第三章薄膜制备的物理方法1课件.ppt

1、第三章第三章 薄膜制备的物理方法薄膜制备的物理方法 第三章第三章 薄膜制备的物理方法薄膜制备的物理方法物理气相沉积过程可概括为三个阶段：（1）从源材料中发射出粒子；（2）粒子输运到基片；（3）粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。第一节 真空蒸发第二节 溅射第三节 离子束和离子助第四节 外延生长第三章第三章 薄膜制备的物理方法薄膜制备的物理方法 在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发，使其沉积在被涂覆的基片上的方法称为真空蒸发。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 蒸发法与用水壶煮开水时冒出的水蒸气使玻璃窗蒙上一层模糊的水汽相似，所以就需要有相当于水壶的坩埚、加热坩埚的热源和附着蒸气的基片。 优点： 具

2、有简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特点，是薄膜制备中最为广泛使用的技术。 缺点： 形成的薄膜与基片结合较差，工艺重复性不好。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发一、真空蒸发沉积的基本条件二、真空蒸发沉积的物理原理三、真空蒸发技术第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发一、真空蒸发沉积的基本条件v 真空环境，以便于气相镀料向基片输运；v 加热，使镀料蒸发；v 采用温度较低的基片，以便于气体镀料凝结成膜。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发真空蒸发沉积过程的三个步骤：（1）蒸发源材料由凝聚相转变成气相；（2）在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运；（3）蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大

3、、成膜。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发二、真空蒸发沉积的物理原理 当蒸发在真空中开始时，蒸发温度会降低很多，对于正常蒸发所使用的压强一般为10-5Torr，这一压强能确保大多数发射出的蒸发粒子具有直线运动轨迹。基片与蒸发源的距离一般保持在1015cm。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发2/cosr232011hldd 理想情况，蒸发源是一个清洁、均匀发射的点源，基片为一个平面，由Knudsen余弦定律所确定的沉积率则随 变化，r为蒸发源到接收基片的距离， 是径向矢量与垂直于基片方向的夹角。如果d0是在距点源正上方中心h处的沉积厚度，d为偏离中心l处的厚度，则 第一节第一节 真空蒸发真空蒸发2201

4、1hldd 如果蒸发源为一平行于基片的小平面蒸发源，则第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 真空蒸发过程中，残余气体对薄膜生长和薄膜性质皆有重要影响。 首先，当蒸发粒子在蒸发源到基片的输运过程中可能与气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于分子的平均自由程，总数为N0、通过距离l没有发生碰撞的分子数N为：/exp0lNN 通常薄膜沉积在10-5Torr或更高真空下进行，蒸发粒子与残余气体分子的碰撞数可以忽略不计，因而蒸气粒子会沿直线行进。残余气体的平均自由程第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 其次，薄膜会被真空系统中残余的气体严重污染，这一污染起源于沉积过程中残余气体分子对基片表面的撞击。残余气体分子的撞击率N

5、g有气体的运动学给出：)/(10513. 322122scmTMpNgggg三、真空蒸发技术第一节第一节 真空蒸发真空蒸发真空蒸发系统的组成：（1）真空室（2）蒸发源或蒸发加热装置（3）放置基片及给基片加热装置 饱和蒸气压：饱和蒸气压：在一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡过程中所呈现的压力。物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，相反，一定的饱和蒸气压则对应着一定的物质温度。 蒸发温度：蒸发温度：规定物质在饱和蒸气压为1.3Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发

6、真空蒸发真空蒸发方法：（1）电阻加热蒸发（2）闪烁蒸发（3）电子束蒸发（4）激光蒸发（5）电弧蒸发（6）射频加热蒸发（1）电阻加热蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 电阻蒸发源通常适用于熔点低于1500的镀料。灯丝和蒸发舟等加热体所需电功率一般为（150500）A10V，为低电压大电流供电方式。通过电流的焦耳热使镀料熔化、蒸发或升华。采用W、Mo、Pt等难熔金属做成适当的形状，其上装上镀料，让电流通过，对镀料进行直接加热蒸发；或者把待蒸发材料放入Al2O3等坩埚中进行间接加热蒸发。对电阻蒸发源材料的要求v 熔点要高。因为蒸发材料的蒸发温度多数为10002000，所以电阻材料熔点要高于此温度。第

