濺射制備材料的機(jī)理分析

摘 要 濺射技術(shù)屬于PVD（物理氣相沉積）技術(shù)的一種，是利用帶電荷的粒子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的物質(zhì)制成的靶電極（陰極），并將靶材原子濺射出來(lái)使其沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)到襯底并最終在襯底上沉積成膜的方法。本文就以濺射技術(shù)在SiC薄膜沉積中的應(yīng)用為典例對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析。

關(guān)鍵詞 濺射鍍膜 機(jī)理分析 新技術(shù)

一、濺射技術(shù)及其分類

1、濺射技術(shù)

濺射是指具有一定能量的粒子轟擊固體表面，使得固體分子或原子離開固體，從表面射出的現(xiàn)象。濺射鍍膜是指利用粒子轟擊靶材產(chǎn)生的濺射效應(yīng)，使得靶材原子或分子從固體表面射出，在基片上沉積形成薄膜的過(guò)程。磁控濺射是在輝光放電的兩極之間引入磁場(chǎng)，電子受電場(chǎng)加速作用的同時(shí)受到磁場(chǎng)的束縛作用，運(yùn)動(dòng)軌跡成擺線，增加了電子和帶電粒子以及氣體分子相碰撞的幾率，提高了氣體的離化率，降低了工作氣壓，而Ar+離子在高壓電場(chǎng)加速作用下，與靶材撞擊并釋放能量，使靶材表面的靶原子逸出靶材飛向基板，并沉積在基板上形成薄膜。

2、濺射技術(shù)分類

濺射技術(shù)按照電極不同可以分為：直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射等等。因?yàn)橹绷鳛R射系統(tǒng)通常只能應(yīng)用于靶材為良導(dǎo)體的場(chǎng)合，故并不常用于制備SiC薄膜，而射頻濺射、磁控濺射和反應(yīng)濺射均可實(shí)現(xiàn)SiC薄膜的制備。

二、濺射的特點(diǎn)和應(yīng)用

1、濺射的特點(diǎn)

濺射鍍膜作為一種傳統(tǒng)的薄膜制備技術(shù)，它能保持長(zhǎng)久生命力的原因在于濺射鍍膜與其它真空鍍膜技術(shù)相比有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)化合物。不論是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體，也不論是化合物、混合物，只要是固體，不管是塊狀、粒狀，都可以作為靶材，制備其相應(yīng)的薄膜材料。（2）可以在相對(duì)低的溫度下合成高溫高壓下制備的薄膜。（3）濺射膜與基底之間的附著性較好。（4濺射膜的致密性好，針孔少，且膜層的純度較高。（5）膜厚可控性和重復(fù)性好，且能大面積成膜。（6）在工藝上易于自動(dòng)化，能夠進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，能源消耗和生產(chǎn)成本低，很適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

2、濺射的應(yīng)用

濺射主要用于沉積和刻蝕。在沉積方面，濺射可以用于制各各種薄膜，如難熔金屬薄膜、合金薄膜、化臺(tái)物薄膜、半導(dǎo)體薄膜、氧化物薄膜、絕緣介質(zhì)膜，以及碳化物薄膜、氮化物薄膜，乃至高溫超導(dǎo)薄膜。在刻蝕方面，濺射可以用來(lái)清洗基底表面，去除表面雜質(zhì)，使表面更具活性，以利于表面沉積薄膜：濺射還可以用來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行逐層剝離，以便對(duì)樣品進(jìn)行深度剖面分析。

三、機(jī)理分析

濺射制備的步驟：

（1）電子活化加速

磁控濺射就是以磁場(chǎng)束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)路徑，改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。具有低溫、高速兩大特點(diǎn)。電子在加速的過(guò)程中受到磁場(chǎng)洛侖茲力的作用，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)：F=-q（E+v€譈）電子的運(yùn)動(dòng)的軌跡將是沿電場(chǎng)方向加速，同時(shí)繞磁場(chǎng)方向螺旋前進(jìn)的復(fù)雜曲線。即磁場(chǎng)的存在將延長(zhǎng)電子在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了它參與原子碰撞和電離過(guò)程的幾率，因而在同樣的電流和氣壓下可以顯著地提高濺射的效率和沉積的速率。

