薄膜制备技术—溅射法ppt课件

1、n3.1 溅射根本原理溅射根本原理n3.2溅射主要参数溅射主要参数n3.3 溅射堆积安装及工艺溅射堆积安装及工艺n3.4 离子成膜技术离子成膜技术n3.5 溅射技术的运用溅射技术的运用第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法n溅射：荷能粒子轰击固体外表，固体外表原子或分溅射：荷能粒子轰击固体外表，固体外表原子或分 子获得入射粒子所携带的部分能量，从而使其射出子获得入射粒子所携带的部分能量，从而使其射出的景象。的景象。n1852年年Grove研讨辉光放电时初次发现了溅射景象。研讨辉光放电时初次发现了溅射景象。n离子溅射：由于离子易于在电磁场中加速或偏转，离子溅射：由于离子易于在电磁场中

2、加速或偏转，荷能粒子普通为离子，这种溅射称为离子溅射。荷能粒子普通为离子，这种溅射称为离子溅射。第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法离子轰击固体外表能够发生一系列的物理过程，每种过程离子轰击固体外表能够发生一系列的物理过程，每种过程的相对重要性取决于入射离子的能量。的相对重要性取决于入射离子的能量。3.1 溅射根本原理溅射根本原理n溅射镀膜过程：利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能溅射镀膜过程：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，从靶材外表被溅射出来的原子以一量，轰击固体靶物质，从靶材外表被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上构成薄膜。定的动能

3、射向衬底，在衬底上构成薄膜。n阴极溅射：在实践进展溅射时，多半是让被加速的正离子轰击阴极溅射：在实践进展溅射时，多半是让被加速的正离子轰击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以也称此过程为阴作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以也称此过程为阴极溅射。极溅射。第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法n溅射镀膜的优点：溅射镀膜的优点：n1对于任何待镀资料，只需能作成靶材，就可实现溅射对于任何待镀资料，只需能作成靶材，就可实现溅射n2溅射所获得的薄膜与基片结合较好溅射所获得的薄膜与基片结合较好n3溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好n4溅射工艺可反复性好，可

4、以在大面积衬底上获得厚度溅射工艺可反复性好，可以在大面积衬底上获得厚度n 均匀的薄膜均匀的薄膜 n缺陷：缺陷：n 相对于真空蒸发，堆积速率低，基片会遭到等离子体的相对于真空蒸发，堆积速率低，基片会遭到等离子体的辐照等作用而产生温升。辐照等作用而产生温升。第三章第三章 薄膜制备技术薄膜制备技术溅射法溅射法n在溅射过程中，大约在溅射过程中，大约95%的粒子能量作为热量而损的粒子能量作为热量而损耗掉，仅有耗掉，仅有5%的能量传的能量传送给二次发射的粒子。送给二次发射的粒子。n在在1kv的离子能量下，溅的离子能量下，溅射出的中性粒子、二次电射出的中性粒子、二次电子和二次离子之比约为子和二次离子之比约为

5、100:10:1。3.1 溅射根本原理溅射根本原理一、离子轰击产生的各种景象一、离子轰击产生的各种景象n靶材是需求被溅射的物质，作为靶材是需求被溅射的物质，作为n 阴极，相对阳极加数千伏电压，阴极，相对阳极加数千伏电压，n 在真空室内充入在真空室内充入Ar气，在电极气，在电极间构成辉光放电。间构成辉光放电。n辉光放电过程中，将产生辉光放电过程中，将产生Ar离子，离子，阴极资料原子，二次电子，光子阴极资料原子，二次电子，光子等。等。3.1 溅射根本原理溅射根本原理二、辉光放电的物理根底二、辉光放电的物理根底n等离子体等离子体n 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中等离子体是一种中性、

6、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自在电子。性原子或分子、原子团、带电离子和自在电子。n作用：作用：n 1、提供发生在衬底外表的气体反响所需求的大、提供发生在衬底外表的气体反响所需求的大n 部分能量部分能量 n 2、经过等离子刻蚀选择性地去处金属、经过等离子刻蚀选择性地去处金属n 3.1 溅射根本原理溅射根本原理 产生辉光放电产生辉光放电 经过混合气体中加直流电压、或射频电压，混经过混合气体中加直流电压、或射频电压，混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、气体原子或分子碰撞并激发他

