薄膜课件溅射5

1、中南大学物理学院/6412021-12-152021-12-15二、溅射镀膜（二、溅射镀膜（sputtering depositionsputtering deposition） 1. 1. 工艺原理工艺原理溅射镀膜：溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。出的粒子在基片上沉积的技术。中南大学物理学院/6422021-12-152021-12-15溅射是轰击粒子与靶原子之间动量传递的结果溅射：溅射：荷能粒子轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射。中南大学物理

2、学院/6432021-12-152021-12-15使涂层成分变成气态原子或离子团沉积于基体表面溅射离子轰击物体，让飞溅的物体落到所需基片上中南大学物理学院/6442021-12-152021-12-15溅射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。 用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子，因为离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子。该粒子又称入射离子。 由于直接实施溅射的是离子，所以这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或淀积。 溅射这一物理现象是130多年前格洛夫（Grove）发现的，现已广泛地应用于各种薄膜的制备之中。如用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜，以及

3、化合物半导体薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至高T0超导薄膜等。整个过程仅进行动量转换，无相变整个过程仅进行动量转换，无相变沉积粒子能量大，沉积过程带有清洗作用，薄膜附着性好沉积粒子能量大，沉积过程带有清洗作用，薄膜附着性好薄膜密度高，杂质少薄膜密度高，杂质少膜厚可控性、重现性好膜厚可控性、重现性好可制备大面积薄膜可制备大面积薄膜设备复杂，沉积速率低。设备复杂，沉积速率低。中南大学物理学院/6452021-12-152021-12-15溅射镀膜有两大类：溅射镀膜有两大类： 离子束由特制的离子源产生离子束由特制的离子源产生 离子源结构复杂，价格昂贵离子源结构复杂，价格昂贵 用于分析技术和制取特殊薄膜

4、用于分析技术和制取特殊薄膜 在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜。在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜。离子束溅射：离子束溅射：离子束溅射离子束溅射气体放电溅射气体放电溅射中南大学物理学院/6462021-12-152021-12-15n 离子束溅射 优点：离子源发生器和衬底可以很好地分开，真空度较高，避免等离子体 轰击衬底，有利于控制膜层质量,适合用于薄膜沉积过程的研究 可独立控制离子束流和能量 可方便地控制衬底温度、气压、沉积角度 可以获得致密、附着力强并且光滑平整的高质量薄膜 缺点：速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难 溅射物溅射物

5、离子源离子源溅射靶溅射靶出射口出射口衬底衬底惰性气体惰性气体溅射物溅射物反应气体反应气体离子源离子源溅射靶溅射靶出射口出射口衬底衬底直接溅射直接溅射反应溅射反应溅射中南大学物理学院/6472021-12-152021-12-15 利用低压气体放电现象，产生等离子体，产生的正离子，被电场加利用低压气体放电现象，产生等离子体，产生的正离子，被电场加速为高能粒子，撞击固体（靶）表面进行能量和动量交换后，将被轰击速为高能粒子，撞击固体（靶）表面进行能量和动量交换后，将被轰击固体表面的原子或分子溅射出来，沉积在衬底材料上成膜的过程。固体表面的原子或分子溅射出来，沉积在衬底材料上成膜的过程。气体放电溅射气

6、体放电溅射+-中南大学物理学院/6482021-12-152021-12-151. 1. 气体放电溅射的物理基础气体放电溅射的物理基础辉光放电辉光放电不同的溅射技术采用不同的溅射技术采用不同的辉光放电方式不同的辉光放电方式，包括：，包括：直流辉光放电直流辉光放电 直流溅射直流溅射射频辉光放电射频辉光放电射频溅射射频溅射 磁场中的气体放电磁场中的气体放电磁控溅射磁控溅射中南大学物理学院/6492021-12-152021-12-151直流辉光放电 溅射是在辉光放电中产生的，因此，辉光放电是溅射的基础。辉光放电是在真空度约为10-1Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。n

