第四章_真空溅射镀膜

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1、第四章真空溅射镀膜VacuumSputteringCoating教学重点：溅射镀膜原理；磁控溅射靶；靶的磁场分布计算；典型镀膜机4.1溅射技术SputteringTechnique1）定义：溅射——用荷能粒子（气体正离子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象及过程。被轰击物体处于负电位，故称为“阴极溅射”。溅射镀膜中，被轰击物体称为“靶”。2)理论蒸发论——动能论，温度论；溅射论——动量论；混合论。3）参数溅射率η=溅射出的靶材原子数/入射正离子数影响因素：①靶材成分——原子序数大，η大；②入射正离子种类——

2、惰性气体η大，常用氩气Ar；④正离子入射角度——70~80°时有最大值；P92Fig4-4⑤靶材温度——低温时η不变，高温时剧增；P92Fig4-54）特点：①可控性好，重复性好；②膜的附着强度高：溅射粒子能量高几~十几eV，对比蒸发粒子0.几eV；可形成伪扩散层；等离子体的清洗和激活基体表面作用；附着不牢的粒子被清除掉。③膜材成分广泛：靶材种类——块体、颗粒、粉体；单质、化合物、混合物；膜材成分——单质膜、化合物膜、混合物膜、多层膜、反应膜；④组分基本不变，偏析小，不受熔点限制；⑤成膜速率比蒸发镀膜低，基片温升高，受杂

3、质气体影响严重。5）方式：（普通）直流溅射——二级溅射、三级或四级溅射（直流）磁控溅射——高频溅射——射频溅射反应溅射——要点：弹粒子入射——成分惰性气体Ar+来源气体放电要求处于溅射能量阈低压气体环境（输运过程的要求）4.2直流溅射镀膜D.C.SputteringTechnique1）二极溅射①原理：异常辉光放电产生正离子②结构：镀膜室基片架及基片溅射靶加热装置（促进发射电子）充气系统——工作气体Ar气，反应气体抽气系统——本底真空10-3Pa，工作真空1~10Pa电气系统——放电电源③缺点：参数不能单独控制，靶材必须

4、为良导体，且易于发射电子沉积速率低基片温升高（电子轰击）2）三极（四极）溅射结构阴极、阳极间形成放电，产生等离子体，其中的正离子轰击低电位的靶（第三极），将其溅射沉积在对面的基片上（无电位）。加稳定性电极（第四极）改进：放电不依赖阴极的二次电子发射，正离子、溅射速率由热阴极的发射电流来控制可控性和重复性好4.3（直流）磁控溅射镀膜MagnetronSputteringTechnique利用磁场控制电子的运动1）磁控原理：电子在静止电磁场中的运动①电子速度：V//—平行于B的速度分量，产生漂移运动；V⊥—垂直于B的速度分量

5、，产生回旋运动；合成螺旋运动回转半径回转周期无平行电场时的节距：②有平行电场时的节距：B//E，且B、E均匀B、E反向电子被加速电子回旋的螺距增大B、E同向电子被减速电子回旋的螺距减小③有正交电场时的运动B⊥E且B、E均匀摆线轨迹（直线运动与圆周运动的合成）电子在第三轴方向行走，在E方向仅有限高度摆线轨迹（旋轮线半径）m式中e——电子电荷量C；m——电子质量kg；B——磁感应强度T；E——电场强度V/m。应用实例：平面电极——均匀正交电磁场平面磁控靶同轴圆柱电极——径向电场轴向磁场同轴圆柱靶磁控的目的：利用磁场的束缚效应

6、，使电子轨迹加长，使放电可以在较低的电压和气压条件下维持。磁控溅射的特点：①电子利用率高，低气压、低电压下能产生较多正离子——溅射速率高；②电子到达基片时是低能状态，升温作用小——基片温度低；③放电集中于靶面；④沉积速率大。1）磁控靶设计要点：①产生均匀正交电磁场，电场⊥，磁场∥。关心水平磁场的强度和分布。②磁场形成封闭回路，电子在其中循环飞行。③防止非靶材成分的溅射，加屏蔽罩。屏蔽间隙δ＜2re结构形式:107Fig4-15①圆平面靶②矩形平面靶③同轴圆柱靶④S枪（圆锥靶）⑤旋转圆柱靶（柱形平面靶）⑥特殊结构靶3）工作

7、特性及参数①电流电压特性：低压等离子体放电电压↑，电流↑；气压p↑，放电电压U↓，电流I↑；与靶的结构有关。②沉积速率：单位时间成膜厚度qrnm/min相对沉积速率与气压的关系P110Fig4-19沉积速率与靶电流的关系P110Fig4-21沉积速率与靶基距的关系P110Fig4-20③功率效率=沉积速率（nm/min）/靶功率密度（W/cm2）最大功率密度功率过大会引起靶开裂、升华、熔化。是限制沉积速率的重要因素；水冷系统的主要设计依据4.4射频溅射镀膜R.F.(RadioFrequency)SputteringCoa

8、ting1）原理：解决绝缘材料的溅射A+入射轰击，维持10-7s电位抵消，反转电极e入射中和，维持10-9s，电荷中和射频电源：频率13.56MHz正负半周各在10-7s左右特点：气体极易被击穿，所以击穿（破裂）电压和放电电压仅为直流溅射2）装置射频二极溅射——射频磁控溅射——二者区别：溅射靶有无磁场P119，Fig