導讀:

濺射氣體離子轟擊靶材引起靶材原子濺射

濺射原子在背景氣體中的輸運過程

濺射原子到達襯底後沉積過程

由於原子生長等對於成膜質量比較關鍵,因此沉積過程為下文主要介紹方向.

1:濺射氣體離子轟擊靶材引起靶材原子濺射 :

(1)離子轟擊靶材表面時與靶材原子發生動量交換而在靶材內部引發一系列碰撞;一部分靶材原子從碰撞中獲得反衝動能從而掙脫表面結合能的束縛而成為濺射原子(也可從作者上篇磁控濺射鍍膜原理級聯碰撞理解,由於內部運動非常繁瑣,針對本技術不需過多瞭解).

磁控濺射鍍膜中,靶偏壓一般在 300-500 V,因此 轟擊離子能量在 300-500 e V 之間,所以離子轟擊靶面所引發的濺射過程屬於單一撞擊和線性級聯碰撞 濺射過程.(還存在熱釘扎濺射,由於需要轟擊離子能量過高,在磁控濺射技術中幾乎不會發生),那麼什麼是單一撞擊和線性級聯碰撞呢?

(2)單一撞擊:

能量小於1 千電子伏特的離子轟擊靶面時,由於離子轟擊能量低 ,初始回彈原子的能量(靶材內碰撞後第一波原子)不足以引起靶材內部級聯碰撞,導致回彈原子密度低.因此靶材原子主要透過與轟擊離子或初始回彈離子直接單次碰撞獲得能量的,也因此成為濺射原子.

(3)線性級聯碰撞

首先講一下基礎過程,轟擊粒子進入靶材的過程中,與靶材中原子發生彈性碰撞.此時,轟擊粒子由於電場作用,帶有很大的動能,一部分動能傳遞給了靶材原子,當靶材原子的動能超過其餘靶材原子形成的勢壘時(金屬勢壘在5~10 e V之間),破壞了原有的晶格陣點(穩定材質內部原子會成一定規律排列),這種獲得動能的原子從晶格陣點碰出,變成離位原子.離位原子運動和周圍靶材原子反覆碰撞,形成了級聯碰撞.當碰撞傳遞到靶材表面原子時,靶材表面原子獲得的動能如果大於表面能,就會發生濺射現象.

2:濺射原子在背景氣體中的輸運過程

運輸過程指的是,濺射原子在像襯底運動時與濺射氣體原子發生碰撞,其運動方向會發生改變,也會損失部分能量,這就是運輸過程.(此處筆者水平有限,先做簡介,後期會做補充)3:濺射原子到達沉底後沉積過程:

(1)吸附和瞬態遷移:

吸附在襯底表面的那一層濺射原子成為增原子並在襯底表面進行瞬態遷移,增原子在瞬態遷移過程中,與襯底原子發生能量交換,從而使自身能量降到解析能以下.除此之外,增原子還會盡量使得體系表面能量最小化 .

(2)形核:

襯底表面增原子濃度達到一定程度 ,相鄰增原子聚整合穩態原子島(可以想象成小球堆成圓錐形).原子島以原子堆垛的形式長大、合併從而在襯底表面形成連續薄膜 .

(3)薄膜生長:

增原子在襯底表面的遷移、 擴散和形核決定了薄膜的生長模式 .

島狀生長模式(核生長型) :

襯底表面吸附的增原子,一個個聚整合為孤立原子島,後續沉積的增原子聚集在原子島上堆垛使得原子島增大 ,部分原子從原子島脫落,填充縫隙,形成連續的薄膜.有如下三個階段:成核階段;小島階段;網路階段;

大部分成膜屬於核生長型別.

二維層狀生長 :

濺射靶原子與基材原子之間的結合能接近靶原子之間的結合能,就會嘗試層生長型.增原子在襯底表面形核密度低,增原子與襯底表面原子成鍵並沿襯底表面鋪開從而形成臺階,後續沉積的增原子遷移到臺階邊緣從而使臺階不斷前移,最終導致薄膜二維層狀生長.

島狀-層狀生長 :

主要發生在濺射靶原子與基板材料相互作用很強的情況下,成膜初期以二維層狀模式生長,隨後增原子在層狀薄膜上形成原子島狀結構而導致薄膜生長模式轉化為三維島狀生長.