溅射成膜 第二章-第二讲

第二讲溅射成膜

溅射成膜溅射(sputtering)伴随着离子轰击固体表面的各种现象（右图）：1）大部分中性粒子（成膜）2）二次电子（辉光放电）3）少部分二次离子4）气体解吸、加热等其他现象95%的离子能量作为热量损耗掉5%的能量传递给二次发射的粒子溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1放电使气体转变成等离子体

等离子体电离气体普通气体等离子体放电

高能离子——等离子体（plasma）利用氩（Ar）离子或其它带有10keV

数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”。Ar是常用的离子源气体溅射成膜特点/与真空镀膜相比任何物质均可溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。可保证薄膜化学成分与靶材相同，但真空镀膜难以保证(原因)溅射膜与基板之间的附着性好。

蒸镀激发的原子平均动能

~0.14eV；溅射原子能量在10eV,为蒸镀原子能量的100倍)溅射镀膜密度高，针孔少，纯度高。膜厚可控性和重复性好。可大面积镀膜。溅射成膜特点/与真空镀膜相比缺点：设备复杂，需要高压装置，沉积速率低（0.01-0.5µm/min）;真空镀膜（0.1-5µm/min）基板温升较高，易受杂质气体影响溅射成膜---溅射率溅射率（又称溅射系数）： 平均每个正离子能从阴极上打出的原子数

影响因素： 溅射率与入射粒子种类、能量、角度及靶材料类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。1.靶材料同周期元素：溅射率随原子序数增大而增加Ag、Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小3.靶材温度温度低时，几乎不变化；超过一定温度，急剧增加（原因？）4.与靶材结构（晶态与非晶态）关系溅射镀膜分类整个溅射过程都是建立在辉光放电（glowdischarge

）的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。根据产生辉光放电方式的不同，可分为直流溅射(Directcurrentsputtering，DC)

射频溅射(Radiofrequencysputtering,RF

)磁控溅射(magnetronsputtering)2.1直流溅射原理真空室，靶-基板间加高电压Ar+在高压下高速运动撞击靶材，溅射出靶材粒子被溅射出的粒子在基板上成膜直流溅射条件：工作气压10Pa溅射电压3kV靶电流密度0.5mA/cm2沉积速率低于0.1μm/min直流溅射的缺点设备真空度差，残留气体影响大，膜层成分与气体发生反应或膜层中有气泡；基板处于高温等离子状态（温度有几百度），高温会损伤基板；靶材是强绝缘体的时候，表面有正电荷堆积，使放电终止。靶材只能是导电材料真空腔体和靶之间加高频交流电压；高频交流电压使电子和离子将在高频电场作用下交替向靶极迁移；2.2射频溅射

(

RadioFrequencysputtering

)3.

电子比离子轻，容易移动，迁移率高，飞向靶面中和正电荷，使靶材表面不会积累正电荷；4.

靶材一侧的电子没有流通渠道，电子密度升高，使靶带有负电，吸引阳离子撞击靶材。2.2射频溅射溅射条件：工作气压1Pa溅射电压1kV靶电流密度1mA/cm2沉积速率低于0.5μm/min可溅射绝缘体靶材。同直流溅射相比，主要附加了一高频电源。但两者的成膜速率都比较低，是蒸镀速度的1/5～1/102.3磁控溅射2.3磁控溅射附加一磁场，电子平行于靶材回旋运动，路径变长，更多气体被电离，使溅射速度大幅度提高，避免电子对衬底的轰击。WhatisMagnetronSputtering磁控溅射提高溅射速度，降低衬底温度；直流磁控溅射法和射频磁控溅射法磁控溅射主要使用圆形靶材。溅射条件：工作气压0.5Pa溅射电压0.6kV靶电流密度20mA/cm2沉积速率低于2μm/min磁控溅射镀膜光盘防爆膜应用2.4离子镀(ionplating)1）真空蒸镀速度快溅射成膜速率比较低，约0.5-2μm/min。蒸镀速度的1/5～1/102）溅射动能大，可清洗基片表面，成膜牢固离子镀，是真空蒸镀和溅射结合蒸发源接阳极，工件接阴极，通高压直流电，产生辉光放电。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，使待镀表面得到清洗。随后，接通蒸发源交流电源，蒸发料粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向工件，形成一层牢固的镀层。8-8离子镀原理.swf离子镀(ionplating)离子镀的特点具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点膜层的附着力强。可镀复杂表面。沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。离子束溅射离子束溅射唯一不使用放电的溅射方法离子枪发射高速离子照射靶材，使其溅射后在基板上成膜。离子源独立存在靶材不需要导电◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。

离子束溅射加工惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置聚焦离子束（FIB）溅射加工离子束溅射：加工金刚石刀具、冲头、刃磨； 大规模集成电路芯片刻蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具聚焦离子束（FIB）溅射可用于原位加工材料，进行观察和分析如揭示低熔点金属自发形成的晶须机制空气中水中HillocksformedinAl

alloy非常有用的加工技术，可用于材料原位的观察和分析UsingFIB+SEM1min1200oCCross-sectionobservations,FIBmilling~100nm55o3minSurfaceroughnessaffectsoxidationprocess~500nm30min~1mm磁控溅射制备MAX薄膜制备Ti3SiC2制备Ti2AlC及Ti3AlC2制备Cr2AlC应用举例MAXfilmAufilmElectronicconnectorElectricalconductiveandselflubricatingofMAXAufilm:Drawback1.制备Ti3SiC2薄膜

EpitaxialTi3SiC2（0001）thinfilmshavebeen