薄膜材料與技術(shù)09級(jí)第3章薄膜沉積的物理方法

1、薄膜材料與技術(shù)Thin Film Materials & Technologies,武濤 副教授2012年 秋季學(xué)期,3 薄膜沉積的物理方法,薄膜 沉積 的 ? 物理 方法注意：其中除了LPE技術(shù)外，都可劃入廣義的PVD技術(shù)范疇！ ? 因此本章重點(diǎn)學(xué)習(xí) 蒸發(fā)、濺射、離子鍍 三類基本PVD方法！PVD的概念：在真空度較高的環(huán)境下，通過

2、加熱或高能粒子轟擊的方法使源材料逸出沉積物質(zhì) 粒子（可以是原子、分子或離子），這些粒子在基片上沉積形成薄膜的技術(shù)。 其技術(shù)關(guān)鍵在于：如何將源材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗔Ｗ樱ǘ荂VD的化學(xué)反應(yīng)）！PVD的三個(gè)關(guān)鍵過程：PVD的工程分類：

3、 ? 基于氣相粒子發(fā)射方式不同而分！,,,,,,,,,,,一、概念：在真空環(huán)境下，以各種加熱方式賦予待蒸發(fā)源材料以熱量，使源材料物質(zhì)獲得所需的蒸汽壓而 實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，所發(fā)射的氣相蒸發(fā)物質(zhì)在具有適當(dāng)溫度的基片上不斷沉積而形成薄膜的沉積技術(shù)。二、兩個(gè)關(guān)鍵：? 真空度：P ≤ 10-3 Pa（保證蒸發(fā)，粒子具分子流特征，以直線運(yùn)動(dòng)）

4、 ? 基片距離 (相對于蒸發(fā)源)：10~50 cm（兼顧沉積均勻性和氣相粒子平均自由程）三、蒸發(fā)條件：分壓 Pi Pei ? 凝聚； Pi 0)2、怎樣實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)條件？? 升溫 ： 課本：P29-30 圖2.2 a、b ? ? ?T ? Pei??? 真空： 系統(tǒng)總壓 P? ? 目

5、標(biāo)物質(zhì)分壓Pi 也隨之?? 充入其它氣體： P = ∑Pi ? 總壓不變、目標(biāo)物質(zhì)分壓 Pi ?,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.1 真空蒸發(fā)沉積的概念及物理學(xué)基礎(chǔ),,,,,,T /℃,Pe /Torr,3、材料分類（基于蒸發(fā)特性）：? 易升華材料 (Cr、Ti、Si等) ： T> 0.1 Pa) ? 升華? 難升華材料 (石墨)： 無

6、Tm，升華溫度 (Ts) 又很高 ? 往往需借助電弧等高溫放電熱源才能蒸發(fā)！? 液態(tài)蒸發(fā)材料 (大多數(shù)金屬)： T＝Tm時(shí)， Pe 仍較低 (Pe < 0.1 Pa)， 但可以繼續(xù)?T 獲得高的Pe ！ ? 需加熱到Tm以上一定溫度才能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)！四、蒸發(fā)速率：1、Knudsen公式：式中：? — 單位面積上元素的凈蒸發(fā)速率；? — 蒸發(fā)因子 (0~1)； M — 氣體的原子/分子量

7、；2、Langmuir公式：可知：? ? =1，Pi = 0 時(shí)，蒸發(fā)速率最大； ? 由于 ? T?時(shí) Pei?? ? T 是 ? 的主要影響因素！,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.1 真空蒸發(fā)沉積的概念及物理學(xué)基礎(chǔ),,,,,,,,五、沉積厚度及沉積速率：1、影響沉積速率的因素： ? 蒸發(fā)源尺寸；? 源-基片距離

8、；? 凝聚系數(shù)。2、物理學(xué)表述 (Knudsen余弦定律)：? 點(diǎn)源：? 小平面源：式中：d0 — 距蒸發(fā)源最近位置（中心處）的膜厚； d — 距該中心距離為 l 處的膜厚； ? — 沉積角度；r — 沉積半徑。3、規(guī)律：? 距蒸發(fā)源近：則膜厚不均勻程度增加、但沉積速率提高；? 距蒸發(fā)源遠(yuǎn)：則膜厚均勻程度好、但沉積速率降低。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,

9、,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.1 真空蒸發(fā)沉積的概念及物理學(xué)基礎(chǔ),,,,,,,Knudsen余弦定律,,,,六、殘余氣體的影響：? 實(shí)際蒸發(fā)過程中，真空環(huán)境內(nèi)總是存在一定量的殘余氣體分子，其影響主要表現(xiàn)在：1、影響氣相物質(zhì)的輸運(yùn)（碰撞轉(zhuǎn)向）： ? 引入殘余氣體分子與蒸發(fā)粒子的碰撞幾率 (?) 表征：式中：N0 — 蒸發(fā)粒子總數(shù)； N — 不發(fā)生碰撞的蒸發(fā)粒子總數(shù)；

