溅射镀膜学习.pptx

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1、1“溅射”:指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。溅射原子：射出的粒子，大多呈原子状态。荷能粒子：轰击靶材，可以是电子、离子或中性粒子。因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子，这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或淀积。1第1页/共94页2直流溅射沉积装置直流溅射沉积装置第2页/共94页33-1 3-1 溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：（1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。（2）溅射膜与基板之间的附着性好。（3）溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。（4）膜层

2、可控性和重复性好。缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.15m/min，而溅射速率为0.010.5m/min；（3）基板温升较高和易受杂质气体影响。3第3页/共94页43-2 3-2 溅射的基本原理溅射的基本原理 溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在辉光放电 的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。气体放电是离子溅射过程的基础。一、气体放电现象考虑直流电场作用。4第4页/共94页5直流气体放电体系直流气体放电体系V=E-IR1、气体放电过程第5页/共94页6（1）无光放电(AB区域)当两电极加上直流电压时，由于宇宙

3、线产生的游离离子和电子是很有限的（这些少量的正离子和电子在电场下运动，形成电流），开始时电流非常小，仅有10-1610-14安培左右。此区是导电而不发光，无光放电区。6第6页/共94页7（2）汤森放电区（BC区）随着电压升高，带电离子和电子获得了足够能量，运动速度逐渐加快，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流平稳增加，但电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈一常数。上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。非自非自持放电。持放电。第7页/共94页（3）过渡区（CD区域）离

4、子轰击阴极，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的更多的二次电子。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，发生“雪崩点火”，气体开始起辉，两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。第8页/共94页9（4）正常辉光放电区（DE区域）当电流增至C点时，极板两端电压突然降低，电流突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压VB称为击穿电压。在D点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压维持不变，而电流平稳增加。第9页/共94页10正常辉光放电的特点：（1）电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游

5、离源不存在，导电也将继续下去。（2）维持辉光放电的电压较低，且不变。（3）电流的增大与电压无关，只与阴极板上产生辉光的表面积有关。（4）正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有关。气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小也有影响。电流密度随气体压强增加而增大。凹面形阴极的正常辉光放电电流密度，要比平板形阴极大数十倍左右。10第10页/共94页11（5）非正常辉光放电区（EF区域）E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，会使两极间的电流随着电压的增大而增大，进入非正常辉光放电状态。11第11页/共94页12特点：特点：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电流增大时，两放

6、电极板间电压升高，且阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。电压的大小与电流密度和气体压强有关。原因：原因：此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，离子层已无法向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。要想提高电流密度，使正离子层与阴极间距离缩短。要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。极，使阴极产生更多的二次电子。由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，一由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，一般薄

7、膜溅射选择在般薄膜溅射选择在非正常辉光放电区非正常辉光放电区工作，有工作，有利于提供大面积的均匀溅射和薄膜沉积。利于提供大面积的均匀溅射和薄膜沉积。第12页/共94页（6）弧光放电区（FG区域）两极间电压降至很小的数值，电流大小几乎是由外电阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。13危害：（1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；（2）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁；（3）骤然增大的电流有损坏电源的危险。第13页/共94页142、辉光放电的条件在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V 只与气体 压强P 和电极距离 d 的乘积有关巴邢定律。第14页/共94页讨论

8、：（1）P过低,d过小电子很容易跨越电极之间的空间而没有发生与气体分子的碰撞;（2）P过高,d过大电子与气体分子的碰撞又过于频繁,此时，电子获得的能量较低，不足以引起气体分子的电离。实际情况：在大多数辉光放电溅射过程中，要求气体压强低，P*d一般都在最小值的右边，故需要相当高的起辉电压。在极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体压强以启动放电。第15页/共94页3、辉光放电区域分布辉光放电时，有明显的辉光产生，根据其发光强度不辉光放电时，有明显的辉光产生，根据其发光强度不同，从阴极到阳极，整个放电区域可划分为几个区域。同，从阴极到阳极，整个放电区域可划分为几个区域。第16页/共94页17(

