镀膜技术2.pptx

溅射镀膜的基本原理：溅射是轰击粒子与靶原子之间动量传递的结果溅溅射射：荷能粒子轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射。中性原子或分子:薄膜淀积的基本条件;二次电子:维持辉光放电的基本粒子,并使基板升温.95%的能量作为热量被损耗,只有5%的能量传递给二次发射的粒子.在1KV的离子能量下,溅射的中性原子或分子:二次电子:二次离子=100:10:1.溅射方法根据特征可分为：直流溅射直流溅射、射频溅射射频溅射、磁控磁控溅射溅射和反应溅射反应溅射。辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。子或分子、原子团、带电离子和自由电子。作用：作用：1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能部分能量量;2、通过等离子选择性地刻蚀靶材、通过等离子选择性地刻蚀靶材辉光放电辉光放电 两电极上加一直流电压或射频电压 宇宙射线产生的游离离子和电子获得足够能量 与中性气体分子碰撞产生电离。受激的原子、或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子）的形式将能量释放出来(颜色的产生)。ABCDEFG辉光放电的产生辉光放电的产生直流电源直流电源E,提供电压提供电压V和电流和电流I则则 V=E-IR初始阶段初始阶段AB：I=0 无光放电区无光放电区汤生放电区汤生放电区BC：I迅速增大迅速增大过渡区过渡区CD：离子开始轰击阴极，：离子开始轰击阴极，产生二次电子，又与气体分子碰产生二次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子撞产生更多离子辉光放电区辉光放电区DE：I增大，增大，V恒定恒定异常辉光放电区异常辉光放电区EF（溅射所选择（溅射所选择的工作区）：弧光放电：的工作区）：弧光放电：I增大，增大，V减小减小弧光放电区弧光放电区FG：增加电源功率，：增加电源功率，电流迅速增加电流迅速增加气体离子气体离子靶材离子靶材离子二次电子二次电子溅射沉积装置溅射沉积装置直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍溅射电压1-5KV。靶材必须为金属。不能溅射介质材料(正离子打到靶材料上产生正电荷积累,靶表面电位升高,正离子不能继续轰击靶材料,溅射终止)为保证薄膜的均匀性，阴极面积大约为衬底的2倍。结构简单;可长时间进行溅射;溅射速率底;基板表面因受到电子轰击而有较高温度.直流溅射的特性直流溅射的特性 射频溅射装置及特性射频溅射装置及特性 射频电源的频率射频电源的频率13.56MHz射频溅射电压射频溅射电压1-2KV射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在衬底表面出现。衬底表面出现。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。射频溅射的工作原理射频溅射的工作原理 在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能量在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。要。由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自偏压。它将在表将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。电压。磁控溅射装置及特性磁控溅射装置及特性 1直流电源直流电源 2出水口出水口 3进水口进水口 4进气口进气口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏压基片偏压磁控溅射装置及特性磁控溅射装置及特性磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。率和薄膜的沉积速率。磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：1、磁场中电子的电离效率提高、磁场中电子的电离效率提高2、在较低气压下（、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小，溅射原子被散射的几率减小，提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜的质提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜的质量。量。不能溅射强磁性材料反应溅射装置及特性（氮化物、碳化物、氧化物）反应溅射装置及特性 在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。形成化合物的溅射称为反应溅射。利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。量的氧气。靶中毒：反应气体与靶反应，在靶表面形成化合物；沉积膜的成分不同于靶材；化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体；调整氩气和反应气体分压，可控制化合物薄膜的组成、沉积速率和薄膜性能。反应溅射装置及特性 靶中毒现象靶中毒现象 取决于金属与反应气体的结合特性及形成化合物表层的性质。降低薄膜沉积速率，化合物的溅射产额低于金属的溅射产额。降低靶中毒措施降低靶中毒措施 将反应气体输入位置远离靶材靠近衬底。提高靶材溅射速率，降低活性气体的吸附。采用中频或脉冲溅射1.材料的蒸发温度材料的蒸发温度2.比较电阻热蒸发和电子束蒸发的特点比较电阻热蒸发和电子束蒸发的特点3.讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？思考题