10、 l — 沉積距離 (10~50 cm)； ?r — 殘余氣體分子的平均自由程? 真空度? (P >l ? ? →0 ? 碰撞無影響、蒸發(fā)粒子近直線輸運(yùn)? 真空度? (P >10-1 Pa) ? ?r≤l ? ? →1 ? 碰撞偏折明顯、影響粒子輸運(yùn)！2、污染薄膜（轟擊基片并吸附）： ? 引入殘余氣體分子對基片的撞擊率 (Ng)予以表征：式中：Pg — 殘余氣體分壓；Mg — 殘余氣體分子量；Tg

11、 — 殘余氣體的溫度? 課本 P38 表2.2 顯示：常用真空度及沉積率下，殘余氣體分子可能污染薄膜；? ?系統(tǒng)真空度、?薄膜沉積速率 ? 薄膜內(nèi)部殘余氣體含量?。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.1 真空蒸發(fā)沉積的概念及物理學(xué)基礎(chǔ),,,,,,,,,,,,一、概述：1、基本系統(tǒng)構(gòu)成： (課本 P27 圖2.1)

12、 2、蒸發(fā)源的作用：3、蒸發(fā)設(shè)備及方法的主要分類：,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.2 蒸發(fā)沉積裝置,,,,,,,,,,蒸發(fā)裝置 蒸發(fā)材料的加熱方法,,二、電阻加熱蒸發(fā)： 將待蒸發(fā)材料放置在電阻加熱裝置中，利用電阻熱加熱待沉積材料提供蒸發(fā)熱使待蒸發(fā)材料氣化的蒸發(fā)沉積

13、技術(shù)。1、支撐加熱材料 (課本 P40 圖2.9)：可做成絲、箔片、筐、碗 等形狀，常采用金屬W、 Mo、Tl等高Tm、低Pe 材料。2、應(yīng)用：是制備單質(zhì)金屬、氧化物、介電材料和半導(dǎo)體

14、化合物 薄膜最常用的蒸發(fā)方法。3、主要問題：? 支撐材料與蒸發(fā)物之間可能會(huì)發(fā)生反應(yīng)；? 一般工作溫度在1500~1900 ℃，難以實(shí)現(xiàn)更高蒸發(fā)溫度， 所以可蒸發(fā)材料受到限制；? 蒸發(fā)率低； ? 加熱速度不高，蒸發(fā)時(shí)待蒸發(fā)材料如為合金或化合物， 則有可能分解或蒸發(fā)速率不同，造成薄膜成分偏離蒸發(fā)物 材料成分。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1

15、 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.2 蒸發(fā)沉積裝置,,,,,,,,,支撐加熱材料 (蒸發(fā)舟),電阻加熱蒸發(fā)沉積裝置,三、閃爍蒸發(fā)： 待蒸發(fā)材料以粉末形式被送入送粉機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械式或電磁式振動(dòng)機(jī)構(gòu)的觸發(fā)，被周期性少量輸送到溫度極高的蒸發(fā)盤上，待蒸發(fā)材料瞬間蒸發(fā)形成粒子流，隨后輸運(yùn)到基片完成薄膜的沉積。1、蒸發(fā)溫度： ? 與電阻加熱蒸發(fā)基本相同 (1500~1900 ℃)。2、主要改進(jìn)： ?

16、 解決了薄膜成分偏離源材料組分的問題！3、應(yīng)用場合： ? 制備蒸發(fā)溫度較低的半導(dǎo)體、金屬陶瓷和氧化物薄膜。4、主要問題：? 蒸發(fā)溫度依然有限；? 待蒸發(fā)材料是粉末態(tài)，易于吸附氣體且除氣難度較大；? 蒸發(fā)過程中釋放大量氣體，易導(dǎo)致“飛濺”，影響成膜質(zhì)量。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.2 蒸發(fā)沉積裝置,,,,,,,,,閃爍蒸發(fā)裝置示意圖,,四、電子束蒸發(fā)：采

17、用電場 (5~10 kV) 加速獲得高能電子束，在磁場作用下聚焦到蒸發(fā)源材料表面，實(shí)現(xiàn)對源材料的轟擊，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為源材料的熱能，從而使材料氣化蒸發(fā)。1、初衷： ? 為克服電阻加熱蒸發(fā)的缺點(diǎn)而引入：2、電子槍分類 (電子發(fā)射機(jī)制不同)： ? 熱陰極型 ? 由難熔金屬制成的燈絲發(fā)射熱電子； ? 空心陰極型 ? 由惰性氣體電離形成的等離子體引出電子。3、應(yīng)用場合：適用于高純度、高熔點(diǎn)、易

