第二講濺射成膜

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、加熱等其他現象95%的離子能量作為熱量損耗掉5%的能量傳遞給二次發射的粒子濺射的中性粒子：二次電子：二次離子=100：10：1放電使氣體轉變成等離子體

等離子體電離氣體普通氣體等離子體放電

高能離子——等離子體（plasma）利用氬（Ar）離子或其它帶有10keV

數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，進行“濺射”。Ar是常用的離子源氣體濺射成膜特點/與真空鍍膜相比任何物質均可濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。可保證薄膜化學成分與靶材相同，但真空鍍膜難以保證(原因)濺射膜與基板之間的附著性好。

蒸鍍激發的原子平均動能

~0.14eV；濺射原子能量在10eV,為蒸鍍原子能量的100倍)濺射鍍膜密度高，針孔少，純度高。膜厚可控性和重復性好。可大面積鍍膜。濺射成膜特點/與真空鍍膜相比缺點：設備復雜，需要高壓裝置，沉積速率低（0.01-0.5μm/min）;真空鍍膜（0.1-5μm/min）基板溫升較高，易受雜質氣體影響濺射成膜---濺射率濺射率（又稱濺射系數）： 平均每個正離子能從陰極上打出的原子數

影響因素： 濺射率與入射粒子種類、能量、角度及靶材料類型、晶格結構、表面狀態、升華熱大小等因素有關。1.靶材料同周期元素：濺射率隨原子序數增大而增加Ag、Au、Cu濺射率大；C、Si、Ti等的濺射率較小3.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？）4.與靶材結構（晶態與非晶態）關系濺射鍍膜分類整個濺射過程都是建立在輝光放電（glowdischarge

）的基礎上，即濺射離子都來源于氣體放電。根據產生輝光放電方式的不同，可分為直流濺射(Directcurrentsputtering，DC)

射頻濺射(Radiofrequencysputtering,RF

)磁控濺射(magnetronsputtering)2.1直流濺射原理真空室，靶-基板間加高電壓Ar+在高壓下高速運動撞擊靶材，濺射出靶材粒子被濺射出的粒子在基板上成膜直流濺射條件：工作氣壓10Pa濺射電壓3kV靶電流密度0.5mA/cm2沉積速率低于0.1μm/min直流濺射的缺點設備真空度差，殘留氣體影響大，膜層成分與氣體發生反應或膜層中有氣泡；基板處于高溫等離子狀態（溫度有幾百度），高溫會損傷基板；靶材是強絕緣體的時候，表面有正電荷堆積，使放電終止。靶材只能是導電材料真空腔體和靶之間加高頻交流電壓；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

(

RadioFrequencysputtering

)3.

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.

靶材一側的電子沒有流通渠道，電子密度升高，使靶帶有負電，吸引陽離子撞擊靶材。2.2射頻濺射濺射條件：工作氣壓1Pa濺射電壓1kV靶電流密度1mA/cm2沉積速率低于0.5μm/min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1/5～1/102.3磁控濺射2.3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，使濺射速度大幅度提高，避免電子對襯底的轟擊。WhatisMagnetronSputtering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：工作氣壓0.5Pa濺射電壓0.6kV靶電流密度20mA/cm2沉積速率低于2μm/min磁控濺射鍍膜光盤防爆膜應用2.4離子鍍(ionplating)1）真空蒸鍍速度快濺射成膜速率比較低，約0.5-2μm/min。蒸鍍速度的1/5～1/102）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合蒸發源接陽極，工件接陰極，通高壓直流電，產生輝光放電。帶正電荷的氬離子受陰極負高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，使待鍍表面得到清洗。隨后，接通蒸發源交流電源，蒸發料粒子熔化蒸發，進入輝光放電區并被電離。帶正電荷的蒸發料離子，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(ionplating)離子鍍的特點具有蒸發鍍膜和濺射鍍膜的特點膜層的附著力強。可鍍復雜表面。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。離子束濺射離子束濺射唯一不使用放電的濺射方法離子槍發射高速離子照射靶材，使其濺射后在基板上成膜。離子源獨立存在靶材不需要導電◎將被加速的離子聚焦成細束，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工作臺離子束去除加工裝置聚焦離子束（FIB）濺射加工離子束濺射：加工金剛石刀具、沖頭、刃磨； 大規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=0.01μm預加工終加工a)金剛石壓頭r=0.01μm離子束離子束預加工終加工b)金剛石刀具聚焦離子束（FIB）濺射可用于原位加工材料，進行觀察和分析如揭示低熔點金屬自發形成的晶須機制空氣中水中HillocksformedinAl

alloy非常有用的加工技術，可用于材料原位的觀察和分析UsingFIB+SEM1min1200oCCross-sectionobservations,FIBmilling~100nm55o3minSurfaceroughnessaffectsoxidationprocess~500nm30min~1mm磁控濺射制備MAX薄膜制備Ti3SiC2制備Ti2AlC及Ti3AlC2制備Cr2AlC應用舉例MAXfilmAufilmElectronicconnectorElectricalconductiveandselflubricatingofMAXAufilm:Drawback1.制備Ti3SiC2薄膜

EpitaxialTi3SiC2（0001）thinfilmshavebeen