7、气体电离：具有一定能量的电子与气体分子碰撞，可能使气体分子外层电子丢失形成离子；n气体放电：气体在电场作用下发生电离的过程；中南大学物理学院/64102021-12-152021-12-15直流辉光放电的伏安特性曲线直流辉光放电的伏安特性曲线AB AB 无光放电区无光放电区BC BC 汤森放电区汤森放电区CD CD 过渡区过渡区DE DE 正常辉光放电区正常辉光放电区EF EF 异常辉光放电区异常辉光放电区FG FG 弧光放电区弧光放电区中南大学物理学院/64112021-12-152021-12-15（1）无光放电：由于在放电容器中充有少量气体，因而始终有一部分气体分子以游离状态存在着。当两

8、电极上加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动，形成电流。由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的，所以，当正离子和电子一俟产生，便被电极拉过去。即使再升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。所以此时的电流密度很小，一般情况下仅有10-16-10-14安培左右。由于此区是导电而不发光，所以称为无光放电区。下面对各个放电区的性质作进一步说明。中南大学物理学院/64122021-12-152021-12-15 在两极电压逐渐升高，电子的运动速度逐渐加快，离子轰击阴极不断产生电子，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而是使气体分子电离，产生正离子与电子，新产生的电子和原

9、有电子继续被电场加速，使更多的气体分子被电离，于是在伏安曲线上便出现汤森放电区，此时电流迅速增加，而电压却变化不大。 上述两种情况的放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。因此，这种放电方式又称为非自持放电。（2）汤森放电区中南大学物理学院/64132021-12-152021-12-15 当放电容器两端电压进一步增加时，汤森放电的电流将随着增大，当电流增至C点时，极板两端电压突然降低，而电流则突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压VB称为击穿电压。击穿后气体的发光放电称为辉光放电，气体有了导电能力，这时电子和正离子主要来源于电

10、子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电也将继续下去。而且维持较低的辉光放电电压，且不变，此时电流的增大显然与电压无关，而只与阴极板上产生辉光的表面积有关。正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有关。此外，气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小也有影响。电流密度随气体压强增加而增大。凹面形阴极的正常辉光放电电流密度，要比平板形阴极大数十倍左右。 辉光放电时的气体为等离子体，放电进入自持阶段，即使没有游离的电子，放电也得以维持。 （3）正常辉光放电中南大学物理学院/64142021-12-152021-12-15 在气体成分和电极材料一定条件下，由巴邢定律可知，起辉电压V只与气体

11、压强P和电极距离d的乘积有关（见图3-2所示）。从图可以看出，电压有一最小值。若气体压强太低或极间距离太小，二次电子在到达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞电离，形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。气压太高或极间距离太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速，也不能产生辉光。在大多数辉光放电溅射过程中要求气体压强低，压强与间距乘积一般都在最小值的右边，故需要相当高的起辉电压。在极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体压强以启动放电。图3-2 巴邢曲线（起辉电压V与气体压强P和电极间距d之积的实验曲线）中南大学物理学院/64152021-12-152021-12-15 在轰击覆盖住整个阴

12、极表面之后，进一步增加功率，放电的电压和电流密度将同时增大，进入非正常辉光放电状态。其特点是：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短，此时若要想提高电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。由于在此阶段，电流可以通过电压来控制，从而使这一区域成为溅射的工作区域。（4）非正常辉光放电区中南大学物理学院/64162021-12-152021-12-15 异常辉光放电时，在某些因素影响下，常有转

13、变为弧光放电的危险。此时，极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路。且放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁。同时，骤然增大的电流有损坏电源的危险。弧光放电在气相沉积中的应用，仍在进一步研究之中。（5）弧光放电区中南大学物理学院/64172021-12-152021-12-15判断辉光放电不必测量电压和电流，观察是否产生辉光就可以了，辉光由大量原子轨道电子从高能态衰变到低能态时发射的光子产生。中南大学物理学院/64182021-12-152021-12-15阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能量小阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能量小 （1ev），不足以电离中性分子。），不足以电离

