靶陰極時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)，常用S表示。

濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關，單晶靶材還與表面取向有關。（1）靶材料

a.濺射率S隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。

b.晶格結(jié)構(gòu)不同，S不同。

c.與表面清潔度有關，清潔度高，S大。

d.升華熱大，S小。36PPT課件2．濺射率36PPT課件37PPT課件37PPT課件（2）入射離子能量離子能量在閾值～500eV之間，濺射產(chǎn)額與離子能量的平方呈正比；500eV～1keV之間，濺射產(chǎn)額與離子能量呈正比；1keV～50keV之間，濺射產(chǎn)額與離子能量的平方根呈正比；離子能量繼續(xù)增加，因為產(chǎn)生離子注入效應。濺射產(chǎn)額下降。轟擊離子越重，出現(xiàn)下降的能量越高。38PPT課件（2）入射離子能量離子能量繼續(xù)增加，因為產(chǎn)生離子注入效應。濺一般的，濺射率（S）和入射離子能量E有如下經(jīng)驗關系：其中，Eth是原子從晶格點陣被碰離位，產(chǎn)生碰撞級聯(lián)所必需的能量閾值，是Us和質(zhì)量比M2/M1的函數(shù)，M2樣品原子質(zhì)量，M1入射離子質(zhì)量。Sn(E)彈性碰撞阻止截面，Us是表面結(jié)合能。其中，a0是氫原子第一玻爾軌道半徑，其數(shù)值大約為0.529?，e是電子電量，Z1和Z2分別是入射離子和樣品原子的原子序數(shù)。39PPT課件一般的，濺射率（S）和入射離子能量E有如下經(jīng)驗關系：其中，aα和Eth可由下列關系式給出：因此，對于單原子樣品的濺射，利用上述半經(jīng)驗公式，求出濺射率的大小是完全可能的。40PPT課件α和Eth可由下列關系式給出：40PPT課件（3）入射離子的種類入射離子的原子量越大，濺射率越高。周期表的同一行中，電子殼層填滿的元素（惰性氣體）有最大的濺射率。周期表的同一列中，中間部位元素的濺射率最小。一般采用惰性氣體作為入射離子，既有較高的濺射率，也能避免與靶材發(fā)生化學反應?？紤]到成本，一般選用氬氣。各種惰性氣體的濺射率差別不大。41PPT課件（3）入射離子的種類一般采用惰性氣體作為入射離子，既有較高的（4）入射離子的入射角概念：入射離子的入射方向與靶材表面法線之間的夾角。入射角在60°～80°時，濺射速率最大，90°時為0。對于不同的靶材和入射離子，存在最佳入射角度。42PPT課件（4）入射離子的入射角42PPT課件輕元素靶材和重入射離子，角度變化對濺射率更靈敏。隨著入射離子能量的增加，最大濺射率對應的入射角度越大。解釋：入射離子所具有的能量轟擊靶材，將引起靶表面原子的級聯(lián)碰撞。此級聯(lián)碰撞的擴展范圍與入射離子的角度有關。在大入射角情況下，級聯(lián)碰撞集中在淺表面層，妨礙了碰撞范圍的拓展，使濺射率下降；小入射角情況下，離子以彈性方式從表面反射出來，反射離子對后來的入射離子有屏蔽阻擋作用，所以在入射角為60°～80°時，阻擋作用最小，轟擊效果最好。43PPT課件輕元素靶材和重入射離子，角度變化對濺射率更靈敏。解釋：入射離

（5）靶材溫度濺射率與靶材溫度的依賴關系，主要與靶材物質(zhì)的升華能相關的某溫度值有關，在低于此溫度時，濺射率幾乎不變。但是，超過此溫度時，濺射率將急劇增大。44PPT課件（5）靶材溫度44PPT課件

3．濺射原子的能量和速度（1）

濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的能量大：

一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子的能量為0.1ev

左右。

濺射中，由于濺射原子是與高能量（幾百-幾千ev）入射離子交換能量而飛濺出來的，所以，濺射原子具有較大的能量。一般認為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子

能量大1-2個數(shù)量級，約5-10ev。

（2）影響濺射原子的能量的因素：

濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類和能量以及濺射原子的方向性有關。45PPT課件3．濺射原子的能量和速度45PPT課件不同能量的離子轟擊相同靶材時，濺射原子能量分布呈麥克斯韋分布，平均能量為10～40eV；入射離子能量大于1000eV后，平均能量不再增加。相同能量的離子轟擊不同靶材時，濺射原子的平均能量與靶材有關。46PPT課件不同能量的離子轟擊相同靶材時，濺射原子能量分布呈麥克斯韋分布同種離子轟擊不同靶材時，濺射原子的平均逸出能量在原子序數(shù)大于20后，差別較大。平均逸出速度差異較小。47PPT課件同種離子轟擊不同靶材時，濺射原子的平均逸出能量在原子序數(shù)大于濺射原子的能量和速度具有以下幾個特點：(1)重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，而輕元素靶材則有高的原子逸出速度；(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；(3)在相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕入射離子濺射出的原子其逸出能量較低，約為10eV，而重入射離子濺射出的原子其逸出能量較大，平均達到30－40eV，與濺射率的情形相類似；(4)濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當入射離子能量達到1keV以上時，平均逸出能量逐漸趨于恒定值;(5)在傾斜方向逸出的原子具有較高的能量，這符合濺射的碰撞過程遵循動量和能量守恒定律。*此外，實驗結(jié)果表明，靶材的結(jié)晶取向與晶體結(jié)構(gòu)對逸出能量影響不大。濺射率高的靶材料通常具有較低的平均逸出能量。48PPT課件濺射原子的能量和速度具有以下幾個特點：48PPT課件

