第三章薄膜制备技术—溅射法

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1、n3.1 溅射基本原理溅射基本原理n3.2溅射主要参数溅射主要参数n3.3 溅射沉积装置及工艺溅射沉积装置及工艺n3.4 离子成膜技术离子成膜技术n3.5 溅射技术的应用溅射技术的应用第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法n溅射溅射：荷能粒子轰击固体表面，固体表面原子或分：荷能粒子轰击固体表面，固体表面原子或分 子获得入射粒子所携带的部分能量，从而使其射出的子获得入射粒子所携带的部分能量，从而使其射出的现象。现象。n1852年年Grove研究辉光放电时首次发现了溅射现象。研究辉光放电时首次发现了溅射现象。n离子溅射离子溅射：由于离子易于在电磁场中加速或偏转，荷：由于离子易于在电磁场

2、中加速或偏转，荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过程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的能量。的相对重要性取决于入射离子的能量。3.1 溅射基本原理溅射基本原理n溅射镀膜过程溅射镀膜过程：利用带电离子在电磁场的作用下获得：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，从靶材表面被溅足够的能量，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射向衬底，在衬底上形成射出来的原子以一定的动

3、能射向衬底，在衬底上形成薄膜。薄膜。n阴极溅射阴极溅射：在实际进行溅射时，多半是让被加速的正：在实际进行溅射时，多半是让被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以也称此过程为阴极溅射。以也称此过程为阴极溅射。第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法n溅射镀膜的溅射镀膜的优点优点：（1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射）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）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

4、射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获得厚度）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获得厚度 均匀的薄膜均匀的薄膜 n缺点缺点： 相对于真空蒸发，沉积速率低，基片会受到等离子体的辐相对于真空蒸发，沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照等作用而产生温升。照等作用而产生温升。第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法n在在溅溅射射过过程程中中，大大约约95%的的粒粒子子能能量量作作为为热热量量而而损损耗耗掉掉，仅仅有有5%的的能能量量传传递给二次发射的粒子。递给二次发射的粒子。n在在1kv的的离离子子能能量量下下，溅溅射射出出的的中中性性粒粒子子、二二次次电电子子和和二二次次离离子子之之比比

5、约约为为100:10:1。3.1 溅射基本原理溅射基本原理一、离子轰击产生的各种现象一、离子轰击产生的各种现象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。3.1 溅射基本原理溅射基本原理二、辉光放电的物理基础二、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

6、，包包含含中中性性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。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去处金属、通过等离子刻蚀选择性地去处金属 3.1 溅射基本原理溅射基本原理 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

7、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。 3.1 溅射基本原理溅射基本原理真空室电极高真空泵等离子体RF 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 r

8、esults 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, 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

9、，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ABCDEFG3.1 溅射基本原理溅射基本原理 3.1 溅射基本原理溅射基本原理 溅溅射射理理论论模模型型：动动量量理理论论，也也称称为为级级联联碰碰撞撞理理论论。入入射射离离子子在在进进入入靶靶材材的的过过程程中中与与靶靶材材原原子子发发生生弹弹性性碰碰撞撞，入入射射离离子子的的一一部部分分动动能能会会传传递递给给靶靶材材原原子子，当当后后者者的的动动能能超超过过由由其其周周围围存存在

10、在的的其其他他靶靶材材原原子子所所形形成成的的势势垒垒时时，这这种种原原子子会会从从晶晶格格阵阵点点被被碰碰出出产产生生离离位位原原子子，并并进进一一步步和和附附近近的的靶靶材材原原子子依依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。 当当这这种种级级联联碰碰撞撞到到达达靶靶材材表表面面时时，如如果果靠靠近近靶靶材材表表面面的的原原子子的的动动能能超超过过表表面面结结合合能能，这这些些表表面面原原子子就就会会逸逸出出靶靶材材，成为溅射粒子。成为溅射粒子。一、溅射阈和溅射产额一、溅射阈和溅射产额p溅射射阈指指的的是是入入射射离离子子使使阴阴极极靶靶产生生溅射所需的最小能量。射