18、污染薄膜材料的沉積。4、優(yōu)、缺點(diǎn)：? 加熱溫度高，可蒸發(fā)任何材料；? 可避免來自坩鍋、加熱體和支撐部件的污染；? 電子束的絕大部分能量會(huì)被坩鍋的水冷系統(tǒng)帶走，熱效率較低；? 過高的加熱功率會(huì)對薄膜沉積系統(tǒng)造成強(qiáng)烈的熱輻射；? 電子槍系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.2 蒸發(fā)沉積裝置,,,,,,,,,a) 電子束蒸發(fā)裝置 (熱陰極電子槍),,b) 采

19、用空心陰極電子槍的蒸發(fā)裝置,,五、激光蒸發(fā)： 采用激光作為熱源照射待蒸發(fā)材料，實(shí)現(xiàn)其蒸發(fā)和沉積。1、蒸發(fā)裝置： ? 見課本 P44 圖2.12 或 右圖。2、主要優(yōu)點(diǎn)：? 熱源清潔，無來自加熱體的污染；? 表面局部加熱，無來自支撐物的污染；? 聚焦可獲得高功率，可沉積陶瓷等高熔點(diǎn)材料以及 復(fù)雜成分材料（瞬間蒸發(fā)）；? 光束集中，激光裝置可遠(yuǎn)距離放置，可安全沉積一 些特殊材料薄

20、膜（如高放射性材料）；? 可引導(dǎo)激光束，實(shí)現(xiàn)多源同步或有序蒸發(fā)；? 脈沖激光可實(shí)現(xiàn)超高功率脈沖加熱，實(shí)現(xiàn)超高溫瞬時(shí)蒸發(fā)。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.2 蒸發(fā)沉積裝置,,,,,,,,,激光蒸發(fā)裝置示意圖,,六、電弧放電加熱蒸發(fā)： 采用真空電弧作為蒸發(fā)熱源，電源可以是直流或交流。1、蒸發(fā)裝置：見課本 P43 圖2.11 或 右圖。2、主要優(yōu)點(diǎn)：

21、 ? 與電子束蒸發(fā)類似，可避免加熱體/坩鍋材料蒸發(fā)污染薄膜； ? 加熱溫度高，可沉積難熔金屬和石墨 (蒸發(fā)源即電極，須導(dǎo)電)； ? 設(shè)備遠(yuǎn)比電子束蒸發(fā)簡單，成本較低。3、主要問題： 電弧放電會(huì)產(chǎn)生 ?m大小的顆粒飛濺，影響薄膜的均勻性和質(zhì)量。4、主要應(yīng)用：沉積高熔點(diǎn)難熔金屬及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。課后作業(yè)：1、什么是物理氣相沉積（PVD）？舉例說明PVD的主要

22、過程。2、真空蒸發(fā)裝置一般包括哪三個(gè)組成部分？何者為最關(guān)鍵的部分，主要需要完成哪些功能？3、真空蒸發(fā)裝置主要包括哪些類別？選擇三種典型蒸發(fā)裝置，比較其原理、特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.1 真空蒸發(fā)沉積（蒸鍍）3.1.2 蒸發(fā)沉積裝置,,,,,,,,,電弧加熱蒸發(fā)裝置示意圖,,一、濺射與濺射鍍膜概述：1、濺射 (Sputtering)： 一定溫度下，固體或液體受到高能離子

23、轟擊時(shí)，其中的原子有可能通過與高能入射離子的碰撞獲得足夠能量而從表面逃逸，這種從物質(zhì)表面發(fā)射原子的方式被稱為濺射。！發(fā)現(xiàn)：1852年首次被 Grove 在對輝光放電的研究中發(fā)現(xiàn)。！以訛傳訛：本詞是 splatter，意為 “(泥漿)潑濺”，后來被寫成 splutter 直至 sputter ！2、基本過程：? 自由電子被電場加速飛向陽極，與路遇的放電氣體 (通常是惰性

24、 氣體 — Ar氣) 碰撞，使之失去外層電子而電離，并釋放出Ar+和 自由電子 (見右圖1)；? Ar+受到電場加速飛向置于陰極的靶材，撞擊出靶材原子，以及 二次電子，使自由電子數(shù)? (見右圖2)；? 電子在飛行過程中，還可能與Ar+相撞，使之恢復(fù)中性狀態(tài)，但 此過程中電子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，需要放出能量，這部分能量 以發(fā)射光子形式釋放。因有大量光子釋出，放電形成的等離子 體出現(xiàn)了發(fā)光

25、現(xiàn)象，這就是所謂的“輝光”放電 (見右圖3)。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,,,,,,,,濺射過程及基本物理現(xiàn)象示意圖,1,2,3,一、濺射與濺射鍍膜概述：3、濺射與蒸發(fā)的根本區(qū)別： 沉積粒子來自高能離子的轟擊作用，濺射粒子的高動(dòng)能特征貫穿于三個(gè)基本沉積過程！復(fù)習(xí)：PVD 實(shí)現(xiàn)薄膜沉積的三階段 ? 比較：? 蒸發(fā)：依靠源材料的晶格

