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文档简介

1、1会计学薄膜的物理气相沉积薄膜的物理气相沉积23随着退火温度升高4 第一节 气体放电现象与等离子体 第二节 物质的溅射现象 第三节 溅射沉积装置 第四节 其他PVD方法56溅射气体至真空泵阳极衬底溅射靶绝缘辉光放电区V(DC)789 其中M为相应粒子的质量,E为粒子在碰撞后的动能,为碰撞前粒子1与运动方向与碰撞瞬间两粒子中心连线的夹角。221221124cos()EM MEMM10辉光放电等离子体中大多数碰撞:高速电子与低速原子和离子的弹性碰撞由于M1M2,(电子质量远小于原子和离子质量)221124cos1EMEM表明:气体分子和离子从高速运动的电子处获得的能量较小,或者说每次碰撞发生能量大

2、转移是极小的,不会造成气体分子的电离。11 由于M2/(M1+M2)近似等于1,而(1/2)M1v12正是碰撞前电子的动能,因此非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移给其他质量较大的粒子,如离子或原子引起其激发或电离。因此电子与其它粒子的非弹性碰撞过程是维持溅射自持放电过程的主要机制。221 1212cos2()M v MUMM12(2)激发过程: 其中的星号表示相应的粒子已处于能量较高的激发态。(1)电离过程: 这一过程使得电子数目增加,从而使得放电过程得以继续,上式的反过程被称为复合。2eArAre*22eOOe*43eCFCFFe13141、开始时:电极之间几乎没有电流通过,只有极少量的电

3、离粒子在电场作用下定向运动,在宏观上表现出很微弱的电流。2、随着电压的逐渐升高:电离粒子达到饱和,电流达到一个饱和值,它取决于气体中原来已经电离原子数。放电过程的五个阶段:1516关于电晕:在110kV以上的变电所和线路 上,时常能听到“咝咝”的放电声和淡蓝色的光环,这就是电晕。电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场,在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时,由于空气游离就会发生放电,形成电晕。 在汤生放电的后期,放电开始进入电晕(corona)放电阶段。这时,在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑,因此, 这一阶段被称为电晕放电。174、辉光放电(gl

4、ow discharge)(1)正常辉光放电 汤生放电之后,气体突然发生放电击穿(breakdown)现象。电路的电流大幅度增加,同时放电电压显著下降。这是由于这时的气体已被击穿,因而气体电阻将随着电离度的增加而显著下降,放电区由原来只集中于阴极的边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段,导电粒子的数目大大增加,在碰撞过程中的能量也足够高,因此会产生明显的辉光。181920假设真空放电室中安置两个电极,通入压强为0.1-10Pa的Ar,当外加直流高压超过着火电压时,气体就由绝缘体变成导体,电流突然上升,两极间电压突然下降,此时两极间就会出现明暗相间的光层,这就是辉光放电。三、辉光放电现象

5、及等离子体鞘层21辉光放电区域划分从阴极至阳极依次为:阿斯顿暗区,阴极辉光区,克鲁克斯阴极暗区,负辉光区,法拉第暗区,正辉光区,阳极暗区和阳极辉光区共八个发光强度不同的区域。2223等离子体(plasma)24等离子体的获得方法:1)热致电离产生等离子体:任何物质加热到足够高的温度后都能产生电离。当粒子所具有的动能,在粒子间的碰撞中足以引起相碰粒子中的一个粒子产生电离时,才能得到等离子体。2)气体放电产生等离子体:在工程上和实验室广泛采用的是气体放电方法产生等离子体。性质:1、各种带电粒子之间存在着静电相互作用,对外显示出整体连续性。 2、质量较大的重粒子,包括离子、中性原子和原子团的能量远远

6、低于电子的能量,处于非热平衡状态。2526气体放电有自持放电和非自持放电两种。非自持放电:靠外界电离因素(如火焰、紫外线、伦琴射线或放射性等)的作用,使气体电离而产生导电的。当消除外界因素后,则放电就停止。自持放电:不依赖外界电离条件仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。利用气体放电产生等离子体时,普遍采用气体自持放电过程,如火花放电、电弧放电和辉光放电等。四、非自持放电与自持放电27气体放电条件 只有当气体压力和电极间距的乘积pd为某一数值时,气体最容易发生放电击穿。描述这一规律的曲线叫帕邢(Paschen)曲线。相应的规律叫帕邢规律。28ln1lnbBpdUApd29BpEApe它代表一

7、个电子沿着电场方向行经1 cm长度上,平均发生的碰撞电离次数。3031323334一、简 介35溅射气体至真空泵阳极衬底溅射靶绝缘辉光放电区V(DC)3637正向大角散射碰撞和通道效应引起的离子注入多级碰撞散射表面多原子散射表面吸附杂质的去除和表面活化表面原子溅射位移溅射和原子位移诱发空位吸附杂质注入薄膜物质原子的自注入表面扩散和溅射引起的空位填充抑制岛状组织生长3839发生哪种物理过程取决于入射离子的种类和能量。溅射对应的离子能量区域为几十几万eV。40对于溅射过程来说发生的重要现象:1)物质的溅射;2)二次电子的发射。(离子轰击引起二次电子发射,这些电子在电场作用下获得能量进而参与气体分子