7、们，受激的原子、或离子前往其最低能级时，以发射光或声子或离子前往其最低能级时，以发射光或声子的方式将能量释放出来。的方式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。不同气体对应不同的发光颜色。 3.1 溅射根本原理溅射根本原理真空室电极高真空泵等离子体RF 发生器匹配部件4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine (neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineEl

8、ectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体n直流电源直流电源E, 提供电压提供电压V和电流和电流I那么那么 V = E - IR。n1、辉光放电过程包括、辉光放电过程包括n初始阶段初始阶段AB：I=0 无光放电区无光放电区n汤生放电区汤生放电区BC：I迅速增大迅速增大n过渡区过渡区CD：离子开场轰击阴极，产生：离子开场轰击阴极，产生二次电子，又与气体分子碰撞产生更多二次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子

9、离子n辉光放电区辉光放电区DE：I增大，增大，V恒定恒定n异常辉光放电区异常辉光放电区EF：溅射所选择的任：溅射所选择的任务区务区n弧光放电：弧光放电：I增大，增大，V减小减小n弧光放电区弧光放电区FG：添加电源功率，电流：添加电源功率，电流迅速添加迅速添加ABCDEFG3.1 溅射根本原理溅射根本原理 3.1 溅射根本原理溅射根本原理 溅射实际模型：动量实际，也称为级联碰撞实际。入射离子在进入溅射实际模型：动量实际，也称为级联碰撞实际。入射离子在进入靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射离子的一部分动能会传送靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射离子的一部分动能会传送给靶材原子，当后者的

10、动能超越由其周围存在的其他靶材原子所构成的给靶材原子，当后者的动能超越由其周围存在的其他靶材原子所构成的势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出产生离位原子，并进一步和附近势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出产生离位原子，并进一步和附近的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。 当这种级联碰撞到达靶材外表时，假设接近靶材外表的原子的动能当这种级联碰撞到达靶材外表时，假设接近靶材外表的原子的动能超越外表结合能，这些外表原子就会逸出靶材，成为溅射粒子。超越外表结合能，这些外表原子就会逸出靶材，成为溅射粒子。一、溅射阈和溅射产额一、溅射阈和溅射产额溅射阈指的是入

11、射离子溅射阈指的是入射离子使阴极靶产生溅射所使阴极靶产生溅射所需的最小能量。需的最小能量。 溅射阈与离子质量之间溅射阈与离子质量之间没有明显的依赖关系，没有明显的依赖关系，主要取决于靶资料。主要取决于靶资料。对大多数金属来说，溅对大多数金属来说，溅射阈值在射阈值在10-40eV范范围内，相当于升华热围内，相当于升华热的的4-5倍。倍。 3.2 溅射主要参数溅射主要参数一、溅射阈和溅射产额一、溅射阈和溅射产额溅射产额又称为溅射率溅射产额又称为溅射率或溅射系数，表示正或溅射系数，表示正离子撞击阴极时，平离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴均每个正离子能从阴极上打出的原子数。极上打出的原子数。与入射

12、能量，入射离子与入射能量，入射离子种类，溅射物质种类种类，溅射物质种类及入射离子的入射角及入射离子的入射角度有关。度有关。 3.2 溅射主要参数溅射主要参数1. 入射离子能量的影响入射离子能量的影响只需入射离子能量超越一定阈值以后，才干从被溅射物质只需入射离子能量超越一定阈值以后，才干从被溅射物质外表溅射出离子。外表溅射出离子。阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热有一定比例关系。华热有一定比例关系。 随入射离子能量的添加，溅射产额先添加，然后处于平缓随入射离子能量的添加，溅射产额先添加，然后处于平缓10Kev)，离子能量继续添

