濺射鍍膜的課件資料

濺射鍍膜的課件資料第1頁/共95頁2

“濺射”:

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。濺射原子：射出的粒子，大多呈原子狀態(tài)。荷能粒子：轟擊靶材，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(shù)又稱為離子濺射鍍膜或淀積。

2第2頁/共95頁3直流濺射沉積裝置第3頁/共95頁4§3-1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，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。（2）濺射膜與基板之間的附著性好。（3）濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高。（4）膜層可控性和重復性好。缺點：（1）濺射設(shè)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。4第4頁/共95頁5§3-2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(chǔ)之上，即濺射離子都來源于氣體放電。氣體放電是離子濺射過程的基礎(chǔ)。

一、氣體放電現(xiàn)象考慮直流電場作用。5第5頁/共95頁6直流氣體放電體系V=E-IR1、氣體放電過程第6頁/共95頁7（1）無光放電(AB區(qū)域

)

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是很有限的（這些少量的正離子和電子在電場下運動，形成電流），開始時電流非常小，僅有10-16～10-14安培左右。此區(qū)是導電而不發(fā)光，無光放電區(qū)。7第7頁/共95頁8（2）湯森放電區(qū)（BC區(qū)）

隨著電壓升高，帶電離子和電子獲得了足夠能量，運動速度逐漸加快，與中性氣體分子碰撞產(chǎn)生電離，使電流平穩(wěn)增加，但電壓卻受到電源的高輸出阻抗限制而呈一常數(shù)。

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?！亲猿址烹姟５?頁/共95頁（3）過渡區(qū)（CD區(qū)域

）離子轟擊陰極，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，又產(chǎn)生新的更多的二次電子。一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達到自持，發(fā)生“雪崩點火”，氣體開始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)負阻特性。

第9頁/共95頁10（4）正常輝光放電區(qū)（DE區(qū)域）

當電流增至C點時，極板兩端電壓突然降低，電流突然增大，并同時出現(xiàn)帶有顏色的輝光，此過程稱為氣體的擊穿，圖中電壓VB稱為擊穿電壓。在D點以后，電流與電壓無關(guān)，即增大電源功率時，電壓維持不變，而電流平穩(wěn)增加。第10頁/共95頁11正常輝光放電的特點：（1）電子和正離子是來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使自然游離源不存在，導電也將繼續(xù)下去。（2）維持輝光放電的電壓較低，且不變。（3）電流的增大與電壓無關(guān)，只與陰極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。（4）正常輝光放電的電流密度與陰極材料和氣體的種類有關(guān)。氣體的壓強與陰極的形狀對電流密度的大小也有影響。電流密度隨氣體壓強增加而增大。凹面形陰極的正常輝光放電電流密度，要比平板形陰極大數(shù)十倍左右。

11第11頁/共95頁12（5）非正常輝光放電區(qū)（EF區(qū)域）

E點以后，當離子轟擊覆蓋整個陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率，會使兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，進入非正常輝光放電狀態(tài)。12第12頁/共95頁13特點：電流增大時，兩放電極板間電壓升高，且陰極電壓的大小與電流密度和氣體壓強有關(guān)。原因：此時輝光已布滿整個陰極，再增加電流時，離子層已無法向四周擴散，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短。要想提高電流密度，必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子。由于正常輝光放電時的電流密度仍比較小，一般薄膜濺射選擇在非正常輝光放電區(qū)工作，有利于提供大面積的均勻濺射和薄膜沉積。第13頁/共95頁（6）弧光放電區(qū)（FG區(qū)域）兩極間電壓降至很小的數(shù)值，電流大小幾乎是由外電阻大小決定，而且電流越大，極間電壓越小。14危害：（1）極間電壓陡降，電流突然增大，相當于極間短路；（2）放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過大而將陰極燒毀；（3）驟然增大的電流有損壞電源的危險。第14頁/共95頁152、輝光放電的條件在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V

只與氣體壓強P

和電極距離d的乘積有關(guān)——巴邢定律。第15頁/共95頁☆討論：（1）P過低,d過小——電子很容易跨越電極之間的空間而沒有發(fā)生與氣體分子的碰撞;（2）P過高,d過大——電子與氣體分子的碰撞又過于頻繁,此時，電子獲得的能量較低，不足以引起氣體分子的電離?！顚嶋H情況：在大多數(shù)輝光放電濺射過程中，要求氣體壓強低，P*d一般都在最小值的右邊，故需要相當高的起輝電壓。在極間距小的電極結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要瞬時地增加氣體壓強以啟動放電。第16頁/共95頁3、