26、振動(dòng)能 克服 逸出功 形成沉積粒子的熱發(fā)射， 即：外加能量 (電阻/電子束/激光/電弧/射頻) 加熱 ? ?晶格振動(dòng)能 ? 克服逸出功 ? 氣態(tài)逸出 ? 濺射：高能離子輸入動(dòng)能 ? 彈性碰撞傳遞能量 ? 更高動(dòng)能粒子逸出 (碰撞發(fā)射！)即：濺射是高能轟擊粒子 (離子) 與 靶材原子間 動(dòng)能/動(dòng)量傳遞的結(jié)果！證據(jù)：① 濺射產(chǎn)物粒子以一定空間角發(fā)射

27、，且與入射離子的方向有關(guān)； ② 單個(gè)入射離子轟擊出的產(chǎn)物粒子數(shù)與入射離子的能量/質(zhì)量都有關(guān)； ? 均可用彈性碰撞理論解釋！ ③ 濺射產(chǎn)物粒子的平均速度 >> 蒸發(fā)出的粒子。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,,,,,,,,一、濺射與濺射鍍膜概述：4、濺射鍍膜何以實(shí)現(xiàn)？ 氣體放電 ?

28、 等離子體 ? 帶電離子 ? 電場作用 ? 離子加速 ? 高能離子 ? 撞擊靶材 ? 濺射 ? 發(fā)射靶材原子 ? 飛向基板 ? 形成沉積 ? 獲得薄膜！5、離子轟擊固體表面的各種物理過程：1）入射離子彈出； 2）入射離子注入；3）二次電子、濺射原子/分子/離子、光子從固體表面釋出；4）轟擊 ? 固體表面刻蝕、溫升、結(jié)構(gòu)損傷；5）表面吸附氣體分解、逸出；

29、 6）部分濺射原子可能返回。轟擊后的物理現(xiàn)象主要取決于入射離子的能量 (Ei)：由于：轟擊離子的能量/產(chǎn)率 離子的產(chǎn)生過程 氣體放電/等離子體的產(chǎn)生過程，因此：氣體放電/等離子體的產(chǎn)生是濺射的基礎(chǔ) ? 需首先予以關(guān)注和澄清！,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,,,,,,,,離子轟擊固體表面的各

30、種物理現(xiàn)象,濺射鍍膜的實(shí)現(xiàn)過程,,二、放電系統(tǒng)的構(gòu)成與放電條件：1、系統(tǒng)構(gòu)成：2、放電條件：? 真空環(huán)境： ? P = 10-1~102 Pa ！? 放電氣體： ? 需要充入惰性氣體 (一般為Ar氣)！? 外加電場： ? 在其作用下，電子被加速并與放電氣體分子碰撞， 這種碰撞使放電氣體被電離，形成陽離子 (Ar+) 和 自由電子 (e)，并分別在電場作用下被

31、加速，進(jìn)而 飛向陰極（靶材）和陽極。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,,,,,,直流放電體系模型,,,最簡單的二極直流輝光放電系統(tǒng),三、放電過程與典型伏安特性曲線：1、放電區(qū)域的劃分： ? 隨放電電流 ?，依次經(jīng)歷三階段： 無光放電區(qū) ? 輝光放電區(qū) ? 弧光放電區(qū) ！2、放電過程分析：1）無光放電區(qū)：因放電中無可

32、見光輻射而得名！? AB段：載流子加速階段！ ■ 少量自發(fā)離化產(chǎn)生的帶電粒子被電場加速； ■ ?電壓 V ? 游離電離粒子速度? ? 電流 I ?? BC段：加速飽和段 ■ 上述電離粒子速度達(dá)到飽和 ? 繼續(xù) ?V，I 卻保持不變 (飽和)！? CD段：湯生放電區(qū) (Townsend Regime)：碰撞電離階段！ ■ 繼續(xù) ?V ? 帶電離子和電子的動(dòng)能 Ek? ? 能碰撞電離氣體分子的電

33、子數(shù)? ? 電離出大量 eII 和陽離子 ? 載流子數(shù)量?? ? I ??，但同時(shí)V 只是輕微?? DE段：電暈放電區(qū) (Corona Regime)： ■ 電極尖端出現(xiàn)跳躍的電暈光斑 (局部電場強(qiáng)度極高，導(dǎo)致電暈放電！),3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,直流氣體放電的伏安特性曲線及放電區(qū)域劃分,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概

34、念及原理,三、放電過程與典型伏安特性曲線：2、放電過程分析：1）無光放電區(qū)：因放電中無可見光輻射而得名！? EF段：氣體擊穿區(qū)，雪崩放電！ ■ V>VB (擊穿電壓) ? 氣體突然發(fā)生放電擊穿 而形成雪崩放電； ■ 氣體中荷電粒子濃度?? ? 開始形成等離子體； ■ 等離子體的 R 隨電離度?而?? ? I