11、所需的最小能量。p 溅溅射射阈阈与与离离子子质质量量之之间间没没有有明明显显的的依依赖赖关关系系，主主要要取取决决于于靶靶材料。材料。p对对大大多多数数金金属属来来说说，溅溅射射阈阈值值在在10-40eV范范围围内内，相相当当于于升升华华热的热的4-5倍。倍。 3.2 溅射主要参数溅射主要参数一、溅射阈和溅射产额一、溅射阈和溅射产额p溅溅射射产产额额又又称称为为溅溅射射率率或或溅溅射射系系数数，表表示示正正离离子子撞撞击击阴阴极极时时，平平均均每每个个正正离离子子能能从从阴阴极极上上打打出的原子数。出的原子数。p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

12、射离离子子的的入入射角度有关。射角度有关。 3.2 溅射主要参数溅射主要参数1. 入射离子能量的影响入射离子能量的影响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表面溅射出离子。质表面溅射出离子。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华热有一定比例关系。升华热有一定比例关系。 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)，离子能量继续增加，溅射产额反而下降。，离子能量继续增加，溅射产额反而下降。3.2 溅射主要参数溅射

13、主要参数2 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，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素，通通常常使使用用氩气作为溅射气体。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。3.2 溅射主要参数溅射主要参数3、离子入射角度对溅射、离子入射角度对溅射 产额的影响产额的影响入入射射角角是是指指离离子子入入射射方方向向与与被被溅溅射射靶

14、靶材材表表面面法法线线之之间间的的夹角。夹角。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下降降。在在 =90 时时，溅溅射产额为零。射产额为零。3.2 溅射主要参数溅射主要参数4. 合金与化合物的溅射合金与化合物的溅射n溅射产额一般不能直接由相应金属的值来确定。溅射产额一般不能直接由相应金属的值来确定。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低低的的物物质质得得到到富富集集，溅溅射射速速率率上上升升。最最终终结结果果是是，尽尽管管靶靶材材表表面面的的化

15、化学学成成分分已已经经改改变变，但但溅溅射射得得到到的合金薄膜成分却与靶材的原始成分基本相同。的合金薄膜成分却与靶材的原始成分基本相同。n当当靶靶的的温温度度很很高高，各各种种合合金金成成分分由由于于热热扩扩散散发发生生变变化化时时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。3.2 溅射主要参数溅射主要参数n二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度l靶靶表表面面受受离离子子轰轰击击会会放放出出各各种种粒粒子子，主主要要是是溅溅射射原原子子（绝大部分是单原子）。（绝大部分是单原子）。l处于基态或不同激发态。处于基态或不同激发态。l用用100eV的的Ar离离子

16、子对对多多晶晶Cu靶靶进进行行溅溅射射，溅溅射射粒粒子子中中95%是是Cu的单原子，其余是的单原子，其余是Cu分子。分子。l随随入入射射离离子子能能量量的的增增加加，构构成成溅溅射射粒粒子子的的原原子子数数也也逐逐渐增加。渐增加。3.2 溅射主要参数溅射主要参数二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度l对化合物靶进行溅射时，情况与单元素靶相似。对化合物靶进行溅射时，情况与单元素靶相似。l当当入入射射离离子子能能量量在在100eV以以下下时时，溅溅射射粒粒子子是是构构成成化化合合物物的的原原子子，只只有有当当入入射射离离子子能能量量在在10keV以以上上时时，溅射粒子中才较多地出现化合物

17、分子。溅射粒子中才较多地出现化合物分子。3.2 溅射主要参数溅射主要参数二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度与与热热蒸蒸发发原原子子具具有有的的动动能能（0.01-1eV）相相比比，溅溅射射原原子子的的动能要大得多动能要大得多。3.2 溅射主要参数溅射主要参数二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度 用用Hg离离子子轰轰击击时时，大大多多数数溅溅射射原原子子的的速速度度为为4105cm/s，平平均均动动能能约约为为4.5eV。增增大大入入射射离离子子能能量量，峰峰值值向向高高速速方方向向偏偏移，说明溅射原子中能量较高的比例增加。移，说明溅射原子中能量较高的比例增加。 p43

