第8章-溅射镀膜

第八章溅射镀膜1溅射镀膜扫描电镜实验室常用小型离子溅射镀膜仪，可镀C、Au、Pt等2定义：溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。溅射镀膜概述原理：溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。例如：直流二极溅射——直流辉光放电三极溅射——热阴极辉光放电射频溅射——射频辉光放电磁控溅射——环状磁场控制下的辉光放电3溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；溅射薄膜与衬底的附着性好(溅射原子的能量比蒸发原子高1~2个数量级)；溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；膜层厚度可控性和重复性好(控制把电流和放电电流)。可在较大的面积上获得厚度均匀的薄膜。溅射镀膜的缺点：溅射设备复杂，需要高压装置；成膜速率较低0.01-0.5m/min(真空镀膜淀积速率0.1-5m/min)。射频溅射和磁控溅射已克服此缺点。溅射镀膜概述4离子溅射过程荷能离子与表面的相互作用5离子溅射过程荷能离子与表面的相互作用入射到表面的离子和高能原子有如下作用：溅射出表面的原子可能会出现如下情况：6离子溅射过程溅射粒子的迁移过程溅射粒子的成膜过程淀积速率：是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的薄膜厚度。溅射粒子：正离子：不能到达基片中性原子或分子其余粒子均能向基片迁移7离子溅射参数1、溅射阈值定义：溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量。溅射阈值的大小与离子质量之间无明显关系，主要取决于靶材料。绝大多数金属靶材的溅射阈值为10~30eV。8离子溅射参数溅射阈值能量单位：eV9离子溅射参数2、溅射产额定义：溅射产额是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数，溅射产额又称为溅射率。溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。10离子溅射参数溅射产额的影响因素：(1)入射离子能量当入射离子的能量高于溅射阈值时，才会发生溅射。入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域，指数上升区S∝E2(E150eV）线性增大区S∝E(E数百eV）下降区S∝E1/2(E=10-100keV一般当入射离子能量为1~10keV时，溅射率可达到最大值。11惰性气体离子对靶材的溅射产额有峰值NeArKrXe离子溅射参数溅射率依赖于入射离子的种类，靶材中不同成分的溅射率不一样；溅射率随入射离子的周期性变化:同一周期中惰性气体的溅射率最高。溅射产额的影响因素：(2)入射离子种类12离子溅射参数入射角：离子入射方向与被溅射靶材表面法线间的夹角;随入射角的增大溅射率逐渐增大。在0~60间相对溅射率基本服从1/cosθ规律;60~80溅射率最大;90时，溅射率为零。溅射产额的影响因素：(3)入射离子的入射角13离子溅射参数溅射率随靶材料元素的原子序数呈周期性变化。同一周期元素内，溅射率随靶材原子的d层原子填满程度增加而变大。Cu、Ag、Au等产额最高。溅射产额的影响因素：(4)靶材原子序数14离子溅射参数与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。除此之外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌等因素有关。45keVXe+溅射产额的影响因素：(5)靶材温度15离子溅射参数3、溅射原子的能量与速度溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能量（0.1eV）大1-2个数量级。重元素靶材溅射出来的原子有较高的能量；而轻元素靶材则有较高的速度。1.2keVKr+16离子溅射参数不同靶材具有不同的原子逸出能量，而溅射率高的靶材，通常具有较低的平均逸出能量。平均逸出能量随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量超过1keV时，平均逸出能量趋于恒定。17离子溅射机理动量转移理论该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。当靠近表面原子的能量大于表面结合能(对于金属是1~6eV)时，这些原子就会从表面溅射出来。18溅射镀膜方式二极直流溅射基片Ar阴极接负高压1~3kV，阳极通常接地。阴阳极间构成冷阴极辉光放电结构。根据电极形状，可分为平板型二极溅射和同轴型二极溅射。19•溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压变化，工艺重复性差；•真空系统压强通常高于1Pa，排气速度小，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差；•基片温度升高，淀积速率低；•靶材必须是良导体。特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。缺点：溅射镀膜方式二极直流溅射20溅射镀膜方式三极和四极直流溅射三极溅射中的第三电极：发射热电子，强化等离子体放电，增加入射离子密度四极溅射：又称等离子体弧柱溅射。在二极、三极溅射基础上，更有效的热电子强化放电形式。四极溅射装置图负电位21缺点：•不能抑制电子轰击对基片的影响(温度升高)；•灯丝污染问题；•不适合反应溅射等。特点：•靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点；•靶电压低(可低至102伏)，溅射损伤小；•溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制；•提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。溅射镀膜方式三极和四极直流溅射22溅射镀膜方式射频溅射即把二极溅射装置的直流电源换成射频电源可制备从导体到绝缘体任意材料的薄膜23溅射镀膜方式射频溅射缺点：当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。特点：•电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压和放电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级；•能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；•溅射过程不需要次级电子来维持放电。24溅射镀膜方式磁控溅射磁控靶溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作旋轮线运动。高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，使气体分子电离。25溅射镀膜方式磁控溅射特点：•工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；•维持放电所需的靶电压低；•电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉积温度；•容易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。缺点：•对靶材的溅射不均匀，利用效率低（30%）；•靶材为绝缘材料时，会使基板升温；•不适合铁磁材料的溅射，如果是强磁材料，则少有漏磁，等离子体内无磁力线通过。26溅射镀膜方式磁控溅射磁控溅射仪（JGP-560）27溅射镀膜方式离子束溅射定义：用离子源发出离子，经引出、加速、聚焦，使其成为束状，用此离子束轰击置于高真空室中的靶，将溅射出的原子（或分子）进行镀膜。前面所述各种溅射方法都是利用辉光放电产生的离子进行溅射，基片置于等离子体中。存在如下问题：•基片受电子轰击；•溅射条件下，气体压力、放电电流等参数不能独立控制；•工艺重复性差。28溅射镀膜方式离子束溅射放出大量电子，促进气体分子电离29溅射镀膜方式离子束溅射特点•高真空下成膜，纯度高；•淀积在无场区进行，基片不是电路的一部分，不会产生电子轰击引起的基片温升；•可以对工艺参数独立地严格控制，重复性好；•适合于制备多组分的多层薄膜；•可制备几乎所有材料的薄膜。缺点•装置复杂，薄膜的沉积速率较低，设备运行成本较高。30福建师范大学物理与能源学院溅射镀膜方式离子束溅射31习题1.溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？2.溅射的概念及溅射参数。3.溅射镀膜的机理。4.二极直流溅射、磁控溅射、离子束溅射系统的结构和原理。32