35、 ?，V 反而?? ■ 同時(shí)放電由尖端等不規(guī)則位置向整個(gè)表面擴(kuò)展！2）輝光放電區(qū)：因電極間有明亮輝光出現(xiàn)而得名！原因：電子與原子/陽離子碰撞，碰撞電子或獲得能量躍遷到高能態(tài)的外層電子回到基態(tài)， 并以光子形式釋放能量，從而形成輝光。? FG段：正常輝光放電區(qū)，輝光區(qū)域向整個(gè)電極之間空間擴(kuò)展！ ■ 等離子體自持放電，并趨于飽和； ■ 輝光區(qū)域向整個(gè)電極間空間擴(kuò)展； ■ 載

36、流子數(shù)量不斷? ? V=const，而 I ?； ■ 輝光亮度不斷升高； ■ 到G點(diǎn)后，輝光區(qū)域充滿兩極之間空間。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,直流氣體放電的伏安特性曲線及放電區(qū)域劃分,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,三、放電過程與典型伏安特性曲線：2、放電過程分析：2）輝光放電區(qū)：? GH段：異常輝光放電區(qū)，濺射工作段！ ■ 越過G點(diǎn)后，

37、輝光區(qū)已布滿兩極間的整個(gè)空間； ■ 繼續(xù)?電源功率 ? I 隨V ?而單調(diào)?； ■ 實(shí)際上進(jìn)入過飽和輝光放電階段！注意：該階段因下列理由而成為濺射鍍膜的工作階段： 1）I 隨 V ?而?，可通過放電電壓控制放電電流； 2）可提供分布區(qū)域大而均勻的等離子體； 3）利于實(shí)現(xiàn)大面積均勻可控的薄膜沉積。3）弧光放電區(qū)：電弧放電階段！

38、? HI段：電弧擊穿區(qū)，放電由輝光轉(zhuǎn)為弧光放電！? IJ段：低溫等離子電弧放電區(qū) (非熱平衡電弧放電區(qū)) ■ 等離子體分布區(qū)域急劇收縮，陰極表面出現(xiàn)很多孤立陰極斑點(diǎn)； ■ 斑點(diǎn)內(nèi)載流子密度極高，電流密度 >108A/cm2 ? 局部短路、高溫，整體電阻?? ? I ?，V 反而??? JK段：高溫?zé)崞胶怆娀》烹妳^(qū)：TP不斷?而形成 ? V 不變而 I 不斷? (載流子密度再次?，焊接、噴涂用),3 薄膜

39、沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,直流氣體放電的伏安特性曲線及放電區(qū)域劃分,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,四、輝光放電區(qū)的分布：1、總體特征： ?從陰極到陽極：輝光區(qū)與暗區(qū)交替出現(xiàn)！2、具體現(xiàn)象 (從陰極到陽極)：? 阿斯頓暗區(qū)：第一個(gè)暗區(qū)！ ■ 該區(qū)內(nèi)電子能量低，很難因碰撞而釋放出光子。? 陰極輝光區(qū)：第一個(gè)輝光區(qū)！ ■ 通過阿斯頓暗區(qū)后，電子

40、加速獲得高動(dòng)能，碰撞 電離氣體，并不斷與陽離子湮滅產(chǎn)生光子。? 陰極暗區(qū)：又稱Crookes暗區(qū)！ ■ 電子/離子主要加速區(qū)，區(qū)內(nèi)的電勢差最大； ■ 該區(qū)電子碰撞后能量再次下降，不能電離氣體。? 負(fù)輝光區(qū)：第二個(gè)輝光區(qū)，基片放置區(qū)域！ ■ 電子在陰極暗區(qū)加速，在此區(qū)碰撞釋放動(dòng)能； ■ 碰撞產(chǎn)生高濃度正離子，正離子濃度最高； ■ 電子湮滅幾率? ? 產(chǎn)生大量光子 ?

41、 輝光最強(qiáng)區(qū)； ■ 區(qū)內(nèi)電勢差?0，濺射鍍膜過程中，基片通常 被置于此區(qū)域內(nèi)，并與陽極一起接地。 ■ 只有少量電子能穿過該區(qū)繼續(xù)飛向陽極。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輝光放電區(qū)的空間分布特征及劃分,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,四、輝光放電區(qū)的分布：2、具體現(xiàn)象 (從陰極到陽極)：? 法拉第暗區(qū)：第三個(gè)暗區(qū)！ ■ n+

42、、n- ??，且電子能量?，暗區(qū)再度形成。? 正輝光區(qū)：又稱陽極光柱！? 陽極輝光區(qū)? 陽極暗區(qū) ■ 由于濺射鍍膜時(shí)，基片往往與陽極一起接地而處于零電位，且放置在負(fù)輝光區(qū)，后面四個(gè)區(qū)域基本不會(huì)出現(xiàn)，也不影響濺射鍍膜過程！3、輝光放電等離子體的特點(diǎn)：? 與電弧等離子體相比，荷電粒子濃度及能量都較低；? 需要較高的放電電壓，一般 > 1000 V；? 等離子體中重粒子能量 << 電子能量；? 電子