13、加，溅射产额反而下降。，离子能量继续添加，溅射产额反而下降。3.2 溅射主要参数溅射主要参数2 入射离子的种类和被溅射物质的种类入射离子的种类和被溅射物质的种类通常采用惰性气体离子来溅射，重离子的通常采用惰性气体离子来溅射，重离子的溅射产额比轻离子高，但思索价钱要素，溅射产额比轻离子高，但思索价钱要素，通常运用氩气作为溅射气体。通常运用氩气作为溅射气体。用一样能量的离子溅射不同的物质，溅射用一样能量的离子溅射不同的物质，溅射产额也是不同的，产额也是不同的，Cu, Ag, Au产额高，而产额高，而Ti, W, Mo等产额低。等产额低。3.2 溅射主要参数溅射主要参数3、离子入射角度对溅射、离子入

14、射角度对溅射 产额的影响产额的影响入射角是指离子入射方向与入射角是指离子入射方向与被溅射靶材外表法线之间的被溅射靶材外表法线之间的夹角。夹角。倾斜入射有利于提高产额，倾斜入射有利于提高产额，但当入射角接近但当入射角接近80时，产时，产额迅速下降。在额迅速下降。在 =90 时，溅时，溅射产额为零。射产额为零。3.2 溅射主要参数溅射主要参数4. 合金与化合物的溅射合金与化合物的溅射溅射产额普通不能直接由相应金属的值来确定。溅射产额普通不能直接由相应金属的值来确定。自动补偿效应：溅射产额高的物质曾经贫化，溅射自动补偿效应：溅射产额高的物质曾经贫化，溅射速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率

15、下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率上升。最终结果是，虽然靶材外表的化学成速率上升。最终结果是，虽然靶材外表的化学成分曾经改动，但溅射得到的合金薄膜成分却与靶分曾经改动，但溅射得到的合金薄膜成分却与靶材的原始成分根本一样。材的原始成分根本一样。当靶的温度很高，各种合金成分由于热扩分发生变当靶的温度很高，各种合金成分由于热扩分发生变化时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。化时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。3.2 溅射主要参数溅射主要参数n二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度n靶外表受离子轰击会放出各种粒子，主要是溅射原靶外表受离子轰击会放出各种粒子，主要是溅射原子绝大

16、部分是单原子。子绝大部分是单原子。n处于基态或不同激发态。处于基态或不同激发态。n用用100eV的的Ar离子对多晶离子对多晶Cu靶进展溅射，溅射粒子靶进展溅射，溅射粒子中中95%是是Cu的单原子，其他是的单原子，其他是Cu分子。分子。n随入射离子能量的添加，构成溅射粒子的原子数也随入射离子能量的添加，构成溅射粒子的原子数也逐渐添加。逐渐添加。3.2 溅射主要参数溅射主要参数二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度对化合物靶进展溅射时，情况与单元素靶类似。对化合物靶进展溅射时，情况与单元素靶类似。当入射离子能量在当入射离子能量在100eV以下时，溅射粒子是构成化以下时，溅射粒子是构成化合

17、物的原子，只需当入射离子能量在合物的原子，只需当入射离子能量在10keV以上时，以上时，溅射粒子中才较多地出现化合物分子。溅射粒子中才较多地出现化合物分子。3.2 溅射主要参数溅射主要参数二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度与热蒸发原子具有的动能与热蒸发原子具有的动能0.01-1eV相比，溅射相比，溅射原子的动能要大得多。原子的动能要大得多。3.2 溅射主要参数溅射主要参数二、溅射粒子的能量和速度二、溅射粒子的能量和速度 用用Hg离子轰击时，大多数溅射原子的速度为离子轰击时，大多数溅射原子的速度为4105cm/s，平均动能约为，平均动能约为4.5eV。增大入射离。增大入射离子能量，