4．濺射原子的角度分布

早期的濺射理論（濺射的熱峰蒸發(fā)理論）認為：濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，從而導致靶材料的蒸發(fā)，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律，并且與入射離子的方向性無關。

進一步研究發(fā)現(xiàn)：（1）用低能離子轟擊時，逸出原子的分布并不服從余弦分布定律。垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)明顯地少于按余弦分布時應有的逸出原子數(shù)（2）對于不同的靶材料，角分布與余弦分布的偏差不相同

（3）改變轟擊離子的入射角時，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加（4）濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)有關。49PPT課件4．濺射原子的角度分布49PPT課件50PPT課件50PPT課件

四．濺射過程

濺射過程包括靶的濺射、逸出粒子的形態(tài)、

濺射粒子向基片的遷移和在基板上成膜的過程。1．靶材的濺射過程當入射離子在與靶材的碰撞過程中，將動量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量超過其結(jié)合能時，才可能使靶原子發(fā)生濺射。這是靶材在濺射時主要發(fā)生的一個過程。

實際上，濺射過程十分復雜，當高能入射離子轟擊固體表面時，會產(chǎn)生如圖所示的許多效應。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最終淀積為薄膜之外，其他一些效應會對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。51PPT課件四．濺射過程51PPT課件其他過程：入射離子從靶表面發(fā)射；入射離子在轟擊過程中捕獲電子后成為中性原子或分子，從表面反射；離子轟擊靶引起靶表面逸出次級電子；離子深入靶表面產(chǎn)生注入效應；吸附氣體的解析；輻射射線等。除了中性離子沉積成薄膜外，其他效應會對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。而且，這些效應同樣會作用于待鍍的基片上。因為一般基片接地，相對于陽極處于負電位。52PPT課件其他過程：除了中性離子沉積成薄膜外，其他效應會對濺射膜層的生

2．濺射粒子的遷移過程

靶材受到轟擊所逸出的粒子中，正離子由于反向電場的作用不能到達基片表面，其余的粒子均會向基片遷移。中性原子或分子在放電空間的飛行中，與工作氣體分子發(fā)生碰撞的平均自由程為：其中，C1是濺射離子的平均速度，v11是濺射離子之間的平均碰撞次數(shù)，v12是濺射離子與工作氣體分子之間的碰撞次數(shù)。一般，濺射離子的密度遠小于工作氣體分子的密度，v11可以忽略，則有，v12與工作氣體分子的密度n2，平均速度c2，濺射離子與工作氣體分子的碰撞面積Q12有關，可以表示為：

53PPT課件2．濺射粒子的遷移過程53PPT課件其中，Q12≈π（r1+r2）2,r1、r2分別是濺射粒子和工作氣體分子的原子半徑。因為濺射粒子的平均速度遠大于氣體分子的速度，所以c2可忽略：濺射鍍膜的氣體壓力為101～10-1Pa,此時濺射粒子的平均自由程為1～10cm，因此，靶與基片的距離應與該值大致相等。否則，濺射粒子在遷移過程中將發(fā)生多次碰撞，這樣，既降低了靶材原子的動能，又增加靶材的散射損失。盡管濺射原子在向基片的遷移輸運過程中，會因與工作氣體分子碰撞而降低其能量，但是，由于濺射出的靶材原子能量遠遠高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射過程中淀積在基片上靶材原子的能量仍比較大，其值相當于蒸發(fā)原子能量的幾十至上百倍。54PPT課件其中，Q12≈π（r1+r2）2,r1、r2分別是濺射粒子

3．濺射粒子的成膜過程

薄膜的生長過程我們已經(jīng)介紹，這里主要敘述靶材粒子入射到基片上在沉積成膜過程中應當考慮的幾個問題。（1）淀積速率Q

淀積速率Q是指從靶材上濺射出來的物質(zhì)，在單位時間內(nèi)淀積到基片上的厚度.

Q=CIS

C-與濺射裝置有關的特征常數(shù)，I

-離子流，

S-濺射率對于一定的濺射裝置（即C確定值）和一定的工作氣體，該沉積速率Q

與濺射率S與離子電流I

的乘積成正比。提高淀積速率的有效辦法是提高離子電流I

。在不增高電壓的條件下，增加I就只有增高工作氣體的壓力，但較多地增加氣體壓力反而會降低濺射率。55PPT課件3．濺射粒子的成膜過程55PPT課件下圖示出了氣體壓力與濺射率的關系曲線。

當壓力增高到一定值時，濺射率將開始明顯下降。這是由于靶材粒子的背返射和散射增大所引起的。事實上，在大約10Pa的氣壓下，從陰極靶濺射出來的粒子中，只有10%左右才能夠穿越陰極暗區(qū)。所以，由濺射率來選擇氣壓的最佳值是比較恰當?shù)摹?6PPT課件下圖示出了氣體壓力與濺射率的關系曲線。56PPT課件

（2）淀積薄膜的純度為了提高淀積薄膜的純度，必須盡量減少淀積到基片上雜質(zhì)的量（雜質(zhì)主要指真空室的殘余氣體）。因為，通常有約百分之幾的濺射氣體分子注入淀積薄膜中，特別在基片加偏壓時。若真空室容積為V，殘余氣體分壓為，氬氣分壓為，送入真空室的殘余氣體量為，氬氣量為，則有

由此可見，欲降低殘余氣體壓力，提高薄膜的純度，可采取提高本底真空度和增加送氬量這兩項有效措施。本底真空度為較合適57PPT課件（2）淀積薄膜的純度57PPT課件（3）沉積過程中的污染

在通入濺射氣體之前，把真空室內(nèi)的壓強降低到高真空區(qū)內(nèi)（）是很必要的。即便如此，仍可存在許多污染源存在：

a.

