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真空PVD合金膜的溅射沉积方法

  为使溅射系统所用靶的数量减少,尽量用一个靶就能溅射沉积制取符合成分及性能要求的合金薄膜,可以采用合金靶、复合镶嵌靶、以及采用多靶溅射等。
 
  一般说来,在放电稳定状态下,按照靶的成分,各种构成原子分别受到溅射作用,溅射镀膜比真空蒸镀和离子镀的一个优越之处在于:膜层的组分和靶的组分差别较小,而且镀层组分稳定。不过,在有些情况下,由于不同组成元素的选择溅射现象、膜层的反溅射率以及附着力不同,会引起膜层和靶的成分有较大的差别。使用这种合金靶,为了制取确定组分的膜,除了根据实验配制特定配比的靶并尽量降低靶的温度之外,还要尽可以降低基片温度以便减少附着率的差别,并选择合适的工艺条件尽量减少对膜层的反溅射作用。
 
  在有些情况下,不易制备大面积的均匀合金靶、化合物靶,这时可以采用由单元素组成的复合镶嵌靶,靶表面的构成如图1所示。其中图d所示的扇形镶嵌结构效果最好,易于控制膜的成分,重复性也好。从原理上讲,不仅二元合金,三元、四元等合金膜都可以用这种方法制取。
  1各种不同结构的复合靶
 
  (a)方块镶嵌靶;(b)圆块镶嵌靶;(c)小方块镶嵌靶;(d)扇形镶嵌靶
 
  为在溅射膜中做出相应的成分分布,可采用如图2所示的镶嵌靶材。图中是在一块Ti基体靶材的刻蚀区上钻孔镶嵌Al材料的复合靶,用来制取TiAlN合金膜或化合物膜。由图中可以看出,在基片的不同位置上,膜成分是不同的,Al材料的镶嵌位置和数量对应着确定的合金成分,因此用这种方法制取各种成分的合金或化合物膜是十分方便的。
  2Ti-Al镶嵌复合靶
 
  多靶溅射的结构如图3所示。使基片在两个以上靶的上方转动,控制每种膜的沉积厚度为一个或几个原子层,轮翻沉积,这样就能制取化合物膜。例如,有人使用InSb和GaSb靶,制得了In1-xGaxSb单晶膜。虽然这种装置复杂一些,但是通过控制基片的转动速度和改变各个靶上所加的电压,可以得到任意组分的膜;按照镀膜的时间,控制这些参数,可以在膜厚的方向上任意改变膜的组分,而且能获得超晶格结构。
 
  3多靶溅射结构示意图
 
  当要求合金膜各成分之间相差很大时,一般要采用辅助阴极法。主阴极靶由合金的主要成分制成,辅助阴极靶由合金的添加成分制成。对各个靶同时进行溅射,以形成合金膜。通过调节辅助阴极靶的电流,可以任意改变合金膜中添加成分的数量。

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