43、溫度很高，而其它粒子溫度很低；例如：輝光放電等離子體的當(dāng)?shù)販囟纫话?< 1000K，但其電子動(dòng)能可達(dá)1-10 eV，根據(jù) Te= Ek/k計(jì)算，其Te = (1-10) eV×1.602x10-19 J/eV/1.38x10-23 J/K≈104~105K！,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輝光放電區(qū)的空間分布特征及劃分,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.1 濺射的基本概念及原理,一、濺

44、射閾值 (Threshold Energy, 記為Et)：1、概念：將靶材原子濺射出來，入射離子需要具備的最小能量水平。2、規(guī)律：? Et 與入射離子的質(zhì)量無明顯相關(guān)性；? Et 主要取決于靶材：靶材的原子序數(shù)越大，則其 Et 值越?。? 大多數(shù)金屬的 Et ≈10~40 eV，約為其升華熱的數(shù)倍。二、濺射產(chǎn)額 (Sputtering Yield, 記為P)：1、概念：平均每個(gè)正離子轟擊靶材時(shí)，可從靶材中濺射出的原子個(gè)數(shù)。

45、2、規(guī)律：與入射離子的種類、能量及角度，以及靶材種類及溫度有關(guān)。? 入射離子的影響：■ 種類 (見右圖1)：周期性升高！ 對應(yīng)元素的原子序數(shù)? ? P ?、且同周期內(nèi)惰性氣體離子的 P 最高；■ 能量 (見右圖2)：E >Et 后，升?飽和?降！ E 104 eV，P?■ 入射角 (見右圖3)：緩升?急升?急降！ ?=0~60o，P ? cos-1?； ? =60~80o，P???ma

46、x； ? =80~90o，P?? ?0,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.2 濺射的主要工藝控制參數(shù),,1,2,3,二、濺射產(chǎn)額 (Sputtering Yield, 記為P)：2、規(guī)律：與入射離子的種類、能量及角度， 以及靶材種類及溫度有關(guān)。? 靶材的影響：■ 種類 (見右圖4)：也是周期性升高！ 靶材的原子序數(shù)?

47、 ? P ?、但有周期性“回頭”現(xiàn)象；■ 溫度 (見右圖5)：高于臨界溫度后急劇升高！ 臨界溫度以下：P 基本與溫度無關(guān)； 高于臨界溫度：靶材原子鍵合減弱 ? ?T 則 P ?? 因此：控制靶材的溫升很重要，不能過高！三、濺射原子的能量特征：? 高于蒸發(fā)原子1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，一般1-20 eV或更高；? 原子序數(shù)?，則能量越?；反之，則逸出速度越?；? 入射離子能量不變時(shí)，其質(zhì)量?，則濺射原

48、子的能量?；? 濺射原子的平均能量隨入射離子能量? 而 ?， 但當(dāng)入射能量高到一定水平后，則趨于飽和而不再?。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.2 濺射的主要工藝控制參數(shù),,5,4,一、優(yōu)點(diǎn) (與蒸發(fā)技術(shù)相比)：1、可濺射沉積任何能做成靶材的材料，特別是高熔點(diǎn)材料 (如：石墨、Ti、Ta、W、Mo等)；2、由于沉積原子能量較高，薄膜組織均勻致密，與基片的結(jié)合

49、力較高；3、制備合金薄膜時(shí)，成分控制容易保證；4、利用反應(yīng)濺射技術(shù)，容易實(shí)現(xiàn)化合物薄膜沉積；5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精確，工藝重復(fù)性好；6、沉積原子能量較高，還可以改善薄膜對復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜的表面粗糙度。二、主要缺點(diǎn)：1、沉積速率不高；2、等離子體對基片存在輻射、轟擊作用，不但可引起基片溫升，而且可能形成內(nèi)部缺陷。3.2.4 濺射沉積裝置簡介一、分類及主控工藝參數(shù)：1、分類：? 按電極特性不

50、同，可分為：,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.3 濺射沉積技術(shù)的主要優(yōu)、缺點(diǎn),,,一、分類及主控參數(shù)：1、分類：? 按靶材性質(zhì)不同，可分為：? 沉積物性質(zhì)不同，可分為：2、主要工藝控制參數(shù)：,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介,,,,,,二、直流濺射：1、二極系統(tǒng)：(前面

51、已結(jié)合輝光放電原理介紹)2、三極/四極系統(tǒng)：是在二極系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)！? 改進(jìn)思路：增加額外電子源 (輔助燈絲) ? ??放電區(qū)電子密度 ? 低壓下就可以維持放電，并獲得高離化率 ? ?沉積速率、?雜質(zhì)氣體對鍍膜的污染 ? ?薄膜質(zhì)量、?沉積效率? 比較：■ 二極濺射系統(tǒng)