8、的碰撞,并维持气体的辉光放电过程。)41溅射产额=被溅射出来的原子数入射离子数溅射产额衡量溅射过程效率的一个参数。42431、入射离子能量4445相同入射离子,不同被溅射物质。结论:元素的溅射产额呈现明显的周期性,即随着元素外层d电子数的增加,其溅射产额提高。46结论: (1)使用惰性气体作为入射离子时,溅射 产额较高; (2)重离子的溅射产额明显高于轻离子; (3)由于经济上的原因,多数情况下使用Ar离子作为溅射沉积时的入射离子。相同被溅射物质,不同入射离子47结论:(1)随着离子入射方向与靶面法线间夹角的增加,溅射产额是呈1/cos规律的增加; (2)当接近80时,产额迅速下降。48 在溅

9、射过程中,溅射原子的运动方向呈现如图所示的角度分布。与蒸发条件下被蒸发原子运动方向的角分布形式稍有不同,溅射原子方向呈现欠余弦分布,即在表面法线方向上溅射产额稍低。 元素的溅射产额多处于0.01-4之间。49结论:在一定的温度范围内,溅射产额与靶材温度的关系不大,但当温度上升到一定水平后溅射产额会急剧上升。5051521. 沉积原子的能量高,薄膜的组织更致密、附着力更强;2. 制备合金薄膜时,成分的控制性好;3. 溅射的靶材可以是极其难熔的材料,可以制备高熔点物质的薄膜;4. 利用反应溅射技术从金属元素制备化合物薄膜;5. 被沉积的原子携带能量,有助于改进复杂形状表面的覆盖能力,降低薄膜表面粗

10、糙度。与蒸发法相比,溅射法的主要特点:5354一、直流溅射溅射气体至真空泵阳极衬底溅射靶绝缘辉光放电区V(DC)典型溅射条件:工作气压10Pa,溅射电压3kV,靶电流密度0.5mA/cm2,薄膜沉积速度0.1um/min。555657585960适用范围:沉积金属材料和非金属材料6162原因:设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下,它既可以作为阳极接受电子,又可以作为阴极接受离子(Ar+)。在第一个正半周中,电极跟随电源电位变化将接受大量的电子,并使其本身带负电。在紧接着的负半周中,它又将接受少量带正电荷但运动较慢的离子,使其所带的负电荷被中和扣掉一部分。经过几个周期之后,电

11、极上将带有一定数量的负电荷而对于等离子体呈现出一定的负电位。(此负电位对电子产生排斥作用,使电极在以后电位变化的时候所接受的正负电荷的数目趋于相等。) 上述电极自发产生负偏压的过程与所用的靶材是否是导体或绝缘体无关。63溅射法特点:可以将能量直接耦合给等离子体中的电子,故其工作气压和靶电压较低。典型工作条件:工作气压1.0Pa,溅射电压1kV,靶电流密度1.0mA/cm2,薄膜沉积速度0.5um/min。64直流溅射和射频溅射的缺点:1. 薄膜的沉积速度较低;2. 溅射所需要的工作气压较高,否则电 子的平均自由程太长,放电现象不易维持。后果:气体分子对薄膜产生污染的可能性比较高。656667原

12、理:在被溅射的靶 (阴极)与阳极之间加一个正交磁场和电场,在高真空室中充入所需要的惰性气体,在靶材表面形成一定强度的磁场,同高压电场组成正交电磁场。在电场的作用下,Ar气电离成正离子和电子,靶上加有一定的负高压,从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离几率增大,在阴极附近形成高密度的等离子体,Ar离子在洛仑兹力的作用下加速飞向靶面,以很高的速度轰击靶面,使靶上被溅射出来的原子遵循动量转换原理以较高的动能脱离靶面飞向衬底淀积成膜。681、沉积速度比其他溅射方法高出一个数量级。 原因:(1) 磁场中电子的电离效率提高 (2) 在较低气压条件下溅射原子被散射的几率减小。优点:2、工作气压明显降低

13、,可由1Pa降低至10-1Pa。 结果: (1) 降低了薄膜污染的倾向; (2) 提高入射到衬底表面原子的能量。因此可在很大程度上改善薄膜的质量。69磁控溅射特点:沉积速率高、维持放电所需电压低、电子对衬底的轰击能量小、容易实现低温沉积。缺点:对靶材的溅射不均匀、不适合铁磁性材料的溅射。70磁控溅射一般包括两种:直流溅射和射频溅射,其中直流溅射在溅射金属时速率很快。而射频溅射的使用范围更为广泛,除可溅射导电材料外,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材料。717273靶中毒现象:随着活性气体压力和溅射功率的增加,靶材表面也可能形成一层相应的化合物,此时入

