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PVD真空鍍膜技術

鍍膜方式分為氣相 、液相 、固相三種,真空鍍膜主要以氣相沉積為主。

物理氣相淀積(PVD, physical vapor deposition)

化學氣相淀積(CVD, chemical vapor deposition)


PVD鍍膜技術是只發生物理過程的鍍膜技術,鍍膜方式主要涵蓋以下三類:

1.真空蒸發,常用的物理氣相沉積方法之一

電阻 熱蒸發——常規的真空蒸發。

電子束蒸發。

激光束熔蒸:激光脈沖熔蒸靶材中原子或分子到襯底,生長外延的氧化物單晶薄膜。

熱壁生長、離子團束生長


2.濺射,常用的物理氣相沉積方法之一

濺射

RF磁控濺射

DC磁控濺射

離子束濺射

 —反應濺射,活性氣體,生長化合物薄膜。


3.分子束外延MBE,超高真空,緩慢蒸發過程,多蒸發源,生長外延的單晶薄膜。(ALE, MLE)


PVD的概念:

在真空度較高的環境下,通過加熱或高能粒子轟擊的方法使源材料逸出沉積物質粒子(可以是原子、分子或離子),這些粒子在基片上沉積形成薄膜的技術。其技術關鍵在于:如何將源材料轉變為氣相粒子(而非CVD的化學反應)。


PVD關鍵的三個過程:

一、蒸發

1.熱蒸發方式(thermal evaporation):膜料由電阻加熱絲或蒸發舟蒸發,蒸發材料在真空室中被加熱時,其原子或分子會從表面逸出(飽和蒸氣壓),沉積到基片上形成薄膜的方式。

(飽和蒸氣壓(PV):在一定的溫度下,真空室中蒸發材料的蒸氣在與固體或液體平衡過程中所表現的壓力)

以P和T為坐標而繪制的各種元素的飽和蒸氣壓曲線


蒸發速率隨溫度變化的敏感性:

lgP= A – B/T ,  A, B 可由實驗確定


蒸發溫度規定物質在飽和蒸氣壓為1 Pa時的溫度,

飽和蒸氣壓與溫度的關系曲線對于薄膜制作技術有重要意義,它可以幫助我們合理選擇蒸發材料和確定蒸發條件。


蒸發形式. 蒸發溫度>meltingpoint, 熔化; 否則, 升華。

常用元素有蒸發和濺射數據表可參考

材料
蒸發溫度(K)
蒸發源
Al
1273
Ta,W
Cr
1478
W
Ag
1320
Ta,W,Mo


蒸發的兩個關鍵:

真空度:P ≤10-3Pa(保證蒸發,粒子具分子流特征,以直線運動)
基片距離 (相對于蒸發源):10~50cm(兼顧沉積均勻性和氣相粒子平均自由程)


對于大多數可以蒸發的薄膜材料,蒸發溫度為1000-2500℃;均方根速度約為105cm.s-1,平均動能約為0.1-0.2eV,此數值只占汽化熱的很小一部分,大部分汽化熱用來克服固體或液體中原子間的吸引力.

蒸發出的原子是自由、無碰撞的,沉積速度快。


容易根據蒸發原料的質量、蒸發時間、襯底與蒸發源的距離、襯底的傾角、材料的密度等計算薄膜的厚度。


早期金屬沉積工藝

蒸發裝置的選擇和運用也很重要,熱效率:熱傳導和熱輻射對薄膜制備是不利的 (必須使用坩堝或電極冷卻)

比如,在1500°C下蒸發Al,選用合適的蒸發源, 所需能量為2.4kW.h/kg;用電阻絲蒸發,所需能量為7-20kW.h/kg;用TiB2電阻加熱蒸發,所需能量為50-100kW.h/kg

以絲壯或片壯直接加熱蒸發:C,Fe, Ti, Rh, Cr;大部分材料,須間接加熱蒸發 → 需一個放加熱材料的蒸發源

蒸發溫度1000-2000°C的材料可用電阻加熱作蒸發源. 

加熱器 → 電阻 → 通電后產生熱量 → 產生熱量使蒸發材料的分子或原子獲得足夠大的動能而蒸發.