真空壁和真空室中的其他零件可能會有吸附氣體、水汽和二氧化碳。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。因此，可能接觸輝光的一切表面都必須在淀積過程中適當冷卻，以便使其在淀積的最初幾分鐘內(nèi)達到熱平衡，也可在抽氣過程中進行高溫烘烤。

b.

在濺射氣壓下，擴散泵抽氣效力很低，擴散泵油的回流現(xiàn)象可能十分嚴重。58PPT課件（3）沉積過程中的污染58PPT課件

c.基片表面的顆粒物質(zhì)對薄膜的影響是會產(chǎn)生針孔和形成淀積污染。因此，沉積前應對基片進行徹底的清洗，盡可能保證基片不受污染或攜帶微粒狀污物。

（4）成膜過程中的濺射條件控制:

a.應選擇濺射率高、對靶材呈惰性、價廉、高純的

濺射氣體或工作氣體

。

b.應注意濺射電壓及基片電位（接地、懸浮或偏壓）對薄膜特性的嚴重影響。濺射電壓不僅影響沉積速率，而且還嚴重影響薄膜的結(jié)構(gòu)；基片電位則直接影響入射的電子流或離子流。59PPT課件c.基片表面的顆粒物質(zhì)對薄膜的影響是會產(chǎn)生針孔和形5

c.基片溫度直接影響膜層的生長及特性。靶材中雜質(zhì)和表面氧化物等不純物質(zhì)，是污染薄膜的重要因素。

d.注意靶材的高純和保持清潔的靶表面。

e.通常在濺射沉積之前對靶進行預濺射是使靶表面凈化的有效方法。此外，在濺射過程中，還應注意濺射設備中存在的諸如電場、磁場、氣氛、靶材、基片溫度、幾何結(jié)構(gòu)、真空度等參數(shù)間的相互影響。60PPT課件c.基片溫度直接影響膜層的生長及特性。靶材中雜質(zhì)和60PP五．濺射機理

濺射現(xiàn)象很早就為人們所認識，通過大量實驗研究，對這一重要物理現(xiàn)象得出以下幾點結(jié)論：（1）濺射率隨入射離子的能量增加而增大；而在離子能量增加到一定程度時，由于離子注入效應，濺射率將隨之減??；（2）濺射率的大小與入射粒子的質(zhì)量有關；（3）當入射離子的能量低于某一臨界值（閾值）時，不會發(fā)生濺射；（4）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的大許多倍；（5）入射原子的能量低時，濺射原子角度分布就不完全符合于余弦分布規(guī)律。角分布還與入射離子方向有關。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在原子密排的方向。（6）因為電子的質(zhì)量小，所以，即使用具有極高能量的電子轟擊靶材時，也不會產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。

61PPT課件五．濺射機理61PPT課件解釋濺射現(xiàn)象的兩種較為成熟的理論：1．熱蒸發(fā)理論

早期認為：濺射現(xiàn)象是被電離氣體的荷能正離子，在電場的加速下轟擊靶表面，而將能量傳遞給碰撞處的原子，結(jié)果導致表面碰撞處很小區(qū)域內(nèi)，發(fā)生瞬間強烈的局部高溫，從而使這個區(qū)域的靶材料熔化，發(fā)生熱蒸發(fā)。

*

在一定程度上解釋了濺射的某些規(guī)律和濺射現(xiàn)象，如濺射率與靶材料的蒸發(fā)熱和轟擊離子的能量關系、濺射原子的余弦分布規(guī)律等。

*不能解釋濺射率與離子入射角的關系、單晶材料濺射時，濺射原子的角分布的非余弦分布規(guī)律、以及濺射率與入射離子質(zhì)量的關系等。62PPT課件解釋濺射現(xiàn)象的兩種較為成熟的理論：62PPT課件2．動量轉(zhuǎn)移理論

低能離子碰撞靶時，不能從固體表面直接濺射出原子，而是把動量轉(zhuǎn)移給被碰撞的原子，引起晶格點陣上原子的鏈瑣式碰撞。這種碰撞將沿著晶體點陣的各個方向進行。同時，碰撞因在原子最緊密排列的點陣方向上最為有效，結(jié)果晶體表面的原子從鄰近原子那里得到愈來愈大的能量，如果這個能量大于原子的結(jié)合能，原子就從固體表面被濺射出來。

