第四章 溅射工艺

1、微电微电0801-0803 专业选修课专业选修课 主要讲授内容 第第2 2章章 真空技术基础真空技术基础 第第3 3章章 薄膜生长与薄膜结构薄膜生长与薄膜结构 第第4 4章章 薄膜制备的基本工艺薄膜制备的基本工艺 溅射镀膜溅射镀膜 第第1 1章章 薄膜技术简介薄膜技术简介 离子束沉积离子束沉积 化学气相沉积化学气相沉积 第第6 6章章 薄膜材料的应用薄膜材料的应用 第第5 5章薄膜材料的评价表证及物性测量章薄膜材料的评价表证及物性测量 表征、性质表征、性质 和应用和应用 薄膜制备方法的原理介绍薄膜制备方法的原理介绍 ， 典型薄膜材料的制备工艺介绍典型薄膜材料的制备工艺介绍 真空蒸镀真空蒸镀 薄

2、膜的形核、生长理论薄膜的形核、生长理论 ， 薄膜的形成与典型成长机制薄膜的形成与典型成长机制 WhatWhats the thin films?s the thin films? 真空的表征及获得真空的表征及获得 4-2 溅射工艺 二、溅射的基本原理 辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理 三、溅射镀膜的类型 二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射 、磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射 一、溅射镀膜的特点 溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高 速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到 被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。 概念： 溅射镀膜广泛用于

3、制备金属、合金、半导体、氧化物、 绝缘介质，以及化合物半导体、碳化物、氮化物等薄膜。 应用： 一、溅射镀膜的特点一、溅射镀膜的特点 溅射镀膜的特点： 溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点： 任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸 气压元素和化合物； 溅射薄膜与衬底的附着性好； 溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高； 膜层厚度可控性和重复性好。 溅射镀膜的缺点： 溅射设备复杂，需要高压装置； 成膜速率较低（0.01-0.50.01-0.5mm）。 一、溅射镀膜的特点一、溅射镀膜的特点 辉光放电 直流辉光放电 辉光放电是在真空度约1010-1 -1PaPa的稀薄气 体中，两个电极之间在一定电压下

4、产生的 一种气体放电现象。 气体放电时，两电极之间的电压和电流 的关系复杂，不能用欧姆定律描述。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 直流辉光放电 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 无光放电 由于宇宙射线产生的游离离子和电子在直流电压作 用下运动形成电流，1010-16 -16-10 -10-14 -14A A。 自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加， 电流变化很小。 汤森放电区 随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体 分子开始产生电离。于是在伏- -安特性曲线出现汤森放电区。 上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不 发光。因此

5、，称为非自持放电。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 辉光放电 当放电容器两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。 气体击穿 自持放电（电流密度范围2-32-3个数量级） 电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关） 电流密度恒定 电流密度与阴极材料、气体压强和种类有关 电流密度不高（溅射选择非正常放电区） 此称为正常辉光放电 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 非正常辉光放电区 当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率， 放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。 特点：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电 压降与电流密度和气体压强有关。 阴极表面情

6、况：此时辉光布满整个阴极，离子层已无 法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。 此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，结果更多 的正离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 弧光放电区 异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。 极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路； 放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁； 损害电源。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 正常辉光与异常辉光放电 在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加 而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。 当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴

7、极电流 密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”， 并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域溅射区域。 在溅射区：溅射电压V，电流密度j和气体压强p遵守以下关 系： 式中， E和F是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 正常辉光与异常辉光放电 进入异常辉光放电区后，继续增加电压，有： 更多的正离子轰击阴极产生大量的电子发射 阴极暗区收缩 式中， d为暗区宽度， A、B为常数 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 阿斯顿暗区 冷阴极发射的电子约1eV1eV左右， 很少发生电离，所以在阴极附近形 成阿斯顿暗区。

8、阴极辉光区 加速电子与气体分子碰撞后，激发 态分子衰变以及进入该区的离子复合 形成中性原子，形成阴极辉光。 穿过阴极辉光区的电子，不易与 正离子复合，形成又一个暗区。 克鲁克斯暗区 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 负辉光区 电子在高浓度正离子积聚区经 过碰撞速度降低，复合几率增加， 形成明亮的负辉光区。 正离子移动速度慢，产生积聚， 电位升高；与阴极之间的电位差成 为阴极压降。 随着电子速度增大，很快获得 了足以引起电离的能量，于是离开 阴极暗区后使大量气体电离，产生 大量的正离子。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 法拉第暗区 此区域电压降很小，

9、类似一个 良导体。 法拉第暗区过后，少数电子逐渐 加速，并使气体电离；由于电子较 少，产生的正离子不会形成密集的 空间电荷。 少数电子穿过负辉光区，形 成暗区。 正离子柱 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 辉光放电阴极附近的分子状态 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 与溅射现象有关的重要问题： 在克鲁克斯暗区周围形成的正离子冲击阴极； 电压不变而改变电极间距时，主要发生变化的是 阳极光柱的长度，而从阴极到负辉光区的距离几乎 不变。 溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于 阴极于负辉光区的距离。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光

