1、1Beijing Jiaotong University第二講 濺射成膜濺射成膜2Beijing Jiaotong University濺射成膜濺射成膜濺射(sputtering)伴隨著離子轟擊固體表面的各種現(xiàn)象（右圖）：1）大部分中性粒子（成膜）2）二次電子（輝光放電）3）少部分二次離子4）氣體解吸、加熱等其他現(xiàn)象95%的離子能量作為熱量損耗掉5%的能量傳遞給二次發(fā)射的粒子濺射的中性粒子：二次電子：二次離子=100：10：13Beijing Jiaotong University放電使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體等離子體 電離氣體高能離子等離子體（plasma）4Beijing Jiaotong Un

2、iversity利用氬（Ar）離子或其它帶有 10 keV 數(shù)量級動能的惰性氣體離子，在電場中加速，以極高速度“轟擊”工件表面，進(jìn)行“濺射” 。Ar是常用的離子源氣體是常用的離子源氣體5Beijing Jiaotong University濺射成膜特點濺射成膜特點 /與真空鍍膜相比與真空鍍膜相比任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。可保證薄膜化學(xué)成分與靶材相同，但真空鍍膜難以保證可保證薄膜化學(xué)成分與靶材相同，但真空鍍膜難以保證( (原因原因) )濺射膜與基板之間的附著性好。濺射膜與基板之間的附著性好。蒸鍍激發(fā)的原子平均動能

3、0.14 eV；濺射原子能量在10 eV,為蒸鍍原子能量的100倍)濺射鍍膜密度高，針孔少，純度高。濺射鍍膜密度高，針孔少，純度高。膜厚可控性和重復(fù)性好。可大面積鍍膜。膜厚可控性和重復(fù)性好。可大面積鍍膜。6Beijing Jiaotong University濺射成膜特點濺射成膜特點 /與真空鍍膜相比與真空鍍膜相比缺點：缺點：設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置，設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置，沉積速率低（沉積速率低（0.01-0.5 m/min）;真空鍍膜（真空鍍膜（0.1-5 m/min）基板溫升較高，易受雜質(zhì)氣體影響基板溫升較高，易受雜質(zhì)氣體影響7Beijing Jiaotong University濺射成膜

4、濺射成膜-濺射率濺射率1.濺射率（又稱濺射系數(shù)）：濺射率（又稱濺射系數(shù)）：平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù) 1.影響因素影響因素：濺射率與入射粒子種類、能量、角度及靶材料類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)。8Beijing Jiaotong University1. 靶材料同周期元素：濺射率隨原子序數(shù)增大而增加Ag、 Au、Cu濺射率大；C、Si、Ti等的濺射率較小9Beijing Jiaotong University10Beijing Jiaotong University3. 靶材溫度溫度低時，幾乎不變化； 超過一定溫度，急劇增加（原因

5、？）11Beijing Jiaotong University4. 與靶材結(jié)構(gòu)（晶態(tài)與非晶態(tài)）關(guān)系12Beijing Jiaotong University濺射鍍膜分類濺射鍍膜分類w整個濺射過程都是建立在整個濺射過程都是建立在輝光放電（輝光放電（glow discharge ）的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來源于氣體放電。源于氣體放電。根據(jù)產(chǎn)生輝光放電方式的不同，可分為根據(jù)產(chǎn)生輝光放電方式的不同，可分為w直流濺射直流濺射 ( (Direct current sputtering，DC) w射頻濺射射頻濺射 ( (Radio frequency sputtering, RF )

6、)w磁控濺射磁控濺射 ( (magnetron sputtering)13Beijing Jiaotong University2.1直流濺射直流濺射原理1. 真空室，靶-基板間加高電壓2. Ar+在高壓下高速運動撞擊靶材，濺射出靶材粒子3. 被濺射出的粒子在基板上成膜直流濺射條件：1.工作氣壓10 Pa2.濺射電壓3kV3.靶電流密度0.5mA/cm24.沉積速率低于0.1m/min14Beijing Jiaotong University直流濺射的缺點1.設(shè)備真空度差，殘留氣體影響大，膜層成分與氣體發(fā)生反應(yīng)或膜層中有氣泡；2.基板處于高溫等離子狀態(tài)（溫度有幾百度），高溫會損傷基板；3.靶材

7、是強絕緣體的時候，表面有正電荷堆積，使放電終止。靶材靶材只能是導(dǎo)電材料只能是導(dǎo)電材料15Beijing Jiaotong University16Beijing Jiaotong University1. 真空腔體和靶之間加高頻交流電壓；2. 高頻交流電壓使電子和離子將在高頻電場作用下交替向靶極遷移；2. 2 射頻濺射 ( Radio Frequency sputtering )17Beijing Jiaotong University3. 電子比離子輕，容易移動，遷移率高，飛向靶面中和正電荷，使靶材表面不會積累正電荷；4. 靶材一側(cè)的電子沒有流通渠道，電子密度升高，使靶帶有負(fù)電，吸引陽離子撞

