成都四洋科技有限公司官方网站

PVD真空镀膜技术

镀膜方式分为气相 、液相 、固相三种,真空镀膜主要以气相沉积为主。

物理气相淀积(PVD, physical vapor deposition)

化学气相淀积(CVD, chemical vapor deposition)


PVD镀膜技术是只发生物理过程的镀膜技术,镀膜方式主要涵盖以下三类:

1.真空蒸发,常用的物理气相沉积方法之一

电阻 热蒸发——常规的真空蒸发。

电子束蒸发。

激光束熔蒸:激光脉冲熔蒸靶材中原子或分子到衬底,生长外延的氧化物单晶薄膜。

热壁生长、离子团束生长


2.溅射,常用的物理气相沉积方法之一

溅射

RF磁控溅射

DC磁控溅射

离子束溅射

 —反应溅射,活性气体,生长化合物薄膜。


3.分子束外延MBE,超高真空,缓慢蒸发过程,多蒸发源,生长外延的单晶薄膜。(ALE, MLE)


PVD的概念:

在真空度较高的环境下,通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质粒子(可以是原子、分子或离子),这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。其技术关键在于:如何将源材料转变为气相粒子(而非CVD的化学反应)。


PVD关键的三个过程:

一、蒸发

1.热蒸发方式(thermal evaporation):膜料由电阻加热丝或蒸发舟蒸发,蒸发材料在真空室中被加热时,其原子或分子会从表面逸出(饱和蒸气压),沉积到基片上形成薄膜的方式。

(饱和蒸气压(PV):在一定的温度下,真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过程中所表现的压力)

以P和T为坐标而绘制的各种元素的饱和蒸气压曲线


蒸发速率随温度变化的敏感性:

lgP= A – B/T ,  A, B 可由实验确定


蒸发温度规定物质在饱和蒸气压为1 Pa时的温度,

饱和蒸气压与温度的关系曲线对于薄膜制作技术有重要意义,它可以帮助我们合理选择蒸发材料和确定蒸发条件。


蒸发形式. 蒸发温度>meltingpoint, 熔化; 否则, 升华。

常用元素有蒸发和溅射数据表可参考

材料
蒸发温度(K)
蒸发源
Al
1273
Ta,W
Cr
1478
W
Ag
1320
Ta,W,Mo


蒸发的两个关键:

真空度:P ≤10-3Pa(保证蒸发,粒子具分子流特征,以直线运动)
基片距离 (相对于蒸发源):10~50cm(兼顾沉积均匀性和气相粒子平均自由程)


对于大多数可以蒸发的薄膜材料,蒸发温度为1000-2500℃;均方根速度约为105cm.s-1,平均动能约为0.1-0.2eV,此数值只占汽化热的很小一部分,大部分汽化热用来克服固体或液体中原子间的吸引力.

蒸发出的原子是自由、无碰撞的,沉积速度快。


容易根据蒸发原料的质量、蒸发时间、衬底与蒸发源的距离、衬底的倾角、材料的密度等计算薄膜的厚度。


早期金属沉积工艺

蒸发装置的选择和运用也很重要,热效率:热传导和热辐射对薄膜制备是不利的 (必须使用坩埚或电极冷却)

比如,在1500°C下蒸发Al,选用合适的蒸发源, 所需能量为2.4kW.h/kg;用电阻丝蒸发,所需能量为7-20kW.h/kg;用TiB2电阻加热蒸发,所需能量为50-100kW.h/kg

以丝壮或片壮直接加热蒸发:C,Fe, Ti, Rh, Cr;大部分材料,须间接加热蒸发 → 需一个放加热材料的蒸发源

蒸发温度1000-2000°C的材料可用电阻加热作蒸发源. 

加热器 → 电阻 → 通电后产生热量 → 产生热量使蒸发材料的分子或原子获得足够大的动能而蒸发.