7、一节第一节 真空蒸发真空蒸发v 化学性能稳定。在高温下不应与蒸发材料发生化学反应。v 饱和蒸气压低。为防止和减少在高温下蒸发源材料会随蒸发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中。v 具有良好的耐热性。v 原料丰富，经济耐用熔点：2610 熔点： 3410 熔点：1774 第一节第一节 真空蒸发真空蒸发常用的电阻蒸发源第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 电阻丝： 钨/钼丝制成（直径0.050.13cm），蒸发物直接置于丝状加热装置上，加热时，蒸发物润湿电阻丝，通过表面张力得到支撑。 通常的电阻丝采用多股丝，这样会比单股丝提供更大的表面积。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发电阻丝的缺点：只能用于金属或某些合金的

8、蒸发；在一定时间内，只有有限量的蒸发材料被蒸发；在加热时，蒸发材料必须润湿电阻丝；一旦加热，这些电阻丝会变脆，如果处理不当甚至会折断。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 锥形丝筐加热源： 用于蒸发小块电介质或金属，蒸发材料熔化或升华时不润湿源材料。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 凹箔： 由钨、铊或钼的薄片组成，厚度一般在0.0130.038cm，当只有少量的蒸发材料时，最适合于使用这一蒸发源装置。 在真空中加热后，钨、铊或钼都会变脆，特别是当它们与蒸发材料发生合金化时更是如此。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 坩埚： 石英、玻璃、氧化铝、石墨、氧化铍、氧化锆坩埚用于非直接的电阻加热装置中。第一节第一

9、节 真空蒸发真空蒸发电极、钼舟第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发缺点：v 支撑坩埚及材料与蒸发物反应；v 难以获得足够高的温度使介电材料如Al2O3、TiO2等蒸发；v 蒸发率低；v 加热时合金或化合物会分解。（2）闪烁蒸发 少量待蒸发材料以粉末的形式输送到足够热的蒸发盘上以保证蒸发在瞬间发生。 第一节第一节 真空蒸发真空蒸发M-低碳铜盘G-臂式玻璃管E-电磁铁B-钼蒸发盘 闪烁蒸发技术的一个严重缺陷是待蒸发粉末的预排气较困难。沉积前，需2436h抽真空，这样在一定程度上才可以完成粉末的排气工作。此外，蒸发沉

10、积过程中可能会释放大量的气体，膨胀的气体可能发生“飞溅”现象。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发（3）电子束蒸发 热电子由灯丝发射后，被加速阳极加速，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，实现蒸发镀膜。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 直接采用电子束加热使水冷坩埚中的材料蒸发是电子束蒸发中常用的方法。通过水冷，可以避免蒸发材料与坩埚壁的反应，由此即可制备高纯度的薄膜。根据电子束的轨迹不同，可分为环形枪、直枪、e型枪等几种。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 蒸发物附近有一个环状热阴极，电子束沿径向聚焦到待蒸发材料上。待蒸发金属材料制成丝或棒的形状放在阴极环的中心处，棒的尖端会熔化、蒸发

11、，最终沉积在蒸发源下部的基片上。 这一方法只限于沉积具有高表面张力和在熔点处蒸气压大于10-3Torr的金属。所提供的电能也需要小心控制。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 将电子束通过静电聚焦打到置于水冷钢架上的待蒸发物上。由于材料的熔化和蒸发仅局限于表面，水冷支架不会带来污染问题。 直枪是一种轴对称的直线加速电子枪，电子从阴极灯丝发射，聚焦成细束，经阳极加速后轰击在坩埚中使镀料熔化和蒸发。 优点： 直枪的功率为几百瓦到几千瓦。由于聚焦线圈和偏转线圈的应用使直枪的使用较为方便。它不仅可以得到较高的能量密度，而且易于调节控制。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节

