射频磁控溅射镀膜过程及机制（硕士论文草稿，有摘抄有实验有推断

2.1 薄膜的制备方法 溅射镀膜 磁控溅射 溅射过程 迁移过程 成膜过程

溅射镀膜

气相条件下沉积薄膜有两种主要的方式 ：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD). 气相沉积是在气相环境中，采用不同的方式（如蒸发或溅射），把源材料上的原子或分子转变为气相，再沉积到衬底上。这个过程一般要在真空室内进行，以便于控制气相的成分，而且由于过程中，源材料要转变为气相再沉积，所以需要真空以减少大气对源材料的污染。

气相沉积的两种主要方式是蒸发和溅射，其本质区别是将源材料转变为气相的手段不同。蒸发是采用对源材料的原子或分子提供热能，使其逸出；溅射则是采用外来的高速离子，轰击源材料，使源材料的原子或分子获得大量的动能而溅射出来。

本论文中样品采用中科院沈阳科学仪器厂JGP350型磁控溅射镀膜机制备，真空抽气系统由机械泵（前级泵）和分子泵（主泵）组成，极限真空度可达2.0×10-4Pa。溅射系统配有三个立式靶，其中两个接射频阴极（RF），另一个接直流阴极（DC）。RF的溅射功率可在0～200W之间调节，直流电源电压为0～2000V。中间样品控制架上有3个样品夹具，样品控制架可通过旋转来选择所要溅射的靶。其中一个样品位的后面有加热电阻丝，可对该位置上的衬底加热，使得衬底温度在室温与400℃之间可调。靶和衬底间距为5cm。由于靶材CdTe和ZnTe陶瓷靶的电导率较低，所以采用射频溅射模式。工作气体为氩气。磁控溅射所用靶材是纯度为99.999%的ZnTe和CdTe化合物陶瓷靶，靶材直径为100mm、厚6mm。沉积薄膜用的衬底均为普通玻璃，衬底厚1mm，长宽为2.5×6cm。

射频溅射时，采用高频射频电源（13.56MHz），分别将靶材和真空室的其他部分耦合在电源的两极，衬底处于靶材对应的位置，与靶材间距为5cm，

射频磁控溅射时放电的过程（工作气体为Ar气）： 1）无光放电

打开射频电源及电流显示器，即会有十毫安以下以下的电流显示。这时真空室中一般会有几帕到几十帕的Ar压，始终有少量Ar处理游离态，以电子和Ar正离子的状态存在。并维持微弱的电流。

然后随着电压的增加，电流会逐渐增加。当两极加上电压后，电子和Ar+

在电压作用下，往返于两极。这时外加电压的变化周期为7e-8s，正离子的浓度来不及改变，电子的质量很小，速度快，可以在电压方向改变的半个周期内形成电流。

升高电压，电子加速获得较大动能，碰撞Ar气分子时，使之电离。增加了

正离子和电子的浓度，进一步导致电流增加。

2）辉光放电区

当电压继续升高，电流继续增大；电压升高到500V附近时，达到临界点，产生辉光，同时电流基本不变，电压随之降低。

这一阶段中，电压增大到一定的值，正离子在较大的电场作用下，加速获得足够的动能，

当电压进一步增加时，汤森放电的电流将随之增大，当电流增大到临界点时，极板两端电压突然降低，（在射频溅射时，这一区域也很明显，在可以起辉的气压下，电压增加到500V左右时，电流保持不变，电压突然降低，同时起辉。）电流突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压称为击穿电压。这时电子和正离子是来源于电子碰撞和正离子的轰击（正离子对阴极的靶材轰击，轰击出靶材料中的电子，然后这些电子在加速向阳极（一般放有基底的过程中，会再把气体电离，电离出更多的电子和正离子，然后电子再加速，电离气体，而正离子则获得动能后轰击阴极，然后不断循环并增大，犹如雪崩）。这时电子和离子的来源已经不再是Ar的自然电离了；

这一阶段，维持放电的电压较低，且不变，电流的增大与电压无关，而只与阴极板上产生辉光的表面积有关。正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有关。气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小与有影响。电流密度随气体压强增加而增大，凹面形阴极的正常辉光放电密度要比平板形阴极大数十倍以上。

由于正常辉光放电时电流密度仍然比较小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。

4）非正常辉光区

在轰击覆盖住整个阴极表面后，进一步增加功率，放电的电压和电流密度将同时增大，进入非正常辉光放电状态。其特点时，电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压降的大小 与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已布满正个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散， 这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短，此时若要想提高电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。