电阻加热装置的分类和特点:

1.丝状(0.05-0.13cm),蒸发物润湿电阻丝,通过表面张力得到支撑。只能蒸发金属或合金;有限的蒸发材料被蒸发;蒸发材料必须润湿加热丝;加热丝容易变脆。

2.凹箔:蒸发源为粉末。

3.锥形丝筐蒸发小块电介质或金属


蒸发材料的选择

1. 高熔点材料 (蒸发源材料的熔点>>蒸发温度)

2. 减少蒸发源的污染 (薄膜材料的蒸发温度<蒸发源材料在蒸汽压10-8Torr时对应的温度)

3. 蒸发源材料与薄膜材料不反应

4. 薄膜材料对蒸发源的湿润性

常用的蒸发源材料有: W、Mo、Ta,耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚


主要问题:

1. 支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应;
2. 一般工作温度在1500~1900℃,难以实现更高蒸发温度,所以可蒸发材料受到限制;
3. 蒸发率低;
4. 加热速度不高,蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物,则有可能分解或蒸发速率不同,造成薄膜成分偏离蒸发物材料成分。

    高温时,钽和金形成合金,铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽等形成合金

    B2O3与钨、钼、钽有反应,

    W与水汽或氧反应,形成挥发性的WO、WO2或WO3;Mo也能与水汽或氧反应生成挥发性的MoO3



电子束加热装置及特点

电子束通过5-10KV 的电场后被加速,然后聚焦到被蒸发的材料表面,把能量传递给待蒸发的材料使其熔化并蒸发。

无污染:与坩埚接触的待蒸发材料保持固态不变,蒸发材料与坩埚发生反应的可能性很小。(坩埚水冷)


热电子发射(金属在高温状态时,其内部的一部分电子获得足够的能量而逸出表面); 

电子在电场中加速;

聚焦电子束; 

聚焦电子束轰击被镀材料表面, 使动能变成热能.


直式电子枪

高能电子束轰击材料将发射二次电子,二次电子轰击薄膜会导致膜层结构粗糙,吸收增加, 均匀性变差.

E型电子枪

蒸发材料与阴极分开(单独处于磁场中),二次电子因受到磁场的作用而再次发生偏转, 大大减少了向基板发射的几率。

电子束蒸发的特点:

难熔物质的蒸发;

以较大的功率密度实现快速蒸发,防止合金分馏;

同时安置多个坩埚,同时或分别蒸发多种不同物质;

大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束,蒸发物质放在水冷坩埚内。蒸发发生在材料表面,有效抑制坩堝与蒸发材料之间的反应,适合制备高纯薄膜,可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料,如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等;

蒸发分子动能较大,能得到比电阻加热更牢固致密的膜层


电子束蒸发的缺点:

可使蒸发气体和残余气体电离,有时会影响膜层质量;

电子束蒸镀装置结构复杂,价格昂贵;

产生的软X射线对人体有一定的伤害。


激光蒸发技术

原理: 激光作为热源. 高能量的激光束透过真空室窗口,对蒸发材料进行加热.

特点:

采用非接触式加热, 减少污染, 简化真空室,适宜于超真空下制备纯洁薄膜;

热源清洁,无来自加热体的污染;

表面局部加热,无来自支撑物的污染;

聚焦可获得高功率,可沉积陶瓷等高熔点材料以及复杂成分材料(瞬间蒸发);

光束集中,激光装置可远距离放置,可安全沉积一些特殊材料薄膜(如高放射性材料);

很高的蒸发速率,薄膜有很高的附着力;


缺点:

膜厚控制困难;可引起化合物过热分解和喷溅费用比较高.