12、 真空蒸发真空蒸发 缺点： 体积大、成本高。另外蒸镀材料会污染枪体结构和存在灯丝逸出的Na+污染等问题。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 e型电子枪即270偏转的电子枪，克服了直枪的缺点，是目前用的较多的电子束蒸发源。热电子由灯丝发射后，被阳极加速。在与电子束垂直的方向设置均匀磁场。电子在正交电磁场作用下受洛伦兹力的作用偏转270，e型枪因此得名。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 优点： 正离子的偏转方向与电子偏转方向相反，因此可以避免直枪中正离子对镀层的污染，也避免蒸镀材料污染枪体。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发（4）激光蒸发 在激光蒸

13、发方法中，激光作为热源使待蒸镀材料蒸发。 激光蒸发法属于一种在高真空下制备薄膜的技术。激光光源放置在真空室外部，激光光束通过真空室窗口打到待蒸镀材料上使之蒸发，最后沉积在基片上。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 应用CO2激光器作为加热源制备碳膜，激光束通过ZnSe窗口进入到真空室，被凹面镜反射聚焦到钼坩埚中的粉末状石墨和金刚石上。激光光束通过凹面镜旋转和蒸发盘的线性驱动对整个源材料进行扫描。硒化锌材料用来制作全反射镜，半反射镜，扩束镜，平场透镜，中红外镜片，远红外10.6Um/CO2激光器上各种透镜，镀金反射镜，圆偏振镜，扩束镜，平场透镜等。广泛应用于激光,医学，

14、天文学和红外夜视等领域中。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发优点：（1）激光是洁净的，使来自热源的污染减小到最低；第一节第一节 真空蒸发真空蒸发（2）由于激光光束只对待蒸镀材料的表面施加热量，这样就会减少来自待蒸镀材料支撑物的污染；（3）通过使激光光束聚焦可获得高功率密度激光束，使高熔点材料也可以较高的沉积速率被蒸发。（4）利用激光束加热能够对某些化合物或合金进行“闪烁”蒸发，可在一定程度上防止合金成分的分馏和化合物的分解。（6）激光器置于真空室外，避免蒸发源的污染，简化真空室。非常适宜在超高真空下制备高纯薄膜。（5）通过采用外部反射镜导引激光光束，很容易实现同时或顺序多源蒸发； 脉冲激光器： 脉

15、冲激光蒸发可使源材料在很高温度下迅速加热和冷却，瞬间蒸发在靶的某一小区域得以实现。 由于脉冲激光可产生高功率脉冲，完全可以创造瞬间蒸发的条件，因此，脉冲激光蒸发法对于化合物材料的组元蒸发具有很大优势。（即使化合物中的组元具有很大不同的蒸气压，在蒸发时也不会发生组分偏离现象）第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 例： 红宝石激光器、钕玻璃激光器及钇铝石榴石激光器产生的巨脉冲具有“闪蒸”的特点。在许多情况下，一个脉冲就可使膜层厚度达到几百纳米，沉积速率可达104105nm/s。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发脉冲激光蒸发技术：v 脉冲激光蒸发技术广泛用于各种不同的化合物和合金

16、薄膜的沉积。v 优势： 使源材料的原始纯度保持下来，同时减少了坩埚污染； 被照射的靶和基片的平均温度都很低，因此沉积是在低温下进行。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发锝的主要来源为反应堆中铀裂变产物。熔点2170,沸点4877，密度11.5克/厘米。v 激光脉冲蒸发已应用于薄膜的外延生长。v 自从高温超导氧化物被发现后，制备和表征高温超导氧化物薄膜并将其应用于超导电器件等领域是众多研究者十分感兴趣的课题。v 脉冲激光蒸发是制备高Tc（锝）超导陶瓷较为普遍的技术。（5）电弧蒸发第一节第一节 真空蒸发真空蒸发 在阳极和阴极之间产生弧光放电，不断蒸发或者升华镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体