8、擊靶材。18Beijing Jiaotong University2. 2 射頻濺射濺射條件：1.工作氣壓1 Pa2.濺射電壓1kV3.靶電流密度1mA/cm24.沉積速率低于0.5m/min 可濺射絕緣體靶材。可濺射絕緣體靶材。 同直流濺射相比，主要附加了一高頻電源。但兩者的成膜速率都比較低，是蒸鍍速度的1/51/1019Beijing Jiaotong University20Beijing Jiaotong University2. 3 磁控濺射21Beijing Jiaotong University2. 3 磁控濺射附加一磁場，電子平行于靶材回旋運動，路徑變長，更多氣體被電離，使濺射

9、速度大幅度提高，避免電子對襯底的轟擊。What is Magnetron Sputtering22Beijing Jiaotong University磁控濺射 提高濺射速度，降低襯底溫度； 直流磁控濺射法和射頻磁控濺射法 磁控濺射主要使用圓形靶材。 濺射條件：1.工作氣壓0.5 Pa2.濺射電壓0.6 kV3.靶電流密度20mA/cm24.沉積速率低于2m/min磁控濺射鍍膜磁控濺射鍍膜23Beijing Jiaotong University光盤防爆膜應(yīng)用24Beijing Jiaotong University2.4 離子鍍 (ION PLATING) 1）真空蒸鍍速度快濺射成膜速率比較

10、低，約0.5-2 m/min 。蒸鍍速度的1/51/102）濺射動能大，可清洗基片表面，成膜牢固離子鍍，是真空蒸鍍和濺射結(jié)合離子鍍，是真空蒸鍍和濺射結(jié)合25Beijing Jiaotong University1. 蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，2. 通高壓直流電，產(chǎn)生輝光放電。帶正電荷的氬離子受陰極負(fù)高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，使待鍍表面得到清洗。3. 隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進(jìn)入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，形成一層牢固的鍍層。8-8離子鍍原理.swf離子鍍(ION PLATING) 26Beijing Jiaoton

11、g University離子鍍的特點離子鍍的特點具有蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜的特點具有蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜的特點膜層的附著力強。膜層的附著力強。可鍍復(fù)雜表面。可鍍復(fù)雜表面。沉積速率高、成膜速度快、可鍍厚膜。沉積速率高、成膜速度快、可鍍厚膜。可鍍材料廣泛，有利于化合物膜層的形成。可鍍材料廣泛，有利于化合物膜層的形成。27Beijing Jiaotong University28Beijing Jiaotong University29Beijing Jiaotong University離子束濺射30Beijing Jiaotong University離子束濺射 唯一不使用放電的濺射方法 離子槍發(fā)射高

12、速離子照射靶材，使其濺射后在基板上成膜。 離子源獨立存在 靶材不需要導(dǎo)電靶材不需要導(dǎo)電31Beijing Jiaotong University32Beijing Jiaotong University將被加速的離子聚焦成細(xì)束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。離子束濺射加工惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動裝置工件三坐標(biāo)工作臺離子束去除加工裝置33Beijing Jiaotong University聚焦離子束（FIB）濺射加工34Beijing Jiaotong University離子束濺射： 加工金剛

13、石刀具、沖頭、刃磨； 大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。離子束加工金剛石制品離子束離子束r = 0.01m預(yù)加工終加工a) 金剛石壓頭r = 0.01m離子束離子束預(yù)加工終加工b) 金剛石刀具35Beijing Jiaotong University聚焦離子束（FIB）濺射 可用于原位加工材料，進(jìn)行觀察和分析 如揭示低熔點金屬自發(fā)形成的晶須機(jī)制36Beijing Jiaotong University37Beijing Jiaotong University空氣中38Beijing Jiaotong University水中39Beijing Jiaotong UniversityHillocks f

14、ormed in Al alloy非常有用的加工技術(shù)，可用于材料原位的觀察和分析40Beijing Jiaotong University41Beijing Jiaotong UniversityUsing FIB+SEM42Beijing Jiaotong University1min 1200 oC Cross-section observations, FIB milling100nm55o43Beijing Jiaotong University3minSurface roughness affects oxidation process500nm44Beijing Jiaotong

15、University30min1mm45Beijing Jiaotong University磁控濺射制備MAX薄膜 制備Ti3SiC2 制備Ti2AlC及Ti3AlC2 制備Cr2AlC應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例46Beijing Jiaotong UniversityMAX filmAu filmElectronic connectorElectrical conductive and self lubricating of MAXAu film: Drawback47Beijing Jiaotong University1. 制備Ti3SiC2薄膜48Beijing Jiaotong UniversityEpitaxial Ti3SiC2（0001） thin films have been deposited by dc magnetron spu