18、页图页图3103.2 溅射主要参数溅射主要参数三、溅射速率和淀积速率三、溅射速率和淀积速率靶材原子的迁移涉及到三个过程：靶材原子的迁移涉及到三个过程： 靶靶材材表表面面的的溅溅射射、由由靶靶材材表表面面到到衬衬底底表表面面的的扩扩散散、衬底表面的沉积。衬底表面的沉积。分别具有一定的速率。分别具有一定的速率。3.2 溅射主要参数溅射主要参数一、阴极溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）一、阴极溅射装置及特性（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3.3 溅射沉积装置及工艺溅射沉积装置及工艺一、阴极溅射装置及特性一、阴极溅射装置及特性n工作原理：工作原理

19、： 加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄膜。薄膜。n在离子轰击靶材的同时，有大量二次电子从阴极靶发射在离子轰击靶材的同时，有大量二次电子从阴极靶发射出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。一、阴极溅射装置及特性

20、一、阴极溅射装置及特性n优点优点：结构简单，操作方便，可长时间进行溅射。：结构简单，操作方便，可长时间进行溅射。n缺点缺点：阴极溅射辉光放电的离化率低，沉积速率低，只有阴极溅射辉光放电的离化率低，沉积速率低，只有80nm/min；靶材必须为金属，在非反应性气氛中不能制备绝缘介质材料；靶材必须为金属，在非反应性气氛中不能制备绝缘介质材料；二次电子轰击，温度较高，使不能承受高温的衬底的应用受到二次电子轰击，温度较高，使不能承受高温的衬底的应用受到限制，且对衬底造成损伤；限制，且对衬底造成损伤；工作气压高，对薄膜造成污染，影响沉积速率，降低工作气压工作气压高，对薄膜造成污染，影响沉积速率，降低工作气

21、压易使辉光放电熄灭。易使辉光放电熄灭。二、二、 三极溅射和四极溅射装置及特性三极溅射和四极溅射装置及特性n在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中，这个提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中，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。电子。n所谓三极指的是阴极、阳极和靶电极。所谓三极指的是阴极、阳极和靶电极。n四极溅射是在上述三极的基础上再加上辅助电极，也称四极溅射是在上述三极的基础上再加上辅助电极，也称为稳定电极，用以稳定辉光放

22、电。为稳定电极，用以稳定辉光放电。n沉积速率约沉积速率约2 m/min。三极溅射三极溅射在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。阳极电位高于基片三极溅射装置及特性三极溅射装置及特性二、二、 三极溅射和四极溅射装置及特性三极溅射和四极溅射装置及特性n优点优点：轰击靶材的离子电流和离子能量可以完全独立控制，而：轰击靶材的离子电流和离子能量可以完全独立控制，而且在比较低的压力下也能维持放电，因此溅射条件的可变范围且在比较低的压力下也能维持放电，因此溅射条件的

23、可变范围大；对衬底的辐射损伤小，可以避免衬底温升。大；对衬底的辐射损伤小，可以避免衬底温升。n缺点缺点：装置结构复杂，难以获得覆盖面积大、密度均匀的等离：装置结构复杂，难以获得覆盖面积大、密度均匀的等离子体，灯丝易消耗。子体，灯丝易消耗。n除特殊用途外已不在使用除特殊用途外已不在使用。n工作原理工作原理n在在射射频频溅溅射射系系统统中中，射射频频电电势势加加在在位位于于绝绝缘缘靶靶下下面面的的金金属属电电极极上上，在在射射频频电电场场作作用用下下，在在两两电电极极间间振振荡荡运运动动的的电电子子具具有有足足够够高高的的能能量量产产生生离离化化碰碰撞撞，从从而而使使放放电电达达到到自自持持，阴极

24、溅射的二次电子不再重要。阴极溅射的二次电子不再重要。n由由于于电电子子比比离离子子具具有有较较高高的的迁迁移移率率，相相对对于于负负半半周周期期，正正半半周周期期内内将将有有更更多多的的电电子子到到达达绝绝缘缘靶靶表表面面，而而靶靶变变成成负负的的自自偏偏压压。它它将将在在表表面面附附近近排排斥斥电电子子，吸吸引引正正离离子子，使使离离子子轰击靶，产生溅射。轰击靶，产生溅射。三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性三、射频溅射装置及特性n若若使使衬衬底底为为正正电电位位时时到到达达