63PPT課件2．動量轉(zhuǎn)移理論63PPT課件（4）簡單計算：二體彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移考慮二粒子（質(zhì)量分別mi和mt）間的彈性碰撞。假設碰撞前mt靜止，mi以速度vi，沿角度θ與mt碰撞。由此，可求出由質(zhì)量mi的入射粒子向質(zhì)量mt的目標粒子的能量轉(zhuǎn)移比率64PPT課件（4）簡單計算：二體彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移64PPT課件討論，以正面碰撞θ=0，cosθ=1，則：其中，λ為能量轉(zhuǎn)移系數(shù)。（1）mi=mt，λ=1，Et=Ei，靶原子獲得最大能量。（2）mi<<mt，λ=4mi/mt<<1，Et<<Ei例如用電子轟擊靶，只有很少的能量轉(zhuǎn)移到靶原子上，說明電子不能產(chǎn)生濺射作用。（3）mt<<mi，λ=4mt/mi<<1，Et<<Ei重元素粒子轟擊輕元素粒子，輕粒子的速度為碰撞前的2倍。實際中，大約只有1％的入射能量轉(zhuǎn)移到了靶表面逸出的濺射原子上，大部分通過級聯(lián)碰撞被消耗在靶的表面層，轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動。65PPT課件討論，以正面碰撞θ=0，cosθ=1，則：65PPT課件二體非彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移與彈性碰撞只交換動能相對應，非彈性碰撞后粒子內(nèi)能發(fā)生變化，只考慮第一類非彈性碰撞：入射粒子的動能變成目標粒子的內(nèi)能，如圖所示，碰撞之后目標粒子獲得內(nèi)能ΔU。ΔU與ut之間存在函數(shù)關系，為求ΔU的極大值，令代入得：66PPT課件二體非彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移66PPT課件因此，可轉(zhuǎn)移為目標粒子的內(nèi)能與入射粒子動能之比的最大值為：定義λ’為非彈性碰撞內(nèi)能傳遞系數(shù)，對于垂直入射，有（1）mi=mt，mt/(mt+mi)=1/2，即入射粒子最多有一半能量傳遞給靶原子，轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。（2）如果電子入射，mi<<mt，mt/(mt+mi)~1，即電子幾乎把所有動能傳遞給靶原子，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。67PPT課件因此，可轉(zhuǎn)移為目標粒子的內(nèi)能與入射粒子動能之比的最大值為：6確信動量轉(zhuǎn)移機制正確的理由：（1）濺射原子的角分布不象蒸發(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密排方向。（2）濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子的能量，也取決于其質(zhì)量與靶質(zhì)量之比。（3）濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子的入射角，且入射角不同時，濺射原子的角分布也不同。（4）離子能量很高時，濺射產(chǎn)額會減少，這是由于入射離子產(chǎn)生的碰撞離表面較遠的緣故。（5）濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子可能具有的能量高許多倍。68PPT課件確信動量轉(zhuǎn)移機制正確的理由：68PPT課件§4-3濺射鍍膜類型

濺射鍍膜的方式較多，從電極結(jié)構(gòu)上可分為二極濺射、三或四極濺射和磁控濺射；射頻濺射制備絕緣薄膜而研制的；反應濺射可制備化合物薄膜；為了提高薄膜純度而分別研究出偏壓濺射、非對稱交流濺射和吸氣濺射等；近年來為進行磁性薄膜的高速低溫制備，還研究開發(fā)成功對向靶濺射裝置。

69PPT課件§4-3濺射鍍膜類型濺射鍍膜的方式較多，從電極結(jié)構(gòu)上濺射鍍膜：（1）效率高；（2）薄膜質(zhì)量高；（3）可以沉積任何材料薄膜。

材料屬性；電流強度；表面電荷積累工作氣壓；殘留氣壓；電子/等離子體濃度；電子輻照導致升溫；濺射粒子轟擊；射頻濺射射頻濺射；三級，四級濺射，磁控濺射磁控濺射；偏壓濺射70PPT課件濺射鍍膜：（1）效率高；（2）薄膜質(zhì)量高；（3）可以沉積任何71PPT課件71PPT課件72PPT課件72PPT課件73PPT課件73PPT課件一．二極濺射被濺射的靶和成膜的基板及其固定架（陽極）構(gòu)成了濺射裝置的兩極。射頻二極濺射，直流二極濺射；平面二極濺射，同軸二極濺射。射頻二極濺射：使用射頻電源直流二極濺射：使用直流電源平面二極濺射：靶和基板固定架都是平板狀同軸二極濺射：靶和基板都是同軸圓柱狀布置video74PPT課件一．二極濺射射頻二極濺射：使用射頻電源video74PP直流二極濺射原理：*用膜材制成陰極靶，并接上負高壓，為了在輝光放電過程中使靶表面保持可控的負高壓，靶材必須是導體。

*工作時，先將真空室預抽到高真空（如10-3Pa），然后，通入氬氣使真空室內(nèi)壓力維持在1～10Pa時，接通電源使在陰極和陽極間產(chǎn)生異常輝光放電，并建立起等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子受到電場加速而轟擊陰極靶，從而使靶材產(chǎn)生濺射。