17、，并能迅速将镀料沉积于基体。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发特点：v 阴极电弧蒸发离化源可从固体阴极直接产生等离子体，而不产生熔池，所以可以任意方位布置，也可采用多个蒸发离化源。v 镀料的离化率高，一般达6090，显著提高与基体的结合力改善膜层的性能。v 沉积速率高，改善镀膜的效率。v 设备结构简单，弧电源工作在低电压大电流工况，工作较为安全。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发（6）射频加热 通过射频线圈的适当安置，可以使待镀材料蒸发，从而消除由支撑坩埚引起的污染。蒸发物也可以放在支撑坩埚内，用射频线圈环绕。 成本相对较高，射频加热系统的设备笨重，加之薄膜沉积过程中蒸发率难以控制，故此，这一方法不是

18、薄膜制备的常用方法。第一节第一节 真空蒸发真空蒸发第二节第二节 溅射溅射 溅射（Sputtering）： 在某一温度下，如果固体或液体受到适当的高能粒子（通常为离子）的轰击，则固体或液体中的原子通过碰撞有可能获得足够的能量从表面逃逸，这一将原子从表面发射出的方式称为溅射。第二节第二节 溅射溅射v 1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉积现象，对造成这种现象的原因不得其解，当时不仅没有想到它有什么用处，还把它作为有害的现象设法加以防止。 我们经常看到日光灯管的灯口附近我们经常看到日光灯管的灯口附近变黑，它是由于日光灯的电极经常发生变黑，它是由于日光灯的电极经常发

19、生溅射而在其周围所形成的物质。溅射而在其周围所形成的物质。溅射的发展过程：v 1852年，Grove研究辉光放电时首次发现了这一现象。v 20世纪30年代，已有人利用溅射现象在实验室中制取薄膜。v 60年代初，Bell实验室和Western Electric公司利用溅射制取集成电路用的Ta（钽）膜，从而开始了它在工业上的应用。v 1963年已经制作出全长约10cm的连续溅射镀膜装置。v 1965年IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。出现：“无论在什么材料的基片上，镀上任何一种材料的膜”的技术。第二节第二节 溅射溅射v 1974年，J.Chapin使高速、低温溅射镀膜成为现实

20、，并发表了关于平面磁控溅射装置的文章。由于这种装置的日臻完善和普及，使得溅射镀膜能以崭新的面貌出现在技术和工业领域。第二节第二节 溅射溅射一、溅射的基本原理二、溅射镀膜的特点三、溅射参数四、溅射装置第二节第二节 溅射溅射一、溅射的基本原理第二节第二节 溅射溅射 溅射是用具有足够高能量的粒子轰击固体（称为靶）表面使其中的原子发射出来。离子和固体表面的相互作用第二节第二节 溅射溅射 早期人们认为这一现象源于靶材的局部加热。但是，不久人们发现溅射与蒸发有本质区别，并逐渐认识到溅射室轰击粒子与靶粒子之间动量传递的结果。第二节第二节 溅射溅射实验现象：（1）溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向；第二

21、节第二节 溅射溅射（2）从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向；第二节第二节 溅射溅射（3）溅射率（平均每个入射粒子能从靶材中打出的原子数），不仅取决于入射粒子的能量，而且也取决于入射粒子的质量；第二节第二节 溅射溅射 说明： 溅射过程实际上是入射粒子（通常为离子）通过与靶材碰撞，进行一系列能量交换的过程。是发生了级联碰撞的结果。第二节第二节 溅射溅射直流气体放电模型气体放电伏安特性曲线第二节第二节 溅射溅射二级辉光放电系统：系统压强几十帕1-进气2-阴极3-阳极4-真空泵5-电压表6-电阻7-电流表8-电源第二节第二节 溅射溅射v溅射是如何产生入射离子的？直流辉光放电伏安特性曲线示意图（1）AB