14、中性分子。阴极辉光区：阴极辉光区：电子获得足够能量，碰撞气体分子使其电子获得足够能量，碰撞气体分子使其 激发，退激发而发光。激发，退激发而发光。 少数电子和正离子复合发光。少数电子和正离子复合发光。克鲁克斯暗区：从阴极辉光区出来的电子，不具有足够的能量与气体分子碰撞使之电离，从而出克鲁克斯暗区：从阴极辉光区出来的电子，不具有足够的能量与气体分子碰撞使之电离，从而出现又一暗区。现又一暗区。负辉光区：电子重新获得能量，与气体分子碰撞，产生大量的正离子，正离子与负辉光区：电子重新获得能量，与气体分子碰撞，产生大量的正离子，正离子与 电子复合发光。电子复合发光。该区是正的空间电荷区，该区是正的空间电荷

15、区， 也是主要的压降区。也是主要的压降区。法拉第暗区：只有少数电子可穿过负辉光区，电子能量较小，形成暗区。法拉第暗区：只有少数电子可穿过负辉光区，电子能量较小，形成暗区。正光柱区：正光柱区： 上述少数电子加速，产生电离。上述少数电子加速，产生电离。负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似 一良导体，用于连接负辉光区和阳极。一良导体，用于连接负辉光区和阳极。实际镀膜时，基片放置于负辉光区，作为阳极使用，阴极与基片之间的距离至少为克鲁克斯暗区实际镀膜时，基片放置于负辉光区，作为阳极使用，阴极与基片之间的距离至少为克鲁克斯暗区的的3-4倍。倍。

16、中南大学物理学院/64192021-12-152021-12-15图3-4 辉光放电过程中阴极附近分子状态示意图中南大学物理学院/64202021-12-152021-12-15（2）射频辉光放电）射频辉光放电 指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压，而在电极之间产生的放电现象。指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压，而在电极之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡从而获得能量，并且与原子碰撞产生离子和更多的电电子在变化的电场中振荡从而获得能量，并且与原子碰撞产生离子和更多的电子。子。射频放电的频率范围射频放电的频率范围：1-30MHz，工业用频率为工业用频率为13.56MHz其特点是：其特

17、点是：辉光放电空间产生的电子，获得足够的能量，足以产生碰撞电离，辉光放电空间产生的电子，获得足够的能量，足以产生碰撞电离，减少对二次电子的依赖，降低击穿电压减少对二次电子的依赖，降低击穿电压射频电压能够通过任何类型的阻抗耦合进去，所以，电极无需是射频电压能够通过任何类型的阻抗耦合进去，所以，电极无需是导体，可以溅射任何材料导体，可以溅射任何材料中南大学物理学院/64212021-12-152021-12-15（3）电磁场中的气体放电）电磁场中的气体放电 在放电电场空间加上磁场，放电空间中的电子就要围绕在放电电场空间加上磁场，放电空间中的电子就要围绕磁力线作回旋运动，从而提高电子碰撞效率，磁场对

18、放电的磁力线作回旋运动，从而提高电子碰撞效率，磁场对放电的影响效果，因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差别。影响效果，因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差别。 中南大学物理学院/64222021-12-152021-12-154. 溅射特性参数溅射特性参数（1）溅射阈值： 使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量，低于该值不能发生使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量，低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为溅射。大多数金属该值为101020ev20ev。溅射阈值的测定十分困难，随着测。溅射阈值的测定十分困难，随着测量技术的进步，目前已能测出低于量技术的进步，目前已能测出低于10-5(

19、10-5(原子原子/ /离子离子) )的溅射率。的溅射率。1 1、同一材料、不同种类入射离子的溅射阈值不同；、同一材料、不同种类入射离子的溅射阈值不同； 2 2、同种入射离子、不同靶材料的溅射阈值不同；、同种入射离子、不同靶材料的溅射阈值不同； （2）溅射率： 正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出的粒子数，正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出的粒子数，又称溅射产额或溅射系数，又称溅射产额或溅射系数，S S。S = Ns / NiN Ni i- -入射到靶表面的粒子数入射到靶表面的粒子数N Ns s- -从靶表面溅射出来的粒子数从靶表面溅射出来的粒子数中南大学物理学院/6

