【正文】 這樣靶表面處。 濺射沉積裝臵 濺射沉積裝臵 磁控濺射是在直流濺射和射頻濺射的基礎(chǔ)上增加磁效應(yīng)裝臵 ,所以也稱為 射頻磁控濺射 (RFMS) ,圖 1為 RFMS系統(tǒng)示意圖。由于單純的射頻濺射是在 2個電極之間添加射頻場 ,作為無序碰撞的結(jié)果 ,勢必有從兩極間逃逸的電子 ,這些電子將不會在射頻場中振蕩 ,從而不能得到足夠高的能量以使氣體電離 ,最終損失在輝光中 ,所以射頻放電效率不高。 射頻濺射 (RFS)系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)和基片接地 ,射頻濺射頻率一般采用 13. 56MHz。 這時襯底及真空室壁受到的離子轟擊和產(chǎn)生的濺射效應(yīng)也將很小。這樣一來，由于鞘層電壓降 V與電極面積 A的二次方成反比，即 Vc/Vd=(Ad/Ac) 2 其中，角標(biāo) c和 d分別表示電極是經(jīng)過電容 C或是直接耦合至射頻電源。 濺射沉積裝臵 實際的做法常常是將樣品臺，真空室器壁與地電極并聯(lián)在一起，形成一個面積很大的電極。 另外，由于射頻電壓周期性地改變每個電極的電位，因而每個電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。這一較大的電位差使靶電極實際處于一個負(fù)偏壓之下，它驅(qū)使等離子體中的離子在加速后撞擊靶電極，從而對靶材形成持續(xù)的濺射。這時，電極的負(fù)電位相對電子產(chǎn)生排斥作用，因而在以后電位不斷的周期變換過程中，電極所接受的正負(fù)電荷數(shù)目將趨于相等。在緊接著的負(fù)半周中，它又將接受少量帶正電荷但運動較慢的離子。 濺射沉積裝臵 濺射沉積裝臵 下面分析一下這個電容耦合的電極在射頻電場發(fā)生周期性變化時的充放電行為。 要理解射頻電場對于靶材的自偏壓效應(yīng)，我們來看看下圖所示的射頻濺射裝臵的示意圖。因此，采用高頻電源將使濺射過程擺脫靶材導(dǎo)電性的限制。 第一， 在兩極之間不斷振蕩運動的電子將可從高頻電場中獲得足夠的能量并使得氣體分子電離，而由電極過程產(chǎn)生的二次電子對于維持放電的重要性相對下降。這種電位極性的不斷交替導(dǎo)致陰極濺射交替式地在兩個電極上發(fā)生。當(dāng)交流電源的頻率低于 50kHz時，氣體放電的情況與直流時候的相比沒有什么根本的改變，氣體中的離子仍可及時到達(dá)陰極完成放電過程。 濺射沉積裝臵 濺射沉積裝臵 射頻濺射 射頻濺射是適用于 各種金屬和非金屬材料 的一種濺射沉積方法。此時，提高輔助陽極的電流密度即可提高等離子體的密度和薄膜的沉積速率，而轟擊靶材的離子流又可以得到獨立的調(diào)節(jié)。 在直流二極濺射的基礎(chǔ)上增加一個發(fā)射電子的 熱陰極和一個輔助陽極，即構(gòu)成了三極（或四極）濺射裝臵 。 ()VIR k Pd? 濺射沉積裝臵 濺射沉積裝臵 直流濺射的設(shè)備較為簡單，但有一個很大的 缺點 ：不能獨立地控制各個工藝參量，包括陰極電壓、電流以及濺射氣壓。 因此 ，隨著氣壓的變化，濺射法薄膜沉積的速率將會出現(xiàn)一個極大值。 濺射沉積裝臵 濺射沉積裝臵 隨著 氣體壓力的升高 ，電子的平均自由程減小，原子的電離幾率增加，濺射電流增加，濺射速率提高。這些均導(dǎo)致 低壓條件下濺射的速率很低。應(yīng)當(dāng)說，工作氣壓是很重要的一個參數(shù)，它對濺射速率以及薄膜的質(zhì)量都具有很大的影響。 典型的濺射條件為：工作氣壓 10Pa，濺射電壓 3000V，靶電流密度，薄膜沉積速率低于 。另外，還可以將上述各種方法結(jié)合起來構(gòu)成某種新的方法，比如，將射頻技術(shù)與反應(yīng)濺射相結(jié)合，就構(gòu)成了 射頻反應(yīng)濺射 的方法。 根據(jù)使用目的，不同濺射方法內(nèi)又可以有一些具體的差異。 一般來講，金屬與合金的靶材可以通過 冶煉或者粉末冶金的方法制備 ，其純度和致密性都較好；化合物靶材則多采用 粉末熱壓的辦法制備 ，其純度和致密性往往就遜于前者。 （ 5）由于被沉積的原子均攜帶有一定的能量，因而有助于改善薄膜對于復(fù)雜形狀表面的覆蓋能量，降低薄膜表面的粗糙度。因此濺射法可以方便的用于高熔點物質(zhì)的濺射和薄膜的制備。 （ 2）制備合金薄膜時，其成分的控制性能好。引起襯底溫度升高的能量有以下三個來源： （ 1）原子的凝聚能； （ 2）沉積原子的平均動能； （ 3）等離子體中的其它粒子，如電子、中性原子等的轟擊帶來的能量。 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 濺射沉積的另一個特點是，在濺射沉積過程中，入射離子與靶材之間有很大能量的傳遞，因此， 濺射出的原子將從濺射過程中獲得很大的動量， 其數(shù)值一般可以達(dá)到 5～ 20eV，而由蒸發(fā)法獲得的原子動能一般只有 。這時，源物質(zhì)本身將發(fā)生擴(kuò)散甚至對流，從而表現(xiàn)出很強的自發(fā)均勻化的傾向。 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 合金的濺射和沉積 濺射法與蒸發(fā)法在保持確定的化學(xué)成分方面具有巨大差別的原因可歸納為以下兩點： （ 1）與不同元素濺射產(chǎn)額間的差別相比，元素之間的平衡蒸汽壓方面的差別太大。 