輝光放電區(qū)域分布輝光放電時，有明顯的輝光產(chǎn)生，根據(jù)其發(fā)光強度不同，從陰極到陽極，整個放電區(qū)域可劃分為幾個區(qū)域。第17頁/共95頁18(1)阿斯頓暗區(qū)-

靠近陰極的一層極薄區(qū)域，由于從陰極發(fā)射的電子能量只有1eV左右，不能發(fā)生激發(fā)和電離。(2)陰極輝光區(qū)-

緊靠阿斯頓暗區(qū)，輝光是在加速電子碰撞氣體分子后，由于激發(fā)態(tài)的氣體分子衰變

和進入該區(qū)的

離子復合

而形成中性原子所造成的。(3)克魯克斯暗區(qū)-

電子被加速后，動能較大，不易與正離子復合，故形成暗區(qū)，寬度與電子平均自由程有關(guān)，隨著電子繼續(xù)加速，很快獲得了足以引起氣體電離的能量，在此空間產(chǎn)生大量的正離子和低速電子。(4)負輝光區(qū)-正離子的質(zhì)量較大，向陰極的運動速度較慢，故由正離子組成了空間電荷并在該處聚集。正離子濃度很大，而電子碰撞后速度減慢，與正離子的復合幾率增多，同時低速電子使氣體分子激發(fā)產(chǎn)生明亮的輝光。第18頁/共95頁進入負輝區(qū)的電子可分為兩類：快電子（數(shù)量少，能量大）和慢電子（數(shù)量多，能量小）。慢電子形成負空間電荷區(qū)，形成負電位梯度。在負輝區(qū)產(chǎn)生激發(fā)碰撞，電子與正離子復合幾率增多。(5)法拉第暗區(qū)-大部分電子已在負輝光區(qū)中經(jīng)歷多次碰撞損失了能量，慢電子不足以引起電離和激發(fā)。(6)陽極光柱-在負輝光區(qū)與陽極之間，幾乎沒有電壓降。是少數(shù)電子逐漸加速并在空間與氣體分子碰撞而產(chǎn)生電離，形成電子與正離子密度相等的區(qū)域，空間電荷作用不存在，電壓降較小，類似一個良導體。唯一的作用是連接負輝光區(qū)和陽極。第19頁/共95頁20直流輝光放電過程的電位分布電壓降主要發(fā)生在克魯克斯暗區(qū)，陽極位置較自由。第20頁/共95頁214．輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)

第21頁/共95頁225、射頻輝光放電在一定氣壓下，當陰陽極間所加交流電壓的頻率增高到射頻頻率時，即可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。兩個特征:1）在輝光放電空間產(chǎn)生的電子，獲得了足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離，減少了放電對二次電子的依賴，并且降低了擊穿電壓。2）射頻電壓能夠通過任何一種類型的阻抗藕合進去，所以電極并不需要是導體。濺射頻率：5~30MHz；濺射氣壓：10-1~10-2

Pa第22頁/共95頁23

二．濺射特性

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

濺射閥值指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。絕大多數(shù)金屬的濺射閾值為10~30eV,

相當于升華熱的4倍23第23頁/共95頁24入射離子不同時濺射閥值變化很小，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，與入射離子質(zhì)量無明顯依賴關(guān)系。同周期元素，濺射閾值隨著原子序數(shù)增加而減小。第24頁/共95頁25第25頁/共95頁262．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(guān)，單晶靶材還與表面取向有關(guān)。（1）靶材料

(表3-2、圖3-9)

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，六方晶格〉面心立方。

c.與表面清潔度有關(guān)，清潔度高，S大。

d.升華熱大，S小。26第26頁/共95頁2727第27頁/共95頁28

（2）入射離子能量（圖3-10、3-11）對濺射率影響顯著，高于濺射閾值才發(fā)生濺射。

28濺射率與入射離子能量的關(guān)系A(chǔ)r粒子轟擊銅時濺射率與入射離子能量的關(guān)系第28頁/共95頁2929Ar離子濺射不同靶材不同離子濺射W靶材第29頁/共95頁30（3）入射離子種類（圖3-12）

入射離子的原子量越大，濺射率越高；濺射率也與入射離子的原子序數(shù)呈現(xiàn)周期性變化的關(guān)系。30惰性氣體的濺射率最高，一般采用惰性氣體作為入射離子第30頁/共95頁31

（4）入射離子的入射角

入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角。0~60°，1/cosθ60°~80°，濺射率最大第31頁/共95頁3232不同入射角θ的濺射率值S(θ)，和垂直入射時的濺射率值S(0)，對于不同靶材和入射離子的種類，有以下結(jié)果：

a.對于輕元素靶材，S(θ)/S(0)的比值變化顯著；

b.重離子入射時，S(θ)/S(0)的比值變化顯著；

c.隨著入射離子能量增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐漸增大，但是S(θ)/S(0)的最大值在入射離子的加速電壓超過2kV時，急劇減小。解釋：1、級聯(lián)碰撞；2、入射離子彈性反射第32頁/共95頁