20、4232021-12-152021-12-15（3）溅射出的粒子 从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子能量从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子能量和速度。和速度。溅射粒子的状态与入射离子的能量有关溅射粒子的状态与入射离子的能量有关溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子的方向性有关，的方向性有关，其能量可比蒸发原子的能量大其能量可比蒸发原子的能量大1 12 2个数量级。个数量级。（4）溅射粒子的角分布 溅射原子的角度分布符合溅射原子的角度分布符合KnudsenKnudsen的余弦定律。也

21、与入射原子的方的余弦定律。也与入射原子的方向性、晶体结构等有关。向性、晶体结构等有关。中南大学物理学院/64242021-12-152021-12-15121515152725262251030242428271313151825242525222017182020201521232528121515172215182032220252325263030202222352530302321252035352530171716152725222232020201823252218202425252322182620232522入射离子不同时溅射阈值变化很小，而对于不同靶材溅射阈值的变化比较明显。

22、也就是说，而主要取决于靶材料。对处于周期表中同一周期的元素，。对绝大多数金属来说，溅射阈值为1030eV，相当于升华热的4倍左右 表3-1 一些金属元素的阈值能量（eV）中南大学物理学院/64252021-12-152021-12-15溅射率1、影响溅射率的因素： （1）入射离子的种类、能量以及入射角度 （2）靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小，。 中南大学物理学院/64262021-12-152021-12-15影响因素影响因素入射离子能量 入射离子能量大小对溅射率影响显著。当入射。中南大学物理学院/64272021-12-152021-12-15 靶材种类溅射率与靶材元素在周期表中

23、的位置有关。溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。一般规律：一般规律：溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大CuCu、AgAg、Au Au 较大较大C C、SiSi、TiTi、V V、TaTa、W W等等 较小较小 入射离子种类 溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射率越高。溅射率越高。 溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子壳层填满的元素具有最大的溅射率。壳层填满的元素具有最大的溅射率。 惰性气体的溅射率最高。惰性气体的溅射率最高。中南大学物理学院/6

24、4282021-12-152021-12-152.3(500)1.651.070.321.180.170.560.20Au1.560.950.630.200.700.840.310.12Pt1.170.700.430.120.460.440.210.069Ir0.620.400.290.0680.320.240.130.038W3.402.201.580.631.981.301.000.27Ag2.391.411.000.421.320.820.590.14Pd0.930.580.400.130.540.340.240.10Mo1.220.740.500.220.820.480.320.12G

25、e2.301.591.100.482.001.200.840.26Cu1.520.950.660.281.340.650.460.22Ni1.360.810.570.150.990.640.410.084Co1.260.760.530.200.970.620.380.18Fe1.300.870.670.301.050.730.490.18Cr0.700.410.310.110.550.360.170.06V0.580.330.220.0810.450.300.220.08Ti0.530.310.180.070.540.250.130.034Si1.240.650.350.110.830.430

26、.240.031Al0.800.290.180.0740.560.260.100.012Be600（eV）300（eV）200（eV）100（eV）600（eV）300（eV）200（eV）100（eV）Ar+Ne+靶材元素表3-2 各种元素的溅射率中南大学物理学院/64292021-12-152021-12-15图3-9 溅射率与靶材原子序数的关系溅射率影响因素：靶材料 由图3-9可以看出：铜、银、金的溅射率较大；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等元素的溅射率较小；在用400eV的Xe+离子轰击时，银的溅射率为最大，碳为最小。 中南大学物理学院/64302021-12-152021-12-15

27、 入射角入射角入射角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角靶材靶材 溅射温度中南大学物理学院/64312021-12-152021-12-154.4.几种典型的溅射镀膜方法几种典型的溅射镀膜方法（1）直流（二极）溅射镀膜）直流（二极）溅射镀膜 靶材为阴极靶材为阴极基片置于阳极基片置于阳极极间电压约极间电压约1-5KV1-5KV真空度真空度1-1-几百几百PaPa放电气体：放电气体：ArAr+-中南大学物理学院/64322021-12-152021-12-15工工作作参参数数溅射溅射功率功率放电放电电压电压气体气体压力压力电极电极间距间距