CW CO2激光器(10.6 µm)

钕玻璃激光器

钇铝石榴石(YAG)激光

ArF 激光——193 nm

KrF 激光——248 nm


凝结系数


* 与基板温度有关

*与基板表面性质有关

a→1 (金属蒸汽凝结在自身固体上)


合金的热蒸发

各成分饱和蒸汽压不同

合金中原子间的结合力小于在化合物中 不同原子间的结合力,因而合金中各元素原子的蒸发过程实际上可以被看做是各自相互独立的过程, 就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。

蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分,后果是沉积后的薄膜成分偏离其固态的化学组成。

为保证薄膜组成,经常采用时蒸发法、双蒸发源法等。


瞬时蒸发法


瞬时蒸发法又称“闪烁”蒸发法。

将细小的合金颗粒,逐次送到非常炽热的蒸发器中,使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。

关键:

以均匀的速率将蒸镀材料供给蒸发源

粉末粒度、蒸发温度和粉末比率。


双源或多源蒸发法

将要形成合金的每一成分,分别装入各自的蒸发源中,然后独立地控制其蒸发速率,使达到基板的各种原子符合组成要求。(基板转动)



化合物的热蒸发

化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学变化:无分解蒸发、固态分解蒸发和气态分解蒸发


化合物蒸发中存在的问题:

蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分;(蒸气组分变化)

在气相状态下,可能发生化合物各组元间的化合与分解过程,后果是沉积后的薄膜成分可能偏离化合物正确的化学组成。

对于初始成分确定的蒸发源来说,确定的物质蒸发速率之比将随着时间变化而发生变化。


反应蒸发


化合物在高温蒸发过程中发生分解(如Al2O3,TiO2 等会失氧→吸收增加 →反应蒸发.

反应蒸发: 在一定的反应气氛中蒸发金属或低价化合物 → 在淀积过程中发生化学反应 → 生成所需的高价化合物薄膜.(离子氧: 减少反应所需的活化能, 提高氧化度)


反应蒸发适用于制备高温时易发生分解的化合物,如Al2O3、TiO2等;饱和蒸气压低的化合物;熔点很高的化合物;特别是适合制备过渡金属与易解吸的O2、N2等反应气体组成的化合物薄膜,例如SiO2、ZrN、AlN、SiC薄膜


在反应蒸发中,蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生反应有三个可能的部位:

蒸发源表面(尽可能避免)

蒸发源到基板的空间(反应几率很小)

基板表面(主要反应部位)

压强为10-2Pa,蒸汽分子的平均自由程约50 cm,气体分子碰撞到基板上的几率约为4×1016个/cm2·s

二、溅射(Sputtering)

溅射镀膜是除真空蒸发之外,最常用的物理沉积方法。

溅射现象是一百多年前格洛夫(Grove)发现的,利用带电荷的阳离子在电场中加速后具有一定动能的特点,将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极(阴极),入射离子在与靶面原子的碰撞过程中,通过动量的转移,将后者溅射出来,这些被溅射出来的原子将沿着一定的方向射向衬底,从而实现物质的PVD沉积。

两者比较:

蒸发:依靠源材料的晶格振动能克服逸出功形成沉积粒子的热发射,
            即:外加能量 (电阻/电子束/激光/电弧/射频)加热→晶格振动能→克服逸出功→气态逸出

溅射:高能离子输入动能→弹性碰撞传递能量→更高动能粒子逸出 (碰撞发射),是高能轰击粒子 (离子) 与靶材原子间 动能/动量传递的结果!

溅射可以镀膜,也可以进行刻蚀

①溅射产物粒子以一定空间角发射,且与入射离子的方向有关;
② 单个入射离子轰击出的产物粒子数与入射离子的能量/质量都有关(1.2均可用弹性碰撞理论解释)
③溅射产物粒子的平均速度 >> 蒸发出的粒子。


气体放电/等离子体的产生是溅射的基础 

放电系统的构成与放电条件:

1、系统构成:


2、放电条件:

真空环境:

    →P= 10-1~10-2 Pa 

放电气体:

      →需要充入惰性气体(一般为Ar气)!

 外加电场:

   →在其作用下,电子被加速并与放电气体分子碰撞,这种碰撞使放电气体被电离,形成阳离子 (Ar+) 和自由电子 (e),并分别在电场作用下被加速,进而飞向阴极(靶材)和阳极。


放电过程与典型伏安特性曲线:

直流气体放电的伏安特性曲线及放电区域划分

1、放电区域的划分:
      随放电电流­,依次经历三阶段:

      无光放电区→辉光放电区→弧光放电区

2、放电过程分析:

1)无光放电区:因放电中无可见光辐射而得名!