22、：无光放电区 系统中因宇宙射线辐射会产生一些游离离子和电子，数量有限。由于在放电容器中充有少量气体，因而始终有一部分气体分子以游离状态存在着。当两电极上加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动，形成电流。第二节第二节 溅射溅射 由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的，所以，当正离子和电子一旦产生，便被电极捡过去。即使再升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。所以此时的电流密度很小，一般情况下仅有10-1610-14安培左右。由于此区是导电而不发光，所以称为无光放电区。（2）BC：汤森放电区 两极间电压升高，电子的运动速度逐渐加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是低速时的弹性碰

23、撞，而是使气体分子电离。新产生的电子和原有电子继续被电场加速，使更多的气体分子被电离，于是在伏安曲线上便出现汤森放电区。第二节第二节 溅射溅射（3）超过C点： 会发生“雪崩”现象，离子开始轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极又产生出更多的二次电子，大量的离子和电子产生后，放电便达到了自持。气体开始起辉，两极间的电流剧增，电压迅速下降，放电呈负阻特性。（4）CD：过渡区（5）D点以后： 电流平稳增加，电压维持不变；第二节第二节 溅射溅射（6）DE：正常辉光放电区 当放电容器两端电压进一步增加时，汤森放电的电流将随着增大。当电流增至C点时，极

24、板两端电压突然降低，而这时电流突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿。击穿后气体的发光放电称为辉光放电。这时电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电也将继续下去，而且维持辉光放电的电压较低，且不变，此时电流的增大显然与电压无关，而只与阴极板上产生辉光的表面积有关。正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有关。此外，气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小也有影响。电流密度随气体压强增加而增大。第二节第二节 溅射溅射（7）EF：异常辉光放电区 由于正常辉光放电的电流密度仍然比较小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。在轰击覆盖住整个

25、阴极表面之后，进一步增加功率，放电的电压和电流密度将同时增大，进入异常辉光放电状态。其特点是：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短，此时若要提高电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。电流可以通过电压来控制。到达F点以后，继续增加电源功率，两极间的电流迅速下降，电流几乎由外阻所控制，电流越大，电压越小。第二节第二节 溅射溅射（8）FG：弧光放电区 异常辉光放电时，在某些因素影响下，常有

26、转变为弧光放电的危险。此时，极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路。且放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁。同时，骤然增大的电流有损坏电源的危险。第二节第二节 溅射溅射辉光放电时明暗光区分布示意图第二节第二节 溅射溅射二、溅射镀膜的特点 优点：（1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射（2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好（3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好（4）可以方便地制取高熔点物质的薄膜（5）溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜第二节第二节 溅射溅射 缺点： 相对于真空蒸发，溅射存在的缺点是它的沉积速率低，基片会受到等离

27、子体的辐照等作用而产生温升。第二节第二节 溅射溅射第二节第二节 溅射溅射三、溅射参数 参数有： 溅射阈值、溅射率、溅射粒子的速度和能量（1）溅射阈值： 是指将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。当入射离子能量低于溅射阈值时，不会发生溅射现象，溅射阈值与入射离子的质量无明显的依赖关系，但与靶材有很大关系，溅射阈值随靶材原子序数增加而减小。 对于大多数金属来说，溅射阈值为2040eV。（2）溅射率： 又称溅射产额或溅射系数，它表示入射正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从靶阴极中打出的原子数。第二节第二节 溅射溅射v溅射率与入射离子的种类、能量、角度以及靶材的种类、结构等有关。溅射率依赖于入

28、射离子的质量，质量越大，溅射率越高。v入射离子能量超过溅射阈值后，随着入射离子能量的增加，在150eV以前，溅射率与入射离子能量平方成正比；在15010keV范围内，变化不明显；入射能量再增加，溅射率将下降。v溅射率随着入射离子与靶材法线方向所成的角的增加而逐渐增加。v溅射率还与靶材温度、溅射压强等因素有关。（3）溅射原子的能量和速度：第二节第二节 溅射溅射v原子序数大的溅射原子溅射逸出时能量较高，而原子序数小的溅射原子溅射逸出的速度较高。v同样轰击能量下，溅射原子逸出时能量随入射离子的质量而线性增加。v溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，但当入射离子能量达到某一较高值时，平均逸出