（5）靶材溫度

濺射率與靶材溫度的依賴關(guān)系，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，濺射率幾乎不變。超過此溫度時，濺射率將急劇增大。33濺射時，嚴格控制溫度，防止濺射率急劇增加！第33頁/共95頁34

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(guān)。34第34頁/共95頁3535能量服從麥克斯韋分布第35頁/共95頁3636近似的能量分布規(guī)律，能量值的分布范圍不同第36頁/共95頁3737第37頁/共95頁38

同一離子轟擊不同材料時，濺射原子平均逸出能量和平均逸出速度如圖3－19和圖3－20所示。原子序數(shù)Z＞20時，各元素的平均逸出能量差別增大，而平均速度差別較小。38第38頁/共95頁3939第39頁/共95頁40由圖3－21可見，不同方向逸出原子的能量分布不相同的。40第40頁/共95頁41

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；41第41頁/共95頁42（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。42第42頁/共95頁43

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(guān)（圖中虛線部分）。43第43頁/共95頁4444實際研究：（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；鉬鐵第44頁/共95頁4545（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(guān)。第45頁/共95頁46

三．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?！饕l(fā)生的一個過程。

實際濺射過程十分復雜，當高能入射離子轟擊固體表面時，會產(chǎn)生許多效應。46第46頁/共95頁4747鍍膜第47頁/共95頁第48頁/共95頁49

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。濺射粒子的平均自由程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。

49第49頁/共95頁

3．濺射粒子的成膜過程

（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(3-16)C-

與濺射裝置有關(guān)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，該淀積速率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。第50頁/共95頁51圖3－27示出了氣體壓力與濺射率的關(guān)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反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，可由濺射率來選擇氣壓的最佳值。51第51頁/共95頁

（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）。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

(3-17)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。第52頁/共95頁53（3）淀積過程中的污染主要污染源：

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。通常需要在放電區(qū)與阻尼器之間進行某種形式的氣體調(diào)節(jié)，即在系統(tǒng)中利用高真空閥門作為節(jié)氣閥。53第53頁/共95頁54

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，淀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:

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

。一般為Ar。

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。濺射電壓不僅影響淀積速率，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。54第54頁/共95頁

基片溫度直接影響膜層的生長及特性。（能量主要來自于原子的凝聚能、沉積原子的動能、等離子體中的其他粒子轟擊帶來的能量）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。必須注意靶材的高純和保持清潔的靶表面。通常在濺射淀積之前對靶進行預濺射是使靶表面凈化的有效方法。其他因素：濺射設(shè)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。第55頁/共95頁四．濺射機理實驗規(guī)律：（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，濺射率將隨之減小；（2）濺射率的大小與入射粒子的質(zhì)量有關(guān)；（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(guān)。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在晶體密度最大的方向（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。第56頁/共95頁兩種理論：1．熱蒸發(fā)理論濺射現(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)。

能解釋:濺射率與靶材料的蒸發(fā)熱和轟擊離子的能量關(guān)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(guān)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(guān)系等。第57頁/共95頁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。

*

能很好地解釋：濺射率與離子入射角的關(guān)系，濺射原子的角分布規(guī)律等規(guī)律。

第58頁/共95頁59五、合金或化合物的濺射濺射法比蒸發(fā)法更易于保證所制備的薄膜組分與靶材一致。

(1)與不同元素濺射產(chǎn)額間的差別相比，元素之間在平衡蒸氣壓方面的差別太大。

(2)在蒸發(fā)的情況下，被蒸發(fā)物質(zhì)多處于熔融狀態(tài)。這時，源物質(zhì)本身將發(fā)生擴散甚至對流，從而表現(xiàn)出很強的自發(fā)均勻化的傾向。在持續(xù)的蒸發(fā)過程中，這將造成被蒸發(fā)物質(zhì)的表面成分持續(xù)變動。相比之下，濺射過程中靶物質(zhì)的擴散能力較弱。由于濺射產(chǎn)額差別造成的靶材表面成分的偏離很快就會使靶材表面成分趨于某一平衡成分，從而在隨后的濺射過程中實現(xiàn)一種成分的自動補償效應:濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降;而濺射產(chǎn)額低的元素得到富集，濺射速率上升。其最終的結(jié)果是，盡管靶材表面的化學成分己經(jīng)改變，但濺射出來的物質(zhì)成分卻與靶材的原始成分相同。第59頁/共95頁60§3-3濺射鍍膜類型