28、溅射时主要监视的参数中南大学物理学院/64332021-12-152021-12-15在10-1Pa以上的真空度下产生辉光放电，同时形成满足溅射要求的高密度等粒子体改革措施改革措施 加强靶的冷却，在减少热辐射时减少或减弱由靶放出的高速电子对基板的轰击二二 极极 溅溅 射射选择适当的入射粒子能量直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，设备简单。主要缺点：不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流及气压等， 制备时的气压较高，溅射速率低，容易升温，只能溅射导体，目前使用很少。中南大学物理学院/64342021-12-152021-12-15为二极溅射添加一个发射电子的热阴极和一个辅助阳极，改造成三极或四极

29、溅射装置，可提高溅射速率，减少气体污染，但仍难于获得大面积均匀的等离子体，沉积速率也较低，因此四极溅射仍未能大规模应用中南大学物理学院/64352021-12-152021-12-152，偏压溅射，偏压溅射区别与直流二极溅射的区别在于为基片上施加一固定的直流偏压，也可为射频偏压。原理直流偏压溅射的原理示意如图，若在基片上施加的是负偏压，则在薄膜淀积过程中，基片表面都将受到气体离子的稳定轰击，随时清除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜的纯度。并且也可除掉粘附力弱的淀积粒子，加之在淀积之前可对基片进行轰击清洗，使表面净化，从而提高了薄膜的附着力，同时对薄膜组织和电阻率等均有相应的改变，通常负偏

30、压在数百伏之内。 偏压溅射在目前科研和生产过程中应用颇多。中南大学物理学院/64362021-12-152021-12-15偏压溅射偏压溅射直流偏压溅射图 1溅射室 2阴极 3基片4阳极 5排气系统 6氩气入口中南大学物理学院/64372021-12-152021-12-15偏压溅射偏压溅射图示为基片加不同偏压时钽膜电阻率的变化。偏压在-100V至100V范围，膜层电阻率较高，属 -Ta即四方晶结构，当负偏压大于100V时，电阻率迅速下降，这时钽膜已从相变为正常体心立方结构。这种情况很可能是因为基片加上正偏压后，成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。钽膜电阻率与基片偏压关系中南大学

31、物理学院/64382021-12-152021-12-153，射频溅射，射频溅射q 适用于导体、半导适用于导体、半导体、绝缘体，工作体、绝缘体，工作气压和靶电压较低气压和靶电压较低 射频是无线电波发射范围的频率，为避免干扰电台工射频是无线电波发射范围的频率，为避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为作，溅射专用频率规定为13.56MHz13.56MHz。q 缺缺 点点大功率射频电源造价昂贵大功率射频电源造价昂贵具有人身防护问题具有人身防护问题不适宜工业生产应用不适宜工业生产应用中南大学物理学院/64392021-12-152021-12-15射频溅射装置n结构结构 n 射频溅射装置如图所示。相当于

32、直流溅射装置中的直流电源部分改由射频发生器、匹配网络和电源所代替，利用射频辉光放电产生溅射所需正离子。中南大学物理学院/64402021-12-152021-12-15原理原理 射频电源对绝缘靶之所以能进行溅射镀膜，主要是因为在绝缘靶表面上建立起负偏压的缘故。对于直流溅射来说，如果靶材不是良导体材料，而是绝缘材料的话，正离子轰击靶面时靶就会带正电，从而使电位上升，离子加速电场就要逐渐变小，以致发展到离子不能溅射靶材，于是辉光放电和溅射就停止了。如果在靶上施加的是射频电压，由于电子的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高，仅用很短时间就可以飞向靶面，相对于负半周期，在正半周期内有更多的电子到达靶

33、表面，使其表面因空间电荷呈现负电位，将靶变成负的自偏压，从而实现对绝缘材料的溅射，从而实现了在正、负半周中，均可产生溅射。 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的几率非常大，故使得击穿电压和放电电压显著降低，其值只有直流溅射时的十分之一左右。中南大学物理学院/64412021-12-152021-12-154，反应溅射：在溅射化合物薄膜时，可以直接使用化合物靶材，也可在通入活性反应气体的情况下，溅射靶材时，由溅射原子与反应气体在靶表面反应形成化合物（氮化物、碳化物、氧化物）。靶中毒：反应气体可能与靶反应，在靶表面形成化合