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 （ 3）離子入射角對濺射產(chǎn)額的影響 入射方向與樣品法向的夾角為 60o~ 70o時，濺射產(chǎn)額最大； 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 原子的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)欠余弦分布，即在表面法線方向上濺射的產(chǎn)額稍低 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 （ 4）靶材溫度對濺射產(chǎn)額的影響 在一定的溫度范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系不大。大部分金屬的濺射閥值在 10～ 40eV之間，約為其升華所需能量的幾倍。 （ 1）入射粒子能量 入射離子的能量大小對物質(zhì)的濺射產(chǎn)額有很大的影響，只有當(dāng)入射離子的能量超過一定的閥值以后，才回出現(xiàn)被濺射物質(zhì)表面原子的濺射。靶材釋放出的各種粒子中，主要是濺射出來的單個原子。 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 上述每種物理過程的相對重要性取決于入射離子的種類與能量。其中，陰極鞘層電位占了電極間外加電壓的大部分。 *2e O O e??? ? ?（ 3）分解反應(yīng) **43e C F C F F e??? ? ? ?分子被分解成兩個反應(yīng)基團(tuán)。電子與其它粒子的非彈性碰撞過程是維持自持放電過程的主要機(jī)制。 彈性碰撞： 在兩個粒子的彈性碰撞過程中，運動著的能量為 E1的粒子 1將把部分動能轉(zhuǎn)移給精制著的粒子 2，碰撞后粒子 2的能量 E2滿足如下關(guān)系： 21 1 222 1 24 c o s()E M ME M M???對于輝光放電講，相當(dāng)于高速運動中的電子與低速運動中的原子、分子或離子的碰撞。 產(chǎn)生等離子體的其它方法： ?交流放電：低頻放電、中頻放電、射頻放電； ?脈沖放電：恒流、恒壓； ?微波放電：微波及電子回旋共振 (ECR)； ?射頻感應(yīng)耦合等離子體； ?介質(zhì)阻擋放電等離子體； ?大氣壓放電等離子體； ?……… 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 輝光放電過程中電子的碰撞 等離子體中高速運動等電子與其它粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機(jī)制。 一般的講，與陽極共同接地的襯底常放在距陰極較近的地方，以提高薄膜的沉積速度。 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 在輝光放電時，電極之間有明顯的放電輝光產(chǎn)生，典型的放電區(qū)域劃分如圖： 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 陰極輝光區(qū) 是由向陰極運動的正離子與陽極發(fā)射出的二次電子發(fā)生復(fù)合所產(chǎn)生的，該區(qū)域是二次電子和離子的主要加速區(qū)，這個區(qū)域的電壓降占了整個放電電壓的絕大部分。在等離子體內(nèi)部，沒有靜電荷的積累，而其導(dǎo)電能力較高，因此其電位近似為恒定值，并且高于陰陽兩極各自的電位。 在薄膜制備的情況下，鞘層電位的存在意味著任何跨越鞘層而到達(dá)襯底的離子均將受到鞘層電位的加速作用，而獲得一定的能量，并對薄膜表面產(chǎn)生轟擊效應(yīng)；電子則會受到鞘層電位的排斥作用，因而只有一些能量較高的電子才能克服鞘層電位的阻礙，轟擊薄膜表面。電子與離子具有不同的速度的一個直接結(jié)果是形成所謂的 等離子體鞘層 ，即相對于等離子體來講，任何位于等離子體中或其附近的物體都將自動的處于一個負(fù)電位，并且在其表面外將伴隨有正電荷的積累。 因為質(zhì)量極小的電子極易在電場中加速獲得能量。 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 相對于弧光放電來講，輝光放電等離子體中電離粒子的密度以及粒子的平均能量較低，而放電的電壓較高。 這個電壓跟氣體的壓力有關(guān)。 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 放電的自持階段： 原先由于輝光放電形成的等離子體當(dāng)中的荷電粒子，開始不斷地轟擊氣體分子，產(chǎn)生新的電子和離子；這些新的電子和離子產(chǎn)生之后，又去不斷地轟擊氣體分子，又產(chǎn)生新的電子和離子；這些新的電子和離子產(chǎn)生之后 ......于是新和更新的電子和離子就這樣源源不斷地產(chǎn)生出來。它廣泛存在于宇宙中，常被視為 物質(zhì)的第四態(tài)， 等離子體最大的特點是具有很高的電導(dǎo)率。 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 氣體的放電類型： ?Townsend放電： 氣體擊穿的初期，放電電壓比較高，且隨輸入功率的增加變化很??；放電電流隨輸入功率的增加而增加，但比較?。? ?