薄膜物理CH3溅射镀膜

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1、Ch.3溅射镀膜技术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）的表面，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70年代以来，日益受到重视，并取得重大进展。☀溅射镀膜的特点☀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☀溅射镀膜厚度的均匀性

2、（自学）本章主要内容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）。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

3、述。溅射的基本原理——辉光放电溅射的基本原理——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。溅射的基本原理——辉光放电辉光放电当放电容器两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。气体击穿自持放电（电流密度范

4、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电流密度不高（溅射选择非正常放电区）称为正常辉光放电溅射的基本原理——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

5、离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。溅射的基本原理——辉光放电巴邢定律溅射的基本原理——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；损害电源。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。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

6、异常辉光放电在溅射区：溅射电压，电流密度和气体压强遵守以下关系式中，和是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。溅射的基本原理——辉光放电进入异常辉光放电区后，继续增加电压，有更多的正离子轰击阴极产生大量的电子发射阴极暗区收缩式中，为暗区宽度，、为常数。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，所以在阴极附近形成呵斯顿暗区。阴极辉光区加速电子与气体分子碰撞后，激发态分子衰变以及进入该区的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

7、子复合，形成又一个暗区。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。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

8、导体。溅射的基本原理——辉光放电辉光放电阴极附近的分子状态溅射的基本原理——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冲击阴极；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于负辉光区的距离。溅射的基本原理——辉光放电低频辉光放电在低于50kHz的交流电压条件下，离子有足够的时间在每个半周期内，在各个电极上建立直流辉光放电，称为低频直流辉