18、峰值向高速方向偏移，阐明溅射原子中子能量，峰值向高速方向偏移，阐明溅射原子中能量较高的比例添加。能量较高的比例添加。 p43页图页图3103.2 溅射主要参数溅射主要参数三、溅射速率和淀积速率三、溅射速率和淀积速率靶材原子的迁移涉及到三个过程：靶材原子的迁移涉及到三个过程： 靶材外表的溅射、由靶材外表到衬底靶材外表的溅射、由靶材外表到衬底外表的分散、衬底外表的堆积。外表的分散、衬底外表的堆积。分别具有一定的速率。分别具有一定的速率。3.2 溅射主要参数溅射主要参数一、阴极溅射安装及特性只适用于靶材为良导体的溅射一、阴极溅射安装及特性只适用于靶材为良导体的溅射气体离子气体离子靶材离子靶材离子二次

19、电子二次电子3.3 溅射堆积安装及工艺溅射堆积安装及工艺一、阴极溅射安装及特性一、阴极溅射安装及特性n任务原理：任务原理：n 加上直流电压后，辉光放电开场，正离子打击靶加上直流电压后，辉光放电开场，正离子打击靶面，靶材外表的中性原子溅射出，这些原子堆积在面，靶材外表的中性原子溅射出，这些原子堆积在衬底上构成薄膜。衬底上构成薄膜。n在离子轰击靶材的同时，有大量二次电子从阴极靶在离子轰击靶材的同时，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，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，更多的离子轰与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰

20、击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电到达击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电到达自持。自持。一、阴极溅射安装及特性一、阴极溅射安装及特性优点：构造简单，操作方便，可长时间进展溅射。优点：构造简单，操作方便，可长时间进展溅射。缺陷：缺陷：阴极溅射辉光放电的离化率低，堆积速率低，只需阴极溅射辉光放电的离化率低，堆积速率低，只需80nm/min；靶材必需为金属，在非反响性气氛中不能制备绝缘介质资料；靶材必需为金属，在非反响性气氛中不能制备绝缘介质资料；二次电子轰击，温度较高，使不能接受高温的衬底的运用遭到限二次电子轰击，温度较高，使不能接受高温的衬底的运用遭到限制，且对衬底呵斥损伤；制，且对

21、衬底呵斥损伤；任务气压高，对薄膜呵斥污染，影响堆积速率，降低任务气压易任务气压高，对薄膜呵斥污染，影响堆积速率，降低任务气压易使辉光放电熄灭。使辉光放电熄灭。二、二、 三极溅射和四极溅射安装及特性三极溅射和四极溅射安装及特性n在低压下，为添加离化率并保证放电自持，方法之一是在低压下，为添加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中，这个提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中，这个独立的电子源就是热阴极，它经过热离子辐射方式发射独立的电子源就是热阴极，它经过热离子辐射方式发射电子。电子。n所谓三极指的是阴极、阳极和靶电极。所谓三极指的是阴极、阳极和靶电极。n四

22、极溅射是在上述三极的根底上再加上辅助电极，也称四极溅射是在上述三极的根底上再加上辅助电极，也称为稳定电极，用以稳定辉光放电。为稳定电极，用以稳定辉光放电。n堆积速率约堆积速率约2 m/min。三极溅射三极溅射在低压下，为添加离化率并保证放电自持，方法之一是在低压下，为添加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。阳极电位高于基片三极溅射安装及特性三极溅射安装及特性二、二、 三极溅射和四极溅射安装及特性三极溅射和四极溅射安装及特性优点：轰击靶材的离子电流和离子能量可以完全优点：轰击靶材的离子电流和离子能量可以完全独立控

23、制，而且在比较低的压力下也能维持放独立控制，而且在比较低的压力下也能维持放电，因此溅射条件的可变范围大；对衬底的辐电，因此溅射条件的可变范围大；对衬底的辐射损伤小，可以防止衬底温升。射损伤小，可以防止衬底温升。缺陷：安装构造复杂，难以获得覆盖面积大、密缺陷：安装构造复杂，难以获得覆盖面积大、密度均匀的等离子体，灯丝易耗费。度均匀的等离子体，灯丝易耗费。除特殊用途外已不在运用。除特殊用途外已不在运用。n任务原理任务原理n在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘在射频溅射系统中，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，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