9、1)(1)阿斯顿暗区阿斯顿暗区-靠近阴极的一层极薄区域，由于从靠近阴极的一层极薄区域，由于从阴极发射的电子能量只有阴极发射的电子能量只有1eV1eV左右，左右，不能发生激发和不能发生激发和电离。电离。(2)(2)阴极辉光区阴极辉光区-紧靠阿斯顿暗区，辉光是在加速电紧靠阿斯顿暗区，辉光是在加速电子碰撞气体分子后，由于激发态的子碰撞气体分子后，由于激发态的 气体分子衰变气体分子衰变 和进入该区的和进入该区的 离子复合离子复合 而形成中性原子所造成的。而形成中性原子所造成的。(3)(3)克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区-电子被加速后，动能较大，不易电子被加速后，动能较大，不易与正离子复合，故形成暗区，宽度与

10、电子平均自由程与正离子复合，故形成暗区，宽度与电子平均自由程有关，随着电子继续加速，很快获得了足以引起气体有关，随着电子继续加速，很快获得了足以引起气体电离的能量，在此空间电离的能量，在此空间产生大量的正离子和低速电子产生大量的正离子和低速电子。(4)(4)负辉光区负辉光区-正离子的质量较大，向阴极的运动速度正离子的质量较大，向阴极的运动速度较慢，故由正离子组成了较慢，故由正离子组成了空间电荷并在该处聚集空间电荷并在该处聚集。正正离子浓度很大，而电子碰撞后速度减慢，与正离子的离子浓度很大，而电子碰撞后速度减慢，与正离子的复合几率增多，同时低速电子使气体分子激发产生明复合几率增多，同时低速电子使

11、气体分子激发产生明亮的辉光。亮的辉光。第17页/共94页 进入负辉区的电子可分为两类：进入负辉区的电子可分为两类：快电子（数量少，快电子（数量少，能量大）能量大）和和慢电子（数量多，能量小）慢电子（数量多，能量小）。慢电子形。慢电子形成负空间电荷区，形成负电位梯度。在负辉区产生成负空间电荷区，形成负电位梯度。在负辉区产生激发碰撞，电子与正离子复合几率增多。激发碰撞，电子与正离子复合几率增多。(5)(5)法拉第暗区法拉第暗区-大部分电子已在负辉光区中经历多大部分电子已在负辉光区中经历多次碰撞损失了能量，慢电子不足以引起电离和激发。次碰撞损失了能量，慢电子不足以引起电离和激发。(6)(6)阳极光柱

12、阳极光柱-在负辉光区与阳极之间，几乎没有电在负辉光区与阳极之间，几乎没有电压降。是少数电子逐渐加速并在空间与气体分子碰压降。是少数电子逐渐加速并在空间与气体分子碰撞而产生电离，形成电子与正离子密度相等的区域，撞而产生电离，形成电子与正离子密度相等的区域，空间电荷作用不存在，电压降较小，类似一个良导空间电荷作用不存在，电压降较小，类似一个良导体。唯一的作用是连接负辉光区和阳极。体。唯一的作用是连接负辉光区和阳极。第18页/共94页19直流辉光放电过程的电位分布直流辉光放电过程的电位分布电压降主要发生在克鲁克斯暗区，阳极位置较自由。电压降主要发生在克鲁克斯暗区，阳极位置较自由。第19页/共94页2

13、04辉光放电阴极附近的分子状态第20页/共94页215、射频辉光放电、射频辉光放电 在一定气压下，当阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电。两个特征:1）在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离，减少了放电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。2）射频电压能够通过任何一种类型的阻抗藕合进去，所以电极并不需要是导体。溅射频率：530MHz；溅射气压：10-110-2 Pa第21页/共94页22二溅射特性二溅射特性 表征溅射特性的参量主要有溅射阈值、溅射率以及溅射粒子的速度和能量等。1溅射阈值溅射阀值指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小

14、能量。绝大多数金属的溅射阈值为1030eV,相当于升华热的4倍22第22页/共94页23入射离子不同时溅射阀值变化很小，而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显，即溅射阈值主要取决于靶材料，与入射离子质量无明显依赖关系。同周期元素，溅射阈值随着原子序数增加而减小。第23页/共94页24第24页/共94页252溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。（1）靶材料(表 3-2、图 3-9)a.溅射率S 随靶材元素原子序数增

