溅射制备材料的机理分析

摘 要 溅射技术属于PVD（物理气相沉积）技术的一种，是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并最终在衬底上沉积成膜的方法。本文就以溅射技术在SiC薄膜沉积中的应用为典例对其进行机理分析。

关键词 溅射镀膜 机理分析 新技术

一、溅射技术及其分类

1、溅射技术

溅射是指具有一定能量的粒子轰击固体表面，使得固体分子或原子离开固体，从表面射出的现象。溅射镀膜是指利用粒子轰击靶材产生的溅射效应，使得靶材原子或分子从固体表面射出，在基片上沉积形成薄膜的过程。磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线，增加了电子和带电粒子以及气体分子相碰撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，而Ar+离子在高压电场加速作用下，与靶材撞击并释放能量，使靶材表面的靶原子逸出靶材飞向基板，并沉积在基板上形成薄膜。

2、溅射技术分类

溅射技术按照电极不同可以分为：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射等等。因为直流溅射系统通常只能应用于靶材为良导体的场合，故并不常用于制备SiC薄膜，而射频溅射、磁控溅射和反应溅射均可实现SiC薄膜的制备。

二、溅射的特点和应用

1、溅射的特点

溅射镀膜作为一种传统的薄膜制备技术，它能保持长久生命力的原因在于溅射镀膜与其它真空镀膜技术相比有如下的优点：（1）任何物质都可以溅射，尤其是高熔点化合物。不论是金属、半导体、绝缘体，也不论是化合物、混合物，只要是固体，不管是块状、粒状，都可以作为靶材，制备其相应的薄膜材料。（2）可以在相对低的温度下合成高温高压下制备的薄膜。（3）溅射膜与基底之间的附着性较好。（4溅射膜的致密性好，针孔少，且膜层的纯度较高。（5）膜厚可控性和重复性好，且能大面积成膜。（6）在工艺上易于自动化，能够进行大批量的生产，能源消耗和生产成本低，很适合于大规模工业生产。

2、溅射的应用

溅射主要用于沉积和刻蚀。在沉积方面，溅射可以用于制各各种薄膜，如难熔金属薄膜、合金薄膜、化台物薄膜、半导体薄膜、氧化物薄膜、绝缘介质膜，以及碳化物薄膜、氮化物薄膜，乃至高温超导薄膜。在刻蚀方面，溅射可以用来清洗基底表面，去除表面杂质，使表面更具活性，以利于表面沉积薄膜：溅射还可以用来对样品进行逐层剥离，以便对样品进行深度剖面分析。

三、机理分析

溅射制备的步骤：

（1）电子活化加速

磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。具有低温、高速两大特点。电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内：F=-q（E+v€譈）电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。

（2）电子与物体发生撞击

具体地说来磁控溅射系统在真空室充入0.1～10Pa压力的惰性气体（Ar），作为气体放电的载体，阴极靶材的下面放置100～1000Gauss强力磁铁。在高压作用下Ar原子电离成为Ar+离子和电子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向基片的过程中，受到电场产生的静电作用力和磁场产生的洛伦兹力的共同作用（正交电磁场作用），产生漂移，并做跳栏式的运动。这会使电子到达阳极前的行程大为延长，在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞，电离出大量的Ar+离子。

（3）电子沉积

磁控溅射时，电子的能量充分用于碰撞电离，使等离子体密度比二极溅射的密度提高约一个数量级。一般靶材刻蚀速率，相应的镀膜速率与靶面电流密度成正比，于是磁控溅射的镀膜速率相比一些普通溅射技术大大提高。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。

（4）膜的形成

而Ar+离子在高压电场加速作用下，与靶材的撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收Ar+离子的动能而脱离原晶格束缚，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片，并在基片上沉积形成薄膜。由于电子必须经过不断地碰撞才能渐渐运动到阳极，而且由于碰撞，电子到达阳极后其能量已经很小，对基板的轰击热也就不大，这就是磁控溅射基板温升低的主要机理。另一方面，加上磁场后大大加大了电子与氨原子碰撞的几率，进而大大促进了电离的发生，电离后再次产生的电子也加入到碰撞的过程中，从而能将碰撞的几率提高好几个数量级。这就是磁控溅射沉积速率高的原因。

四、溅射技术对SiC薄膜性能的影响

1、沉积参数对SiC薄膜晶体结构方面的影响

通常在低温（H<500e）条件下，所制备的SiC薄膜均为无定形结构，但是其硬度完全可以和SiC晶体结构相媲美。增大基体偏压可以有效增加薄膜中的B-SiC相，有利于SiC相的成核和晶体生长，在较低的偏压和溅射功率（50～100W）下，SiC薄膜表面活性较低，此时在表面上呈现典型的柱状生长模式，薄膜表面形貌显现为柱状粒子团。通过增加偏压和在高的射频功率（150～200W）下，此时SiC表现出纤维状生长模式，薄膜表面形貌显现为多孔球状粒子团。

2、SiC薄膜力学性能方面

为了保证基片表面高活性，宜采用较低的溅射沉积速率，此时Si和C溅射原子具有较高的能量。相反，高沉积速率对基片保持高表面活性不利。通过高温退火增加基片温度，可以有效消除残余应力以及有效增加薄膜中结构和化学有序性，但对薄膜硬度并无明显影响。还发现增加基片偏压导致Ar原子扩散进入薄膜，从而不利于薄膜力学性能的改善。

参考文献：

[1]李芬，朱颖，李刘合，卢求元等.磁控溅射技术及其发展[J].真空电子技术，2011.

[2]王合英，孙文博，陈宜宝.磁控溅射镀膜过程中非均匀磁场中电子的运动[J].物理实验，2008.

[3]梅芳，弓满锋，李玲.溅射技术在SiC薄膜沉积中的应用和工艺研究进展[J].表面技术，2008.

[4]余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空，2009.

作者简介：张岿，性别女，民族汉