34、物，使溅射无法进行；沉积膜的成分不同于靶材；化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体；调整氩气和反应气体分压，可控制化合物薄膜的组成、沉积速率和薄膜性能。 反应溅射特征：反应溅射特征：中南大学物理学院/64422021-12-152021-12-15 靶中毒现象：靶中毒现象： 取决于金属与反应气体的结合特性及形成化合物表层的性质。 降低薄膜沉积速率，化合物的溅射产额低于金属的溅射产额。 降低靶中毒措施：降低靶中毒措施：将反应气体输入位置远离靶材靠近衬底。提高靶材溅射速率，降低活性气体的吸附。采用中频或脉冲溅射。中南大学物理学院/64432021-12-152021-12-15

35、反应溅射应用：反应溅射应用：中南大学物理学院/64442021-12-152021-12-155, 磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜 由由Penning 发明，可在较低的工作气压下得到较高的沉发明，可在较低的工作气压下得到较高的沉积速率，在较低的基片温度下获得高质量薄膜。在高速沉积速率，在较低的基片温度下获得高质量薄膜。在高速沉积金属、半导体和介电薄膜等方面应用很广。积金属、半导体和介电薄膜等方面应用很广。 常见的工作气压在常见的工作气压在0.1-3Pa之间，电压在之间，电压在300-700伏。伏。中南大学物理学院/64452021-12-152021-12-15磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜 与直流溅射相

36、似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。 将将等离子束缚在靶表面等离子束缚在靶表面 电子作旋进运动，使原电子作旋进运动，使原子电离机会增加，能量耗子电离机会增加，能量耗尽后落在阳极，基片温升尽后落在阳极，基片温升低、损伤小低、损伤小磁场之作用：磁场之作用：中南大学物理学院/64462021-12-152021-12-15中南大学物理学院/64472021-12-152021-12-15 传统溅射方法缺点：传统溅射方法缺点：垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶

37、材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高电子与气体分子的碰撞几率和电离过程。磁控溅射用途最广：沉积速率低；工作气压高；气体分子对薄膜污染高 磁控溅射原理：磁控溅射原理：中南大学物理学院/64482021-12-152021-12-153 3，磁控溅射靶：，磁控溅射靶：永磁体磁控溅射靶：永磁体磁控溅射靶： Nd-Fe-B永磁体（简单经济、铁磁性材料溅射效率低）励磁磁控溅射靶：励磁磁控溅射靶： 励磁线圈、结构复杂平面靶和圆柱形靶平面靶和圆柱形靶中南大学物理学院/64492021-12-152021-12-15中南大学物理学院/64502021-12-152021-12-15帕邢（帕邢（Pas

38、chenPaschen）曲线）曲线降低工作气压，可到0.5Pa左右；电离效率高，提高了靶电流密度和溅射效率，降低靶电压；离子电流密度高，是射频溅射的10-100倍；不能实现强磁性材料的低温高速溅射；靶材溅射不均匀、靶材利用率低。磁控溅射特征：磁控溅射特征：中南大学物理学院/64512021-12-152021-12-15通过减小或增大靶中心的磁体体积，使部分磁力线发散到距靶较远的衬底附近，使等离子体扩展到衬底附近且部分等离子体起轰击衬底作用，提高溅射效率拓展等离子体区域；增加离子比例；增加沉积能量。 非平衡磁控溅射：非平衡磁控溅射：中南大学物理学院/64522021-12-152021-12-

39、15 射频（RF）磁控溅射 直流（DC）磁控溅射 中频/脉冲（MF）磁控溅射常用磁控溅射种类：中南大学物理学院/64532021-12-152021-12-15射频（射频（RFRF）磁控溅射）磁控溅射射频磁控溅射的特点：射频磁控溅射的特点：电流大，溅射速率高，产量大膜层与基体的附着力比较强 向基片的入射能量低，避免了 基片温度的过度升高 大功率的射频电源价格较高 ，对 于人身防护也成问题 。装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、 匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件 。1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板9-匹配网络 10-电源 11-射频发