電阻加熱裝置的分類和特點:

1.絲狀(0.05-0.13cm),蒸發物潤濕電阻絲,通過表面張力得到支撐。只能蒸發金屬或合金;有限的蒸發材料被蒸發;蒸發材料必須潤濕加熱絲;加熱絲容易變脆。

2.凹箔:蒸發源為粉末。

3.錐形絲筐蒸發小塊電介質或金屬


蒸發材料的選擇

1. 高熔點材料 (蒸發源材料的熔點>>蒸發溫度)

2. 減少蒸發源的污染 (薄膜材料的蒸發溫度<蒸發源材料在蒸汽壓10-8Torr時對應的溫度)

3. 蒸發源材料與薄膜材料不反應

4. 薄膜材料對蒸發源的濕潤性

常用的蒸發源材料有: W、Mo、Ta,耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝


主要問題:

1. 支撐材料與蒸發物之間可能會發生反應;
2. 一般工作溫度在1500~1900℃,難以實現更高蒸發溫度,所以可蒸發材料受到限制;
3. 蒸發率低;
4. 加熱速度不高,蒸發時待蒸發材料如為合金或化合物,則有可能分解或蒸發速率不同,造成薄膜成分偏離蒸發物材料成分。

    高溫時,鉭和金形成合金,鋁、鐵、鎳、鈷等與鎢、鉬、鉭等形成合金

    B2O3與鎢、鉬、鉭有反應,

    W與水汽或氧反應,形成揮發性的WO、WO2或WO3;Mo也能與水汽或氧反應生成揮發性的MoO3



電子束加熱裝置及特點

電子束通過5-10KV 的電場后被加速,然后聚焦到被蒸發的材料表面,把能量傳遞給待蒸發的材料使其熔化并蒸發。

無污染:與坩堝接觸的待蒸發材料保持固態不變,蒸發材料與坩堝發生反應的可能性很小。(坩堝水冷)


熱電子發射(金屬在高溫狀態時,其內部的一部分電子獲得足夠的能量而逸出表面); 

電子在電場中加速;

聚焦電子束; 

聚焦電子束轟擊被鍍材料表面, 使動能變成熱能.


直式電子槍

高能電子束轟擊材料將發射二次電子,二次電子轟擊薄膜會導致膜層結構粗糙,吸收增加, 均勻性變差.

E型電子槍

蒸發材料與陰極分開(單獨處于磁場中),二次電子因受到磁場的作用而再次發生偏轉, 大大減少了向基板發射的幾率。

電子束蒸發的特點:

難熔物質的蒸發;

以較大的功率密度實現快速蒸發,防止合金分餾;

同時安置多個坩堝,同時或分別蒸發多種不同物質;

大部分電子束蒸發系統采用磁聚焦或磁彎曲電子束,蒸發物質放在水冷坩堝內。蒸發發生在材料表面,有效抑制坩堝與蒸發材料之間的反應,適合制備高純薄膜,可以制備光學、電子和光電子領域的薄膜材料,如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等;

蒸發分子動能較大,能得到比電阻加熱更牢固致密的膜層


電子束蒸發的缺點:

可使蒸發氣體和殘余氣體電離,有時會影響膜層質量;

電子束蒸鍍裝置結構復雜,價格昂貴;

產生的軟X射線對人體有一定的傷害。


激光蒸發技術

原理: 激光作為熱源. 高能量的激光束透過真空室窗口,對蒸發材料進行加熱.

特點:

采用非接觸式加熱, 減少污染, 簡化真空室,適宜于超真空下制備純潔薄膜;

熱源清潔,無來自加熱體的污染;

表面局部加熱,無來自支撐物的污染;

聚焦可獲得高功率,可沉積陶瓷等高熔點材料以及復雜成分材料(瞬間蒸發);

光束集中,激光裝置可遠距離放置,可安全沉積一些特殊材料薄膜(如高放射性材料);

很高的蒸發速率,薄膜有很高的附著力;


缺點:

膜厚控制困難;可引起化合物過熱分解和噴濺費用比較高.


