第四章薄膜的物理气相沉积Ⅱ溅射法.pptx
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1、n4.1 辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体n4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象n4.3 溅射沉积技术溅射沉积技术 第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法n溅射法溅射法n利用带电离子在电磁场的作用下获得足利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量,轰击固体(靶)物质,从靶够的能量,轰击固体(靶)物质,从靶材表面被溅射出来的原子以一定的动能材表面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底,在衬底上形成薄膜。射向衬底,在衬底上形成薄膜。n溅射法的分类溅射法的分类n直流溅射直流溅射 射频溅射射频溅射n磁控溅射磁控溅射 反应溅射反应溅射n
2、偏压溅射偏压溅射 第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法n溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点(1)对于任何待镀材料,只要能作成靶材,就可实)对于任何待镀材料,只要能作成靶材,就可实 现溅射现溅射(2)溅射所获得的薄膜与基片结合较好)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)溅射所获得的薄膜纯度高,致密性好(4)溅射工艺可重复性好,可以在大面积衬底上获)溅射工艺可重复性好,可以在大面积衬底上获 得厚度均匀的薄膜得厚度均匀的薄膜n靶材是需要被溅射的物质,作为靶材是需要被溅射的物质,作为 阴极,相对阳极加数千伏电压,阴极,相对阳极加数千伏电压,在在真真空空室室内内
3、充充入入Ar气气,在在电电极极间间形成辉光放电。形成辉光放电。n辉辉光光放放电电过过程程中中,将将产产生生Ar离离子子,阴阴极极材材料料原原子子,二二次次电电子子,光光子子等。等。4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体一、辉光放电的物理基础一、辉光放电的物理基础n等离子体等离子体 等等离离子子体体是是一一种种中中性性、高高能能量量、离离子子化化的的气气体体,包包含含中中性性原原子子或或分分子子、原原子子团团、带带电电离离子子和和自自由由电电子。子。n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 部分能量部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地
4、去处金属、通过等离子刻蚀选择性地去处金属 4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体 产生辉光放电产生辉光放电 通通过过混混合合气气体体中中加加直直流流电电压压、或或射射频频电电压压,混混合合气气体体中中的的电电子子被被电电场场加加速速,穿穿过过混混合合气气体体,与与气气体体原原子子或或分分子子碰碰撞撞并并激激发发他他们们,受受激激的的原原子子、或或离离子子返返回回其其最最低低能能级级时时,以以发发射射光光(或或声声子子)的形式将能量释放出来。的形式将能量释放出来。不同气体对应不同的发光颜色。不同气体对应不同的发光颜色。4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体真空室电极高真空泵等离子体R
5、F 发生器匹配部件4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine(neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体n直直流流电电源源E,
6、提提供供电电压压V和和电电流流I则则 V=E-IR。1、辉光放电过程包括、辉光放电过程包括n初始阶段初始阶段AB:I=0 无光放电区无光放电区n汤生放电区汤生放电区BC:I迅速增大迅速增大n过过渡渡区区CD:离离子子开开始始轰轰击击阴阴极极,产产生生二二次次电子,又与气体分子碰撞产生更多离子电子,又与气体分子碰撞产生更多离子n辉光放电区辉光放电区DE:I增大,增大,V恒定恒定n异常辉光放电区异常辉光放电区EF:溅射所选择的工作区:溅射所选择的工作区n弧光放电:弧光放电:I增大,增大,V减小减小n弧弧光光放放电电区区FG:增增加加电电源源功功率率,电电流流迅迅速速增加增加4.1 辉光放电和等离子
7、体辉光放电和等离子体ABCDEFG 2、辉光放电区域的划分辉光放电区域的划分n阴极辉光;阴极辉光;阴极暗区;阴极暗区;负辉光区;法拉第暗区;负辉光区;法拉第暗区;n阳极柱;阳极暗区;阳极辉光阳极柱;阳极暗区;阳极辉光n暗暗区区是是离离子子和和电电子子从从电电场场中中获获取取能能量量的的加加速速区区,辉辉光光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程,每种过离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程,每种过程的相对重要性取决于入射离子
8、的能量。程的相对重要性取决于入射离子的能量。一、溅射的产额:一、溅射的产额:被被溅溅射射出出来来的的原原子子个个数数与与入入射射离离子子数数之之比比。它它与与入入射射能能量量,入入射射离离子子种种类类,溅溅射射物物质质种种类类及及入入射射离离子子的入射角度有关。的入射角度有关。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象图3.7n入射离子能量的影响入射离子能量的影响n只只有有入入射射离离子子能能量量超超过过一一定定阈阈值值以以后后,才才能能从从被被溅溅射射物物质质表表面面溅溅射射出出离离子子,阈阈值值能能量量与与入入射射离离子子的的种种类类关关系系不不大大,与与被被溅溅射射物物质质的的升升华华热热有一
9、定比例关系有一定比例关系n随随入入射射离离子子能能量量的的增增加加,溅溅射射产产额额先先增增加加,然然后后处处于于平平缓缓(10Kev),离离子子能能量量继继续续增增加加,溅溅射产额反而下降射产额反而下降 4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象n2 入射离子的种类和被溅射物质的种类入射离子的种类和被溅射物质的种类 通通常常采采用用惰惰性性气气体体离离子子来来溅溅射射,由由图图3.7知知,重重离离子子的的溅溅射射产产额额比比轻轻离离子子高高,但但考考虑虑价价格格因因素,通常使用氩气作为溅射气体。素,通常使用氩气作为溅射气体。用用相相同同能能量量的的离离子子溅溅射射不不同同的的物物质质,溅溅射射产产
10、额额也也是是不不同同的的,Cu,Ag,Au产产额额高高,而而Ti,W,Mo等产额低。等产额低。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象3、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响倾倾斜斜入入射射有有利利于于提提高高产产额额,但但当当入入射射角角接接近近80 时时,产产额额迅迅速速下降下降n合金的溅射和沉积:合金的溅射和沉积:溅溅射射法法的的优优点点所所制制备备的的薄薄膜膜的的化化学学成成分分与与靶靶材材基基本一致。本一致。n自自动动补补偿偿效效应应:溅溅射射产产额额高高的的物物质质已已经经贫贫化化,溅溅射射速速率率下下降降,而而溅溅射射产产额额
11、低低的的物物质质得得到到富富集集,溅溅射射速速率上升。率上升。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置一、直流溅射装置及特性(只适用于靶材为良导体的溅射)一、直流溅射装置及特性(只适用于靶材为良导体的溅射)气体离子气体离子靶材离子靶材离子二次电子二次电子一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性n溅射气压溅射气压1.3-13Pa,太低和太高都不利于薄膜的形成。,太低和太高都不利于薄膜的形成。n阴阴-阳极距离适中,大约为阴极暗区的阳极距离适中,大约为阴极暗区的2倍倍n溅射电压溅射电压1-5KV。n靶材必须为金属。靶材必须为金属。n为保证薄膜的均匀性,阴极平面面积大约
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