正常輝光放電： 當(dāng)放電達(dá)到一定值以后，足夠多的電子和離子使得放電可以自持，氣體放電轉(zhuǎn)化為正常輝光放電，此時的氣體電導(dǎo)率比較大，極板間電壓下降； ?反常輝光放電： 當(dāng)電離度達(dá)到比較高以后，電流隨功率增加變緩，但電壓迅速增加； ?弧光放電： 進(jìn)一步增加功率導(dǎo)致電弧出現(xiàn)，從而放電轉(zhuǎn)化為弧光放電，氣體電導(dǎo)率再次增加，極板間電壓再次下降； 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 輝光放電現(xiàn)象及等離子體鞘層 氣體發(fā)生輝光放電，意味著部分氣體分子開始分解為可以導(dǎo)電的離子與電子，即形成了 等離子體 。這不僅會導(dǎo)致陰極熱電子發(fā)射能力的大幅度提高，而且還會導(dǎo)致陰極物質(zhì)自身的熱蒸發(fā)。此時，氣體開始進(jìn)入 弧光放電階段 。這表明，等離子體自身的導(dǎo)電能力再一次迅速提高。上述的兩個不同的輝光放電階段被稱為 正常輝光放電和異常輝光放電。 電流的繼續(xù)增加使得輝光區(qū)域擴(kuò)展到整個放電長度上，同時，輝光的亮度不斷提高。此時， 電路中電流大幅度增加，同時放電電壓卻有所下降。 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 湯生放電階段之后，氣體會突然發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。 在湯生放電后期，放電開始進(jìn)入電暈放電階段。 這時，隨著 放電電流的迅速增加，電壓的變化值卻不大 。離子對于陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射，而電子能量也增加到足夠高的水平，它們與氣體分子的碰撞開始導(dǎo)致后者發(fā)生電離。當(dāng)電離粒子的速度達(dá)到飽和時，電流不再隨電壓升高而增加，此時電流達(dá)到了一個飽和值。 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 氣體放電現(xiàn)象描述 使真空容器中 Ar氣的壓力保持 1Pa，并逐漸提高兩個電極之間的電壓。電離過程使 Ar原子電離為 Ar+離子和可以獨立運動的電子，其中的電子會加速飛向陽極，而Ar+離子則在電場的作用下加速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出相應(yīng)的能量。 概 述 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 直流電場作用下物質(zhì)的濺射： 對系統(tǒng)抽真空后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，如 Ar。 概 述 與傳統(tǒng)的 真空蒸鍍相比，濺射鍍膜 具有許多 優(yōu)點 。 1853年， 法拉第在進(jìn)行氣體放電實驗時，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積現(xiàn)象； 1902年， Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物； 20世紀(jì) 30年代 ，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實驗室中制備薄膜； 60年代初 ， Bell實驗室和 Western Electric公司利用濺射制取集成電路用的 Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用； 1963年 已經(jīng)制作出全長約 10m的連續(xù)濺射鍍膜裝臵； 1965年 IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能； 1974年， 、低溫濺射鍍膜成為現(xiàn)實，并發(fā)表了關(guān)于 平面磁控濺射裝臵 的文章。這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，實現(xiàn)薄膜的沉積。 薄膜制備 PVD技術(shù)之濺射法 及其他 PVD方法 概 述 濺射法是利用帶有電荷的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(zhì)做成的靶電極。剛沉積出的樣品圖 (a) 沒有明顯的衍射峰 ,因此為非晶結(jié)構(gòu)。 蒸發(fā)法制備薄膜舉例 圖 2為利用電子束沉積的 CuAlO2 薄膜退火前后的 XRD 圖譜。沉積的樣品再分別在 600 、 1000 ℃ 下大氣氛圍進(jìn)行退火處理 3～ 4h 。靶材為燒結(jié)的高純 CuAlO2 相餅 ,選擇石英玻璃作為襯底。經(jīng) XRD 檢測 ,混合物燒結(jié)后為高純 CuAlO2 相。 選取高純的 CuO (分析純 ) 和 Al2O3 (4mol/L) 粉末作為反應(yīng)物。 CuAlO2 還具有高溫穩(wěn)定、耐輻射及環(huán)境友好等優(yōu)點。 蒸發(fā)法制備薄膜舉例 蒸發(fā)法制備薄膜舉例 蒸發(fā)法制備薄膜舉例 蒸發(fā)法制備薄