磁控溅射、反应溅射与中频溅射

反应溅射原理
❖ 溅射过程中加入活性气体，制备成分与特性可 控的化合物薄膜
❖ 反应在哪里进行？
▪ 真空室空间？
▪ 能量守恒定律 能进行反应
化学反应能量释放 空间不可
▪ 反应在表面进行：基片表面、靶表面
反应溅射原理
❖ 优点
▪ 可使用高纯金属靶与高纯气体制备高纯度化合物薄膜， 避免制备化合物靶材带来的困难
1:4~1:8 ▪ 频率 10 kHz
直流反应溅射缺陷
❖ 靶面“中毒”与打火
▪ 靶面上形成了绝缘性的化合 物薄膜 绝缘膜上正电荷 积累 绝缘膜被击穿 溅射空间出现高电流低电 压的弧光放电 “打火” 镀膜过程不稳定和中断
▪ 打火 靶面局部熔化 喷射 薄膜缺陷增多 质量下降
▪ 靶面受损 使用寿命减少
❖ 阳极消失 ❖ 成膜速率低
❖电子漂移沿着同时垂 直 于 E⊥ 和 B 的 方 向 ， 即E×B方向，电子加 速同时旋转
带电粒子在复合电磁场中的运动
❖ 静态开始运动的电子， 在均匀且相互垂直的E 和B场中运动轨迹为摆 线。
同轴圆柱面磁控溅射
同轴圆柱面磁控溅射平面磁控溅射来自平面磁控溅射目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
中频溅射
❖ 孪生靶磁控溅射(TwinMag) ❖ 双靶磁控溅射(Dual Magnetron Sputtering)
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
反应溅射工艺参数
❖ 沉积速率 ❖ 真空室气压 ❖ 溅射电压
反应溅射工艺参数
❖ 沉积速率
❖ 真空室气压 ❖ 溅射电压
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
二极溅射缺点
❖ 成膜速率低 ❖ 基片温度高
二极溅射电子作用
❖ 碰撞放电空间的气体粒子，产生维持和增强放电所需 的电离(有利但较小)
❖ 到达阳极，撞击基片使之温度升高(不利但较大)
高速 低温
带电粒子在复合电磁场中的运动
❖ 电子在电场和磁场中受到的力
dv e (EvB) dt m
E×B 漂移
带电粒子在复合电磁场中的运动
❖ E=0，B为均匀磁场， 电子沿磁力线以速度vE 漂移，同时沿磁力线回 旋运动
❖ 回旋频率
e
eB m
❖ 回旋半径
rg
me e
( v B
)
带电粒子在复合电磁场中的运动
磁控模式
利用垂直于靶面的电场与平行于靶面的磁场形成二次 电子的捕集阱，电子运动方向受电磁场控制，沿着同 时垂直于电场和磁场的方向漂移，电子在运动过程中 不断与气体分子碰撞电离，直到二次电子能量耗尽。
二次电子运行路程大大增加，碰撞电离几率也 大大增加，离子数目增加使溅射速率相应增加
到达基片以及阳极的二次电子能量几乎耗尽， 基片温升明显下降
应用
A12O3
TaN
TiC
举例
In2O3
TiN
WC
SnO2
AlN
SiC
SiO2
Si3N4
Ta2O5
CNX
CdS CuS ZnS
TiCN
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
▪ 调节沉积工艺参数，可以制备不同配比的化合物薄膜 ▪ 无需射频电源，适合大面积生产 ▪ 基片不需要高温，对基片材料限制较少
❖ 二种模式
▪ 金属模式：靶面上溅射出来的金属原子或离子与活性气 体原子或离子在基片上反应，生成化合物薄膜
▪ 化合物模式：靶面上反应生成化合物，化合物再被溅射 到基片上形成化合物薄膜
Deposition rate versus oxygen partial pressure for an iron target in an Ar-O2 mixture.
反应溅射工艺参数
❖ 沉积速率
❖ 真空室气压 ❖ 溅射电压
反应溅射工艺参数
❖ 沉积速率
❖ 真空室气压
❖ 溅射电压
反应溅射工艺参数
磁控溅射特点
❖ 高速 ❖ 低温
磁控溅射特点
❖ 高速 如Al的成膜速率可达
1μm/min，接近电子 束蒸发，比二极溅射 高一个数量级 ❖ 低温
磁控溅射特点
❖ 高速 如Al的成膜速率可达
1μm/min，接近电子 束蒸发，比二极溅射 高一个数量级 ❖ 低温 同样条件下，二极溅射基 片温升可达 350~450℃，磁控溅 射仅250℃
磁控溅射、反应溅射与中 频溅射——原理与应用
复旦大学 材料科学系
沈杰
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 沉积速率
❖ 真空室气压
❖ 溅射电压
反应溅射工艺参数
❖ 沉积速率 ❖ 真空室气压
❖ 溅射电压
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
中频溅射
❖ 直流反应溅射的缺陷 ▪ “积累电荷放电”——稳定工况 ▪ “靶中毒”——提高效率
弧光放电
❖1 高压击穿放电 ❖2 微弧放电 ❖3 极间放电
灭弧电源
❖ “灭弧”供电 ❖ A2K(Action Arc Killing)
电源
▪ 正脉冲平均电压 60~80 V ▪ 负脉冲平均电压 500~600 V ▪ 脉冲宽度比(放电/溅射)
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
反应溅射——化合物薄膜
反应 气体
氧化 物薄 膜
O2
氮化 物薄 膜
N2 NH3
碳化 物薄 膜
CH4 C2H6
硫化 物薄 膜
H2S
碳氧化物 氮氧化物 碳氮化物