CW CO2激光器(10.6 μm)

釹玻璃激光器

釔鋁石榴石(YAG)激光

ArF 激光——193 nm

KrF 激光——248 nm


凝結系數


* 與基板溫度有關

*與基板表面性質有關

a→1 (金屬蒸汽凝結在自身固體上)


合金的熱蒸發

各成分飽和蒸汽壓不同

合金中原子間的結合力小于在化合物中 不同原子間的結合力,因而合金中各元素原子的蒸發過程實際上可以被看做是各自相互獨立的過程, 就像它們在純元素蒸發時的情況一樣。

蒸發出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態或液態的成分,后果是沉積后的薄膜成分偏離其固態的化學組成。

為保證薄膜組成,經常采用時蒸發法、雙蒸發源法等。


瞬時蒸發法


瞬時蒸發法又稱“閃爍”蒸發法。

將細小的合金顆粒,逐次送到非常熾熱的蒸發器中,使一個一個的顆粒實現瞬間完全蒸發。

關鍵:

以均勻的速率將蒸鍍材料供給蒸發源

粉末粒度、蒸發溫度和粉末比率。


雙源或多源蒸發法

將要形成合金的每一成分,分別裝入各自的蒸發源中,然后獨立地控制其蒸發速率,使達到基板的各種原子符合組成要求。(基板轉動)



化合物的熱蒸發

化合物蒸發過程中可能發生的各種物理化學變化:無分解蒸發、固態分解蒸發和氣態分解蒸發


化合物蒸發中存在的問題:

蒸發出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態或液態的成分;(蒸氣組分變化)

在氣相狀態下,可能發生化合物各組元間的化合與分解過程,后果是沉積后的薄膜成分可能偏離化合物正確的化學組成。

對于初始成分確定的蒸發源來說,確定的物質蒸發速率之比將隨著時間變化而發生變化。


反應蒸發


化合物在高溫蒸發過程中發生分解(如Al2O3,TiO2 等會失氧→吸收增加 →反應蒸發.

反應蒸發: 在一定的反應氣氛中蒸發金屬或低價化合物 → 在淀積過程中發生化學反應 → 生成所需的高價化合物薄膜.(離子氧: 減少反應所需的活化能, 提高氧化度)


反應蒸發適用于制備高溫時易發生分解的化合物,如Al2O3、TiO2等;飽和蒸氣壓低的化合物;熔點很高的化合物;特別是適合制備過渡金屬與易解吸的O2、N2等反應氣體組成的化合物薄膜,例如SiO2、ZrN、AlN、SiC薄膜


在反應蒸發中,蒸發原子或低價化合物分子與活性氣體發生反應有三個可能的部位:

蒸發源表面(盡可能避免)

蒸發源到基板的空間(反應幾率很小)

基板表面(主要反應部位)

壓強為10-2Pa,蒸汽分子的平均自由程約50 cm,氣體分子碰撞到基板上的幾率約為4×1016個/cm2·s

二、濺射(Sputtering)

濺射鍍膜是除真空蒸發之外,最常用的物理沉積方法。

濺射現象是一百多年前格洛夫(Grove)發現的,利用帶電荷的陽離子在電場中加速后具有一定動能的特點,將離子引向欲被濺射的物質制成的靶電極(陰極),入射離子在與靶面原子的碰撞過程中,通過動量的轉移,將后者濺射出來,這些被濺射出來的原子將沿著一定的方向射向襯底,從而實現物質的PVD沉積。

兩者比較:

蒸發:依靠源材料的晶格振動能克服逸出功形成沉積粒子的熱發射,
            即:外加能量 (電阻/電子束/激光/電弧/射頻)加熱→晶格振動能→克服逸出功→氣態逸出

濺射:高能離子輸入動能→彈性碰撞傳遞能量→更高動能粒子逸出 (碰撞發射),是高能轟擊粒子 (離子) 與靶材原子間 動能/動量傳遞的結果!

濺射可以鍍膜,也可以進行刻蝕

①濺射產物粒子以一定空間角發射,且與入射離子的方向有關;
② 單個入射離子轟擊出的產物粒子數與入射離子的能量/質量都有關(1.2均可用彈性碰撞理論解釋)
③濺射產物粒子的平均速度 >> 蒸發出的粒子。


氣體放電/等離子體的產生是濺射的基礎 

放電系統的構成與放電條件:

1、系統構成:


2、放電條件:

真空環境:

    →P= 10-1~10-2 Pa 

放電氣體:

      →需要充入惰性氣體(一般為Ar氣)!