25、衬衬底底的的电电子子数数等等于于衬衬底底为为负负电电位位时时到到达达衬衬底底的的离离子子数数，则则靶靶材材在在绝绝大大部部分分时时间间内内呈呈负负性性，就就是是说说相相当当于于靶靶自自动动地地加加了了一一个个负负偏偏压压Vb，于是靶材能在正离子轰击下进行溅射。，于是靶材能在正离子轰击下进行溅射。n高高频频交交流流电电场场使使靶靶交交替替地地由由离离子子和和电电子子进进行行轰轰击击，电电子子在在高高频频电电场场中中的的振振荡荡增增加加了了电电离离几几率率，因因而而射射频溅射的溅射速率要高于阴极溅射。频溅射的溅射速率要高于阴极溅射。n靶材可以是绝缘体、金属、半导体靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。

26、等。四、磁控溅射装置及特性四、磁控溅射装置及特性n为为了了在在低低气气压压下下进进行行高高速速溅溅射射，必必须须有有效效地地提提高高气气体的离化率。体的离化率。n磁磁控控溅溅射射引引入入正正交交电电磁磁场场，使使离离化化率率提提高高到到5%-6%，溅射速率提高十倍左右。，溅射速率提高十倍左右。n磁磁控控溅溅射射的的优优点点，：沉沉积积速速率率大大，产产量量高高；功功率率效效率率高高；可可进进行行低低能能溅溅射射；向向衬衬底底的的入入射射能能量量低低，溅溅射原子的离化率高等。射原子的离化率高等。四、磁控溅射装置及特性四、磁控溅射装置及特性1直流电源直流电源 2出水口出水口 3进水口进水口 4进气

27、口进气口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏压基片偏压四、磁控溅射装置及特性四、磁控溅射装置及特性n磁磁场场的的作作用用使使电电子子不不再再做做平平行行直直线线运运动动，而而是是围围绕绕磁磁力力线线做做螺螺旋旋运运动动，这这就就意意味味着着电电子子的的运运动动路路径径由由于于磁磁场场的的作作用用而而大大幅幅度度地地增增加加，从从而而有有效效地地提提高高了了气气体体的的离离化化效效率率和和薄薄膜膜的的沉积速率。沉积速率。四、磁控溅射装置及特性四、磁控溅射装置及特性 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。 原因：原因：（1）磁场中电

28、子的电离效率提高，离化率提高到）磁场中电子的电离效率提高，离化率提高到 5%-6%，溅射速率可提高十倍左右。，溅射速率可提高十倍左右。（2）在较低气压下（）在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率溅射原子被散射的几率 减小，提高了入射到衬底上的原子的能量，从减小，提高了入射到衬底上的原子的能量，从 而提高薄膜的质量。而提高薄膜的质量。 四四、磁控溅射装置及特性四四、磁控溅射装置及特性、磁控溅射装置及特性四四、磁磁控控溅溅射射装装置置及及特特性性五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性 在在存存在在反反应应气气体体的的情情况况下下，溅溅射射靶靶材材时时，靶靶材材料料与与反反应应气气体体

29、反反应应形形成成化化合合物物（如如氧氧化化物物或或氮氮化化物物），这这种种在在沉沉积积的的同同时时形形成成化化合合物物的的溅溅射射称称为为反反应应溅溅射射。一一般般认认为为化化合合物物是是在在薄薄膜膜淀淀积的同时形成的。积的同时形成的。 反应物要进行反应，必须有足够高能量去克服反应活化能。反应物要进行反应，必须有足够高能量去克服反应活化能。 利利用用化化合合物物直直接接作作为为靶靶材材溅溅射射生生长长薄薄膜膜时时，可可能能薄薄膜膜与与靶靶材材的的成成分分偏偏离离，如如制制备备氧氧化化物物薄薄膜膜时时，会会造造成成氧氧含含量量偏偏低低，这这时可在溅射气体中通入适量的氧气。时可在溅射气体中通入适量

