材料合成与制备技术ch63

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1、16.3溅射成膜2溅射是指荷能粒子（如正离子）轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象，逸出的原子在工件表面形成与靶材成分相同的薄膜。这种制备薄膜的方法称为溅射成膜。3溅射技术的发展1842年，Grove提出溅射现象；1870年，溅射技术始用于薄膜制备；1930年，溅射成膜技术进入实用阶段；20世纪70年代，电子工业半导体制造工艺需要制备组成复杂的合金，促进了溅射成膜技术的发展与应用；溅射成膜技术优点：可以精确控制膜的组分，增强膜与基体的结合力。4溅射的基本原理1．气体放电理论2．辉光放电3．溅射机制（1）溅射蒸发论（2）动

2、量转移理论54．溅射率及其影响因素通常，一个入射靶面的离子，使靶面溅射出来的原子数称为溅射率，用S表示。可见，溅射率是决定溅射成膜快慢的主要因素之一。影响溅射率大小的主要因素有入射离子能量、入射角度、靶材及表面的晶体结构。其中入射离子能量起决定性的作用，图6-20是溅射率和入射离子能量的关系。图6-20溅射率与入射离子能量关系示意（P228）与升华热具有相同数量级<100~400ev400~500ev，S∝（E）1/2离子注入7事实上，溅射率S的大小还取决于正离子的种类。靶材为Ag，加速电压为45kV时，溅射率随正离子原子序数

3、呈周期的变化，而惰性气体呈现出峰值。所以通常溅射时多用Ar。此外，靶材料不同对溅射影响也较大，随着原子序数的增大，溅射率也是周期性变化，如Cu、Ag、Au都具有最大的溅射率。表6-6给出了各种物质的溅射率。8表6-6各种物质的溅率96.3.2溅射设备1．直流溅射典型的直流二极溅射设备原理如图6-21所示，它由一对阴极和阳极组成的二极冷阴极辉光放电管组成。阴极相当于靶，阳极同时起支撑基片作用。图6-21典型的两极直流溅射设备Ar气压保持在13.3-0.133Pa之间，附加直流电压在kV数量级时，则在两极之间产生辉光放电，于是Ar

4、+由于受到阴极位降而加速，轰击靶材表面，使靶材表面溢出原子，溅射出的粒子沉积于阳极处的基片上，形成与靶材组成相同的薄膜。11二极直流溅射是溅射方法中最简单的，然而有很多缺点，其中最主要是放电不够稳定，需要较高起辉电压，并且由于局部放电常会影响制膜质量。此外，二极溅射以靶材为阴极，所以不能对绝缘体进行溅射。122．高频溅射采用高频电压时，可以溅射绝缘体靶材。由于绝缘体靶表面上的离子和电子的交互撞击作用，使靶表面不会蓄积正电荷，因而同样可以维持辉光放电。一般而言，高频放电的点燃电压远低于直流或低频时的放电电压。图6-22是高频溅射

5、的示意，与直流溅射相比，区别在于附加了高频电源。图6-22高频溅射仪原理图143．磁控溅射与蒸镀法相比，二极或高频溅射的成膜速率都非常小，大约50nm/min，这个速率约为蒸镀速度的1/5-1/10，因而大大限制了溅射技术的推广应用。为了提高溅射速度，后来又发展了磁控溅射。15磁控溅射原理磁控溅射(magnetron-sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用

6、下作来回振荡的近似摆线的运动。16高速低温溅射技术(补充)高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离而本身变成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，避免高能电子对极板的强烈轰击，消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源，体现极板“低温”的特点。由于外加磁场的存在，电子的复杂运动增加了电离率，实现了高速溅射。磁控溅射的技术特点是要在阴极靶面附件产生与电场方向垂直的磁场，一般采用永久磁铁实现。17在溅射装置中附加磁场，由于洛仑兹力作用，可以使溅射速度成倍提高。当电场与磁场

7、方向平行时，电子运动方向决定了其两种运动倾向。其一是不受洛仑兹力作用，此时电子速度平行于磁场方向；其二是做螺旋运动，此时电子速度与磁场成角。18无论哪种情形，在磁场作用下，电子的运动被封闭在电极范围内，大大减少了电子与腔体的复合损耗，同时电子的螺旋运动增加了电子从阴极到阳极的运动路程，有效地增加了气体的电离。当磁场与电场正交时，电子在阴极附近作摆线运动，而后返回到阴极，增加了碰撞电子数量，从而有效增加了气体分子的电离。这刚好与增加反应室气体压力具有相同的效果。194．反应溅射在溅射中，如果将靶材做成化合物来制备化合物薄膜，则

8、薄膜的成分一般与靶材化合物的成分偏差较大。为了溅射化合物薄膜，通常在反应气氛下来实现溅射，即将活性气体混入放电气体中，就可以控制成膜的组成和性质，这种方法叫反应溅射方法。20反应溅射装置中一般设有引入活性气体的入口，并且基片应预热到500℃左右的温度。此外，要对溅射气体与活性