 外加電場:

   →在其作用下,電子被加速并與放電氣體分子碰撞,這種碰撞使放電氣體被電離,形成陽離子 (Ar+) 和自由電子 (e),并分別在電場作用下被加速,進而飛向陰極(靶材)和陽極。


放電過程與典型伏安特性曲線:

直流氣體放電的伏安特性曲線及放電區域劃分

1、放電區域的劃分:
      隨放電電流-,依次經歷三階段:

      無光放電區→輝光放電區→弧光放電區

2、放電過程分析:

1)無光放電區:因放電中無可見光輻射而得名!

AB段:載流子加速階段!
     ■ 少量自發離化產生的帶電粒子被電場加速;
     ■ -電壓 V↑→游離電離粒子速度↑-→電流 I-↑

BC段:加速飽和段
     ■ 上述電離粒子速度達到飽和→繼續 ↑-V,I卻保持不變(飽和)

CD段:湯生放電區(TownsendRegime):碰撞電離階段!
     ■ 繼續↑ -V→帶電離子和電子的動能 Ek↑ →能碰撞電離氣體分子的電子數↑- →電離出大量eII和陽離子
                       → 載流子數量↑↑→I --,但同時V 只是輕微↑-

DE段:電暈放電區(Corona Regime):
     ■ 電極尖端出現跳躍的電暈光斑 (局部電場強度極高,導致電暈放電)


2)輝光放電區:因電極間有明亮輝光出現而得名

原因:電子與原子/陽離子碰撞,碰撞電子或獲得能量躍遷到高能態的外層電子回到基態,并以光子形式釋放能量,從而形成輝光。

EF段:氣體擊穿區,雪崩放電!
     ■ V>VB (擊穿電壓)→氣體突然發生放電擊穿
                                            而形成雪崩放電;
     ■ 氣體中荷電粒子濃度--→開始形成等離子體;
     ■ 等離子體的 R隨電離度-而下降 →I -上升,V 反而下降
     ■ 同時放電由尖端等不規則位置向整個表面擴展


FG段:正常輝光放電區,輝光區域向整個電極之間空間擴展
     ■ 等離子體自持放電,并趨于飽和;
     ■ 輝光區域向整個電極間空間擴展;
     ■ 載流子數量不斷上升 -→ V=const,而 I-上升;
     ■ 輝光亮度不斷升高;
     ■ 到G點后,輝光區域充滿兩極之間空間。


GH段:異常輝光放電區,濺射工作段
     ■ 越過G點后,輝光區已布滿兩極間的整個空間;
     ■ 繼續-電源功率-→I 隨V -上升而單調上升-;
     ■ 實際上進入過飽和輝光放電階段

注意:該階段因下列理由而成為濺射鍍膜的工作階段:
               1)I隨V 上升-而上升-,可通過放電電壓控制放電電流;
               2)可提供分布區域大而均勻的等離子體;
               3)利于實現大面積均勻可控的薄膜沉積。


3)弧光放電區:電弧放電階段

HI段:電弧擊穿區,放電由輝光轉為弧光放電

IJ段:低溫等離子電弧放電區(非熱平衡電弧放電區)
     ■ 等離子體分布區域急劇收縮,陰極表面出現很多孤立陰極斑點;
     ■ 斑點內載流子密度極高,電流密度>108A/cm2 →局部短路、高溫,整體電阻下降→I上升 -,V反而下降

JK段:高溫熱平衡電弧放電區:TP不斷-上升而形成 → V不變而I 不斷上升-(載流子密度再次-,焊接、噴涂用)



3.輝光放電區的分布:


1)總體特征:
       →從陰極到陽極:輝光區與暗區交替出現!

