第五章、离子溅射镀膜第一节溅射的定义用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空中，这种现象称为溅射。溅射原子的联级碰撞示意图第四节入射离子和固体表面相互作用引起的各种效应（三）溅射镀膜的特点相对于真空镀膜，溅射镀膜具有如下特点：对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射；溅射所获得的薄膜与基片结合较好；溅射所获得的薄膜纯度好，致密性好；溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜；缺点是：沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照等作用而产生温升。（三）磁控溅射自从20世纪70年代初磁控溅射技术诞生以来，磁控溅射技术在高速率沉积金属、半导体和介电薄膜方面已取得了巨大进步。与真空蒸发、传统溅射镀膜相比，磁控溅射除了可以在较低压强下得到较高的沉积率以外，它也可以在较低的基片温度下获得高质量薄膜。1、磁控溅射装置570型磁控溅射装置如图2.6所示。系统的极限真空优于2×10-5Pa，具有多靶位、多基片的特点，共有八个基片位置，采用循环水冷却靶材，其中有三个直流靶和二个射频靶。该溅射装置的特点是靶与基片之间的距离可调范围大（3~15cm），靶可以自由升降，适合制备氮化物膜、氧化物膜、金属多层膜等。在制备薄膜的过程中由计算机控制，可以有效地控制薄膜的厚度及制膜时间。图2.6570型高真空磁控溅射沉积系统示意图2、磁控溅射工作原理利用辉光放电可以进行直流二极溅射，在冷阴极辉光放电中，由于离子轰击会从阴极表面放出二次电子，这些二次电子在电场的作用下被加速，并在运动过程中与气体分子发生电离碰撞，由此维持放电的正常进行。如果在阴极表面附近施加和电场垂直的磁场，那么电子将作回旋运动，其轨迹为一圆形滚线。这样电离碰撞的次数要明显增加，即使在比较低的溅射气压下也能维持放电。图2.7给出了圆形平面磁近靶表面电场、磁场的分布以及电子运动的状态。图2.7圆形平面磁控靶示意图图2.8平面磁控溅射靶的工作原理示意图磁控溅射的基本原理：就是以磁场改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，提高了电子对工作气体的电离几率，有效利用了电子的能量。从而使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场束缚的电子又只能在其能量耗尽时才能沉积在基片上，这就使磁控溅射具有“低温、高速”两大特点。磁控溅射的两个弱点是：第一，不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所用的磁通量都是通过磁性靶的，所以在靶附近不能外加强磁场；第二，靶的利用率较低（约30%），这是由于靶的侵蚀不均匀造成的。3.磁控溅射1)磁控溅射的原理和装置不同磁场方向的效应磁控溅射中电子运动示意图各种不同的磁控溅射装置2)磁控溅射的特点：(a)二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，路程足够长，电子使原子电离的机会增加。(b)提高了电离效率，工作气压可降低到10-3?10-4Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作用，提高了沉积速率。(c)高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样，电离产生的正离子能有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰击，制膜过程中温升较小。有效地解决了直流溅射中基片温升高和溅射速率低两大难题存在的问题：不能实现强磁性材料的低温高速溅射用绝缘材料的靶会使基板温度上升靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面不均匀溅射反应性磁控溅射中的电弧问题膜的均匀性靶的非均匀腐蚀及内应力颗粒（重溅射）在溅射气体中加入少量的反应性气体如N2,O2,烷类等，使反应气体与靶材原子一起在衬底上沉积，对一些不易找到块材制成靶材的材料，或在溅射过程中薄膜成分容易偏离靶材原成分的，都可利用此方法。反应气体：如O2,N2,NH3,CH4,H2S氧化物，如Al2O3,SiO2,In2O3,SnO2碳化物，如SiC,WC,TiC,DLC氮化物，如TiN,AlN,Si3N4硫化物，如CdS,ZnS,CuS4.反应性气体溅射（ReactiveGasSputtering）反应也可能在靶上或基板上进行=靶中毒。化合物的溅射产率约为纯金属的10%~20%等离子体中的化学反应：活性高，如Ar+反应活性类似于Cl原子反应速率：Ti靶；靶电压415~430V；靶-基片距离13cm；溅射气体N2/Ar或N2；总压强0.47Pa；沉积率~1mm/h非搀杂Si靶；溅射气体O2/Ar；靶-基片距离8cm；溅射压强0.7～2Pa；溅射功率3.0kW；基片温