薄膜的屋里气相沉积

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1、第三章薄膜的屋里气相沉积（∏）—溅射法及其他PVD方法引言溅射法定义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，从靶材表面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上形成薄膜。溅射法的分类直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射偏压溅射溅射镀膜的特点（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）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一、辉光放电的物理基础靶材是需要被溅射的物质，作为阴极，相对作为阳极并接地的真空室处于一定的负电位辉光放电过程中，将产生

2、Ar离子，阴极材料原子，二次电子，光子等直流溅射趁机装置的制图4.2物质的溅射现象合金的溅射和沉积：溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基本一致。自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率上升。一、直流溅射装置及特性溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍溅射电压1-5KV。靶材必须为金属。为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。一、直流溅射装置及特性工作原理：当加上直流电压后，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

3、上形成薄膜。在离子轰击靶材的同时，也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。一、直流溅射装置及特性气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离子轰击过程中，正电

4、荷便会积累在靶材表面。二、射频溅射装置及特性射频电源的频率13.56MHz射频溅射电压1-2KV射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在衬底表面出现。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。二、射频溅射装置及特性工作原理在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动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，阴极溅射的二次电子不再重要。由于电子比离子具有较高的迁移率，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，而靶变成负的自偏压。它将在表面附

5、近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。二、射频溅射装置及特性电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。三、磁控溅射装置及特性磁场的作用使电子不再做平行直线运动，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地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：1、磁

6、场中电子的电离效率提高2、在较低气压下（0.1Pa)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，从而提高薄膜的质量。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性4.3溅射沉积装置四、反应溅射装置及特性在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性采用纯金属作为靶材，通

7、入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。如：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2，In2O3，SnO2等(反应气体O2）碳化物：SiC，WC，TiC等(反应气体CH4）氮化物：BN，FeNTiN，AlN，Si3N4等(反应气体N2）硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反应气体H2S）化合物：Ti-Si-N,Fe-B-Si,YBa2Cu3O74.3溅射沉积装置五、偏压溅射装置及特性偏压溅射是在一般溅射的基础上，在衬底与靶材间加一定的偏压，以改变入射离子能量和离子数，达到改善薄膜的结构和性能。如图所示，改变偏压可改变Ta薄膜的电阻率。溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化六