2)具體現象 (從陰極到陽極):

阿斯頓暗區:第一個暗區!
     ■ 該區內電子能量低,很難因碰撞而釋放出光子。

陰極輝光區:第一個輝光區!
     ■ 通過阿斯頓暗區后,電子加速獲得高動能,碰撞
          電離氣體,并不斷與陽離子湮滅產生光子。

陰極暗區:又稱Crookes暗區!
     ■ 電子/離子主要加速區,區內的電勢差最大;
     ■ 該區電子碰撞后能量再次下降,不能電離氣體。

負輝光區:第二個輝光區,基片放置區域

     ■ 電子在陰極暗區加速,在此區碰撞釋放動能;

     ■ 碰撞產生高濃度正離子,正離子濃度最高;

     ■ 電子湮滅幾率-上升→ 產生大量光子→輝光最強區;

     ■ 區內電勢差→0,濺射鍍膜過程中,基片通常被置于此區域內,并與陽極一起接地。

     ■ 只有少量電子能穿過該區繼續飛向陽極

法拉第暗區:第三個暗區
     ■ n+、n- 下降,且電子能量下降,暗區再度形成。

正輝光區:又稱陽極光柱

陽極輝光區

陽極暗區
     ■由于濺射鍍膜時,基片往往與陽極一起接地而處于零電位,且放置在負輝光區,后面四個區域基本不會出現,也不影響濺射鍍膜過程!


3、輝光放電等離子體的特點:

與電弧等離子體相比,荷電粒子濃度及能量都較低;

需要較高的放電電壓,一般 > 1000 V;

等離子體中重粒子能量 << 電子能量;

電子溫度很高,而其它粒子溫度很低;

例如:輝光放電等離子體的當地溫度一般<1000K,但其電子動能可達1-10eV,根據 Te= Ek/k計算,其Te =(1-10) eV×1.602x10E-19J/eV/1.38x10E-23J/K≈10E4~10E5K


濺射沉積技術

一、濺射閾值(Threshold Energy, 記為Et):

1、概念:將靶材原子濺射出來,入射離子需要具備的最小能量水平。

2、規律:

Et 與入射離子的質量無明顯相關性;
Et 主要取決于靶材:靶材的原子序數越大,則其 Et 值越小;
大多數金屬的 Et ≈10~40eV,約為其升華熱的數倍。


二、濺射產額(Sputtering Yield, 記為P):

1、概念:平均每個正離子轟擊靶材時,可從靶材中濺射出的原子個數。

2、規律:與入射離子的種類、能量及角度,以及靶材種類及溫度有關。

入射離子的影響:

■種類 (見下圖1):周期性升高!

     對應元素的原子序數-上升P-、且同周期內惰性氣體離子的P最高;

■能量 (見下圖2):E >Et 后,升à飽和à降!

      E<150 eV,P μ E2; E =150~104 eV,P→飽和; E >104 eV,P下降

■入射角 (見下圖3):緩升à急升à急降!

      q=0~60o,P μ cos-1q;  q=60~80o,P--上升→max;  q=80~90o,P下降→0


2、規律:與入射離子的種類、能量及角度,
                 以及靶材種類及溫度有關。

靶材的影響:

■種類 (見右圖4):也是周期性升高!

     靶材的原子序數上升 → P上升、但有周期性“回頭”現象;

■溫度 (見右圖5):高于臨界溫度后急劇升高!

      臨界溫度以下:P 基本與溫度無關;
      高于臨界溫度:靶材原子鍵合減弱 →T上升則P上升

      因此:控制靶材的溫升很重要,不能過高!

三、濺射原子的能量特征:

高于蒸發原子1~2個數量級,一般1-20eV或更高;

原子序數上升,則能量越上升;反之,則逸出速度越快;

入射離子能量不變時,其質量上升,則濺射原子的能量上升;

濺射原子的平均能量隨入射離子能量上升而上升,但當入射能量高到一定水平后,則趨于飽和而不再上升。


濺射沉積技術優點(與蒸發技術相比):

1、可濺射沉積任何能做成靶材的材料,特別是高熔點材料 (如:石墨、Ti、Ta、W、Mo等);

2、由于沉積原子能量較高,薄膜組織均勻致密,與基片的結合力較高;

3、制備合金薄膜時,成分控制容易保證;

4、利用反應濺射技術,容易實現化合物薄膜沉積;

5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精確,工藝重復性好;

6、沉積原子能量較高,還可以改善薄膜對復雜形狀表面的覆蓋能力,降低薄膜的表面粗糙度。


濺射沉積技術缺點:

1、沉積速率不高;