30、的氧气。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性活活化化能能越越高高，活活化化分分子子占占整整个个分分子子总总数数得得百百分分数数越越低低，则则发发生生化化学学反反应应的的有有效效碰碰撞撞次次数数越越少少，化化学学反反应速率就越慢。应速率就越慢。Ea Ea 为放热反应；为放热反应；Ea Ea 为吸热反应；为吸热反应；活化分子具有的最低动能与反应物分子平均动能之差，为活化分子具有的最低动能与反应物分子平均动能之差，为活化能活化能。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性热热蒸蒸发发粒粒子子的的平平均均能能量量只只有有0.1-0.2eV，而而溅溅射射粒粒子子可可达达10-20eV，比比热热

31、蒸发高出两个数量级。蒸发高出两个数量级。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性 1889年年，瑞瑞典典化化学学家家Arrhenius在在总总结结大大量量实实验验的的基基础础上上，提出了化学反应速率常数提出了化学反应速率常数V与活化能、热力学温度与活化能、热力学温度T之间的关系：之间的关系：V=Cexp(-Ea/RT)平均能量平均能量E=3/2kT，所以上式可改写成，所以上式可改写成V=Cexp(-3Ea/2NAE)所以所以溅射的反应速率要远大于热蒸发。溅射的反应速率要远大于热蒸发。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性 在在存存在在反反应应气气体体的的情情况况下下，溅溅射射靶靶材材

32、时时，靶靶材材料料与与反反应应气气体体反反应应形形成成化化合合物物（如如氧氧化化物物或或氮氮化化物物），这这种种在在沉沉积积的的同同时时形形成成化化合合物物的的溅溅射射称称为为反反应应溅溅射射。一一般般认认为为化化合合物物是是在在薄薄膜膜淀淀积的同时形成的。积的同时形成的。 反应物要进行反应，必须有足够高能量去克服反应活化能。反应物要进行反应，必须有足够高能量去克服反应活化能。 利利用用化化合合物物直直接接作作为为靶靶材材溅溅射射生生长长薄薄膜膜时时，可可能能薄薄膜膜与与靶靶材材的的成成分分偏偏离离，如如制制备备氧氧化化物物薄薄膜膜时时，会会造造成成氧氧含含量量偏偏低低，这这时可在溅射气体中通

33、入适量的氧气。时可在溅射气体中通入适量的氧气。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性溅射过程中，溅射过程中，反应基本发生在衬底表面反应基本发生在衬底表面，气相反应几，气相反应几乎可以忽略乎可以忽略.靶面同时进行着溅射和反应生成化合物的两种过程。靶面同时进行着溅射和反应生成化合物的两种过程。如果溅射速率大于化合物生成速率，则靶就处于金属如果溅射速率大于化合物生成速率，则靶就处于金属溅射态；反之，若化合物形成的速率超过溅射速率，溅射态；反之，若化合物形成的速率超过溅射速率，则溅射就可能停止。则溅射就可能停止。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及

34、特性在典型的反应溅射系统中，反应气体与靶发生反应，在靶表在典型的反应溅射系统中，反应气体与靶发生反应，在靶表面形成化合物，称为面形成化合物，称为靶中毒靶中毒。三种因素引起：其一，在靶面形成了溅射速率比金属低得多三种因素引起：其一，在靶面形成了溅射速率比金属低得多的化合物；其二，化合物的二次电子发射要比相应的金属大的化合物；其二，化合物的二次电子发射要比相应的金属大得多，更多的离子能量用于产生和加速二次电子；其三，反得多，更多的离子能量用于产生和加速二次电子；其三，反应气体离子的溅射率比惰性应气体离子的溅射率比惰性Ar低。低。为解决这一困难，常将反应气体和溅射气体分别送到衬底和为解决这一困难，常

35、将反应气体和溅射气体分别送到衬底和靶材附近，以形成压强梯度。靶材附近，以形成压强梯度。五、反应溅射装置及特性五、反应溅射装置及特性 反应溅射是低温等离子体气相沉积过程，重复性好，已用于制备大反应溅射是低温等离子体气相沉积过程，重复性好，已用于制备大量的化合物薄膜，并作为切削工具、微电子元件的涂层。量的化合物薄膜，并作为切削工具、微电子元件的涂层。 采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。 如：如：p氧化物：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等等(反应气体反应气体O2）p碳化物：碳化物：SiC， W

