濺射制備材料的機理分析

摘 要 濺射技術屬于PVD（物理氣相沉積）技術的一種，是利用帶電荷的粒子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引向欲被濺射的物質制成的靶電極（陰極），并將靶材原子濺射出來使其沿著一定的方向運動到襯底并最終在襯底上沉積成膜的方法。本文就以濺射技術在SiC薄膜沉積中的應用為典例對其進行機理分析。

關鍵詞 濺射鍍膜 機理分析 新技術

一、濺射技術及其分類

1、濺射技術

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，從表面射出的現象。濺射鍍膜是指利用粒子轟擊靶材產生的濺射效應，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程。磁控濺射是在輝光放電的兩極之間引入磁場，電子受電場加速作用的同時受到磁場的束縛作用，運動軌跡成擺線，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、濺射技術分類

濺射技術按照電極不同可以分為：直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應濺射等等。因為直流濺射系統通常只能應用于靶材為良導體的場合，故并不常用于制備SiC薄膜，而射頻濺射、磁控濺射和反應濺射均可實現SiC薄膜的制備。

二、濺射的特點和應用

1、濺射的特點

濺射鍍膜作為一種傳統的薄膜制備技術，它能保持長久生命力的原因在于濺射鍍膜與其它真空鍍膜技術相比有如下的優點：（1）任何物質都可以濺射，尤其是高熔點化合物。不論是金屬、半導體、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，制備其相應的薄膜材料。（2）可以在相對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）膜厚可控性和重復性好，且能大面積成膜。（6）在工藝上易于自動化，能夠進行大批量的生產，能源消耗和生產成本低，很適合于大規模工業生產。

2、濺射的應用

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、化臺物薄膜、半導體薄膜、氧化物薄膜、絕緣介質膜，以及碳化物薄膜、氮化物薄膜，乃至高溫超導薄膜。在刻蝕方面，濺射可以用來清洗基底表面，去除表面雜質，使表面更具活性，以利于表面沉積薄膜：濺射還可以用來對樣品進行逐層剝離，以便對樣品進行深度剖面分析。

三、機理分析

濺射制備的步驟：

（1）電子活化加速

磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向，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。電子在加速的過程中受到磁場洛侖茲力的作用，被束縛在靠近靶面的等離子體區域內：F=-q（E+v€譈）電子的運動的軌跡將是沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進的復雜曲線。即磁場的存在將延長電子在等離子體中的運動軌跡，提高了它參與原子碰撞和電離過程的幾率，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）電子與物體發生撞擊

具體地說來磁控濺射系統在真空室充入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強力磁鐵。在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+離子和電子，產生等離子輝光放電，電子在加速飛向基片的過程中，受到電場產生的靜電作用力和磁場產生的洛倫茲力的共同作用（正交電磁場作用），產生漂移，并做跳欄式的運動。這會使電子到達陽極前的行程大為延長，在運動過程中不斷與Ar原子發生碰撞，電離出大量的Ar+離子。

（3）電子沉積

磁控濺射時，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數量級。一般靶材刻蝕速率，相應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大大提高。經過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、真空室內壁及靶源陽極上。

（4）膜的形成

而Ar+離子在高壓電場加速作用下，與靶材的撞擊并釋放出能量，導致靶材表面的原子吸收Ar+離子的動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。由于電子必須經過不斷地碰撞才能漸漸運動到陽極，而且由于碰撞，電子到達陽極后其能量已經很小，對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理。另一方面，加上磁場后大大加大了電子與氨原子碰撞的幾率，進而大大促進了電離的發生，電離后再次產生的電子也加入到碰撞的過程中，從而能將碰撞的幾率提高好幾個數量級。這就是磁控濺射沉積速率高的原因。

四、濺射技術對SiC薄膜性能的影響

1、沉積參數對SiC薄膜晶體結構方面的影響

通常在低溫（H<500e）條件下，所制備的SiC薄膜均為無定形結構，但是其硬度完全可以和SiC晶體結構相媲美。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，在較低的偏壓和濺射功率（50～100W）下，SiC薄膜表面活性較低，此時在表面上呈現典型的柱狀生長模式，薄膜表面形貌顯現為柱狀粒子團。通過增加偏壓和在高的射頻功率（150～200W）下，此時SiC表現出纖維狀生長模式，薄膜表面形貌顯現為多孔球狀粒子團。

2、SiC薄膜力學性能方面

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Si和C濺射原子具有較高的能量。相反，高沉積速率對基片保持高表面活性不利。通過高溫退火增加基片溫度，可以有效消除殘余應力以及有效增加薄膜中結構和化學有序性，但對薄膜硬度并無明顯影響。還發現增加基片偏壓導致Ar原子擴散進入薄膜，從而不利于薄膜力學性能的改善。

參考文獻：

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作者簡介：張巋，性別女，民族漢