24、有足够高的能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，从而使放电到达自持，阴量产生离化碰撞，从而使放电到达自持，阴极溅射的二次电子不再重要。极溅射的二次电子不再重要。n由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于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负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶外表，而靶变成负的自偏压。它将在绝缘靶外表，而靶变成负的自偏压。它将在外表附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰外表附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。击靶，产生溅射。三、射频溅射安装及特性三、射频溅射安装及特性三、射频溅射安装及特性三、射频溅射安装及

25、特性三、射频溅射安装及特性三、射频溅射安装及特性三、射频溅射安装及特性三、射频溅射安装及特性n假设使衬底为正电位时到达衬底的电子数等于衬底假设使衬底为正电位时到达衬底的电子数等于衬底为负电位时到达衬底的离子数，那么靶材在绝大部为负电位时到达衬底的离子数，那么靶材在绝大部分时间内呈负性，就是说相当于靶自动地加了一个分时间内呈负性，就是说相当于靶自动地加了一个负偏压负偏压Vb，于是靶材能在正离子轰击下进展溅射。，于是靶材能在正离子轰击下进展溅射。n高频交流电场使靶交替地由离子和电子进展轰击，高频交流电场使靶交替地由离子和电子进展轰击，电子在高频电场中的振荡添加了电离几率，因此射电子在高频电场中的振

26、荡添加了电离几率，因此射频溅射的溅射速率要高于阴极溅射。频溅射的溅射速率要高于阴极溅射。n靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。四、磁控溅射安装及特性四、磁控溅射安装及特性n为了在低气压下进展高速溅射，必需有效地提高气为了在低气压下进展高速溅射，必需有效地提高气体的离化率。体的离化率。n磁控溅射引入正交电磁场，使离化率提高到磁控溅射引入正交电磁场，使离化率提高到5%-6%，溅射速率提高十倍左右。，溅射速率提高十倍左右。n磁控溅射的优点，：堆积速率大，产量高；功率效磁控溅射的优点，：堆积速率大，产量高；功率效率高；可进展低能溅射；向衬底的入射能量低，溅率高；可进展低

27、能溅射；向衬底的入射能量低，溅射原子的离化率高等。射原子的离化率高等。四、磁控溅射安装及特性四、磁控溅射安装及特性1直流电源直流电源 2出水口出水口 3进水口进水口 4进气口进气口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏压基片偏压四、磁控溅射安装及特性四、磁控溅射安装及特性n磁场的作用使电子不再磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动这就意味着电子的运动途径由于磁场的作用而途径由于磁场的作用而大幅度地添加，从而有大幅度地添加，从而有效地提高了气体的离化效地提高了气体的离化效率和薄膜的堆积速率。效

28、率和薄膜的堆积速率。四、磁控溅射安装及特性四、磁控溅射安装及特性 磁控溅射比直流和射频溅射的堆积速率高很多。磁控溅射比直流和射频溅射的堆积速率高很多。 缘由：缘由：1磁场中电子的电离效率提高，离化率提高到磁场中电子的电离效率提高，离化率提高到 5%-6%，溅射速率可提高十倍左右。，溅射速率可提高十倍左右。2在较低气压下在较低气压下0.1Pa)溅射原子被散射的几率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。而提高薄膜的质量。 四、磁控溅射安装及特性四、磁控溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性 在存

29、在反响气体的情况下，溅射靶材时，靶资料与反响气在存在反响气体的情况下，溅射靶材时，靶资料与反响气体反响构成化合物如氧化物或氮化物，这种在堆积的同时体反响构成化合物如氧化物或氮化物，这种在堆积的同时构成化合物的溅射称为反响溅射。普通以为化合物是在薄膜淀构成化合物的溅射称为反响溅射。普通以为化合物是在薄膜淀积的同时构成的。积的同时构成的。 反响物要进展反响，必需有足够高能量去抑制反响活化能。反响物要进展反响，必需有足够高能量去抑制反响活化能。 利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，能够薄膜与靶利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，能够薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会呵斥氧含量偏低，这材