36、C，TiC等等(反应气体反应气体CH4）p氮化物：氮化物：BN，FeN TiN，AlN，Si3N4等等(反应气体反应气体N2）p硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反应气体反应气体H2S）p化合物：化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7 1. 离子镀成膜离子镀成膜 简简称称离离子子镀镀，是是在在真真空空条条件件下下，利利用用气气体体放放电电使使气气体体或或被被蒸蒸发发物物质质部部分分离离化化，在在气气体体离离子子或或被被蒸蒸发发物物质质离离子子轰轰击击作作用用的的同同时时，把把蒸蒸发发物物或或其其反反应应物物沉沉积积在在衬衬底上。底上。 是是真真空空蒸蒸发发和和

37、溅溅射射技技术术相相结结合合的的一一种种镀镀膜膜方方法法，明明显显提提高高了了薄薄膜膜的的各各种种性性能能，大大大大扩扩充充了了镀镀膜膜技技术术的的应应用范围。用范围。3.4 离子成膜技术离子成膜技术3.4 离子成膜技术离子成膜技术 1. 离子镀成膜离子镀成膜-直流离子镀直流离子镀 直直流流离离子子镀镀的的特特征征是是利利用用辉辉光光放放电电产产生生离离子子，并由基板上所加的负电压对离子加速。并由基板上所加的负电压对离子加速。 普普通通真真空空蒸蒸发发的的各各种种电电阻阻蒸蒸发发源源都都可可用用于于离离子子镀。镀。 直直流流离离子子镀镀设设备备简简单单，技技术术容容易易实实现现，特特别别是是在

38、导电基板上制备金属膜是很方便的。在导电基板上制备金属膜是很方便的。3.4 离子成膜技术离子成膜技术-离子镀成膜离子镀成膜 1. 离子镀成膜离子镀成膜射频离子镀射频离子镀 射频离子镀射频离子镀是在直流法的基板和蒸发源之间装上一个射是在直流法的基板和蒸发源之间装上一个射 频线圈，使衬底保持负偏压。频线圈，使衬底保持负偏压。 放电稳定，在较高的真空度下也能运行。放电稳定，在较高的真空度下也能运行。被蒸镀物质的汽化原子的离化率可达被蒸镀物质的汽化原子的离化率可达10%，工作压力仅，工作压力仅 为直流离子镀的为直流离子镀的1%。射频离子镀的蒸发、离化、加速可分别独立控制，易于射频离子镀的蒸发、离化、加速

39、可分别独立控制，易于 反应；和其他离子镀相比，衬底温升低而且易于控制。反应；和其他离子镀相比，衬底温升低而且易于控制。 用于在玻璃和塑料等绝缘体上制备介质膜。用于在玻璃和塑料等绝缘体上制备介质膜。3.4 离子成膜技术离子成膜技术-离子镀成膜离子镀成膜 1. 离子镀成膜离子镀成膜 除具有真空蒸发和溅射的优点外，还有：除具有真空蒸发和溅射的优点外，还有：(1)膜层附着力强。膜层附着力强。(2)膜层沉积速率快，最高沉积速率可达膜层沉积速率快，最高沉积速率可达50 m/min。(3)膜层密度高。膜层密度高。(4) 绕镀性能好。为复杂形状零件镀膜提供好方法。绕镀性能好。为复杂形状零件镀膜提供好方法。3.

40、4 离子成膜技术离子成膜技术1. 离子镀成膜离子镀成膜 使用离子镀，衬底选择广泛。使用离子镀，衬底选择广泛。 主主要要用用在在制制备备高高硬硬度度机机械械刀刀具具上上沉沉积积耐耐磨磨、高高硬硬度度膜膜，沉沉积积耐耐磨磨的的固固体体润润滑滑膜膜，在在金金属属、塑塑料料制制品品上上沉积一层耐久的装饰膜；半导体薄膜等。沉积一层耐久的装饰膜；半导体薄膜等。3.4 离子成膜技术离子成膜技术 2. 离子束成膜离子束成膜p真真空空蒸蒸发发、溅溅射射及及离离子子镀镀技技术术的的共共同同缺缺点点是是不不能能确确定定到到达达基基片片的的粒粒子子流流，也也不不能能完完全全控控制制入入射射粒粒子子的的数数目、入射角及