15、加而增大。b.晶格结构不同，S不同，六方晶格面心立方。c.与表面清洁度有关，清洁度高，S大。d.升华热大，S小。25第25页/共94页2626第26页/共94页27（2）入射离子能量（图 3-10、3-11）对溅射率影响显著，高于溅射阈值才发生溅射。27溅射率与入射离子能量的关系溅射率与入射离子能量的关系Ar粒子轰击铜时溅射率与入射离子粒子轰击铜时溅射率与入射离子能量的关系能量的关系第27页/共94页2828Ar离子溅射不同靶材离子溅射不同靶材不同离子溅射不同离子溅射W靶材靶材第28页/共94页29（3）入射离子种类（图 3-12）入射离子的原子量越大，溅射率越高；溅射率也与入射离子的原子序数

16、呈现周期性变化的关系。29惰性气体的溅射率最高，一般采用惰性气体作为入射离子第29页/共94页30（4）入射离子的入射角 入射角是指离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角。060，1/cos6080，溅射率最大第30页/共94页3131 不同入射角的溅射率值S()，和垂直入射时的溅射率值S(0)，对于不同靶材和入射离子的种类，有以下结果：a.对于轻元素靶材，S()/S(0)的比值变化显著；b.重离子入射时，S()/S(0)的比值变化显著；c.随着入射离子能量增加，S()/S(0)呈最大 值的角度逐渐增大，但是S()/S(0)的最大值 在入射离子的加速电压超过2kV时，急剧减小。解释：1、级

17、联碰撞；2、入射离子弹性反射第31页/共94页（5）靶材温度溅射率与靶材温度的依赖关系，主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关，在低于此温度时，溅射率几乎不变。超过此温度时，溅射率将急剧增大。32溅射时，严溅射时，严格控制温度，格控制温度，防止溅射率防止溅射率急剧增加！急剧增加！第32页/共94页33 3 3溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度（1）溅射原子的能量比蒸发原子的能量大：一般由蒸发源蒸发出来的原子的能量为0.1ev 左右。溅射中，由于溅射原子是与高能量（几百-几千ev）入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，溅射原子具有较大的能量。一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子能量大1-2

18、 个数量级，约5-10 ev。（2）影响溅射原子的能量的因素：溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类和能量以及溅射原子的方向性有关。33第33页/共94页3434能量服从麦克斯韦分布能量服从麦克斯韦分布第34页/共94页3535近似的能量分布规律，能量值的分布范围不同近似的能量分布规律，能量值的分布范围不同第35页/共94页3636第36页/共94页37同一离子轰击不同材料时，溅射原子平均逸出能量和平均逸出速度如图319和图320所示。原子序数Z20时，各元素的平均逸出能量差别增大，而平均速度差别较小。37第37页/共94页3838第38页/共94页39由图321可见，不同方向逸出原子的能量分

19、布不相同的。39第39页/共94页40溅射原子的能量和速度具有以下几个特点：(1)重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而轻元素靶材则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,溅射率高的靶材料，通常有较低的平均原子逸出能量；(3)在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，约为10 ev，而重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大，平均达到3040ev，与溅射率的情形相类似；40第40页/共94页41（4）溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量达到1kev以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值；（5）

20、在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这符合溅射的碰撞过程遵循动量和能量守恒定律。此外，实验结果表明，靶材的结晶取向与晶体结构对逸出能量影响不大。溅射率高的靶材料通常具有较低的平均逸出能量。41第41页/共94页424溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布早期的溅射理论（溅射的热峰蒸发理论）认为：溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了局部高温区，从而导致靶材料的蒸发，逸出原子呈现余弦分布规律，并且与入射离子的方向性无关（图 中虚线部分）。42第42页/共94页4343实际研究：（1）用低能离子轰击时，逸出原子的分布并不服从余弦分布定律。垂直于靶表面方向逸出的原子数明显地少于按余弦分布时应有的逸出原

21、子数；（2）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同；钼钼铁铁第43页/共94页4444（3）改变轰击离子的入射角时，逸出原子数在入射的正反射方向显著增加。（4）溅射原子的逸出主要方向与晶体结构有关。第44页/共94页45三三溅射过程溅射过程溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移和在基板上成膜的过程。1 1靶材的溅射过程当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子发生溅射。主要发生的一个过程。实际溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体表面时，会产生许多效应。45第45页/共94页4646镀膜镀膜第46页/共94页

