各种溅射法的比较

主要的溅射方法：直流溅射，射频溅射，磁控溅射，反应溅射。一直流溅射又称阴极溅射或二极溅射溅射条件：工作气压10pa，溅射电压3000V，靶电流密度0.5mA/cm2,薄膜沉积速率低于0.1m/min。工作原理：先让惰性气体（通常为Ar气）产生辉光放电现象产生带电的离子；带电离子紧电场加速撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电子，再次撞击气体原子从而形成更多的带电离子；靶材原子携带着足够的动能到达被镀物（衬底）的表面进行沉积。随着气压的变化，溅射法薄膜沉积速率将出现一个极大值，但气压很低的条件下，电子的自由程较长，电子在阴极上消失的几率较大，通过碰撞过程引起气体分子电离的几率较低，离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小，这些均导致低气压条件下溅射的速率很低。在压力1Pa时甚至不易维持自持放电！随着气压的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率增加。改进：三极溅射工作条件：工作气压0.5pa，溅射电压1500V，靶电流密度2.0mA/cm2，，薄膜沉积速率0.3m/min。三级溅射的缺点：难于获得大面积的且分布均匀的等离子体，且其提高薄膜沉积速率的能力有限，二射频溅射定义：射频溅射是利用射频放电等离子体中的正离子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术。工作原理：人们将直流电源换成交流电源。由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。由于离子比电子质量大，迁移率小，不像电子那样很快地向靶表面集中，所以靶表面的点位上升缓慢，由于在靶上会形成负偏压，所以射频溅射装置也可以溅射导体靶。在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。工作条件：射频溅射可以在1Pa左右的低压下进行，溅射电压1000V，靶电流密度1.0mA/cm2，薄膜沉积速率0.5m/min。优点：1、可在低气压下进行，溅射速率高。2、不仅可溅射金属靶，也可溅射绝缘靶，可以把导体，半导体，绝缘体中的任意材料薄膜化。3、必须十分注意接地问题。三磁控溅射工作原理：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。磁控溅射一般分为直流溅射和射频溅射，其中直流溅射设备原理简单，在溅射金属是速率较快。而射频溅射的适用范围更广泛，除可溅射到导电材料外，也可溅射非导电的材料，同时还可进行反应溅射制备氧化物、氮化物和碳化物等化合物。优点：沉积速度较高，工作气体压力较低，由于在溅射装置中引入磁场，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以在同样的电流和气压的条件下显著的提高溅射速率！溅射速率高的原因：1磁场中电子的电离效率较高，有效的提高了靶电流密度和溅射效率；2在较低的气压下溅射原子被气体分子散射的几率较小。缺点：对靶材的溅射不均匀，不适合于铁磁性材料的溅射。四反应溅射定义：反应溅射是指在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材会与反应气体反应形成化合物(如氮化物或氧化物)，在惰性气体溅射化合物靶材时由于化学不稳定性往往导致薄膜较靶材少一个或更多组分，此时如果加上反应气体可以补偿所缺少的组分，或者采用纯金属作为靶材，在工作气体中混入适量的活性气体如O2N2NH3CH4等方法，使金属原子与活性气体在溅射沉积的同时生成所需的化合物，这种溅射称为反应溅射。优点：弥补了普通溅射法制备化合物薄膜时化学成分与靶材有很大差别的缺点：随着活性气体压力的增加，靶材表面也可能形成一层相应的化合物，并导致溅射和薄膜沉积速率的降低，称为靶中毒。PVD：利用某物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。CVD：利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜的方法被称为外延生长。阴影效应：蒸发出来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。害处：破坏薄膜沉积的均匀性、受到蒸发源方向性限制，造成某些位置没有物质沉积。利用：目的性使用一定形状的掩膜，实现薄膜选择性的沉积。单质、化合物蒸发存在的问题及解决：成分偏差，易于蒸发的组元优先蒸发将造成该组元的不断贫化，进而蒸发率不断下降。解决:1,使用较多的物质作为蒸发源，即尽量减少组元成分的相对变化率。2，向蒸发源不断少量添加被蒸发物质（使物质组元得到瞬间同步蒸发）3，利用加热至不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别控制和调节每个组元的蒸发速率。蒸发沉积纯度取决于：1蒸发源物质的纯度2加热装置，坩埚等可能造成的污染3真空系统中的残留气体。