1、复旦大学复旦大学材料科学系材料科学系沈杰沈杰.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射 化合物薄膜 反应溅射原理 反应溅射工艺参数v中频溅射 直流反应溅射的缺陷 中频溅射原理 中频溅射工艺参数.v磁控溅射磁控溅射 基本原理与特点基本原理与特点 磁控溅射类型磁控溅射类型v反应溅射 化合物薄膜 反应溅射原理 反应溅射工艺参数v中频溅射 直流反应溅射的缺陷 中频溅射原理 中频溅射工艺参数.v成膜速率低v基片温度高.v碰撞放电空间的气体粒子，产生维持和增强放电所需的电离(有利但较小)v到达阳极，撞击基片使之温度升高(不利但较大).v高速 v低温.v高速如Al的成膜速率可达1m/min，接近电
2、子束蒸发，比二极溅射高一个数量级v低温.v高速如Al的成膜速率可达1m/min，接近电子束蒸发，比二极溅射高一个数量级v低温同样条件下，二极溅射基片温升可达350450，磁控溅射仅250.利用垂直于靶面的电场与平行于靶面的磁场形成二次电子的捕集阱，电子运动方向受电磁场控制，沿着同时垂直于电场和磁场的方向漂移，电子在运动过程中不断与气体分子碰撞电离，直到二次电子能量耗尽。二次电子运行路程大大增加，碰撞电离几率也大大增加，离子数目增加使溅射速率相应增加到达基片以及阳极的二次电子能量几乎耗尽，基片温升明显下降高速高速低温低温.v电子在电场和磁场中受到的力()dedtmvEvBEB 漂移.()Begm
3、vrevE=0，B为均匀磁场，电子沿磁力线以速度vE漂移，同时沿磁力线回旋运动v回旋频率v回旋半径Beem.v电子漂移沿着同时垂直于E和B的方向，即EB方向，电子加速同时旋转.v静态开始运动的电子，在均匀且相互垂直的E和B场中运动轨迹为摆线。.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射反应溅射 化合物薄膜化合物薄膜 反应溅射原理反应溅射原理 反应溅射工艺参数反应溅射工艺参数v中频溅射 直流反应溅射的缺陷 中频溅射原理 中频溅射工艺参数.反应气体应用举例氧化物薄膜O2A12O3In2O3 SnO2 SiO2Ta2O5氮化物薄膜N2 NH3TaNTiNAlN Si3N4 CNX碳化物薄膜C
4、H4 C2H6TiC WC SiC硫化物薄膜H2SCdS CuS ZnS碳氧化物氮氧化物碳氮化物TiCN.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射反应溅射 化合物薄膜化合物薄膜 反应溅射原理反应溅射原理 反应溅射工艺参数反应溅射工艺参数v中频溅射 直流反应溅射的缺陷 中频溅射原理 中频溅射工艺参数.v溅射过程中加入活性气体，制备成分与特性可控的化合物薄膜v反应在哪里进行？ 真空室空间？ 能量守恒定律 化学反应能量释放 空间不可能进行反应 反应在表面进行：基片表面、靶表面.v优点 可使用高纯金属靶与高纯气体制备高纯度化合物薄膜，避免制备化合物靶材带来的困难 调节沉积工艺参数，可以制备不
5、同配比的化合物薄膜 无需射频电源，适合大面积生产 基片不需要高温，对基片材料限制较少v二种模式 金属模式：靶面上溅射出来的金属原子或离子与活性气体原子或离子在基片上反应，生成化合物薄膜 化合物模式：靶面上反应生成化合物，化合物再被溅射到基片上形成化合物薄膜.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射反应溅射 化合物薄膜化合物薄膜 反应溅射原理反应溅射原理 反应溅射工艺参数反应溅射工艺参数v中频溅射 直流反应溅射的缺陷 中频溅射原理 中频溅射工艺参数.v沉积速率v真空室气压v溅射电压.v沉积速率沉积速率v真空室气压v溅射电压Deposition rate versus oxygen pa
6、rtial pressure for an iron target in an Ar-O2 mixture.v沉积速率沉积速率v真空室气压v溅射电压.v沉积速率v真空室气压真空室气压v溅射电压.v沉积速率v真空室气压真空室气压v溅射电压.v沉积速率v真空室气压v溅射电压溅射电压.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射 化合物薄膜 反应溅射原理 反应溅射工艺参数v中频溅射中频溅射 直流反应溅射的缺陷直流反应溅射的缺陷 中频溅射原理中频溅射原理 中频溅射工艺参数中频溅射工艺参数.v直流反应溅射的缺陷 “积累电荷放电”稳定工况 “靶中毒”提高效率.v1 高压击穿放电v2 微弧放电v3 极
7、间放电.v“灭弧”供电vA2K(Action Arc Killing)电源 正脉冲平均电压 6080 V 负脉冲平均电压 500600 V 脉冲宽度比(放电/溅射) 1:41:8 频率 10 kHz.v 靶面“中毒”与打火 靶面上形成了绝缘性的化合物薄膜 绝缘膜上正电荷积累 绝缘膜被击穿溅射空间出现高电流低电压的弧光放电“打火” 镀膜过程不稳定和中断 打火靶面局部熔化喷射薄膜缺陷增多质量下降 靶面受损 使用寿命减少v 阳极消失v 成膜速率低.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射 化合物薄膜 反应溅射原理 反应溅射工艺参数v中频溅射中频溅射 直流反应溅射的缺陷直流反应溅射的缺陷 中
8、频溅射原理中频溅射原理 中频溅射工艺参数中频溅射工艺参数.v孪生靶磁控溅射(TwinMag)v双靶磁控溅射(Dual Magnetron Sputtering).v 优点： 双靶互为阴极、阳极 无阳极消失问题 无积累电荷问题 频率40 kHz，部分覆盖化合物的靶面能正常溅射 采用气体反馈控制将工作区稳定在曲线拐点附近，比完全化合物靶材沉积速率高310倍 基片受离子轰击，有离子辅助镀膜作用v 缺点：基片温度升高100 oC.v脉冲组合电源.v磁控溅射 基本原理与特点 磁控溅射类型v反应溅射 化合物薄膜 反应溅射原理 反应溅射工艺参数v中频溅射中频溅射 直流反应溅射的缺陷直流反应溅射的缺陷 中频溅
9、射原理中频溅射原理 中频溅射工艺控制中频溅射工艺控制.采集信号阀门反馈速度气流模型计算机数据处理控制反应气体的反馈输入.v反应气体闭环控制反应气体闭环控制v脉冲送气控制脉冲送气控制v等离子体发射测量等离子体发射测量(PEM)控制控制.v等离子体发射测量等离子体发射测量(PEM)控制控制v 反应气体闭环控制反应气体闭环控制v 脉冲送气控制脉冲送气控制.v反应气体闭环控制反应气体闭环控制利用恒流源的电压变化作为信号源，通过计算机处理，控制快速反应的馈入气体阀，来完成对反应溅射的闭环控制v 等离子体发射测量等离子体发射测量(PEM)控制控制v 脉冲送气控制脉冲送气控制.v脉冲送气控制脉冲送气控制 送入1.6s，切断1s，TiN沉积速率提高70% 脉冲送气提高沉积速率23倍，且以锯齿波形效果最好v 等离子体发射测量等离子体发射测量(PEM)控制控制v 反应气体闭环控制反应气体闭环控制.Q&AThanks!.