22、第47页/共94页482 2溅射粒子的迁移过程 靶材受到轰击所逸出的粒子中，正离子由于反向电场的作用不能到达基片表面，其余的粒子均会向基片迁移。溅射粒子的平均自由程溅射镀膜的气体压力为10110-1Pa,此时溅射粒子的平均自由程为110cm，因此，靶与基片的距离应与该值大致相等。否则，溅射粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，这样，既降低了靶材原子的动能，又增加靶材的散射损失。48第48页/共94页3 3溅射粒子的成膜过程（1 1）淀积速率Q Q 淀积速率 Q Q 是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的厚度.Q=CISQ=CIS (3-16)(3-16)C-C-与溅射装置有关的特征常

23、数，I-离子流，S-溅射率对于一定的溅射装置（即C确定值）和一定的工作气体，该淀积速率 Q Q 与溅射率 S 与离子电流I I 的乘积成正比。提高淀积速率的有效办法是提高离子电流I I 。在不增高电压的条件下，增加I I 就只有增高工作气体的压力。第49页/共94页50图327示出了气体压力与溅射率的关系曲线。当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。这是由于靶材粒子的背反射和散射增大所引起的。事实上，在大约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中，只有10%左右才能够穿越阴极暗区。所以，可由溅射率来选择气压的最佳值。50第50页/共94页（2）淀积薄膜的纯度为了提高淀积薄膜的纯度，必须尽

24、量减少淀积到基片上杂质的量（杂质主要指真空室的残余气体）。若真空室容积为V，残余气体分压为，氩气分压为，送入真空室的残余气体量为，氩气量为，则有(3-17)由此可见，欲降低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氩量这两项有效措施。本底真空度为较合适。第51页/共94页52（3）淀积过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会有吸附气体、水汽和二氧化碳。由于辉光中电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在淀积过程中适当冷却，以便使其在淀积的最初几分钟内达到热平衡，也可在抽气过程中进行高温烘烤。b.在溅射气压下，扩散泵抽气效

25、力很低，扩散泵油的回流现象可能十分严重。通常需要在放电区与阻尼器之间进行某种形式的气体调节，即在系统中利用高真空阀门作为节气阀。52第52页/共94页53c.基片表面的颗粒物质对薄膜的影响是会产生针孔和形成淀积污染。因此，淀积前应对基片进行彻底的清洗，尽可能保证基片不受污染或携带微粒状污物。（4）成膜过程中的溅射条件控制:应选择溅射率高、对靶材呈惰性、价廉、高纯的溅射气体或工作气体。一般为Ar。应注意溅射电压及基片电位（接地、悬浮或偏压）对薄膜特性的严重影响。溅射电压不仅影响淀积速率，而且还严重影响薄膜的结构；基片电位则直接影响入射的电子流或离子流。53第53页/共94页基片温度直接影响膜层的

26、生长及特性。（能量主要来自于原子的凝聚能、沉积原子的动能、等离子体中的其他粒子轰击带来的能量）靶材中杂质和表面氧化物等不纯物质，是污染薄膜的重要因素。必须注意靶材的高纯和保持清洁的靶表面。通常在溅射淀积之前对靶进行预溅射是使靶表面净化的有效方法。其他因素：溅射设备中存在的诸如电场、磁场、气氛、靶材、基片温度、几何结构、真空度等参数间的相互影响。第54页/共94页四溅射机理四溅射机理实验规律：（1）溅射率随入射离子的能量增加而增大；而在离子能量增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅射率将随之减小；（2）溅射率的大小与入射粒子的质量有关；（3）当入射离子的能量低于某一临界值（阈值）时，不会发生溅射

27、；（4）溅射原子的能量比蒸发原子的大许多倍；（5）入射原子的能量低时，溅射原子角度分布就不完全符合于余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大的方向（6）因为电子的质量小，所以，即使用具有极高能量的电子轰击靶材时，也不会产生溅射现象。第55页/共94页两种理论：1 1热蒸发理论热蒸发理论溅射现象是被电离气体的荷能正离子，在电场的加速下轰击靶表面，而将能量传递给碰撞处的原子，结果导致表面碰撞处很小区域内，发生瞬间强烈的局部高温，从而使这个区域的靶材料熔化，发生热蒸发。能解释:溅射率与靶材料的蒸发热和轰击离子的能量关系、溅射原子的余弦分布规律等。不能解