即在正常辉光区，电压保持不变，而阴极上被Ar正离子轰击，并产生二次

电子，二次电子获得加速，飞向阳极的过程中，电离Ar气，产生更多的电子和正离子。增加电流

所以电流的增加，是由于，电子和正离子不断增加的过程中，正离子轰击阴极的区域也在不断增加，从而使得电流增加。也就是阴极辉光面积的增加，导致电流的增加。

而电流密度的增加，即单位面积的阴极所能产生的电流，与阴极的材料有关：阴极材料的溅射率高，即每个Ar离子轰击阴极时，可以溅射出来的电子，原子，离子（离子较难飞出去，因为阴极这边的电场的作用）越多，电流密度越大。

同时也与气体的种类有关，可能气体的原子质量（离子质量）比较大时，轰击阴极时，溅射率更高。

此外，还与阴极的形状有关。凹面形阴极可被轰击的面积较大。以及其他原因，使其电流密度要比平面靶大数十倍。

而在非正常辉光放电区，辉光已经布满整个阴极，即阴极的所有区域都已经在被轰击，溅射电子（飞出会后电离更多的Ar气）溅射出来的原子（会释放出辉光，并沉积到基底上，如果靶面的原子也会激发释放光子，则应该在溅射过程中，应该能看到靶材发光，但是好像没注意到，待观察，可能是处于激发态的原子已经被轰击出来了，即处于激发态，能释放光子的原子能量>脱离靶材表面所需要的能量。）

所以在非正常辉光区，若要提高电流密度，则需要提高电压，增加轰击阴极的Ar正离子的能量，使其轰击阴极时，产生更多的二次电子（这也说明，阴极和阳极之间的电流大小 ，由两者之间电子的数量决定，或者受限于电子，与到达阴极的正离子数关系不大。，而在射频溅射时，则电流完全由电子决定，因此仅有电子才能在高频下达到达到对面的电极，形成电流。

（所谓辉光，就是阴极被正离子轰击时，被激发，然后释放的光子，或者被溅射出来的原子在飞行过程中，被激发而释放出来的光子）

在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体压强和电极距离的乘积有关。

气体成分和电极材料一定时，起辉电压V即Ar正离子，在此临界电压下的加速下，刚好可以把阴极中的电子轰击出来。

（气体压强影响的应该是此时 Ar正离子的数量；而电极距离影响的是，Ar正离子到达阴极的难度；

气压越高，Ar离子越多，则更易轰击到阴极，就会降低起辉电压； 电极距离越小，则Ar离子也更易轰击到阴极

所以P*D是一个综合性的因素，且PD两个量的变化对起辉电压的影响是相反的）

对应与巴邢曲线的解释，当气体压强和间距的乘积过小时，则没有足够的Ar气分子，Ar离子和电子也很少，难以起辉

而乘积过大时，即Ar气分子密度较大，而Ar正离子飞行的距离也较长，中间会发生多次碰撞，轰击阴极时，能量损失严重，打不出二次电子。

大多数溅射过程中，都要求气压较低，可以减少Ar对膜的污染；也可以使溅射原子的飞行过程中，到达衬底的比例高，损失的能量低。

在极电距离小的电极结构，经常需要瞬时增加气体压强，以启动放电。 （如果电极距离比较大，压强就可以小一些吗？

电极距离较小时，二次电子从阴极飞向阳极时，中间电离的Ar气过少，难以产生更多的电子和离子，从而引发雪崩点火，所以磁控溅射，才用磁场把电子圈起来，增加电子对Ar气的电离；

那么就需要增加气压，增加Ar分子的密度，使电子在较短的过程中，能碰到到更多的Ar，电离出更多的电子和离子；

而如果电极距离较大，则电子较容易电离出较多的电子和离子，但另一方面，如果气体较高，轰击阴极的正离子Ar+则因碰撞而损失过多能量，达不到轰击阴极的效果，

即，Ar电离产生的两个产物，Ar正离子和电子，分别需要有不同的作用，对于电子，希望它能与可能多的Ar发生碰撞，电离出更多的正离子和电子；

而对于正离子，则希望它能尽可能少地发生碰撞，不损失能量，直接去轰击阴极；

（也就是说，正离子与Ar碰撞时，两个粒子的质量一样，仅会把一部分能

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库射频磁控溅射镀膜过程及机制（硕士论文草稿，有摘抄有实验有推断在线全文阅读。