AB段:载流子加速阶段!
     ■ 少量自发离化产生的带电粒子被电场加速;
     ■ ­电压 V↑→游离电离粒子速度↑­→电流 I­↑

BC段:加速饱和段
     ■ 上述电离粒子速度达到饱和→继续 ↑­V,I却保持不变(饱和)

CD段:汤生放电区(TownsendRegime):碰撞电离阶段!
     ■ 继续↑ ­V→带电离子和电子的动能 Ek↑ →能碰撞电离气体分子的电子数↑­ →电离出大量eII和阳离子
                       → 载流子数量↑↑→I ­­,但同时V 只是轻微↑­

DE段:电晕放电区(Corona Regime):
     ■ 电极尖端出现跳跃的电晕光斑 (局部电场强度极高,导致电晕放电)


2)辉光放电区:因电极间有明亮辉光出现而得名

原因:电子与原子/阳离子碰撞,碰撞电子或获得能量跃迁到高能态的外层电子回到基态,并以光子形式释放能量,从而形成辉光。

EF段:气体击穿区,雪崩放电!
     ■ V>VB (击穿电压)→气体突然发生放电击穿
                                            而形成雪崩放电;
     ■ 气体中荷电粒子浓度­­→开始形成等离子体;
     ■ 等离子体的 R随电离度­而下降 →I ­上升,V 反而下降
     ■ 同时放电由尖端等不规则位置向整个表面扩展


FG段:正常辉光放电区,辉光区域向整个电极之间空间扩展
     ■ 等离子体自持放电,并趋于饱和;
     ■ 辉光区域向整个电极间空间扩展;
     ■ 载流子数量不断上升 ­→ V=const,而 I­上升;
     ■ 辉光亮度不断升高;
     ■ 到G点后,辉光区域充满两极之间空间。


GH段:异常辉光放电区,溅射工作段
     ■ 越过G点后,辉光区已布满两极间的整个空间;
     ■ 继续­电源功率­→I 随V ­上升而单调上升­;
     ■ 实际上进入过饱和辉光放电阶段

注意:该阶段因下列理由而成为溅射镀膜的工作阶段:
               1)I随V 上升­而上升­,可通过放电电压控制放电电流;
               2)可提供分布区域大而均匀的等离子体;
               3)利于实现大面积均匀可控的薄膜沉积。


3)弧光放电区:电弧放电阶段

HI段:电弧击穿区,放电由辉光转为弧光放电

IJ段:低温等离子电弧放电区(非热平衡电弧放电区)
     ■ 等离子体分布区域急剧收缩,阴极表面出现很多孤立阴极斑点;
     ■ 斑点内载流子密度极高,电流密度>108A/cm2 →局部短路、高温,整体电阻下降→I上升 ­,V反而下降

JK段:高温热平衡电弧放电区:TP不断­上升而形成 → V不变而I 不断上升­(载流子密度再次­,焊接、喷涂用)



3.辉光放电区的分布:


1)总体特征:
       →从阴极到阳极:辉光区与暗区交替出现!

2)具体现象 (从阴极到阳极):

阿斯顿暗区:第一个暗区!
     ■ 该区内电子能量低,很难因碰撞而释放出光子。

阴极辉光区:第一个辉光区!
     ■ 通过阿斯顿暗区后,电子加速获得高动能,碰撞
          电离气体,并不断与阳离子湮灭产生光子。

阴极暗区:又称Crookes暗区!
     ■ 电子/离子主要加速区,区内的电势差最大;
     ■ 该区电子碰撞后能量再次下降,不能电离气体。

负辉光区:第二个辉光区,基片放置区域

     ■ 电子在阴极暗区加速,在此区碰撞释放动能;

     ■ 碰撞产生高浓度正离子,正离子浓度最高;