28、释:溅射率与离子入射角的关系、单晶材料溅射时，溅射原子的角分布的非余弦分布规律、以及溅射率与入射离子质量的关系等。第56页/共94页2 2动量转移理论动量转移理论低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链琐式碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。同时，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果这个能量大于原子的结合能，原子就从固体表面被溅射出来。*能很好地解释：溅射率与离子入射角的关系，溅射原子的角分布规律等规律。第57页/共94页58五、合金或化合物的溅射五、合金或化合物

29、的溅射溅射法比蒸发法更易于保证所制备的薄膜组分与靶材一致。溅射法比蒸发法更易于保证所制备的薄膜组分与靶材一致。(1)(1)与不同元素溅射产额间的差别相比，元素之间在平衡蒸与不同元素溅射产额间的差别相比，元素之间在平衡蒸气压方面的差别太大。气压方面的差别太大。(2)(2)在蒸发的情况下，被蒸发物质多处于熔融状态。这时，在蒸发的情况下，被蒸发物质多处于熔融状态。这时，源物质本身将发生扩散甚至对流，从而表现出很强的自发均源物质本身将发生扩散甚至对流，从而表现出很强的自发均匀化的倾向。在持续的蒸发过程中，这将造成被蒸发物质的匀化的倾向。在持续的蒸发过程中，这将造成被蒸发物质的表面成分持续变动。表面成分

30、持续变动。相比之下，相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力较弱溅射过程中靶物质的扩散能力较弱。由于溅。由于溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面射产额差别造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中实现一种成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中实现一种成分的自动补偿效应成分的自动补偿效应:溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降下降;而溅射产额低的元素得到富集，溅射速率上升而溅射产额低的元素得到富集，溅射速率上升。其最终的结果是，尽管其最终的结果是，尽管靶材表面的化学成分己经改变，靶材表面的化学成分己

31、经改变，但溅射出来的物质成分却与靶材的原始成分相同但溅射出来的物质成分却与靶材的原始成分相同。第58页/共94页593-3 3-3 溅射镀膜类型溅射镀膜类型 从电极结构上可分为二极溅射、三或四极溅射和磁控溅射;射频溅射制备绝缘薄膜而研制的；反应溅射可制备化合物薄膜；为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对称交流溅射和吸气溅射等；近年来为进行磁性薄膜的高速低温制备，还研究开发成功对向靶溅射装置。59第59页/共94页6060第60页/共94页6161第61页/共94页6262第62页/共94页6363第63页/共94页6464第64页/共94页6565第65页/共94页6666第66页/共94

32、页6767第67页/共94页6868第68页/共94页69一二极溅射一二极溅射 被溅射的靶（阴极）被溅射的靶（阴极）和和成膜的基板及其固定架成膜的基板及其固定架（阳极）（阳极）构成了溅射装置的两个极构成了溅射装置的两个极。因溅射过程。因溅射过程发生在阴极，发生在阴极，又称阴极溅射。又称阴极溅射。69第69页/共94页70射频二极溅射 ：使用射频电源直流二极溅射：使用直流电源平面二极溅射：靶和基板固定架都是平板状同轴二极溅射：靶和基板都是同轴圆柱状布置直流二极溅射原理：*用膜材制成阴极靶，并接上负高压，为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导体。*工作时，先将真空室预抽到高真空

33、（如1010-3 3PaPa），然后，通入氩气使真空室内压力维持在1 110Pa10Pa时，接通电源使在阴极和阳极间产生异常辉光放电，并建立起等离子区，其中带正电的氩离子受到电场加速而轰击阴极靶，从而使靶材产生溅射。70第70页/共94页71*直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依靠正离子轰击阴极进所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。因此，在溅射镀膜过程中，电离效应是必备的条件。*直流二极溅射的工作参数为溅射功率、放电电压、气体压力和电极间距。溅射时主要溅射功率、电压和气压参数。71第71页/共9