30、的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会呵斥氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。时可在溅射气体中通入适量的氧气。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性活化能越高，活化分子占活化能越高，活化分子占整个分子总数得百分数越整个分子总数得百分数越低，那么发生化学反响的低，那么发生化学反响的有效碰撞次数越少，化学有效碰撞次数越少，化学反响速率就越慢。反响速率就越慢。Ea Ea 为放热反响；为放热反响；Ea Ea 为吸热反响；为吸热反响；活化分子具有的最低动能与反响物分子平均动能之差，为活化能。活化分子具有的最低动能与反响物分子平均动能之差，为活化能。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性

31、热蒸发粒子的平均能量热蒸发粒子的平均能量只需只需0.1-0.2eV，而溅射，而溅射粒子可达粒子可达10-20eV，比，比热蒸发高出两个数量级。热蒸发高出两个数量级。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性 1889年，瑞典化学家年，瑞典化学家Arrhenius在总结大量实验的根底上，在总结大量实验的根底上，提出了化学反响速率常数提出了化学反响速率常数V与活化能、热力学温度与活化能、热力学温度T之间的关系：之间的关系：V=Cexp(-Ea/RT)平均能量平均能量E=3/2kT，所以上式可改写成，所以上式可改写成V=Cexp(-3Ea/2NAE)所以溅射的反响速率要远大于热蒸发。所以溅射的反响

32、速率要远大于热蒸发。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性 在存在反响气体的情况下，溅射靶材时，靶资料与反响气在存在反响气体的情况下，溅射靶材时，靶资料与反响气体反响构成化合物如氧化物或氮化物，这种在堆积的同时体反响构成化合物如氧化物或氮化物，这种在堆积的同时构成化合物的溅射称为反响溅射。普通以为化合物是在薄膜淀构成化合物的溅射称为反响溅射。普通以为化合物是在薄膜淀积的同时构成的。积的同时构成的。 反响物要进展反响，必需有足够高能量去抑制反响活化能。反响物要进展反响，必需有足够高能量去抑制反响活化能。 利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，能够薄膜与靶利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时

33、，能够薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会呵斥氧含量偏低，这材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会呵斥氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。时可在溅射气体中通入适量的氧气。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性溅射过程中，反响根本发生在衬底外表，气相反响几溅射过程中，反响根本发生在衬底外表，气相反响几乎可以忽略乎可以忽略.靶面同时进展着溅射和反响生成化合物的两种过程。靶面同时进展着溅射和反响生成化合物的两种过程。假设溅射速率大于化合物生成速率，那么靶就处于金假设溅射速率大于化合物生成速率，那么靶就处于金属溅射态；反之，假设化合物构成的速率超越溅射速属溅射态；反之，假设化合物

34、构成的速率超越溅射速率，那么溅射就能够停顿。率，那么溅射就能够停顿。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性 在典型的反响溅射系统中，反响气体与靶发生反响，在靶外在典型的反响溅射系统中，反响气体与靶发生反响，在靶外表构成化合物，称为靶中毒。表构成化合物，称为靶中毒。 三种要素引起：其一，在靶面构成了溅射速率比金属低得多三种要素引起：其一，在靶面构成了溅射速率比金属低得多的化合物；其二，化合物的二次电子发射要比相应的金属大的化合物；其二，化合物的二次电子发射要比相应的金属大得多，更多的离子能量用于产生和加速二次电子；其三，反得多，更多的离子能量用于产生和加速二次电子；其三，反响气体离子的溅射

35、率比惰性响气体离子的溅射率比惰性Ar低。低。 为处理这一困难，常将反响气体和溅射气体分别送到衬底和为处理这一困难，常将反响气体和溅射气体分别送到衬底和靶材附近，以构成压强梯度。靶材附近，以构成压强梯度。五、反响溅射安装及特性五、反响溅射安装及特性 反响溅射是低温等离子体气相堆积过程，反复性好，已用于制备大量的化合物薄膜，并作为切削工具、反响溅射是低温等离子体气相堆积过程，反复性好，已用于制备大量的化合物薄膜，并作为切削工具、微电子元件的涂层。微电子元件的涂层。 采用纯金属作为靶材，通入不同的反响气体，堆积不同的薄膜。采用纯金属作为靶材，通入不同的反响气体，堆积不同的薄膜。 如：如：氧化物：氧化

