3溅射镀膜

nullnull第三章 溅射镀膜null 溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件） 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，形成所需要的薄膜。 溅射镀膜广泛用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质，以及化合物半导体、碳化物、氮化物等薄膜。 自20世纪70年代以来，溅射镀膜日益受到重视，并取得重大进展。nullnull 溅射镀膜的特点 溅射镀膜的历史 溅射的基本原理 辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理 溅射镀膜的类型 二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射本章主要内容null一、溅射镀膜的特点溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点： 任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物； 溅射薄膜与衬底的附着性好； 溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高； 膜层厚度可控性和重复性好。溅射镀膜的缺点： 溅射设备复杂，需要高压装置； 成膜速率较低（0.01-0.5m）。null二、溅射镀膜的历史 1853年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因 。 1902年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。 1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。null溅射镀膜的历史 1969年，Sigmund 在 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。 1974年，H.H. Andersen 和H. L. Bay 研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为“热钉扎” (thermalized spike) 效应。null三、溅射的基本原理——辉光放电★ 辉光放电直流辉光放电 辉光放电是在真空度约10-1Pa的稀薄气体中，两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。 气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定律描述。null溅射的基本原理——辉光放电null溅射的基本原理——辉光放电 无光放电 由于宇宙射线产生的游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，10-16-10-14A。 自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小。 汤森放电区 随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离。于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。 上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。null溅射的基本原理——辉光放电 正常辉光放电 当电极板两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。 气体击穿，产生辉光 自持放电（电流密度范围2-3个数量级） 电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关） 电流密度恒定 电流密度与阴极材料、气体压强和种类有关 功率不高（溅射选择非正常放电区）称为正常辉光放电null溅射的基本原理——辉光放电 非正常辉光放电区 当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。 特点：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有关。 阴极表面情况：此时辉光布满整个阴极，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。 此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，结果更多的正离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。null溅射的基本原理——辉光放电 弧光放电区异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。 极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路； 放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁； 大电流容易损坏电源。null溅射的基本原理——辉光放电 在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定，电压不变。 