41、粒子能量等参数。目、入射角及粒子能量等参数。p如如果果采采用用高高真真空空或或超超高高真真空空中中的的固固定定离离子子束束流流来来沉沉积薄膜，则可以实现上述目标。积薄膜，则可以实现上述目标。p这种方法称为离子束成膜技术。这种方法称为离子束成膜技术。 3.4 离子成膜技术离子成膜技术 离子束成膜离子束成膜（1）离子束溅射沉积）离子束溅射沉积 又又称称为为二二次次离离子子束束沉沉积积，由由惰惰性性气气体体产产生生的的高高能能离离子子束束轰轰击击靶靶材材进进行行溅溅射射，沉沉积积到到衬衬底底上成膜。上成膜。 在在离离子子束束溅溅射射沉沉积积中中，用用离离子子源源发发出出离离子子，经经引引出出、加加速

42、速、取取焦焦，使使其其成成为为束束状状，用用此此离离子子束束轰轰击击置置于于高高真真空空室室中中的的靶靶，将将溅溅射射出出的的原原子进行镀膜。子进行镀膜。 在在沉沉积积室室中中引引入入反反应应气气体体，还还可可以以进进行行反反应应离子束磁控溅射，形成化合物薄膜。离子束磁控溅射，形成化合物薄膜。3.4 离子成膜技术离子成膜技术 -2. 离子束成膜离子束成膜在在离离子子束束溅溅射射沉沉积积中中，由由离离子子源源产产生生的的离离子子束束通通过过引引出出电电极极引引入入真真空空室室，打打到到靶靶材材上上溅溅射射，实现薄膜沉积。实现薄膜沉积。3.4 离子成膜技术离子成膜技术 - - 离子束成膜离子束成膜

43、（1）离子束溅射沉积）离子束溅射沉积（1）离子束溅射沉积）离子束溅射沉积-优点：优点：用平行离子束溅射靶材，离子束的入射角和束流以及离子用平行离子束溅射靶材，离子束的入射角和束流以及离子 能量易于控制，可以做到离子束的精确聚焦和扫描；能量易于控制，可以做到离子束的精确聚焦和扫描；沉积室中的工作压强低，可将气相散射对沉积的影响减到沉积室中的工作压强低，可将气相散射对沉积的影响减到 最小，同时又可减小气体对薄膜的污染；最小，同时又可减小气体对薄膜的污染；衬底相对于离子源和靶材是独立的，温度和电压可单独控衬底相对于离子源和靶材是独立的，温度和电压可单独控 制，与靶材和高频电路无关，可避免受高能电子的

44、轰击；制，与靶材和高频电路无关，可避免受高能电子的轰击；离子束独立控制，可得到性能很好的薄膜，为溅射过程及离子束独立控制，可得到性能很好的薄膜，为溅射过程及 薄膜生长过程的研究提供了强有力的手段。薄膜生长过程的研究提供了强有力的手段。3.4 离子成膜技术离子成膜技术3.4 离子成膜技术离子成膜技术 -溅射沉积溅射沉积溅射沉积溅射沉积3.4 离子成膜技术离子成膜技术 -溅射沉积溅射沉积溅射沉积溅射沉积（2）离子束沉积（）离子束沉积（IBD） 又称为一次离子束沉积，由固态物质的离子束直接打在衬又称为一次离子束沉积，由固态物质的离子束直接打在衬底上沉积而形成薄膜。底上沉积而形成薄膜。 一般而言，当固

45、态物质离子照射固体表面时，依入射离子一般而言，当固态物质离子照射固体表面时，依入射离子能量能量E的大小不同，会引起三种现象：的大小不同，会引起三种现象：沉积现象沉积现象（E300eV）；溅射现象溅射现象（300eV E 900eV）；）；离子注入现象离子注入现象（E900eV）。）。三种现象不能截然分开，通常是同时存在的。三种现象不能截然分开，通常是同时存在的。3.4 离子成膜技术离子成膜技术离子束沉积离子束沉积（2）离子束沉积（）离子束沉积（IBD） 离子能量一般为离子能量一般为100eV，保证以薄膜的沉积过程为主，降低，保证以薄膜的沉积过程为主，降低 薄膜的再溅射过程。薄膜的再溅射过程。I