*直流二極濺射放電所形成電回路，是依靠氣體放電產(chǎn)生的正離子飛向陰極靶，一次電子飛向陽極而形成的。而放電是依靠正離子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子，經(jīng)陰極暗區(qū)被加速后去補充被消耗的一次電子來維持的。因此，在濺射鍍膜過程中，電離效應是必備的條件。75PPT課件直流二極濺射原理：*直流二極濺射放電所形成電回路，是依靠*直流二極濺射的工作參數(shù)為濺射功率、放電電壓、氣體壓力和電極間距。濺射時主要監(jiān)視功率、電壓和氣壓參數(shù)。當電壓一定時，放電電流與氣體壓強的關系如圖所示。濺射沉積量與濺射裝置消耗的電能（UsIst）成正比，與氣壓和靶－基片距離的乘積成反比：Us、Is、t分別是放電電壓、電流和濺射時間，p-氣壓，靶－基片距離d。76PPT課件*直流二極濺射的工作參數(shù)為濺射功率、放電電壓、氣體壓力和優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜。缺點：1.濺射參數(shù)不能獨立控制,電流隨電壓和氣壓變化，工藝重復性差。2.濺射裝置的排氣系統(tǒng)，如果采用油擴散泵,在直流濺射的壓力范圍內(nèi)，擴散泵的抽氣速率很低，所以殘余氣體的影響較大，薄膜純度差。3.基片溫度上升較高（幾百度）。4.沉積速率低。陰陽兩極之間的距離遠，2～6cm，沉積速率下降太快；如果間距太近，二次電子在兩極之間的運動距離過短，難以維持放電。如果增加氣體壓強，使放電氣體的密度增加，一方面電子碰撞電離的效率提高了；另一方面濺射原子通過擴散返回陰極的幾率也增加，總濺射率下降。77PPT課件優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜。77PPT課件措施：

1.設法在10-1Pa以上的真空度產(chǎn)生輝光放電，形成足夠高密度的等離子體。2.采用渦輪分子泵。3.有效冷卻陰極靶，盡量減少靶材放出的二次電子對基片的轟擊。4.選擇適當?shù)娜肷潆x子能量。78PPT課件78PPT課件二．偏壓濺射對基片施加一個固定的直流偏壓。如果是負偏壓——基片電壓低于陽極，基片相當于另一個陰極，起輝放電后，氣體離子會同時轟擊陰極和基片。偏壓的作用:清潔襯底表面——提高薄膜的附著力；隨時清除可能進入薄膜表面的氣體——提高薄膜的純度；轟擊去除粘附力弱的沉積粒子——提高薄膜的致密度。

79PPT課件二．偏壓濺射79PPT課件改變薄膜結(jié)構(gòu)（Tafilm）：例1：偏壓在-100V～10V，β四方晶結(jié)構(gòu)；>100V，體心立方結(jié)構(gòu)。例2：負偏壓>20V后，電阻率迅速下降（氧被濺射出來）；負偏壓較高時，電阻率逐漸上升（氬滲入鉭膜）。80PPT課件改變薄膜結(jié)構(gòu)（Tafilm）：80PPT課件

三．三極或四極濺射對于二極濺射,如果氣壓降到1Pa以下，陰極暗區(qū)會擴大，電子自由程增加，等離子體密度降低，輝光放電就無法維持。特點：增加一個熱陰極（第三極），或再附加穩(wěn)定化電極（第四極），實現(xiàn)低氣壓下的濺射。三極濺射：熱陰極比靶的電位更低，發(fā)射出的電子向靶移動穿越放電空間時，可以增加工作氣體的電離數(shù)量，增加入射離子密度，從而在較低氣壓下實現(xiàn)濺射。優(yōu)勢：附加的熱電子發(fā)射流是靶電流的一個調(diào)整參量，即電流可以獨立于電壓進行單獨調(diào)整。81PPT課件三．三極或四極濺射三極濺射：熱陰極比靶的電位更低，發(fā)優(yōu)勢：?靶電流主要決定于輔助陽極，而不是靶電壓。靶電流和濺射電壓可以獨立調(diào)節(jié)。?三、四極濺射裝置均可以在幾百伏的電壓下運行。?對基片的濺射損傷小，可用來制作集成電路和半導體器件用薄膜。?可以在主閥全開的狀態(tài)下工作，可以制取高純度的薄膜。四極濺射：又稱為等離子弧柱濺射，它是在二，三極濺射的基礎上更有效的一種熱電子強化的放電形式，原理如圖所示。在與原來二級濺射靶和基片相垂直的位置上，分別放置一個發(fā)射熱電子的燈絲（熱陰極）和吸引熱電子的輔助陽極，其間形成低電壓（～50V），大電流（5～10A）的等離子體弧柱?；≈?，大量電子碰撞氣體電離，產(chǎn)生大量離子。由于濺射靶處于負電位，因此它會受到弧柱中離子的轟擊而引起濺射。靶上可接直流電源，也可用電容耦合到射頻電源上。有時，為了更有效的引出熱電子，并使放電穩(wěn)定，在熱燈絲附近加一個正200～300V的穩(wěn)定化珊網(wǎng)，可使弧柱的點火容易在工作壓力下實現(xiàn)。否則，需要在較高壓力下點火，再逐漸降低壓力，增大電流，慢慢過渡到低壓力的工作點。穩(wěn)定化柵網(wǎng)上要限流和選擇Mo，W等耐熱材料。穩(wěn)定化柵網(wǎng)的作用是能使放電氣壓降低一個數(shù)量級以上。82PPT課件優(yōu)勢：四極濺射：又稱為等離子弧柱濺射，它是在二，三極濺射的基缺點：(1)三（四）極濺射還不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對基板的轟擊，特別在高速濺射的情況下，基板的溫升較高；(2)燈絲壽命短，也還存在燈絲的不純物使膜層沾污等問題。(3)這種濺射方式并不適用于反應濺射，特別在用氧作反應氣體的情況下，燈絲的壽命將顯著縮短。83PPT課件缺點：83PPT課件四.射頻濺射