     ■ 电子湮灭几率­上升→ 产生大量光子→辉光最强区;

     ■ 区内电势差→0,溅射镀膜过程中,基片通常被置于此区域内,并与阳极一起接地。

     ■ 只有少量电子能穿过该区继续飞向阳极

法拉第暗区:第三个暗区
     ■ n+、n- 下降,且电子能量下降,暗区再度形成。

正辉光区:又称阳极光柱

阳极辉光区

阳极暗区
     ■由于溅射镀膜时,基片往往与阳极一起接地而处于零电位,且放置在负辉光区,后面四个区域基本不会出现,也不影响溅射镀膜过程!


3、辉光放电等离子体的特点:

与电弧等离子体相比,荷电粒子浓度及能量都较低;

需要较高的放电电压,一般 > 1000 V;

等离子体中重粒子能量 << 电子能量;

电子温度很高,而其它粒子温度很低;

例如:辉光放电等离子体的当地温度一般<1000K,但其电子动能可达1-10eV,根据 Te= Ek/k计算,其Te =(1-10) eV×1.602x10E-19J/eV/1.38x10E-23J/K≈10E4~10E5K


溅射沉积技术

一、溅射阈值(Threshold Energy, 记为Et):

1、概念:将靶材原子溅射出来,入射离子需要具备的最小能量水平。

2、规律:

Et 与入射离子的质量无明显相关性;
Et 主要取决于靶材:靶材的原子序数越大,则其 Et 值越小;
大多数金属的 Et ≈10~40eV,约为其升华热的数倍。


二、溅射产额(Sputtering Yield, 记为P):

1、概念:平均每个正离子轰击靶材时,可从靶材中溅射出的原子个数。

2、规律:与入射离子的种类、能量及角度,以及靶材种类及温度有关。

入射离子的影响:

■种类 (见下图1):周期性升高!

     对应元素的原子序数­上升P­、且同周期内惰性气体离子的P最高;

■能量 (见下图2):E >Et 后,升à饱和à降!

      E<150 eV,P µ E2; E =150~104 eV,P→饱和; E >104 eV,P下降

■入射角 (见下图3):缓升à急升à急降!

      q=0~60o,P µ cos-1q;  q=60~80o,P­­上升→max;  q=80~90o,P下降→0


2、规律:与入射离子的种类、能量及角度,
                 以及靶材种类及温度有关。

靶材的影响:

■种类 (见右图4):也是周期性升高!

     靶材的原子序数上升 → P上升、但有周期性“回头”现象;

■温度 (见右图5):高于临界温度后急剧升高!

      临界温度以下:P 基本与温度无关;
      高于临界温度:靶材原子键合减弱 →T上升则P上升

      因此:控制靶材的温升很重要,不能过高!

三、溅射原子的能量特征:

高于蒸发原子1~2个数量级,一般1-20eV或更高;

原子序数上升,则能量越上升;反之,则逸出速度越快;

入射离子能量不变时,其质量上升,则溅射原子的能量上升;

溅射原子的平均能量随入射离子能量上升而上升,但当入射能量高到一定水平后,则趋于饱和而不再上升。


溅射沉积技术优点(与蒸发技术相比):

1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料,特别是高熔点材料 (如:石墨、Ti、Ta、W、Mo等);

2、由于沉积原子能量较高,薄膜组织均匀致密,与基片的结合力较高;

3、制备合金薄膜时,成分控制容易保证;

4、利用反应溅射技术,容易实现化合物薄膜沉积;

5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确,工艺重复性好;

6、沉积原子能量较高,还可以改善薄膜对复杂形状表面的覆盖能力,降低薄膜的表面粗糙度。


溅射沉积技术缺点:

1、沉积速率不高;

2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用,不但可引起基片温升,而且可能形成内部缺陷。


溅射沉积技术分类:

直流溅射

(二极系统):只适用于靶材为良导体的溅射

溅射气压1.3-13Pa,太低和太高都不利于薄膜的形成。

阴-阳极距离适中,大约为阴极暗区的2倍

溅射电压1-5KV。

靶材必须为金属。不能溅射介质材料(正离子打到靶材料上产生正电荷积累,靶表面电位升高,正离子不能继续轰击靶材料, 溅射终止)

为保证薄膜的均匀性,阴极面积大约为衬底的2倍。

结构简单;可长时间进行溅射;;溅射速率底; 基板表面因受到电子轰击而有较高温度.