2、等離子體對基片存在輻射、轟擊作用,不但可引起基片溫升,而且可能形成內部缺陷。


濺射沉積技術分類:

直流濺射

(二極系統):只適用于靶材為良導體的濺射

濺射氣壓1.3-13Pa,太低和太高都不利于薄膜的形成。

陰-陽極距離適中,大約為陰極暗區的2倍

濺射電壓1-5KV。

靶材必須為金屬。不能濺射介質材料(正離子打到靶材料上產生正電荷積累,靶表面電位升高,正離子不能繼續轟擊靶材料, 濺射終止)

為保證薄膜的均勻性,陰極面積大約為襯底的2倍。

結構簡單;可長時間進行濺射;;濺射速率底; 基板表面因受到電子轟擊而有較高溫度.


(三極系統):是在二極系統基礎上的一種改進

改進思路:增加額外電子源(輔助燈絲)→增加放電區電子密度
                         →低壓下就可以維持放電,并獲得高離化率
                         →沉積速率上升、雜質氣體對鍍膜的污染下降
                         →薄膜質量上升、-沉積效率上升


比較:

■ 二極濺射系統:真空度不能太高,否則不能維持放電;

■ 三極/四極系統:有輔助電子槍提供更多高能電子→-離化率下降
                                  →可低氣壓 (高真空)自持放電→污染下降,-效率上升

■ 射頻濺射系統:高頻耦合放電,放電電壓下降、真空度-上升

多極直流濺射裝置的優、缺點:

真空度較高,工作電壓顯著降低;     

減少了鍍膜污染;

沉積速率有一定提高;         

大面積的均勻等離子體仍較難獲得;

薄膜沉積速率仍然有限(慢)。


射頻濺射

出發點:解決不具導電性的非金屬材料濺射鍍膜問題!
        使用直流電源,靶材同時是陰極,不導電無法實現濺射!

實現方法:

使用交變頻率 >> 50 kHz的交流電源;
在電源和放電室之間配置阻抗匹配網絡,使交變電場能量耦合到放電室內;
電子與高頻交變電場共振獲得能量,繼而不斷與氣體分子碰撞使之電離;
靶材是絕緣體,且基片接地極為重要。

原理:
利用靶材相對于等離子體的周期性自偏壓實現濺射

 靶材非導體,離子質量大→ 運動慣性 >>電子,
     交變電場下:
     →電子可全部到達絕緣靶材表面,陽離子只有部分到達
     →靶材表面形成周期性負電荷富集
     →形成相對于等離子體的負電位
     →等離子體始終處于正電位Vp,且始終成立:
           Vp >Vc(靶電極電位)   Vp > Vd(地電極電位→爐體及基片)


特點

電場耦合形成高能電子振蕩,離化率比二極濺射高得多,可在高真空下實現濺射沉積 (P≤1Pa);
電場通過交變阻抗網絡而非導電電極形式實現耦合,電極 (靶材+基片)不要求一定是導體,
      →可以實現各種材料(金屬、非金屬、半導體等)薄膜的沉積


磁控濺射

原理:與電場方向正交的磁場可有效束縛電子的運動,形成“磁籠”效應,從而顯著延長電子運動路徑,提高電子與離化氣體的碰撞幾率,進而提高氣體離化率,并有效抑制高能電子對基片的轟擊。

磁場力:電子受洛侖茲力作用:F洛 =-qv×B,形成的加速度
                    垂直于電子瞬時速度,迫使其不斷改變運動方向;

電場力:電子受庫倫力作用:F庫= -qE,形成的加速度不變,
                     且永遠指向陽極表面;

運動:橫向受 F洛 水平分量作用→ 電子不斷漂移;
                 縱向受 F洛 垂直分量和 F庫聯合作用 → 周期性±速、振蕩!

結果:電子被束縛在靶面附近區域內,實現長程振蕩運動!


出發點:解決濺射兩大問題!
        慢:二次電子利用率不高 

                     →離化率不高

                     →沉積速率低;
        熱:不能避免二次電子轟擊基片 (陽極)。

實現方法:在靶材 (陰極)表面附近布置磁體或線圈,使靶面附近出現強磁場,其方向與靶面基本平行,而與電場方向正交!