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。60第60頁/共95頁6161第61頁/共95頁6262第62頁/共95頁6363第63頁/共95頁6464第64頁/共95頁6565第65頁/共95頁6666第66頁/共95頁6767第67頁/共95頁6868第68頁/共95頁6969第69頁/共95頁70一．二極濺射

被濺射的靶（陰極）和成膜的基板及其固定架（陽極）構(gòu)成了濺射裝置的兩個極。因濺射過程發(fā)生在陰極，又稱陰極濺射。70第70頁/共95頁71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。

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*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進所產(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。

*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。濺射時主要濺射功率、電壓和氣壓參數(shù)。72第72頁/共95頁7373第73頁/共95頁74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)不易獨立控制，放電電流易隨電壓和氣壓變化，工藝重復性差；（2）濺射裝置的排氣系統(tǒng)，一般多采用油擴散泵，但在直流二極濺射的壓力范圍內(nèi)，擴散泵幾乎不起作用，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣速率小，所以殘留氣體對膜層污染較嚴重，薄膜純度較差；74第74頁/共95頁（3）基片溫升高（達數(shù)百度左右）、淀積速率低；（4）靶材必須是良導體。改進措施：

（1）設(shè)法在10-1Pa以上的真空度下產(chǎn)生輝光放電，同時形成滿足濺射要求的高密度等離子體；（2）加強靶的冷卻，在減少熱輻射的同時，盡量減少或減弱由靶放出的高速電子對基片的轟擊；（3）選擇適當?shù)娜肷潆x子能量。第75頁/共95頁76二．偏壓濺射

(1)它與直流二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓。若施加的是負偏壓，則：a)有利于提高薄膜的純度;b)也可除掉粘附力弱的淀積粒子;c)加之在淀積之前可對基片進行轟擊清洗，使表面凈化，從而提高了薄膜的附著力。(2)偏壓濺射還可改變淀積薄膜的結(jié)構(gòu)。

76第76頁/共95頁7777第77頁/共95頁

三．三極或四極濺射

原理：在真空室內(nèi)附加一個熱陰極，由它發(fā)射電子并和陽極產(chǎn)生等離子體。同時使靶相對于該等離子體為負電位，用等離子體中的正離子轟擊靶材而進行濺射。如果為了引入熱電子并使放電穩(wěn)定，再附加第四極—穩(wěn)定化電極，即稱為四極濺射。優(yōu)點：（1）克服了二極直流濺射只能在較高氣壓下進行的缺點，因為它是依賴離子轟擊陰極所發(fā)射的次級電子來維持輝光放電。第78頁/共95頁（2）三極濺射的進行不再依賴于陰極所發(fā)射的二次電子，濺射速率可以由熱陰極的發(fā)射電流控制，提高了濺射參數(shù)的可控性和工藝重復性。（3）四極濺射的穩(wěn)定電極使放電趨于穩(wěn)定。第79頁/共95頁80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。四.射頻濺射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。80第80頁/共95頁8181射頻濺射原理圖第81頁/共95頁82

濺射機理和特點：機理：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。82第82頁/共95頁83特點：(1)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。(2)克服了直流濺射（含磁控）只能濺射導體材料的缺點，射頻濺射能淀積包括導體、半導體、絕緣體在內(nèi)的幾乎所有材料。(3)當離子能量高達數(shù)千電子伏時，絕緣靶上發(fā)射的次級電子數(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。須將基片放置在不直接受次級電子轟擊的位置上，或者利用磁場使電子偏離基片。

83第83頁/共95頁五．磁控濺射1、磁控濺射的工作原理初始電子碰撞Ar原子Ar+、電子轟擊靶材中性原子或分子、二次電子磁場、電場作用擺線圓周運動，產(chǎn)生大量Ar+轟擊靶材第84頁/共95頁85

2、特點（1）高速二次電子在環(huán)狀磁場的控制下，運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)中電離出大量的Ar+離子用來轟擊靶材.從而實現(xiàn)了磁控濺射淀積速高的特點。（2）低溫受正交電磁場束縛的電子，只能在其能量要耗盡時才沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳給基片的能量很小，致使基片溫升較低。第85頁/共95頁863、類型：（1）柱狀磁控濺射源；（2）平面磁控濺射源；（3）濺射槍（S槍）

86各種磁控濺射源應具備兩個條件：(1)磁場與電場正交;(2磁場方向與陰極表面平行。第86頁/共95頁874、存在的缺陷主要存在三個問題：（1）不能實現(xiàn)強磁性材料的低溫高速濺射，因為