（2）電子與物體發(fā)生撞擊

具體地說(shuō)來(lái)磁控濺射系統(tǒng)在真空室充入0.1～10Pa壓力的惰性氣體（Ar），作為氣體放電的載體，陰極靶材的下面放置100～1000Gauss強(qiáng)力磁鐵。在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+離子和電子，產(chǎn)生等離子輝光放電，電子在加速飛向基片的過(guò)程中，受到電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電作用力和磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的共同作用（正交電磁場(chǎng)作用），產(chǎn)生漂移，并做跳欄式的運(yùn)動(dòng)。這會(huì)使電子到達(dá)陽(yáng)極前的行程大為延長(zhǎng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar+離子。

（3）電子沉積

磁控濺射時(shí)，電子的能量充分用于碰撞電離，使等離子體密度比二極濺射的密度提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。一般靶材刻蝕速率，相應(yīng)的鍍膜速率與靶面電流密度成正比，于是磁控濺射的鍍膜速率相比一些普通濺射技術(shù)大大提高。經(jīng)過(guò)多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，最終落在基片、真空室內(nèi)壁及靶源陽(yáng)極上。

（4）膜的形成

而Ar+離子在高壓電場(chǎng)加速作用下，與靶材的撞擊并釋放出能量，導(dǎo)致靶材表面的原子吸收Ar+離子的動(dòng)能而脫離原晶格束縛，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片，并在基片上沉積形成薄膜。由于電子必須經(jīng)過(guò)不斷地碰撞才能漸漸運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極，而且由于碰撞，電子到達(dá)陽(yáng)極后其能量已經(jīng)很小，對(duì)基板的轟擊熱也就不大，這就是磁控濺射基板溫升低的主要機(jī)理。另一方面，加上磁場(chǎng)后大大加大了電子與氨原子碰撞的幾率，進(jìn)而大大促進(jìn)了電離的發(fā)生，電離后再次產(chǎn)生的電子也加入到碰撞的過(guò)程中，從而能將碰撞的幾率提高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是磁控濺射沉積速率高的原因。

四、濺射技術(shù)對(duì)SiC薄膜性能的影響

1、沉積參數(shù)對(duì)SiC薄膜晶體結(jié)構(gòu)方面的影響

通常在低溫（H<500e）條件下，所制備的SiC薄膜均為無(wú)定形結(jié)構(gòu)，但是其硬度完全可以和SiC晶體結(jié)構(gòu)相媲美。增大基體偏壓可以有效增加薄膜中的B-SiC相，有利于SiC相的成核和晶體生長(zhǎng)，在較低的偏壓和濺射功率（50～100W）下，SiC薄膜表面活性較低，此時(shí)在表面上呈現(xiàn)典型的柱狀生長(zhǎng)模式，薄膜表面形貌顯現(xiàn)為柱狀粒子團(tuán)。通過(guò)增加偏壓和在高的射頻功率（150～200W）下，此時(shí)SiC表現(xiàn)出纖維狀生長(zhǎng)模式，薄膜表面形貌顯現(xiàn)為多孔球狀粒子團(tuán)。

2、SiC薄膜力學(xué)性能方面

為了保證基片表面高活性，宜采用較低的濺射沉積速率，此時(shí)Si和C濺射原子具有較高的能量。相反，高沉積速率對(duì)基片保持高表面活性不利。通過(guò)高溫退火增加基片溫度，可以有效消除殘余應(yīng)力以及有效增加薄膜中結(jié)構(gòu)和化學(xué)有序性，但對(duì)薄膜硬度并無(wú)明顯影響。還發(fā)現(xiàn)增加基片偏壓導(dǎo)致Ar原子擴(kuò)散進(jìn)入薄膜，從而不利于薄膜力學(xué)性能的改善。

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作者簡(jiǎn)介：張巋，性別女，民族漢