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合金溅射-广东振华真空镀膜设备

各种成分的薄膜合金或复合材料可以通过物理气相沉积(PVD)的各种不同方式进行沉积。最常见的做法是简单地溅射以所得膜中所需的材料组成均质合金或都以希望可得合金薄膜的成成份组成的复合材料。当然,有许多方法可将多组分化合物材料沉积到基底上。包括共同沉积,分块组成的靶,双个靶源等。这些在后续文章中讨论。但是这里将讨论如何在保持相同化学成分的要求下将各种原子从靶转移到基片的基本概念 。

如前所述,溅射本质上只是等离子体中带电粒子(离子)与靶材料中的原子之间的动量传递。在等离子体中,工作气体中的外部电子(负电荷)被电离掉,在气体的分子结构上留下净正电荷。这产生了带有正电荷的离子,然后该离子被要溅射的靶表面上的负电荷电势的电场和/或磁场引导。当碰撞离子的动能超过被溅射材料的晶体结构内原子键的热能(结合能)时,靶上的单个原子被溅射出来并向基材前进。

入射离子与靶材料的原子碰撞,从而触发靶内的级联碰撞。类似于打台球,当母球击中目标球时,先击中相邻的球,然后依次击中下一排球,依此类推,直到所有母球最初的能量消退。因此,从离子(母球)的初始碰撞开始,大量其他原子吸收了能量并做出了相应的反应,在靶材晶格内来回弹跳。这些级联的原子会根据许多因素,例如,离子的初始到达能量,到达目标表面的入射角,撞击离子的质量,被溅射的原子的质量以及靶内原子键的能量和靶内原子的结合表面能。在某种程度上随机改变其位置。靶原子从最初的离子碰撞中反弹,其中一些原子到达靶表面。就像某些目标球最终超出母球放置的初始位置一样,它们会在射击池中运动。如果这些到达靶表面的原子具有的能量大于表面结合能的能量,则这些原子将从表面逸出并进入等离子体。统计上,这些原子中的一部分会到达基片表面。对于上述讲到的情况,每个撞击离子从靶表面溅射的原子数的统计平均值称为“溅射产频”。

如果所有参量保持恒定,那么原子沉积的速率将恒定。但是,在合金或复合材料中,有理由认为每种成分的原子键的能量不可能相同。原子之间的这种吸引力或键能可能是由于带有相反电荷的单个原子之间的静电力或来自具有共享电子的原子的共价键能。基于单个原子结构,原子结合能对于任何给定元素都是唯一的。在某些材料中存在较强的键,例如共价键或离子键,以及较弱的键,例如偶极相互作用。因此,如果沉积系统的物理几何形状保持恒定,并且撞击离子的到达能量保持恒定,则从表面溅射出来的键合较弱的原子要比键合较强的原子更多。这些不同的溅射产频将如何影响复合材料或合金溅射的沉积速率呢?这些合金或复合材料可能包含原子键能差异很大的元素,从而每种成分会有不同的溅射产频?

根据溅射产频计算,可以预料具有较弱原子键的材料比具有较强原子键的材料从靶表面溅射出来的速度更快。事实就是如此。那么,所得的薄膜如何与靶材料保持相同的化学组成呢?显然,原子键最弱的成分确实会以较高的速率从靶表面溅射出来。因此,这耗尽了表面较弱的键合组份原子的数量。因此,与具有较高强度原子键的原子相比,从目标表面溅射出来的这些较弱的键原子会变少。在很短的时间内,靶表面上和附近的化学成分达到新的平衡。这种新的平衡比形成靶表面物质新的原子结合能。虽然,可溅射的弱键原子少于强键原子。但如前所述,该平衡比与溅射产频的倒数成正比,一旦在靶表面上达到该组份平衡比,每种物质的比例在统计上就可以使所得膜组成与初始起始靶组成的原始均质化学组成完全相同。这就是溅射的魔力。