36、物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等等(反响气体反响气体O2碳化物：碳化物：SiC， WC，TiC等等(反响气体反响气体CH4氮化物：氮化物：BN，FeN TiN，AlN，Si3N4等等(反响气体反响气体N2硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反响气体反响气体H2S化合物：化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7 1. 离子镀成膜离子镀成膜 简称离子镀，是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分简称离子镀，是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反响物离化，在气体离

37、子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反响物堆积在衬底上。堆积在衬底上。 是真空蒸发和溅射技术相结合的一种镀膜方法，明显提高了薄膜的各种是真空蒸发和溅射技术相结合的一种镀膜方法，明显提高了薄膜的各种性能，大大扩展了镀膜技术的运用范围。性能，大大扩展了镀膜技术的运用范围。3.4 离子成膜技术离子成膜技术3.4 离子成膜技术离子成膜技术 1. 离子镀成膜离子镀成膜-直流离子镀直流离子镀 直流离子镀的特征是利用辉光放电产生离子，并由基板上所加的直流离子镀的特征是利用辉光放电产生离子，并由基板上所加的负电压对离子加速。负电压对离子加速。 普通真空蒸发的各种电阻蒸发源都可用于离子镀。普通真空蒸发

38、的各种电阻蒸发源都可用于离子镀。 直流离子镀设备简单，技术容易实现，特别是在导电基板上制备金直流离子镀设备简单，技术容易实现，特别是在导电基板上制备金属膜是很方便的。属膜是很方便的。3.4 离子成膜技术离子成膜技术-离子镀成膜离子镀成膜 1. 离子镀成膜射频离子镀离子镀成膜射频离子镀 射频离子镀是在直流法的基板和蒸发源之间装上一个射射频离子镀是在直流法的基板和蒸发源之间装上一个射 频线圈，使衬底坚持负偏压。频线圈，使衬底坚持负偏压。 放电稳定，在较高的真空度下也能运转。放电稳定，在较高的真空度下也能运转。被蒸镀物质的汽化原子的离化率可达被蒸镀物质的汽化原子的离化率可达10%，任务压力仅，任务压

39、力仅 为直流离子镀的为直流离子镀的1%。射频离子镀的蒸发、离化、加速可分别独立控制，易于射频离子镀的蒸发、离化、加速可分别独立控制，易于 反响；和其他离子镀相比，衬底温升低而且易于控制。反响；和其他离子镀相比，衬底温升低而且易于控制。 用于在玻璃和塑料等绝缘体上制备介质膜。用于在玻璃和塑料等绝缘体上制备介质膜。3.4 离子成膜技术离子成膜技术-离子镀成膜离子镀成膜 1. 离子镀成膜离子镀成膜 除具有真空蒸发和溅射的优点外，还有：除具有真空蒸发和溅射的优点外，还有：膜层附着力强。膜层附着力强。膜层堆积速率快，最高堆积速率可达膜层堆积速率快，最高堆积速率可达50m/min。膜层密度高。膜层密度高。

40、 绕镀性能好。为复杂外形零件镀膜提供好方法。绕镀性能好。为复杂外形零件镀膜提供好方法。3.4 离子成膜技术离子成膜技术1. 离子镀成膜离子镀成膜 运用离子镀，衬底选择广泛。运用离子镀，衬底选择广泛。 主要用在制备高硬度机械刀具上堆积耐磨、高硬主要用在制备高硬度机械刀具上堆积耐磨、高硬度膜，堆积耐磨的固体光滑膜，在金属、塑料制品上度膜，堆积耐磨的固体光滑膜，在金属、塑料制品上堆积一层耐久的装饰膜；半导体薄膜等。堆积一层耐久的装饰膜；半导体薄膜等。3.4 离子成膜技术离子成膜技术 2. 离子束成膜离子束成膜真空蒸发、溅射及离子镀技术的共同缺陷是不能确定到达基片的粒子流，真空蒸发、溅射及离子镀技术的