当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。 正常辉光与异常辉光放电null溅射的基本原理——辉光放电null溅射的基本原理——辉光放电巴邢定律null溅射的基本原理——辉光放电 阿斯顿暗区 冷阴极发射的电子约1eV左右，很少发生电离和激活，所以在阴极附近形成阿斯顿暗区。 阴极辉光区 加速电子与气体分子碰撞后，激发态分子退激以及进入该区的电子与离子复合形成中性原子，形成阴极辉光。 克鲁克斯暗区 穿过阴极辉光区的电子，不易与正离子复合，形成又一个暗区。null溅射的基本原理——辉光放电 负辉光区 随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。 正离子移动速度慢，产生积聚，电位升高；与阴极之间的电位差成为阴极压降。 电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，复合几率增加，形成明亮的负辉光区。null溅射的基本原理——辉光放电 法拉第暗区 少数电子穿过负辉光区，形成暗区。 正离子柱 法拉第暗区过后，少数电子逐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。 此区域电压降很小，类似一个良导体。null溅射的基本原理——辉光放电 辉光放电阴极附近的分子状态null溅射的基本原理——辉光放电 与溅射现象有关的问题有两个： 在克鲁克斯暗区周围形成的正离子轰击阴极； 电压不变而改变电极间距时，主要发生变化的是阳极光柱的长度，而从阴极到负辉光区的距离几乎不变。 溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于阴极与负辉光区的距离。null溅射的基本原理——溅射特性★ 溅射参数一、溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须携带的最小能量。 目前能测出10-5原子/离子的溅射率（阈值参考）。 溅射阈值与离子质量没有明显的依赖关系，主要取决于靶材料。同一周期的元素，溅射阈值随靶材料原子序数增加而减小。null溅射的基本原理——溅射特性 溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量。 目前能测出10-5原子/离子的溅射率（阈值参考）。对绝大多数金属靶材，溅射阈值为10~30eVnull溅射的基本原理——溅射特性 溅射阈值与材料的升华热有关，约为其4倍！null溅射的基本原理——溅射特性二、溅射率 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。null溅射的基本原理——溅射特性1. 靶材料溅射率呈周期性变化，并随靶材料原子序数增大而增大。null溅射的基本原理——溅射特性2. 入射离子能量溅射率先随入射离子能量的增加而增加，达到某一最大值之后，随能量的进一步增大而减小。减小的原因是离子注入晶格内部，能量损耗在靶的内部。null溅射的基本原理——溅射特性3. 入射离子种类溅射率呈周期变化，周期表同一排中，电子填满的元素溅射率最大。不同入射离子对溅射率的影响远远大于不同靶材对溅射率的影响。一般采用惰性气体氩气（Ar）作为工作气体。null溅射的基本原理——溅射特性4. 入射离子的入射角 入射离子的入射角是指离子入射方向与溅射靶材表面法线之间的夹角。null溅射的基本原理——溅射特性null溅射的基本原理——溅射特性5. 靶材温度 靶材存在与升华热相关的某一温度。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。 溅射与蒸发的合作用！null溅射的基本原理——溅射特性三、溅射原子的能量和速度 溅射原子的能量（10eV）比热蒸发原子能量（0.1eV）大1-2个数量级。 溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射原子的方向等有关。 几组实验数据曲线。null溅射的基本原理——溅射特性1. 离子能量能量分布近似麦克斯韦分布，平均能量为10～40 eV。溅射原子能量随离子能量的增大而增大，当入射离子能量大于1 keV，趋于稳定。null溅射的基本原理——溅射特性2. 入射离子和靶材料不同靶材具有不同的原子逸出能量，而溅射率高的靶材，通常具有较低的平均逸出能量。不同入射离子溅射不同的靶材，溅射原子的能量分布很宽。null溅射的基本原理——溅射特性3. 不同方向 倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量，但角度不能太大。null溅射的基本原理——溅射特性重元素靶材溅射出来的原子有较高的能量；而轻元素靶材则有较高的速度。4. 靶材原子序数null溅射的基本原理——溅射特性四、溅射原子的角度分布 早期的热峰蒸发理论 溅射原子的角度分布符合Knudsen余弦定律，并且与入射离子的方向无关（局部高温蒸发）。 实际逸出原子分布并不遵从余弦定律。null溅射的基本原理——溅射特性 实际分布 在垂直于靶面方向明显少于余弦分布时应有的逸出原子数。null溅射的基本原理——溅射特性 与靶材结构（晶态和非晶态）的关系 单晶靶可观察到溅射原子明显的择优取向（原子排列越紧密，原子逸出最多）；多晶靶溅射原子近似余弦分布。null四、溅射镀膜的类型——二级直流溅射★ 二级直流溅射 系统结构基片null溅射镀膜的类型——二级直流溅射 特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。 