[理学]3 薄膜制备技术PVD溅射.ppt

空心阴极离子镀及多弧离子镀 原理与二极直流放电离子镀相同，只是用空心阴极电子枪代替了普通电子枪 采用多个阴极电弧源组合成的离子镀设备称多弧离子镀 优点：空心阴极电子枪具有低电压、大电流的弧光放电特性，金属原子的离化率高于直流放电离子镀，可以形成致密、牢固的薄膜涂层。 特别对多弧离子镀，还有环境真空度高，气体杂质污染少，装置简单，衬底温度低，沉积速率高等优点 反应蒸发沉积 是使金属蒸发通过活性气氛后，沉积并反应生成相应的化合物 衬底可处于浮动或加正（负）偏压 特点 等离子活化 成薄膜过程中离子束助轰击-致密性 适合金属化合物；TiC,TiN（Ti ,Cr; Ar+N2) 物理汽相沉积技术-反应蒸发沉积 物理汽相沉积技术-离化原子团束沉积 离化原子团束沉积原理 利用具有一定能量的离化原子团实现薄膜的沉积，这种原子团包括几百上千个原子，在电场作用下向衬底运动，碰撞瞬间原子团破裂成膜。 离化原子团束产生 首先用蒸发法将被沉积物质以较高的密度蒸发出来，在坩埚口处以粘滞流形式高速喷出，并形成稳定原子团 通过电子离化装置使发射出的热电子与原子团碰撞，并使其带电荷。 特点 高速撞击造成衬底局部升温和清洗 原子表面扩散能力强 创造活化的形核位置 促进各个薄膜核心连成一片，成膜性好； 高能原子团的轰击具有溅射清洁衬底表面和离子浅注入作用 促进表面发生各种化学反应 沉积速率高 离子辅助沉积技术 离子束辅助薄膜沉积示意图 热蒸发法沉积薄膜的同时，有意识的使用一定参数的离子作用到生长中的薄膜上，从而展现出控制薄膜结构和性质的能力，这种技术称为离子束辅助沉积技术。 用于离子辅助的离子源一般应具有两个特征： 离子束有大的和均匀的轰击面积 具有低能量和高束流的能力 现在常用多为End-Hall型离子源 离子辅助对初始生长薄膜形态的影响 在薄膜生长的初始阶段，在还没有形成连续膜时，合适能量的离子辐照，使沉积原子更具活性和易于迁移，从根本上改变薄膜生长形态 离子的电荷效应 离子辐照除能量作用外，离子电荷也会产生多种效应，实验观察到，离子电荷有促进成核生长，改变晶格结构，降低单晶生长温度，促进薄膜晶向择优生长等作用 离子辅助对薄膜性质影响的主要机理 热尖峰作用 热蒸发沉积薄膜方式中，沉积原子或分子动能很小，一般在0.1-1ev范围内，而离子的能量在60-1000ev范围内。离子与薄膜原子碰撞时，携带的动能一部分转化为热能，使轰击点区域突然升温（10-11-10-12s），并急剧冷却。这种由于离子碰撞而引起的生长中的薄膜突然的升温和迅速冷却的现象称为热尖峰作用。 该机理可以作为薄膜相变的合理解释。 当荷能离子高速轰击到生长中的薄膜上时，离子将携带的部分能量传递给被撞击的薄膜原子；碰撞后有的离子会后有的弹射出薄膜，有的会继续在薄膜中行进，产生另一次碰撞；被碰撞的原子也会与周围的原子碰撞。离子引起的这种作用就叫级联碰撞。 离子辅助对生长薄膜的致密化效应 这种作用一方面使薄膜原子产生三维运动，薄膜堆积密度增大；另一方面薄膜原子也会部分进入衬底，从而产生离子缝合效应，使薄膜与衬底的附着力增强。 级联碰撞示意图 离子辅助使薄膜折射率增加 活性离子的反应效应 活性气体产生的等离子体具有比原子高得多的活性，采用此类离子辐照可以改善薄膜的化学计量比，降低薄膜的吸收 溅射离子的浅层注入效应 从根本上说，材料所展现的多种物理及化学性质很大程度上取决于其表面层，离子辐照有效改变了表面层性质，那么材料也表现出改性的效果 离子辅助的主要作用 填充密度提高，折射率提高 波长漂移减少 红外波段的水气吸收减少 增强了膜层的附着力、耐摩擦能力、机械强度、提高表面光洁度 控制薄膜的应力 减少薄膜的吸收和散射损耗 提高生产效率 离子辅助薄膜致密化效果方框图 应该离子辅助沉积技术中注意的问题： 真空系统的抽速必须足够高，否则离子束沉积技术将会发挥很小的作用甚至起相反的作用。 不是所有的薄膜都适合采用离子辅助沉积技术 射频溅射装置示意图 射频电场对于靶材的自偏压效应: 由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离子体近旁的任何部位都处于负电位。 设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它既可作为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位，此负电位对电子产生排斥作用。 设等离子电位为Vp（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为0）对等离子的电位差