41、共同缺陷是不能确定到达基片的粒子流，也不能完全控制入射粒子的数目、入射角及粒子能量等参数。也不能完全控制入射粒子的数目、入射角及粒子能量等参数。假设采用高真空或超高真空中的固定离子束流来堆积薄膜，那么可以实现假设采用高真空或超高真空中的固定离子束流来堆积薄膜，那么可以实现上述目的。上述目的。这种方法称为离子束成膜技术。这种方法称为离子束成膜技术。 3.4 离子成膜技术离子成膜技术 离子束成膜离子束成膜1离子束溅射堆积离子束溅射堆积 又称为二次离子束堆积，由惰性气又称为二次离子束堆积，由惰性气体产生的高能离子束轰击靶材进展溅体产生的高能离子束轰击靶材进展溅射，堆积到衬底上成膜。射，堆积到衬底上成

42、膜。 在离子束溅射堆积中，用离子源发在离子束溅射堆积中，用离子源发出离子，经引出、加速、取焦，使其出离子，经引出、加速、取焦，使其成为束状，用此离子束轰击置于高真成为束状，用此离子束轰击置于高真空室中的靶，将溅射出的原子进展镀空室中的靶，将溅射出的原子进展镀膜。膜。 在堆积室中引入反响气体，还可以在堆积室中引入反响气体，还可以进展反响离子束磁控溅射，构成化合进展反响离子束磁控溅射，构成化合物薄膜。物薄膜。3.4 离子成膜技术离子成膜技术 -2. 离子束成膜离子束成膜在离子束溅射堆积中，在离子束溅射堆积中，由离子源产生的离子束由离子源产生的离子束经过引出电极引入真空经过引出电极引入真空室，打到靶

43、材上溅射，室，打到靶材上溅射，实现薄膜堆积。实现薄膜堆积。3.4 离子成膜技术离子成膜技术 - 离子束成膜离子束成膜1离子束溅射堆积离子束溅射堆积1离子束溅射堆积离子束溅射堆积-优点：优点：用平行离子束溅射靶材，离子束的入射角和束流以及离子用平行离子束溅射靶材，离子束的入射角和束流以及离子 能量易于控制，可以做到离子束的准确聚焦和扫描；能量易于控制，可以做到离子束的准确聚焦和扫描；堆积室中的任务压强低，可将气相散射对堆积的影响减到堆积室中的任务压强低，可将气相散射对堆积的影响减到 最小，同时又可减小气体对薄膜的污染；最小，同时又可减小气体对薄膜的污染；衬底相对于离子源和靶材是独立的，温度和电压

44、可单独控衬底相对于离子源和靶材是独立的，温度和电压可单独控 制，与靶材和高频电路无关，可防止受高能电子的轰击；制，与靶材和高频电路无关，可防止受高能电子的轰击；离子束独立控制，可得到性能很好的薄膜，为溅射过程及离子束独立控制，可得到性能很好的薄膜，为溅射过程及 薄膜生长过程的研讨提供了强有力的手段。薄膜生长过程的研讨提供了强有力的手段。3.4 离子成膜技术离子成膜技术3.4 离子成膜技术离子成膜技术 -溅射堆积溅射堆积3.4 离子成膜技术离子成膜技术 -溅射堆积溅射堆积2离子束堆积离子束堆积IBD 又称为一次离子束堆积，由固态物质的离子束直接打在又称为一次离子束堆积，由固态物质的离子束直接打在衬底上堆积而构成薄膜。衬底上堆积而构成薄膜。 普通而言，当固态物质离子照射固体外表时，依入射离普通而言，当固态物质离子照射固体外表时，依入射离子能量子能量E的大小不同，会引起三种景象：的大小不同，会引起三种景象：堆积景象堆积景象E300eV；溅射景象溅射景象300eV E 900eV；离子注入景象离子注入景象E900eV。三种景象不能截然分开，通常是同时存在的。三种景象不能截然分开，通常是同时存在的。3.4 离子成膜技术离子束堆积离子成