第三章 薄膜制备的物理方法.ppt

尽管对大多数材料来说，溅射率会随着靶材温度的升高而增加，但由于可能出现的靶材放气问题，阴极的温度不宜升得太高。相反，对于靶阴极，一般要进行冷却，常用的冷却方式是循环水冷。 对于实际的溅射系统，自持放电很难在压强低于1.3Pa的条件下维持，这是因为在此条件下，没有足够的离化碰撞。 第二节 溅射 优点： （1）结构简单，控制不困难，三个主要工艺参量是工作压力P，电压U和电流I。这三者只要有两个参数固定，第三个也就固定了，操作时重复性很好； （2）溅射原子具有较高的平均能量，当它们打到基片时，会形成与基底结合较好的薄膜。 第二节 溅射 缺点： （1） 一般只能用于靶材为良导体的溅射； 作为薄膜沉积的一种技术，自持辉光放电的最重要的缺陷是用于产生放电的惰性气体对所沉积的薄膜构成污染。 （2）二极溅射膜的沉积速率低，10微米以上的厚膜不宜用此法镀制。阴极和阳极间的距离通常在2~6cm，间距过大，沉积速率下降太快。间距过近，二次电子在两极间的运动距离过短，维持放电困难。 第二节 溅射 改进方法： 低压溅射，在低工作压强的情况下，薄膜中被俘获的惰性气体的浓度会得到有效降低。对二极溅射装置本身进行改进，设法在优于0.1Pa的真空度下产生气体辉光放电，同时形成满足溅射要求的高密度等离子体。 第二节 溅射 提高本底真空度或用液氮冷阱去除残留气氛中的H2O、H2、O2等不希望有的气体，即可提高溅射速率又可保证膜层质量。 采用非对称交流溅射来提高膜层质量，以电压振幅大的半周期溅射阴极来成膜，以振幅小的半周期通过离子轰击基片，不断清除掉吸附气体而得到高纯膜。 加磁场，使电子螺旋式运动，运动轨迹加长，增加电离效果。 第二节 溅射 磁场的作用：是使电子不是做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度增强，从而有效地提高在已知直线距离内的气体离化效率。 综上，要想高效率地进行溅射镀膜，必须降低溅射气压，在减少粒子逆扩散的同时，设法增加等离子体的密度，使射向靶的离子流密度增加，这样在几百伏的靶电压下，就能获得较好的效果；同时设法控制由靶放出的二次电子的运动，一方面使其增强离化效果，另一方面减少它对基片的直接轰击，进而达到高效和低温两个目的。 第二节 溅射 （2）三极溅射： 低压下，为了增加离化率并保证放电自持，一个方法就是提供一个额外的电子源，而不是从靶阴极获得电子。这个独立的电子源就是热阴极，它通过热离子辐射形式发射电子。 热离子阴极通常是一根加热的钨丝，它可以承受长时间的离子轰击。 第二节 溅射 原理： 灯丝提供电子，向阳极运动，使气体电离。外部线圈提供磁场，将等离子体限域在阳极和灯丝阴极之间。当在靶上施加一相对于阳极的负高压，溅射就会出现。离子轰击靶，靶材沉积在基片上。 第二节 溅射 四极溅射又称为等离子弧柱溅射，它是再二、三极溅射的基础上更有效的一种热电子强化的放电方式。在与原来二极溅射靶和基片相垂直的位置上，分别放置一个发射热电子的灯丝和吸引热电子的辅助阳极，其间形成低电压(50V)、大电流(5~10A)的等离子弧柱。弧柱中，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。由于溅射靶处于负电位，因此它会受到弧柱中离子的轰击而引起溅射。 第二节 溅射 优点： 可以在0.1~0.001Pa的低气压下溅射，可以在主阀全开的状态下工作，因此可以制取高纯度的膜，如超导薄膜等。 等离子体中的离子密度可以通过调节电子发射电流或调节用于加速电子的电压来加以控制。 轰击离子的能量可以通过改变靶电压来控制。 第二节 溅射 第二节 溅射 缺点： 不能抑制高速电子对基片的轰击。高速溅射时，基片温升极其严重。 灯丝寿命短，还因灯丝具有不纯物而使膜层污染。 （3）射频溅射： 20世纪30年代人们发现，射频放电管的玻璃管壁上粘附的沾污层，在放电过程中会变得干净。从研究中得知，这是由于溅射造成的。 60年代，真正把射频溅射用于制取薄膜，可以制取从导体到绝缘体任意材料的薄膜。 70年代，开始广泛普及。 第二节 溅射 直流溅射是利用金属、半导体靶制取薄膜的有效方法。但是，当靶是绝缘体时，由于撞击到靶上的离子会使靶带正电，靶的电位上升，结果离子不能继续对靶进行轰击。 射频溅射是可以沉积绝缘体的溅射方式。射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电势的作用下，在交变电场中振荡的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持。 第二节 溅射 先假定靶上所加为矩形波电压um，在正半周由于绝缘体的