46、BD所使用的离子束是固态物质的离子，通常为金属。当沉所使用的离子束是固态物质的离子，通常为金属。当沉积室中通入反应气体时，便可用于制备化合物薄膜。积室中通入反应气体时，便可用于制备化合物薄膜。产生固态物质的离子源通常用热阴极和融化的金属之间进行产生固态物质的离子源通常用热阴极和融化的金属之间进行低压弧光放电来产生，用惰性气体或自持放电来维持。低压弧光放电来产生，用惰性气体或自持放电来维持。从离子源出来的离子束通常不是单一离子，为制取高纯度的从离子源出来的离子束通常不是单一离子，为制取高纯度的薄膜，需要进行质量选择。薄膜，需要进行质量选择。 3.4 离子成膜技术离子成膜技术离子束沉积离子束沉积3

47、.4 离子成膜技术离子成膜技术离子束沉积离子束沉积（3） 簇团离子束沉积（簇团离子束沉积（IBD）l 被被蒸蒸发发的的物物质质置置于于坩坩埚埚中中，蒸蒸发发后后由由喷喷嘴嘴向向高高真真空空沉沉积积室室喷喷射射，利利用用过过冷冷现现象象，形形成成簇簇团团。经经电电子子照照射射使使其其离离化化，每每个个簇簇团团中中只只要要有有一一个个原原子子被被电电离离，则则这这个个簇簇团团就就是是带带电电的的，在在负负电电压压作作用用下下，被被加速沉积加速沉积到衬底上形成薄膜。到衬底上形成薄膜。l 没没有有被被离离化化的的中中性性原原子子集集团团也也会会参参与与薄薄膜膜的的沉沉积积过过程程，其其动动能能与由喷嘴

48、射出时的速度相对应。与由喷嘴射出时的速度相对应。3.4 离子成膜技术离子成膜技术离子束沉积离子束沉积（4） 离子注入成膜离子注入成膜 将高能离子注入衬底成膜。将高能离子注入衬底成膜。 离子束的能量一般为离子束的能量一般为20-400KeV，当注入的离子浓度非常大，当注入的离子浓度非常大 时，有过剩的原子析出来，注入离子和衬底物质元素发生化学时，有过剩的原子析出来，注入离子和衬底物质元素发生化学 反应，形成化合物或合金薄膜。反应，形成化合物或合金薄膜。对对Zn、Mg等金属片注入大量的氧离子，可在金属表面形成等金属片注入大量的氧离子，可在金属表面形成 ZnO、MgO等半导体薄膜。等半导体薄膜。可在

49、低温下进行，薄膜质量好，可控制入射离子的能量大小、可在低温下进行，薄膜质量好，可控制入射离子的能量大小、 束流强度和时间等。束流强度和时间等。3.4 离子成膜技术离子成膜技术离子束沉积离子束沉积1.溅射生长过程溅射生长过程(P57)2.溅射生长溅射生长ZnO薄膜的性能薄膜的性能(P59)3.5 溅射技术的应用溅射技术的应用第三章 作业1. 解释溅射的物理过程。解释溅射的物理过程。2. 简述辉光放电的产生过程。简述辉光放电的产生过程。2. 描述溅射产额及主要影响因素。描述溅射产额及主要影响因素。3. 分析溅射沉积的特点。分析溅射沉积的特点。4. 描述阴极溅射镀膜的过程。描述阴极溅射镀膜的过程。5. 描述磁控溅射的基本原理，讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？描述磁控溅射的基本原理，讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？6. 什么是反应溅射？分析靶中毒的原因。什么是反应溅射？分析靶中毒的原因。7. 什么是离子镀？分析离子镀的特点。什么是离子镀？分析离子镀的特点。8. 什么是离子束溅射镀膜？与普通溅射相比，离子束溅射沉积的优点。什么是离子束溅射镀膜？与普通溅射相比，离子束溅射沉积的优点。