(三极系统):是在二极系统基础上的一种改进

改进思路:增加额外电子源(辅助灯丝)→增加放电区电子密度
                         →低压下就可以维持放电,并获得高离化率
                         →沉积速率上升、杂质气体对镀膜的污染下降
                         →薄膜质量上升、­沉积效率上升


比较:

■ 二极溅射系统:真空度不能太高,否则不能维持放电;

■ 三极/四极系统:有辅助电子枪提供更多高能电子→­离化率下降
                                  →可低气压 (高真空)自持放电→污染下降,­效率上升

■ 射频溅射系统:高频耦合放电,放电电压下降、真空度­上升

多极直流溅射装置的优、缺点:

真空度较高,工作电压显著降低;     

减少了镀膜污染;

沉积速率有一定提高;         

大面积的均匀等离子体仍较难获得;

薄膜沉积速率仍然有限(慢)。


射频溅射

出发点:解决不具导电性的非金属材料溅射镀膜问题!
        使用直流电源,靶材同时是阴极,不导电无法实现溅射!

实现方法:

使用交变频率 >> 50 kHz的交流电源;
在电源和放电室之间配置阻抗匹配网络,使交变电场能量耦合到放电室内;
电子与高频交变电场共振获得能量,继而不断与气体分子碰撞使之电离;
靶材是绝缘体,且基片接地极为重要。

原理:
利用靶材相对于等离子体的周期性自偏压实现溅射

 靶材非导体,离子质量大→ 运动惯性 >>电子,
     交变电场下:
     →电子可全部到达绝缘靶材表面,阳离子只有部分到达
     →靶材表面形成周期性负电荷富集
     →形成相对于等离子体的负电位
     →等离子体始终处于正电位Vp,且始终成立:
           Vp >Vc(靶电极电位)   Vp > Vd(地电极电位→炉体及基片)


特点

电场耦合形成高能电子振荡,离化率比二极溅射高得多,可在高真空下实现溅射沉积 (P≤1Pa);
电场通过交变阻抗网络而非导电电极形式实现耦合,电极 (靶材+基片)不要求一定是导体,
      →可以实现各种材料(金属、非金属、半导体等)薄膜的沉积


磁控溅射

原理:与电场方向正交的磁场可有效束缚电子的运动,形成“磁笼”效应,从而显著延长电子运动路径,提高电子与离化气体的碰撞几率,进而提高气体离化率,并有效抑制高能电子对基片的轰击。

磁场力:电子受洛仑兹力作用:F洛 =-qv×B,形成的加速度
                    垂直于电子瞬时速度,迫使其不断改变运动方向;

电场力:电子受库伦力作用:F库= -qE,形成的加速度不变,
                     且永远指向阳极表面;

运动:横向受 F洛 水平分量作用→ 电子不断漂移;
                 纵向受 F洛 垂直分量和 F库联合作用 → 周期性±速、振荡!

结果:电子被束缚在靶面附近区域内,实现长程振荡运动!


出发点:解决溅射两大问题!
        慢:二次电子利用率不高 

                     →离化率不高

                     →沉积速率低;
        热:不能避免二次电子轰击基片 (阳极)。

实现方法:在靶材 (阴极)表面附近布置磁体或线圈,使靶面附近出现强磁场,其方向与靶面基本平行,而与电场方向正交!


磁控溅射的优势分析:
       磁约束 →电子运动路径上升→其与气体分子的碰撞几率上升 →绝大部分二次电子的高动能被用于气体的电离→气体离化率上升→正离子产率上升→溅射速率上升几个数量级!