磁控濺射的優勢分析:
       磁約束 →電子運動路徑上升→其與氣體分子的碰撞幾率上升 →絕大部分二次電子的高動能被用于氣體的電離→氣體離化率上升→正離子產率上升→濺射速率上升幾個數量級!

注意:這就是磁控濺射可在低壓下獲得極高的離化率、
           很高的離子電流密度和沉積速率的原因。

磁控濺射的典型工作參數及比較分析:

真空度 P (濺射氣體采用Ar氣):<0.5 Pa
     →與普通直流濺射相比:真空度更高→薄膜污染幾率更小!

放電電壓:一般在600V以下
     →無須高壓直流電源!

離子電流密度:>20mA/cm2
     →顯著提高→顯示有更多濺射氣體被離化→離化率上升

沉積速率:>數十um/min
     →鍍膜速度顯著提高!

基片溫升:<300~500℃,甚至可以低于100℃!
     →有效防止二次電子對基片的轟擊,甚至可在聚合物表面安全鍍膜!

磁控濺射系統



磁控濺射比直流濺射的沉積速率高很多。原因:

1、磁場中電子的電離效率提高

2、在較低氣壓下(0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小,提高了入射到襯底上的原子的能量,從而提高薄膜的質量。



反應濺射


與反應蒸發相類似,在濺射過程中引入反應氣體,就可以控制生成薄膜的組成和特性,稱為“反應濺射”

制備化合物薄膜時,可以直接使用化合物作為靶材。但有時化合物濺射會發生化合物分解的情況,使沉積的薄膜在成分上與靶材有很大的差別。上述現象的原因是濺射環境中相應元素的分壓低于形成相應化合物所需的壓力。因此,解決問題的辦法是調整氣體的組成和壓力,通入相應的活性氣體,抑制化合物的分解。

濺射淀積高純介質薄膜和各種化合物薄膜,必須先有高純靶。高純的氧化物、氮化物、碳化物、或其它化合物粉末并不難得,但是,加工成靶確是很難的。采用純金屬作濺射靶,但在工作氣體中混入適量的反應氣體(如O2、N2、NH3、CH4、H2S等),在濺射沉積的同時生成所需的化合物。

利用反應濺射方法可以制備:

氧化物,如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2       

碳化物,如SiC、WC、TiC

氮化物,如TiN、AlN、Si3N4                        

硫化物,如CdS、ZnS、CuS

復合化合物,如碳氮化物Ti(C,N)、Al(O,N)


通常靶反應濺射過程分為:靶面反應、氣相反應、基片反應。

靶面反應:靶面金屬與反應氣體之間的反應,結果影響淀積薄膜的質量和成分。關鍵是防止在靶面上形成穩定化合物(如鋁靶)。

氣相反應:逸出靶面的原子在到達基片之前與反應氣體發生反應形成化合物。

基片反應:濺射原子在基片表面形成所需要的化合物。要求到達基片的金屬原子與反應氣體分子之間維持一定的比例;保持適當的基片溫度。

反應濺射時遇到的問題:

隨著活性氣體壓力的增加,靶材表面也要形成一層相應的化合物,并導致濺射和薄膜沉積速率的變化。更嚴重的是,陽極上生成化合物,導致陽極不能再接受電子??即出現 2陽極消失2 現象, 以至濺射過程不能穩定進行;同時,靶面上形成的化合物會使得靶面上發生電荷積累、不時引起電弧放電,損害靶材與薄膜。上述反應濺射特有的靶上形成化合物的現象被稱為 “靶中毒” 現象。


降低靶中毒措施:

將反應氣體的輸入位置盡量設置在遠離靶材而靠近襯底的地方,提高活性氣體的利用效率,抑制其與靶材表面反應的進行。

提高反應氣體的活性,以降低其所需的壓力(使用高活性氣體/等離子體)

提高靶材的濺射速率,降低活性氣體吸附的相對影響

中頻或脈沖濺射:導致靶中毒問題出現的原因在于靶材與陽極表面出現化合物層和電荷積累。顯然,若可以每隔一段時間讓靶及陽極表面積累的電荷得以釋放的話,就可避免靶面打火等現象的出現。可采取對濺射靶周期地施加交變電壓的方法,不斷提供釋放靶電荷的機會。


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