52、：真空度不能太高，否則不能維持放電；■ 三極/四極系統(tǒng)：有輔助電子槍提供更多高能電子 ? ?離化率 ? 可低氣壓 (高真空) 自持放電 ? ?污染 ?效率■ 射頻濺射系統(tǒng)：高頻耦合放電，放電電壓?、真空度?3、多極直流濺射裝置的優(yōu)、缺點(diǎn)：? 真空度較高，工作電壓顯著降低； ? 減少了鍍膜污染；? 沉積速率有一定提高； ? 大面積的

53、均勻等離子體仍較難獲得； ? 薄膜沉積速率仍然有限 (慢)。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介,,,,,,直流三極濺射系統(tǒng)示意圖,不同濺射系統(tǒng)的典型工作參數(shù)比較,,三、磁控濺射：1、出發(fā)點(diǎn)：解決濺射兩大問題！ ? 慢：二次電子利用率不高 ? 離化率不高 ? 沉積速率低； ? 熱：不能避免二次電子轟擊基片 (陽極)。2

54、、實(shí)現(xiàn)方法：在靶材 (陰極)表面附近布置磁體或線圈，使靶面 附近出現(xiàn)強(qiáng)磁場，其方向與靶面基本平行，而與 電場方向正交！3、原理： 與電場方向正交的磁場可有效束縛電子的運(yùn)動(dòng)，形成“磁籠”效應(yīng)，從而顯著延長電子運(yùn)動(dòng)路徑，提高電子與離化氣體的碰撞幾率，進(jìn)而提高氣體離化率，并有效放置高能電子對基片的轟擊。? 磁

55、場力：電子受洛侖茲力作用：F洛 = -qv×B，形成的加速度 垂直于電子瞬時(shí)速度，迫使其不斷改變運(yùn)動(dòng)方向；? 電場力：電子受庫倫力作用：F庫= -qE，形成的加速度不變， 且永遠(yuǎn)指向陽極表面；? 運(yùn)動(dòng)：橫向受 F洛水平分量作用 ? 電子不斷漂移； 縱向受 F洛垂直分量和 F庫聯(lián)合作用 ? 周期性?速、振蕩！

56、? 結(jié)果：電子被束縛在靶面附近區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)長程振蕩運(yùn)動(dòng)！,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介,,,,,,磁控濺射原理示意圖,磁約束的實(shí)現(xiàn),三、磁控濺射：4、磁控濺射的優(yōu)勢分析： 磁約束 ? 電子運(yùn)動(dòng)路徑?? ? 其與氣體分子的碰撞幾率?? ? 絕大部分二次電子的高動(dòng)能被用于氣體的電離 ? 氣體離化率?? ? 正

57、離子產(chǎn)率?? ? 濺射速率?幾個(gè)數(shù)量級(jí)！！注意：這就是磁控濺射可在低壓下獲得極高的離化率、 很高的離子電流密度和沉積速率的原因。5、磁控濺射的典型工作參數(shù)及比較分析：? 真空度 P (濺射氣體采用Ar氣）：20 mA/cm2 ? 顯著提高 ? 顯示有更多濺射氣體被離化 ? 離化率??? 沉積速率：> 數(shù)十 ?m/min ? 鍍膜速度顯著提高！? 基片溫升：<

58、300~500℃，甚至可以低于100℃！ ?有效防止二次電子對基片的轟擊，甚至可在聚合物表面安全鍍膜！,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介,,,,,,磁控濺射系統(tǒng),平面式磁控管的靶面電子軌道,四、射頻濺射：1、出發(fā)點(diǎn)：解決不具導(dǎo)電性的非金屬材料濺射鍍膜問題！ ? 使用直流電源，靶材同時(shí)是陰極，不導(dǎo)電無法實(shí)現(xiàn)濺射！2、實(shí)現(xiàn)方法：

59、? 使用交變頻率 >> 50 kHz的交流電源；? 在電源和放電室之間配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使交變電場能量耦合 到放電室內(nèi)；? 電子與高頻交變電場共振獲得能量，繼而不斷與氣體分子碰撞 使之電離；? 靶材是絕緣體，且基片接地極為重要。3、原理： ? 利用靶材相對于等離子體的周期性自偏壓實(shí)現(xiàn)濺射！? 靶材非導(dǎo)體，離子質(zhì)量大 ? 運(yùn)動(dòng)慣性 >> 電子， 交變電場下：

60、 ? 電子可全部到達(dá)絕緣靶材表面，陽離子只有部分到達(dá) ? 靶材表面形成周期性負(fù)電荷富集 ? 形成相對于等離子體的負(fù)電位 ? 等離子體始終處于正電位 Vp，且始終成立： Vp > Vc（靶電極電位） Vp > Vd（地電極電位 ? 爐體及基片）,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介

