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(lèi)基本PVD方法！PVD的概念：在真空度較高的環(huán)境下，通過(guò)

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(guò)程：PVD的工程分類(lèi)：

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(duì)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(lèi)（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(wú)

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(guò)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(wú)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(duì)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(lèi)：,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(wèn)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(guò)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(pán)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(wèn)題！3、應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)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(guò)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(chǎng) (5~10 kV) 加速獲得高能電子束，在磁場(chǎng)作用下聚焦到蒸發(fā)源材料表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lèi) (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(chǎng)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(lái)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(guò)高的加熱功率會(huì)對(duì)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(jiàn)課本 P44 圖2.12 或 右圖。2、主要優(yōu)點(diǎn)：? 熱源清潔，無(wú)來(lái)自加熱體的污染；? 表面局部加熱，無(wú)來(lái)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(jiàn)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(lèi)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(jiǎn)單，成本較低。3、主要問(wèn)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(shuō)明PVD的主要

22、過(guò)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(lèi)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(guò)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(chēng)為濺射。！發(fā)現(xiàn)：1852年首次被 Grove 在對(duì)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(lái)被寫(xiě)成 splutter 直至 sputter ！2、基本過(guò)程：? 自由電子被電場(chǎng)加速飛向陽(yáng)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(jiàn)右圖1)；? Ar+受到電場(chǎng)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(jiàn)右圖2)；? 電子在飛行過(guò)程中，還可能與Ar+相撞，使之恢復(fù)中性狀態(tài)，但 此過(guò)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(jiàn)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(guò)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(lái)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(guò)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?zhuān)?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(chǎng)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(guò)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(guò)程 氣體放電/等離子體的產(chǎn)生過(guò)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(guò)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(chǎng)： ? 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(yáng)離子 (Ar+) 和 自由電子 (e)，并分別在電場(chǎng)作用下被

31、加速，進(jìn)而 飛向陰極（靶材）和陽(yáng)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(jiǎn)單的二極直流輝光放電系統(tǒng),三、放電過(guò)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(wú)光放電區(qū) ? 輝光放電區(qū) ? 弧光放電區(qū) ！2、放電過(guò)程分析：1）無(wú)光放電區(qū)：因放電中無(wú)可

32、見(jiàn)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(chǎng)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(yáng)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(chǎng)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(guò)程與典型伏安特性曲線：2、放電過(guò)程分析：1）無(wú)光放電區(qū)：因放電中無(wú)可見(jiàn)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(kāi)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(yáng)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(guò)程與典型伏安特性曲線：2、放電過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)離子湮滅產(chǎn)生光子。? 陰極暗區(qū)：又稱(chēng)Crookes暗區(qū)！ ■ 電子/離子主要加速區(qū)，區(qū)內(nèi)的電勢(shì)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(shì)差?0，濺射鍍膜過(guò)程中，基片通常 被置于此區(qū)域內(nèi)，并與陽(yáng)極一起接地。 ■ 只有少量電子能穿過(guò)該區(qū)繼續(xù)飛向陽(yáng)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(yáng)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(chēng)陽(yáng)極光柱！? 陽(yáng)極輝光區(qū)? 陽(yáng)極暗區(qū) ■ 由于濺射鍍膜時(shí)，基片往往與陽(yáng)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(guò)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(lái)，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(wú)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(lèi)、能量及角度，以及靶材種類(lèi)及溫度有關(guān)。? 入射離子的影響：■ 種類(lèi) (見(jiàn)右圖1)：周期性升高！ 對(duì)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(jiàn)右圖2)：E >Et 后，升?飽和?降！ E 104 eV，P?■ 入射角 (見(jiàn)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(lèi)、能量及角度， 以及靶材種類(lèi)及溫度有關(guān)。? 靶材的影響：■ 種類(lèi) (見(jiàn)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(jiàn)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)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(jiǎn)介一、分類(lèi)及主控工藝參數(shù)：1、分類(lèi)：? 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(lèi)及主控參數(shù)：1、分類(lèi)：? 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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(wèn)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(yáng)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(chǎng)，其方向與靶面基本平行，而與 電場(chǎng)方向正交！3、原理： 與電場(chǎng)方向正交的磁場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)基片的轟擊。? 磁

55、場(chǎng)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(chǎng)力：電子受庫(kù)倫力作用：F庫(kù)= -qE，形成的加速度不變， 且永遠(yuǎn)指向陽(yáng)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(kù)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(zhǎng)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(jiǎn)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(shì)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(duì)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(jiǎn)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(wèn)題！ ? 使用直流電源，靶材同時(shí)是陰極，不導(dǎo)電無(wú)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(chǎng)能量耦合 到放電室內(nèi)；? 電子與高頻交變電場(chǎng)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(duì)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(chǎng)下：

60、 ? 電子可全部到達(dá)絕緣靶材表面，陽(yáng)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(duì)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(jiǎn)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(duì)稱(chēng)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(jiǎn)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(guò)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(duì)于接地極的不變負(fù)電勢(shì)，稱(chēng)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(duì)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(lái)自于等離子體的陽(yáng)離子的不斷轟擊而實(shí)現(xiàn)濺射！4、特點(diǎn)：? 電場(chǎng)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(chǎng)通過(guò)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(jiǎn)介,,,,,,射頻濺射過(guò)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(duì)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(chēng)為離子槍?zhuān)?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(jiǎn)介,,,,,,離子束濺射裝置,,,,一、概念：通過(guò)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(lèi)似 PECVD)， 促使沉積粒子離化，使之既可被電場(chǎng)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(guò)程 (賦能、激活) 的交叉結(jié)合！四、主