34、4页7272第72页/共94页73优点：结构简单，可获得大面积膜厚均匀的 薄膜。缺点：（1 1）溅射参数不易独立控制，放电电流易 随电压和气压变化，工艺重复性差；（2 2）溅射装置的排气系统，一般多采用油扩散 泵，但在直流二极溅射的压力范围内，扩散 泵几乎不起作用，主阀处于关闭状态，排气 速率小，所以残留气体对膜层污染较严重，薄膜纯度较差；73第73页/共94页（3 3）基片温升高（达数百度左右）、淀积速率低；（4 4）靶材必须是良导体。改进措施：（1 1）设法在1010-1-1PaPa以上的真空度下产生辉光放电，同时形成满足溅射要求的高密度等离子体；（2 2）加强靶的冷却，在减少热辐射的同时

35、，尽量减少或减弱由靶放出的高速电子对基片 的轰击；（3 3）选择适当的入射离子能量。第74页/共94页75二偏压溅射二偏压溅射(1)它与直流二极溅射的区别在于基片上施加一固定直流偏压。若施加的是负偏压，则：a)a)有利于提高薄膜的纯度;b)b)也可除掉粘附力弱的淀积粒子;c)c)加之在淀积之前可对基片进行轰击清洗，使表面净化，从而提高了薄膜的附着力。(2)(2)偏压溅射还可改变淀积薄膜的结构。75第75页/共94页7676第76页/共94页三三极或四极溅射 原理：在真空室内附加一个热阴极，由它发射电子并和阳极产生等离子体。同时使靶相对于该等离子体为负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅射

36、。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四极稳定化电极，即称为四极溅射。优点：（1 1）克服了二极直流溅射只能在较高气压下进行的缺点，因为它是依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电。第77页/共94页（2 2）三极溅射的进行不再依赖于阴极所发射的二次电子，溅射速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。（3 3）四极溅射的稳定电极使放电趋于稳定。第78页/共94页79缺点：(1)(1)三（四）极溅射还不能抑制由靶产生的高速 电子对基板的轰击，特别在高速溅射的情况 下，基板的温升较高；(2)(2)灯丝寿命短，也还存在灯丝的不纯物使膜层沾 污等问题。(3)(3)这

37、种溅射方式并不适用于反应溅射，特别在用 氧作反应气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。四四.射频溅射射频溅射相当于直流溅射装置中的直流电源部分改由射频发生器、匹配网络和电源所代替，利用射频辉光放电产生溅射所需正离子。79第79页/共94页8080射频溅射原理图射频溅射原理图第80页/共94页81溅射机理和特点：机理：如果在靶上施加的是射频电压，当溅射靶处于上半周期时，由于电子的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高仅用很短时间就可以飞向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且在靶面又迅速积累大量的电子，使其表面因空间电荷呈现负电位，导致在射频电压的正半周期时也吸引离子轰击靶材。从而实现了在正、负半周期

38、均可产生溅射。81第81页/共94页82特点：(1)(1)在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，电子与工作气体分子碰撞并使之电离的几率非常大，使得击穿电压和放电电压显著降低，其值只有直流溅射时的十分之一左右。(2)(2)克服了直流溅射（含磁控）只能溅射导体材料的缺点，射频溅射能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料。(3)(3)当离子能量高达数千电子伏时，绝缘靶上发射的次级电子数量也相当大，又由于靶具有较高负电位，电子通过暗区得到加速，将成为高能电子轰击基片，导致基片发热、带电并损害镀膜的质量。须将基片放置在不直接受次级电子轰击的位置上，或者利用磁场使

39、电子偏离基片。82第82页/共94页五磁控溅射五磁控溅射1 1、磁控溅射的工作原理初始电子碰撞初始电子碰撞Ar原子原子Ar+、电子、电子轰击靶材轰击靶材中性原子或分子、中性原子或分子、二次电子二次电子磁场、电场作用磁场、电场作用摆线圆周运动，摆线圆周运动，产生大量产生大量Ar+轰击靶材轰击靶材第83页/共94页84 2 2、特点（1 1）高速二次电子在环状磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区中电离出大量的Ar+Ar+离子用来轰击靶材.从而实现了磁控溅射淀积速高的特点。（2 2）低温受正交电磁场束缚的电子，只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。由于该电子的