29、能量趋于恒定。四、溅射装置溅射装置种类繁多，因电极不同可分为：（1） 辉光放电直流溅射（2） 三级溅射（3） 射频溅射（4） 磁控溅射（5） 对靶溅射（6） 离子束溅射（7）反应溅射第二节第二节 溅射溅射（1）辉光放电直流溅射 盘状的靶材连接到电源的阴极，与靶相对的基片则连接到电源的阳极。 第二节第二节 溅射溅射 工作原理： 通过电极加上15kV的直流电压（电流密度为110mA/cm2），充入到真空室的中性气体如氩气（气压在1.313Pa）便会开始辉光放电。 当辉光放电开始，正离子就会打击靶盘，使靶材表面的中性原子溢出，这些中性原子最终会在基片上凝结形成薄膜。第二节第二节 溅射溅射 同时在离子

30、轰击靶材时也有大量电子（二次电子）从阴极靶发射出来，它们被加速并跑向基片表面。在输运过程中这些电子与气体原子相碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。第二节第二节 溅射溅射 气体压强和阴-阳极间距对溅射的影响： 如果气体压强太低或阴-阳极间距太短，在二次电子达到阳极之前不会有足够多的离化碰撞出现。 另一方面，如果压强太大或阴-阳极距离太远，所产生的离子会因非弹性碰撞而减速，这样，当它们打击靶材时将没有足够的能量来产生二次电子。在实际的溅射系统运转中，往往需要产生足够数量的二次电子以弥补损失到阳极或真空壁上的电子。第二节第二节 溅射溅射第二节第二节 溅射

31、溅射 尽管对大多数材料来说，溅射率会随着靶材温度的升高而增加，但由于可能出现的靶材放气问题，阴极的温度不宜升得太高。相反，对于靶阴极，一般要进行冷却，常用的冷却方式是循环水冷。 对于实际的溅射系统，自持放电很难在压强低于1.3Pa的条件下维持，这是因为在此条件下，没有足够的离化碰撞。第二节第二节 溅射溅射优点：（1）结构简单，控制不困难，三个主要工艺参量是工作压力P，电压U和电流I。这三者只要有两个参数固定，第三个也就固定了，操作时重复性很好；（2）溅射原子具有较高的平均能量，当它们打到基片时，会形成与基底结合较好的薄膜。第二节第二节 溅射溅射 缺点： （1） 一般只能用于靶材为良导体的溅射；

32、 作为薄膜沉积的一种技术，自持辉光放电的最重要的缺陷是用于产生放电的惰性气体对所沉积的薄膜构成污染。 （2）二极溅射膜的沉积速率低，10微米以上的厚膜不宜用此法镀制。阴极和阳极间的距离通常在26cm，间距过大，沉积速率下降太快。间距过近，二次电子在两极间的运动距离过短，维持放电困难。第二节第二节 溅射溅射改进方法：v 低压溅射，在低工作压强的情况下，薄膜中被俘获的惰性气体的浓度会得到有效降低。对二极溅射装置本身进行改进，设法在优于0.1Pa的真空度下产生气体辉光放电，同时形成满足溅射要求的高密度等离子体。第二节第二节 溅射溅射v提高本底真空度或用液氮冷阱去除残留气氛中的H2O、H2、O2等不希

33、望有的气体，即可提高溅射速率又可保证膜层质量。v 采用非对称交流溅射来提高膜层质量，以电压振幅大的半周期溅射阴极来成膜，以振幅小的半周期通过离子轰击基片，不断清除掉吸附气体而得到高纯膜。v 加磁场，使电子螺旋式运动，运动轨迹加长，增加电离效果。第二节第二节 溅射溅射磁场的作用：是使电子不是做平行直线运动，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作用而大幅度增强，从而有效地提高在已知直线距离内的气体离化效率。 综上，要想高效率地进行溅射镀膜，必须降低溅射气压，在减少粒子逆扩散的同时，设法增加等离子体的密度，使射向靶的离子流密度增加，这样在几百伏的靶电压下，就能获得较好的效果；