射頻濺射裝置如圖所示。相當于直流濺射裝置中的直流電源部分改由射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡和電源所代替，利用射頻輝光放電產(chǎn)生濺射所需正離子。84PPT課件四.射頻濺射84PPT課件機理和特點：(1)對于直流濺射來說，如果靶材不是良導體材料，而是絕緣材料，正離子轟擊靶面時靶就會帶正電，使其電位上升，離子加速電場就要逐漸變小，使離子濺射靶材不可能，以至輝光放電和濺射停止。如果在靶上施加的是射頻電壓，當濺射靶處于上半周期時，由于電子的質(zhì)量比離子的質(zhì)量小得多，故其遷移率很高僅用很短時間就可以飛向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且在靶面又迅速積累大量的電子，使其表面因空間電荷呈現(xiàn)負電位，導致在射頻電壓的正半周期時也吸引離子轟擊靶材。從而實現(xiàn)了在正、負半周期均可產(chǎn)生濺射。85PPT課件機理和特點：(1)對于直流濺射來說，如果靶材不是良導體材料，或者我們可以將絕緣體靶考慮為電容器，上半周可看作電子對電容器的充電，而下半周，由于離子質(zhì)量大，遷移率小，不像電子那樣很快向靶表面集中，所以靶表面的電位上升緩慢，即，由電子充電的電容器放電緩慢。利用此電容假設，我們可以來估算靶電位的上升速度，設靶的靜電電容為C，電位為u，向靶入射的電流為I。由于靶上積蓄的電量是Cu，則下面的關系成立：式中t為時間。由于C與時間無關，這可以寫成：因此，若設C～10-12F，Δu～103V，I～10-2A，則可算出Δt～10-7s由此可以看出，在有10mA電流的流動狀態(tài)下，電位上升1kV，只需要0.1μs，在濺射鍍膜中，大多數(shù)情況下，離子加速的電壓為1kV。那么經(jīng)0.1μs的時間后，離子就不能繼續(xù)對靶進行轟擊。相反，如果在頻率大約為：的每個周期中，使靶電位正負交換，消除由離子引起的靶帶電現(xiàn)象，就可以防止靶電位的上升，由此可定量的看出采用射頻電源的必要性?，F(xiàn)在，商用濺射裝置中，多采用13.56MHz射頻電源。86PPT課件或者我們可以將絕緣體靶考慮為電容器，上半周可看作電子對電容器(2)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，電子與工作氣體分子碰撞并使之電離的幾率非常大，使得擊穿電壓和放電電壓顯著降低，其值只有直流濺射時的十分之一左右。如果射頻電場強度為：式中，ω=f/2π，f為射頻頻率。在真空中的自由電子，由于射頻場的作用，所受到的力為：電子速度因此滯后電場90度相位：解出電子運動方程：其中，A是電子運動的振幅，即真空中的自由電子在交變電場作用下，以振幅A做簡諧運動。87PPT課件(2)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(3)克服了直流濺射（含磁控）只能濺射導體材料的缺點，射頻濺射能沉積包括導體、半導體、絕緣體在內(nèi)的幾乎所有材料。(4)當離子能量高達數(shù)千電子伏時，絕緣靶上發(fā)射的二級電子數(shù)量也相當大，又由于靶具有較高負電位，電子通過暗區(qū)得到加速，將成為高能電子轟擊基片，導致基片發(fā)熱、帶電并損害鍍膜的質(zhì)量。措施：須將基片放置在不直接受二級電子轟擊的位置上，或者利用磁場使電子偏離基片。

88PPT課件(3)克服了直流濺射（含磁控）只能濺射導體材料的缺點，射頻濺89PPT課件89PPT課件90PPT課件90PPT課件五．磁控濺射---低溫高速濺射概述：磁控濺射中引入了正交電磁場，提高了離化率，于是濺射速率可比三極濺射提高10倍左右。對許多材料，濺射速率達到了電子束蒸發(fā)的水平。

磁控濺射的工作原理以磁場來改變電子的運動方向，并束縛和延長電子的運動軌跡，從而提高了電子對工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。因此，使正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效。同時，受正交電磁場束縛的電子，又只能在其能量要耗盡時才沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點的原理。