注意:这就是磁控溅射可在低压下获得极高的离化率、
           很高的离子电流密度和沉积速率的原因。

磁控溅射的典型工作参数及比较分析:

真空度 P (溅射气体采用Ar气):<0.5 Pa
     →与普通直流溅射相比:真空度更高→薄膜污染几率更小!

放电电压:一般在600V以下
     →无须高压直流电源!

离子电流密度:>20mA/cm2
     →显著提高→显示有更多溅射气体被离化→离化率上升

沉积速率:>数十um/min
     →镀膜速度显著提高!

基片温升:<300~500℃,甚至可以低于100℃!
     →有效防止二次电子对基片的轰击,甚至可在聚合物表面安全镀膜!

磁控溅射系统



磁控溅射比直流溅射的沉积速率高很多。原因:

1、磁场中电子的电离效率提高

2、在较低气压下(0.1Pa)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,从而提高薄膜的质量。



反应溅射


与反应蒸发相类似,在溅射过程中引入反应气体,就可以控制生成薄膜的组成和特性,称为“反应溅射”

制备化合物薄膜时,可以直接使用化合物作为靶材。但有时化合物溅射会发生化合物分解的情况,使沉积的薄膜在成分上与靶材有很大的差别。上述现象的原因是溅射环境中相应元素的分压低于形成相应化合物所需的压力。因此,解决问题的办法是调整气体的组成和压力,通入相应的活性气体,抑制化合物的分解。

溅射淀积高纯介质薄膜和各种化合物薄膜,必须先有高纯靶。高纯的氧化物、氮化物、碳化物、或其它化合物粉末并不难得,但是,加工成靶确是很难的。采用纯金属作溅射靶,但在工作气体中混入适量的反应气体(如O2、N2、NH3、CH4、H2S等),在溅射沉积的同时生成所需的化合物。

利用反应溅射方法可以制备:

氧化物,如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2       

碳化物,如SiC、WC、TiC

氮化物,如TiN、AlN、Si3N4                        

硫化物,如CdS、ZnS、CuS

复合化合物,如碳氮化物Ti(C,N)、Al(O,N)


通常靶反应溅射过程分为:靶面反应、气相反应、基片反应。

靶面反应:靶面金属与反应气体之间的反应,结果影响淀积薄膜的质量和成分。关键是防止在靶面上形成稳定化合物(如铝靶)。

气相反应:逸出靶面的原子在到达基片之前与反应气体发生反应形成化合物。

基片反应:溅射原子在基片表面形成所需要的化合物。要求到达基片的金属原子与反应气体分子之间维持一定的比例;保持适当的基片温度。

反应溅射时遇到的问题:

随着活性气体压力的增加,靶材表面也要形成一层相应的化合物,并导致溅射和薄膜沉积速率的变化。更严重的是,阳极上生成化合物,导致阳极不能再接受电子¾¾即出现 ²阳极消失² 现象, 以至溅射过程不能稳定进行;同时,靶面上形成的化合物会使得靶面上发生电荷积累、不时引起电弧放电,损害靶材与薄膜。上述反应溅射特有的靶上形成化合物的现象被称为 “靶中毒” 现象。


降低靶中毒措施:

将反应气体的输入位置尽量设置在远离靶材而靠近衬底的地方,提高活性气体的利用效率,抑制其与靶材表面反应的进行。

提高反应气体的活性,以降低其所需的压力(使用高活性气体/等离子体)

提高靶材的溅射速率,降低活性气体吸附的相对影响

中频或脉冲溅射:导致靶中毒问题出现的原因在于靶材与阳极表面出现化合物层和电荷积累。显然,若可以每隔一段时间让靶及阳极表面积累的电荷得以释放的话,就可避免靶面打火等现象的出现。可采取对溅射靶周期地施加交变电压的方法,不断提供释放靶电荷的机会。


版权所有© 成都四洋科技有限公司官方网站    蜀ICP备14007155号    技术支持: 竹子建站