34、同时设法控制由靶放出的二次电子的运动，一方面使其增强离化效果，另一方面减少它对基片的直接轰击，进而达到高效和低温两个目的。 第二节第二节 溅射溅射（2）三极溅射： 低压下，为了增加离化率并保证放电自持，一个方法就是提供一个额外的电子源，而不是从靶阴极获得电子。这个独立的电子源就是热阴极，它通过热离子辐射形式发射电子。 热离子阴极通常是一根加热的钨丝，它可以承受长时间的离子轰击。第二节第二节 溅射溅射 原理： 灯丝提供电子，向阳极运动，使气体电离。外部线圈提供磁场，将等离子体限域在阳极和灯丝阴极之间。当在靶上施加一相对于阳极的负高压，溅射就会出现。离子轰击靶，靶材沉积在基片上。第二节第二节 溅射

35、溅射v 四极溅射又称为等离子弧柱溅射，它是再二、三极溅射的基础上更有效的一种热电子强化的放电方式。在与原来二极溅射靶和基片相垂直的位置上，分别放置一个发射热电子的灯丝和吸引热电子的辅助阳极，其间形成低电压(50V)、大电流(510A)的等离子弧柱。弧柱中，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。由于溅射靶处于负电位，因此它会受到弧柱中离子的轰击而引起溅射。第二节第二节 溅射溅射优点：v 可以在0.10.001Pa的低气压下溅射，可以在主阀全开的状态下工作，因此可以制取高纯度的膜，如超导薄膜等。v 等离子体中的离子密度可以通过调节电子发射电流或调节用于加速电子的电压来加以控制。v 轰击离子的能量可以

36、通过改变靶电压来控制。第二节第二节 溅射溅射第二节第二节 溅射溅射缺点：v 不能抑制高速电子对基片的轰击。高速溅射时，基片温升极其严重。v 灯丝寿命短，还因灯丝具有不纯物而使膜层污染。（3）射频溅射： 20世纪30年代人们发现，射频放电管的玻璃管壁上粘附的沾污层，在放电过程中会变得干净。从研究中得知，这是由于溅射造成的。 60年代，真正把射频溅射用于制取薄膜，可以制取从导体到绝缘体任意材料的薄膜。 70年代，开始广泛普及。第二节第二节 溅射溅射v 直流溅射是利用金属、半导体靶制取薄膜的有效方法。但是，当靶是绝缘体时，由于撞击到靶上的离子会使靶带正电，靶的电位上升，结果离子不能继续对靶进行轰击。

37、v 射频溅射是可以沉积绝缘体的溅射方式。射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电势的作用下，在交变电场中振荡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。第二节第二节 溅射溅射v 先假定靶上所加为矩形波电压um，在正半周由于绝缘体的极化作用，其表面很快地吸引了位于绝缘体表面附近的等离子体中的电子，致使表面与等离子体的电位相同，正负半周靶表面电位变化如us。在负半周，us的最低点近似等于靶上所加负电压的两倍，此时离子射向绝缘体靶的表面发生溅射现象。第二节第二节 溅射溅射 原理： 在直流辉光放电中，阴极所需产生二次离子的高电压，在射频溅射中已不需要。由于电子比离子具有较高的迁移性

38、，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，而靶将变成负的自偏压。在绝缘靶表面负的直流电位将在表面附近排斥电子，从而在靶前产生离子富集区。这些离子轰击靶，便产生溅射。第二节第二节 溅射溅射 对于射频功率为1kW的射频溅射系统，许多金属膜的沉积率可达100nm/min。第二节第二节 溅射溅射射频溅射的频率一般采用13.56MHz。 射频溅射可以采用任何材料的靶，在任何基板上沉积任何薄膜。若采用磁控源，则还可以实现高速溅射沉积。 这无论从新材料研究开发，还是从批量生产经济性考虑都有非常重要的意义。近年来，射频溅射在研制大规模集成电路绝缘膜、压电声光功能膜、化合物半导体膜及高温超导膜等方面都有重要应用。第二节第二节 溅射溅射