91PPT課件五．磁控濺射---低溫高速濺射91PPT課件發(fā)展歷史20世紀20年代：磁場和電場相互垂直布置的圓柱型磁控管，在真空測量和微波振蕩管中得到應用，后來在濺射離子泵中也成功得到應用。1935年：Penning最早采用磁控濺射沉積薄膜，其使用的裝置如圖所示。中央電極為陰極，陽極與陰極同軸，利用磁場線圈加上3×10-2T左右的磁場，磁場方向與電場方向相垂直。利用這種同軸磁控管裝置進行濺射鍍膜，成膜速度加快，而且濺射氣壓和未加磁場的情況相比，可以降到1/5～1/6。然而當時并沒有得到應用。1969年后，柱狀磁控濺射技術得到迅速發(fā)展。1971年，P.J.Clarke發(fā)表關于S-槍式磁控濺射源專利。1974年，J.S.Chapin第一次發(fā)表了關于平面磁控濺射鍍膜的論文。92PPT課件發(fā)展歷史1969年后，柱狀磁控濺射技術得到迅速發(fā)展。92PP優(yōu)點：（1）高速－沉積速率快；（2）低溫－基片的溫升低；（3）低損傷——對薄膜的損傷小。一般稱磁控濺射為低溫高速濺射。除以上優(yōu)點，還有一般濺射的優(yōu)點：薄膜均勻、致密、針孔少、純度高、附著力強；可以進行反應濺射；能制備成分穩(wěn)定的合金薄膜；工作壓力范圍廣；應用的靶材廣。磁控濺射源的共同特點：（1）磁場與電場垂直；（2）磁場方向與陰極靶表面平行，并組成環(huán)形磁場。93PPT課件優(yōu)點：93PPT課件以平面濺射源為例，討論磁控靶表面電子的運動情況。假設電場強度E，磁感應強度B，其中的運動粒子質(zhì)量m，電荷q，速度v。其運動方程式為：選取如圖所示的坐標系，使E與x軸反平行，B沿Z軸，有|E|=E，|B|=B，可得：94PPT課件以平面濺射源為例，討論磁控靶表面電子的運動情況。假設電場強度Z方向的運動簡單，可以不考慮。對（1）式對t微分，代入（2）式得。積分（3）式，可解出vx表達式，其中v0，δ為初始條件決定的常數(shù)：95PPT課件Z方向的運動簡單，可以不考慮。對（1）式對t微分，代入（2）同樣計算vy有：由dx=vxdt，dy=vydt，計算x、y得到，其中x0，y0為待定常數(shù)：從（5）（6）可知，帶電粒子的運動是圓周與直線運動的和。用-e代替q得到電子的圓周半徑為：即拉莫半徑96PPT課件同樣計算vy有：即拉莫半徑96PPT課件電子的漂移速度（直線運動部分）：（7）中v0的大小雖然不能確定，但我們可以假定它和電子在固體內(nèi)部的熱運動速度大體相等，即令ωe≡eB/m，ωe稱為電子的回轉(zhuǎn)頻率。97PPT課件電子的漂移速度（直線運動部分）：令ωe≡eB/m，ωe稱為電因此，可以看出：二次電子的回轉(zhuǎn)頻率很高（109/s），回轉(zhuǎn)半徑很小（10-5m）。對于環(huán)形磁場區(qū)域，稱作跑道。磁力線由跑道的外環(huán)指向內(nèi)環(huán)，橫貫跑道。靶面發(fā)出的二次電子，在電場、磁場的作用下，沿著跑道跨越磁力線做旋輪線型的跳動，并以這種形式沿著跑道轉(zhuǎn)圈，增加與氣體原子碰撞的幾率。98PPT課件因此，可以看出：二次電子的回轉(zhuǎn)頻率很高（109/s），回轉(zhuǎn)半所以磁控濺射可以克服二極、三極濺射的缺點，原因在于以下4點：（1）能量較低的二次電子只在靠近靶的封閉等離子體中循環(huán)運動，路程長，每個電子使氣體原子電離的機會增加，而且只有電子的能量耗盡后，才能脫離靶表面，落在陽極上。這是基片溫升低、損傷小的主要原因。（2）高密度等離子體被電磁場束縛在靶面附近，不和基片接觸。所以電離產(chǎn)生的正離子能十分有效地轟擊靶面，基片也免受等離子體的轟擊。（3）由于提高了電離效率，工作壓力可以降低到10-1～10-2Pa，從而減少工作氣體對被濺射原子的散射作用，提高沉積速率。（4）由于電子與氣體原子的碰撞率高，因此氣體離化率大大增加。放電氣體（等離子體）的阻抗大大降低，從而降低了濺射電壓，同時濺射速率數(shù)量級地增加。99PPT課件所以磁控濺射可以克服二極、三極濺射的缺點，原因在于以下4點：100PPT課件100PPT課件磁控濺射源簡介：三種類型：1.柱狀磁控濺射源(a)(b)；結(jié)構(gòu)簡單、適合大面積生產(chǎn)2.平面磁控濺射源(c)圓形小靶適合貴金屬，矩形適合一般靶材，可做大靶。結(jié)構(gòu)簡單、造價不高、通用性強、應用廣泛。3.濺射槍（S槍）(d)結(jié)構(gòu)復雜、一般要配合行星式夾具用。靶材利用率高，膜厚分布均勻。VIDEO101PPT課件磁控濺射源簡介：三種類型：2.平面磁控濺射源(c)圓形小靶適102PPT課件102PPT課件濺射槍（S-槍）磁控濺射源濺射槍（s-槍）為環(huán)形磁控濺射源或錐型環(huán)狀磁控濺射源，有Clarke發(fā)明，如圖所示。圓盤狀陽極與陰極同軸，并位于陰極中心，環(huán)形磁鐵套在陰極外側(cè)。由于上述E×B的電磁場布置，在陰極近旁形成強等離子體（如圖），而使濺射原子向外噴射，形成所謂噴槍式的結(jié)構(gòu)。噴射的濺射原子沉積在與陰極相對布置的基片上。S-槍多采用永磁結(jié)構(gòu)，接近陰極表面的場強一般控制在1.5×10-2T左右。以沉積鋁和鋁合金為例，典型的運行參數(shù)是：電源功率700V×10A，陰極刻蝕區(qū)的功率密度50W/cm2，濺射氣壓0.1～1Pa，沉積速率為幾十納米/分。103PPT課件濺射槍（S-槍）磁控濺射源103PPT課件濺射槍的特點：（1）靶的冷卻效果好，允許的功率密度高。（2）靶的利用率高（如圖）。S-槍濺射源靶形狀設計的很巧妙，腐蝕最深的地方是靶材最厚的地方，即以不等厚的靶材來適應不均勻的腐蝕，因此S-槍的靶材利用率一般可達50%以上。但靶加工成錐型，材料切削加工浪費大，加工要求高。（3）靶整體作為插入件，裝卸方便。（4）濺射能量分布不均勻。被濺射出的材料按極坐標的分布（如圖），這樣，S-槍不宜與基片對面放置，而必須以基片的隨機運動來達到沉積的均勻性。具體來說，基片要求行星式兩維的運動。這些要求使得S-槍高速的效果沒有充分發(fā)揮出來，因此在大面積鍍膜和連續(xù)鍍膜中，難以得到推廣和發(fā)展。104PPT課件濺射槍的特點：104PPT課件平面磁控濺射源是目前應用最廣泛的磁控濺射源。磁控濺射的優(yōu)點在這里反映的最充分。特別是它適合于工業(yè)生產(chǎn)型的濺射裝置，便于連續(xù)化，自動化生產(chǎn)，因此國內(nèi)外都得到迅速的發(fā)展。其工作參數(shù)通常為：濺射氣壓10～0.1Pa，靶表面水平場強最大值(2～5)×10-2T，濺射電壓300～800V，靶面的平均電流密度0.5～0.6mA/cm2，功率密度1～36W/cm2，基片與靶的距離2～10cm。在上述條件下，一般單元素的沉積速率102～103nm/(kWmin)特點：（1）靶材結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，通常是一張3～6mm厚的平板。（2）既可以采用電磁靶，又可以采用永磁靶。采用電磁靶可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流改變場強的大小和分布，達到恒速濺射的目的；采用永磁靶，通過多塊磁鐵的不同布置，可以在寬度，長度，方向上任意改變和無限擴展平面濺射源的尺寸。（3）通過改變磁體布局可以擴大濺射沉積的均勻區(qū)。（4）基片不要求做復雜運動，而且基片與源的距離可以保持在對濺射速率最有利的距離。VIDEO105PPT課件平面磁控濺射源（3）通過改變磁體布局可以擴大濺射沉積的均勻區(qū)磁控濺射存在的問題（1）不能實現(xiàn)磁性材料的低溫高速濺射；（2）使用絕緣材料會使基板溫度上升；（3）靶材料的利用率較低（30％），由于跑道優(yōu)先濺射的緣故。106PPT課件磁控濺射存在的問題106PPT課件六．對向靶濺射