40、生器中南大学物理学院/64542021-12-152021-12-15直流（直流（DCDC）磁控溅射）磁控溅射1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板 直流磁控溅射装置图与射频磁控溅射装置图相比，其不需要外部复杂的网络匹配装置和昂贵的射频电源装置，适合溅射导体或者半导体材料。现已经在工业上大量使用。. 靶材靶材 直流磁控溅射沉积薄膜一般用平面靶。圆形平面靶： 15%矩形平面靶： 30%中南大学物理学院/64552021-12-152021-12-15直流（直流（DCDC）磁控溅射）磁控溅射中南大学物理学院/64562021-12-152021

41、-12-15中频（中频（MFMF）和脉冲磁控溅射）和脉冲磁控溅射 在制备绝缘的化合物薄膜时，可采用射频溅射化合物靶，也可采用反应溅射金在制备绝缘的化合物薄膜时，可采用射频溅射化合物靶，也可采用反应溅射金属靶，但反应溅射金属靶会产生靶中毒，靶面打火等。这时可采用中频或脉冲溅射属靶，但反应溅射金属靶会产生靶中毒，靶面打火等。这时可采用中频或脉冲溅射。 中频磁控溅射可用在单个阴极靶系统中中频磁控溅射可用在单个阴极靶系统中,频率在频率在10-150K赫兹之间，靶交替处于赫兹之间，靶交替处于正负电位，在正半周时，电子到达靶材表面中和掉正离子，抑制反应溅射时可能产正负电位，在正半周时，电子到达靶材表面中和

42、掉正离子，抑制反应溅射时可能产生的靶面打火和靶中毒现象。生的靶面打火和靶中毒现象。工业上一般使用孪生靶溅射系统。两个靶材交替作为阴极和阳极，以提高效率。工业上一般使用孪生靶溅射系统。两个靶材交替作为阴极和阳极，以提高效率。中南大学物理学院/64572021-12-152021-12-15中南大学物理学院/64582021-12-152021-12-15一种典型的平面矩形靶中频（中频（MFMF）磁控溅射）磁控溅射中南大学物理学院/64592021-12-152021-12-15中频（中频（MFMF）磁控溅射）磁控溅射中南大学物理学院/64602021-12-152021-12-15三种磁控溅射对

43、比三种磁控溅射对比DCMFRF电源价格便宜一般昂贵靶材圆靶/矩形靶平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶靶材材质要求导体无限制无限制抵御靶中毒能力弱强强靶材利用率15 / 3030 / 70应用金属金属/化合物工业上不采用此法易打弧，不稳定在反应溅射中要严格控制反应气体流量工作稳定，无打弧现象，溅射速率快中南大学物理学院/64612021-12-152021-12-151. 热蒸发理论热蒸发理论认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生局域高温，发生熔化而蒸发。局域高温，发生熔化而蒸发。该理论可解释的现象：该理论可解释的现象：a)溅射率与靶材蒸发

44、热的关系；溅射率与靶材蒸发热的关系；b)溅射率与入射离子能量的关系；溅射率与入射离子能量的关系；c)溅射原子的余弦分布律。溅射原子的余弦分布律。溅射机理溅射机理中南大学物理学院/64622021-12-152021-12-15该理论不能解释的现象：该理论不能解释的现象：溅射原子的角分布并不象热蒸发原子那样符合余弦规律，从单晶靶溅射出溅射原子的角分布并不象热蒸发原子那样符合余弦规律，从单晶靶溅射出的原子趋向于集中在晶体原子密排方向；的原子趋向于集中在晶体原子密排方向；溅射产额不仅取决于轰击离子能量，同时也取决于其质量与靶原子质量之溅射产额不仅取决于轰击离子能量，同时也取决于其质量与靶原子质量之比；比；溅射产额取决于轰击离子的入射角，当入射角不同时，溅射原子的角分布溅射产额取决于轰击离子的入射角，当入射角不同时，溅射原子的角分布也不相同；也不相同；溅射原子的能量比热蒸发原