14、射离子不是在对靶材进行溅射而是在对不断形成的表层化合物进行溅射,即溅射模式发生了变化,这就是靶中毒。这可能会降低材料的溅射和沉积速率。反应溅射种类:直流反应溅射和射频反应溅射7475五、中频溅射与脉冲溅射直流反应溅射遇到的问题:1. 靶中毒2. 阳极消失3. 靶面与电极打火问题根源:靶材与阳极表面的电荷积累76解决办法:采用对溅射靶施加交变电场的方法释放靶电荷,即采用交流溅射法。交流溅射法分类:1. 中频溅射法:采用正弦波电源2. 脉冲溅射法:采用矩形脉冲波电源77中频溅射原理:在靶材上加数十千赫的交变电压,对地来说,靶材周期地处于高电位和低电位。当靶材处于低电位时吸引离子而排斥电子,靶物质被

15、溅射而离子电荷在靶材表面积累下来;当靶材处于高电位时吸引电子而排斥离子。电子的流入将中和掉靶材表面的电荷积累,从而抑制靶材表面的打火现象。中频溅射靶常用孪生靶。78中频溅射法优点:1. 制备的化合物薄膜的缺陷密度大为降低;2. 溅射功率高,薄膜的沉积速率高;3. 不需要复杂的阻抗匹配电路。7980偏压类型:直流偏压和射频偏压81828384858687离子束溅射特点:1. 气体杂质的污染小,容易提高薄膜的纯度;2. 离子束溅射时衬底附近没有等离子体,不会产生等离子体轰击导致衬底温度上升、电子和离子轰击等问题;3. 可以精确控制离子束能量、束流的大小和束流的方向,溅射的原子不经碰撞直接沉积。缺点

16、:装置过于复杂,薄膜沉积速率低,设 备运行成本高8889909192沉积前对衬底表面进行溅射是为了对衬底表面进行清洁处理,清除其表面的污染物。沉积中对薄膜表面进行溅射的目的?沉积原子可以从与离子的碰撞中获得能量,加上离子本身对薄膜的轰击,这样使沉积在衬底的原子具有更高的动能和迁移能力,使薄膜结构致密。9394离子镀的形式及特点:1. 空心阴极离子镀(HCD):所蒸发的金属原子的离化率高于直流放电离子镀的方法。2. 真空阴极电弧离子镀(VAD):工作的真空度高,薄膜的沉积速率高,蒸发粒子的离化率高,离子的能量高。3. 多弧离子镀:环境真空度高,气体杂质污染少;装置简单,薄膜沉积速度高,衬底温度低

17、,粒子离化率高,适用于制备厚膜。95离子镀缺点:制备的薄膜中含有弧光放电过程所产生的显微喷溅颗粒。改进方法:磁场过滤技术后果:降低薄膜沉积速率,提高运行成本96蒸发、溅射和离子镀沉积方法特点比较:1. 离子镀技术结合了蒸发和溅射两种方法的特点;2. 离子镀沉积速率和蒸发沉积速率相当;3. 离子镀制备的薄膜质量优于溅射法制备的薄膜。97 原理: 使用电子束来实现金属的蒸发,而在蒸发源与衬底之间喂入反应活性气体并使之发生电离。在这种被称之为活化反应蒸发(ARE)沉积法的技术中,衬底可以接地或处于浮动电位,也可以是处于正偏压或负偏压下。二、反应蒸发沉积定义:使金属蒸气通过活性气氛后,沉积并反应生成相

18、应的化合物。98 让金属蒸气通过处于蒸发源和衬底之间的活性气体等离子区。在这个区域中,活性气体和金属原子均处于离化的状态,从而增加了两者的反应活性,促进反应粒子越过反应的能量势垒,使其在衬底上形成相应成分的化合物薄膜。99100三、离子束辅助沉积 (Ion beam assisted deposition-IBAD)离子束辅助沉积的提出:为解决偏压溅射过程中等离子体放电过程不易控制因而入射离子的方向、能量、密度等条件很难综合优化的问题而提出的。101102离子束辅助沉积技术的关键部分是离子源。离子源种类:考夫曼离子源、霍尔效应离子源和电子回旋共振等离子体离子源考夫曼离子源是一种可以被用来产生宽

19、束、强离子流的离子源。103104优点:1. 结合了高速蒸发沉积和偏压溅射离子轰击的特点;2. 具有离子束的能量、方向可调的优点;3. 可以提供高强度、能量可变、能量一致性好方向发散角小的离子束;4. 减少薄膜的污染。105霍尔效应离子源106107与其他沉积技术区别在于它是利用具有一定能量的离化原子团实现薄膜的沉积。这种离化后的原子团包括几百甚至上千个原子,在与衬底接触的瞬间,原子团发生破裂,原子分散开来并沉积在衬底表面。108109110111112113局限性:能够被同时用于等离子体产生和薄膜沉积的气体种类较少,能沉积的薄膜种类有限。114115116利用准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面,使靶材表面产生高温及熔蚀,并进一步产生高温高压等离子体,这种等离子体定向沉积于基体而局域形成薄膜。117过程:一束激光经透镜聚集后投射到靶上,使

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