控制参数：功率、电压、气压、电极间距（靶基距）等。 缺点溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压变化，工艺重复性差； 溅射气压较高，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差； 基片温度升高，淀积速率低； 靶材必须是良导体。null溅射镀膜的类型——偏压溅射★ 偏压溅射 结构：基片施加负偏压。 原理：离子轰击基片，清除薄膜表面的气体和结合弱的沉积原子。 特点： 1. 提高薄膜纯度； 2. 提高附着力； 3. 改变薄膜的结构。null溅射镀膜的类型——三极或四极溅射★ 三极或四极溅射 二极直流溅射只能在高气压下进行，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。 当气压下降（1.3-2.7Pa）时，电子自由程增加，阴极暗区扩大，等离子体密度下降，辉光放电将无法维持。负电位null溅射镀膜的类型——三极或四极溅射null溅射镀膜的类型——三极或四极溅射 特点： 1. 靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点； 2. 靶电压低（几百伏），溅射损伤小； 3. 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，提高了溅射参数的可控性和工艺重复性； 4. 溅射工作气压可以较低。 缺点： 不能抑制电子轰击对基片的影响（温度升高）；灯丝污染问题；不适合反应溅射等。null溅射镀膜的类型——射频溅射★ 射频溅射null溅射镀膜的类型——射频溅射 特点： 1. 电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压和放电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级； 2. 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料； 3. 溅射过程不需要次级电子来维持放电。 缺点： 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。null溅射镀膜的类型——磁控溅射★ 磁控溅射 磁控溅射是70年代发展起来的一种高速溅射技术。 磁控溅射可以使淀积速率提高。气体电离从0.3-0.5%提高到5-6%。null溅射镀膜的类型——磁控溅射 磁控溅射工作原理 磁控溅射技术中使用了磁控靶。磁控靶null溅射镀膜的类型——磁控溅射null溅射镀膜的类型——磁控溅射 特点：在阴极靶的表面形成一个正交的电磁场； 电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率约为10-7 s-1 ）； 可以在低真空（10-1Pa，溅射电压数百伏，靶流可达到几十毫安/m2）实现高速溅射； 低温、高速。null溅射镀膜的类型——磁控溅射 磁控溅射源类型 圆柱状磁控溅射源 平面磁控溅射源 S枪（锥型磁控溅射源）null溅射镀膜的类型——磁控溅射 平面磁控溅射靶null溅射镀膜的类型——磁控溅射 磁控溅射靶的最基本 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 是：在阴极表面形成环形磁场，对靶面发射的二次电子进行有效控制。 环行磁场区域一般称为跑道，磁力线从跑道外环指向内环（或由内环指向外环），横贯跑道。 二次电子在跑道内作摆线运动。由于磁场强度分布不均匀造成了离子密度的不均匀，进而形成靶面不均匀溅射。null溅射镀膜的类型——磁控溅射null溅射镀膜的类型——对向靶溅射★ 对向靶溅射 对于磁性材料，要实现低温、高速溅射镀膜，由于靶的磁阻很低，磁场几乎完全从靶中通过，不可能在靶面上形成平行的磁场。 采用对向靶溅射技术，可以解决上述问题。 对向靶溅射具有溅射速率高、基板温度低、可淀积磁性薄膜等优点。null溅射镀膜的类型——反应溅射★ 反应溅射 一般描述 与反应蒸发相类似，在溅射过程中引入反应气体，就可以控制生成薄膜的组成和特性，称为“反应溅射”。 溅射淀积高纯介质薄膜和各种化合物薄膜，必须先有高纯靶。 高纯的氧化物、氮化物、碳化物、或其它化合物粉末并不难得，但是，加工成靶却是很难的。null溅射镀膜的类型——反应溅射 反应动力学过程 和 为正逆反应过程的活化能；null溅射镀膜的类型——反应溅射粒子的按能量分布：反应速度常数： 目前，对于反应溅射成膜过程及机理的研究还不十分深入。通常靶反应溅射过程分为三个部分：靶面反应、气相反应、基片反应。null溅射镀膜的类型——反应溅射（1）靶面反应 靶面金属与反应气体之间的反应，结果影响淀积薄膜的质量和成分。 关键是防止在靶面上形成稳定化合物（如铝靶）。（2）气相反应 逸出靶面的原子在到达基片之前与反应气体发生反应形成化合物。null溅射镀膜的类型——反应溅射（3）基片反应 溅射原子在基片表面形成所需要的化合物。基本要求是 到达基片的金属原子与反应气体分子之间维持一定的比例； 保持适当的基片温度。null溅射镀膜的类型——反应溅射null习题、思考题溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？ 正常辉光放电和异常辉光放电的特征？ 溅射的概念 溅射参数 溅射机理 二极直流溅射、射频溅射、磁控溅射的原理