61、,,,,,,射頻濺射裝置,等離子體的鞘層電位及自偏壓,四、射頻濺射：3、原理：? 利用非對稱電極設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn) Sd（地電極面積）>> Sc（靶電極面積）， 此時(shí)系統(tǒng)可簡化為“靶材-等離子體”和“等離子體-地電極” 構(gòu)成的兩個(gè)平行極板電容之串聯(lián)，且成立：C ? S2 電容的交變阻抗特性滿足： ? = (2? fC)-1，I =

62、V??-1 = 2? fCV 由于流過兩串聯(lián)電容的電流 I 相同，可知： I / 2?f = CdVd = CcVc ? Vc/Vd = Cd/Cc = Sd2/Sc2 由于 Sd >> Sc，可知：Vc >> Vd (幅值比較)? 如右圖所示：Vc 實(shí)際上交變，其均值體現(xiàn)出靶相對于接地極的不變負(fù)電勢，稱為靶的負(fù)偏壓 (b

63、ias)； 而 Vc 的振幅則記為 V0，且成立 V0（一般為數(shù)百V）>> Vp（一般為10 V左右）；? 由于靶材的負(fù)電位 Vc 遠(yuǎn)低于 基片和爐體的負(fù)電位 Vd，且相對于等離子體的正電位 Vp 永遠(yuǎn)處于更負(fù)的負(fù)值， 從而實(shí)現(xiàn)絕緣的靶電極在此負(fù)壓作用下，受到來自于等離子體的陽離子的不斷轟擊而實(shí)現(xiàn)濺射！4、特點(diǎn)：? 電場耦合形成高能電子振蕩，離化率比二

64、極濺射高得多，可在高真空下實(shí)現(xiàn)濺射沉積 (P≤1 Pa)；? 電場通過交變阻抗網(wǎng)絡(luò)而非導(dǎo)電電極形式實(shí)現(xiàn)耦合，電極 (靶材+基片) 不要求一定是導(dǎo)體， ? 可以實(shí)現(xiàn)各種材料 (金屬、非金屬、半導(dǎo)體等)薄膜的沉積！,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介,,,,,,射頻濺射過程中電極電位的變化,,,,五、離子束濺射：1、出發(fā)點(diǎn)：? 輝光放電需較低的

65、真空度環(huán)境 (0.1~10 Pa)才能維持放電， 不能避免濺射氣體對薄膜的污染；? 離子的能量水平、入射方向、束流的大小不能精確控制， 不能沉積結(jié)構(gòu)、成分更精細(xì)的薄膜！2、實(shí)現(xiàn)方法：? 使入射離子的產(chǎn)生系統(tǒng)與濺射沉積系統(tǒng)分離： 前者工作于較低真空度下，易于獲得高荷電密度等離子體； 后者工作于更高真空度 (P < 10-3 Pa)下，保證薄膜沉積質(zhì)量。? 如右圖所示：前者實(shí)際上是一個(gè)獨(dú)立

66、的離子源，被稱為離子槍， 其作用是提供一定強(qiáng)度 (如：I+ = 10~50 mA)、一定能量 (如：500~2000 eV) 的 Ar+束流；? 離子槍發(fā)射出的Ar+ 流以一定角度轟擊靶材，濺射出靶材粒子并在更高真空度下輸運(yùn)并沉積到基片成膜。3、特點(diǎn)：? 濺射系統(tǒng)真空度遠(yuǎn)高于一般濺射裝置 ? 氣體污染?、薄膜純度?；? 等離子體環(huán)境遠(yuǎn)離基片 ? 避免荷電粒子轟擊基片 ?

67、基片溫升?、薄膜內(nèi)部因遭受轟擊的損傷、缺陷?；? 入射離子流和濺射物質(zhì)束流高度可控 ? 可以精細(xì)控制薄膜的成分與結(jié)構(gòu)！? 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、離子槍成本很高、薄膜的沉積速率也非常有限。,3 薄膜沉積的物理方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.2 濺射沉積技術(shù)3.2.4 濺射沉積裝置簡介,,,,,,離子束濺射裝置,,,,一、概念：通過將成膜材料高度電離化形成膜材料離子，從而其增加沉積動(dòng)能，并使之在

68、 高化學(xué)活性狀態(tài)下沉積薄膜的技術(shù)。二、出發(fā)點(diǎn)： 以其它手段激發(fā)沉積物質(zhì)粒子，然后使之與高度電離的等離子體交互作用 (類似 PECVD)， 促使沉積粒子離化，使之既可被電場加速而獲得更高動(dòng)能，同時(shí)在低溫狀態(tài)下具有高化學(xué)活性。三、基本特點(diǎn)： 大多數(shù)是蒸發(fā)/濺射 (氣相物質(zhì)激發(fā)) 與 等離子體離化過程 (賦能、激活) 的交叉結(jié)合！四、主