40、能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。第84页/共94页853 3、类型：（1 1）柱状磁控溅射源；（2 2）平面磁控溅射源；（3 3）溅射枪（S S枪）85各种磁控溅射源应具备两个条件：(1)磁场与电场正交;(2磁场方向与阴极表面平行。第85页/共94页864、存在的缺陷、存在的缺陷主要存在三个问题：主要存在三个问题：（1）不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因）不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所有磁通都通过磁性靶子，所以在靶面附为几乎所有磁通都通过磁性靶子，所以在靶面附近不能外加强磁场近不能外加强磁场;（2）使用绝缘材料靶会使基板温度上升）使用绝缘材料靶会使基板温度上升;

41、（3）靶子的利用率较低）靶子的利用率较低(约约30%)，这是由于靶子，这是由于靶子侵蚀不均匀的原因。侵蚀不均匀的原因。第86页/共94页87六对向靶溅射六对向靶溅射87两只靶相对安置。所加磁场和靶表面垂直，且磁场和电场平行。阳极放置在与靶面垂直部位，和磁场一起起到约束等离子体的作用。优点：溅射速率高、基板温度低、可淀积磁性薄膜第87页/共94页88七反应溅射七反应溅射在溅射镀膜时，引入某些活性反应气体，来改变或控制淀积特性，可获得不同靶材的新物质薄膜的方法。88通常的反应气体有氧、氮、甲烷、一氧化碳、硫化氢等反应过程可以发生在基片上或发生在阴极。第88页/共94页89八离子束溅射八离子束溅射离

42、子的产生与靶材的溅射过程分开，离子产生区的真空度保持在1010-1-1PaPa的数量级，而溅射区的真空度则可维持在低于1010-3-3PaPa甚至可以达到1010-7-7Pa)Pa)的范围。按用于薄膜淀积的离子束功能不同，可分为两类：一次离子束沉积，这时离子束由需要淀积的薄膜组分材料的离子组成，离子能量较低，它们在到达基片后就淀积成膜，又称低能离子束淀积。二次离子束淀积，离子束系由惰性气体或反应气体的离子组成，离子的能量较高，它们打到由需要淀积的材料组成的靶上，引起靶原子溅射，再淀积到基片上形成薄膜。因此，又称离子束溅射。89第89页/共94页9090第90页/共94页91离子束溅射淀积原理，

43、由大口径离子束发生源（1离子源）引出惰性气体离子（Ar+、Xe+等），使其照射在靶上产生溅射作用，利用溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。在大多数情况下，淀积过程中还要采用第二个离子源（2离子源）使其发出的第二个离子束对形成的薄膜进行照射，以便在更广范围控制淀积膜的性质。上述第二种方法又称双离子束溅射法。通常，第一个离子源多用考夫曼源，第二个离子源可用考夫漫源或自交叉场型离子源等。缺点：离子束溅射，简称IBS是一种新的制膜技术，和等离子溅射镀膜相比，装置较复杂，成膜速率低。91第91页/共94页92优点：（1 1）在1010-3-3PaPa的高真空下，在非等离子状态下成膜，淀 积的薄膜很少掺有气

44、体杂质，所以纯度较高；（2 2）淀积发生在无场区域，基片不再是电路的一部分，不会由于快速电子轰击使基片引起过热，所以基片的温升低；（3 3）可以对制膜条件进行独立的严格的控制，重复性 较好；（4 4）适用于制备多成分膜的多层膜；（5 5）许多材料都可以用离子束溅射，其中包括各种粉末、介质材料、金属材料和化合物等。特别是对于饱和蒸气压低的金属和化合物以及高熔点物质的淀积等，用IBSIBS比较适合。92第92页/共94页93思考题思考题1.溅射镀膜的原理。2.溅射薄膜的附着性为什么比蒸发薄膜的 附着性更好？3.溅射阈值与与哪些因素有关？影响溅射率的因素有哪些？4.提高溅射薄膜的纯度，可采取哪些措施？5.磁控溅射是如何实现“低温”、“高速”两大特点的？第93页/共94页94感谢您的观看！第94页/共94页