對于Fe、Co、Ni、Fe2O3等磁性材料，因為磁阻很低，磁場幾乎完全從中通過，不能形成較強的磁場使二次電子作圓擺線運動，用前面的磁控濺射技術很難實現(xiàn)低溫高速濺射。若采用三極或射頻濺射，靶溫升嚴重，沉積速率低。采用對向靶濺射法。磁場與靶表面垂直，與電場平行。陽極放在與靶面垂直部位。電場與磁場共同約束等離子體。二次電子飛出靶面后，被陰極暗區(qū)的電場加速，向陽極運動過程中，在磁場作用下，作洛侖茲運動。但由于兩個靶上有較高的負偏壓，電子幾乎沿直線運動，到對面靶的陰極位降區(qū)被減速，然后被反方向加速運動。在靶四周非均勻磁場的作用下，二次電子被封閉在B0之間，形成高密度的柱狀等離子體。電子被兩個電極來回反射，加長了電子運動的路程，增加與氬原子的碰撞幾率，提高沉積速率。107PPT課件六．對向靶濺射107PPT課件七．反應濺射

利用濺射技術制備介質(zhì)薄膜除可采用射頻濺射法外，另一種方法是采用反應濺射法。即在濺射鍍膜時，引入某些活性反應氣體，來改變或控制沉積特性?？色@得不同靶材的新物質(zhì)薄膜。例如：在O2中濺射反應而獲得氧化物，在N2或NH3中獲得氮化物，在O2＋N2混合氣體中得到氮氧化合物，在C2H2或CH4中得到碳化物，在硅烷中得到硅化物和在HF或CF4中得到氟化物等。

反應物之間產(chǎn)生反應的必要條件是：反應物分子必須有足夠高的能量以克服分子間的勢壘ε。勢壘ε和能量之間的關系為：Ea=NA，Ea為反應活化能，NA為阿佛伽德羅常數(shù)。Ea和Ea分別為正、逆向反應活化能；x：反應物初態(tài)能量；W：終態(tài)能量；T：活化絡合物能量；E：反應物與生成物能量之差根據(jù)過渡態(tài)模型理論，兩種反應物的分子進行反應時，首先經(jīng)過過渡態(tài)以活化絡合物，然后再生成反應物，如圖所示。可見，反應物要進行反應，必須有足夠高的能量去克服反應活化能。108PPT課件七．反應濺射

Ea=NA，Ea為反應活化能，NA為阿佛伽德實驗得出：熱蒸發(fā)粒子的平均能量只有0.1~0.2eV，而濺射粒子可達10~20eV，比熱蒸發(fā)高出二個數(shù)量級。和蒸發(fā)類似，反應基本發(fā)生在基板表面。注意，靶面的反應不能忽略，因為受到離子轟擊的靶表面金屬原子非常活潑，且靶面溫度有所上升，大大增加了靶面的反應速度。這時，靶面同時存在著濺射和反應生成化合物兩個過程。如果濺射速率大于化合物的生成速率，靶處于濺射狀態(tài)；化合物生成的速率超過濺射除去的速率，靶停止濺射?？赡芤驗榘忻嫔闪藶R射速率比金屬低得多的化合物。

為了解決此問題，常常把反應氣體和濺射氣體分別送到基板和靶附近。

保證反應的充分，需控制入射在基板上的金屬原子與反應氣體分子的速率。109PPT課件實