10、放电 低频辉光放电 在低于50kHz50kHz的交流电压条件下，离子有足够的 时间在每个半周期内，在各个电极上建立直流辉光 放电，称为低频直流辉光放电。 基本原理与特性与直流辉光放电相同。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 射频辉光放电 电压变化周期小于电离或消电离所需时间。离 子浓度来不及变化，电子在场内作振荡运动。 特点： 在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量， 足以产生碰撞电离； 由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿 电压； 射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以 是非金属材料。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 耦合特性：电极

11、表面电位自动偏置为负极性 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 辉光放电 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 辉光放电 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 辉光放电 辉光放电空间与靶和接地电极之间的电压存在如下 关系： 式中， Ac和Ad 分别为容性耦合电极（靶）和直接耦合电 极（接地电极）的面积。 由于Ad Ac ，所以Vc Vd 。在射频辉光放电时，等 离子体对接地的基片（衬底）只有极微小的轰击，而对 溅射靶进行强烈轰击使之产生溅射。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射阈值 所谓溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离

12、子 所必须具有的最小能量。 溅射阈值的测定非常困难，目前已能测出低于10-5 原子/离子的溅射率。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射阈值 对绝 大多 数金 属来 说， 溅射 阈值 为 103 0eV 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射阈值 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射率 溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能 从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数：S 。 溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特

13、性溅射率 1. 1. 靶材料 溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射率 2.2.入射离子能量 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射率 3.3.入射离 子种类 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射率 4.4.入射离子的入射角 入射离子的入射角是指离子入射方 向与溅射靶材表面法线之间的夹角。 0-600-60之间服从1/ cos规律 60-8060-80时，溅射率最大 9090时，溅射率为零 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射率 4.4.入射离子的入射角 二、溅射镀膜

14、的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射率 4.4.入射离子的入射角 S() 和S(0)对于不同靶材和入射离子种类有如下规律： 对于轻元素靶材， 的比值变化显著 对于重离子入射时， 的比值变化显著； 随着入射离子能量的增加， 呈最大值的度逐渐增 大， 的最大值在入射离子能量超过2keV2keV时，急剧 减小。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性溅射率 5.5.靶材温度 靶材存在与升华相关的某一 温度。低于此温度时， 溅射 率几乎不变； 高于此温度时， 溅射率急剧增加。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射原子的能量和速度 溅射原子的能量（ 5

15、- 1 0 5 - 1 0 eVeV） 比热蒸发原子 能量（0.1eV0.1eV）大1-21-2个数量级。 溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能 量、溅射原子的方向等有关。 几组实验数据曲线: 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性- 溅射原子的能量和速度 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射原子的能量和速度 重元素靶材溅射出来的原子有较高的能量；而轻元素靶材 则有较高的速度； 不同靶材具有不同的原子逸出能量，而溅射率高的靶材， 通常具有较低的平均逸出能量； 在入射离子能量相同时，原子逸出能量随入射离子质量线 性增加；入射离子质量小，原子逸出能量低；反

16、之亦然。 平均逸出能量随入射离子能量增加而增大，当入射离子能 量超过1keV1keV时，平均逸出能量趋于恒定； 倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量（守恒定律) 溅射原子的能量与速度有如下特点： 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射原子的角度分布 l 早期的热蒸发理论 溅射原子的角度分布 符合KnudsenKnudsen余弦定 律，并且与入射离子 的方向无关（局部高 温蒸发）。 实际逸出原子分布并不 遵从余弦定律。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射原子的角度分布 l 实际分布 在垂直于靶面方向明显少于余弦分布时应有的逸出原子数。 二、溅射镀膜

17、的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射原子的角度分布 l与晶体结构方向的关系 逸出原子与原子排列密度有关。主要逸出方向为 110110，其次为100100、111111。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射原子的角度分布 l 与靶材结构（晶态 和非晶态）的关系 单晶靶可观察到 溅射原子明显的择优 取向；多晶靶溅射原 子近似余弦分布。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射率的表达式 通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如 下表达式： （1 1）离子能量小于1keV1keV，在垂直入射时，溅射率为 式中， Tm为最大传递能量， V0

18、靶材元素的势垒高度， a是与 靶材原子质量和入射离子质量之比相关的常数。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 溅射率的表达式 通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如 下表达式： （2 2）离子能量大于1keV1keV，在垂直入射时，溅射率为 （3 3）一般情况下，溅射率的计算可由下式处理 式中， W为靶材的损失量， m原子量， I为离子电流， t为溅射时间。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射镀膜过程 靶材溅射过程 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射镀膜过程 靶材溅射过程 10-100eV10-100eV能 量的ArAr+ +离 子对某

19、些金 属表面进行 轰击时，平 均每个入射 离子所产生 的各种效应 及其发生几 率。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射镀膜过程 溅射粒子的迁移过程 溅射粒子： 正离子：不能到达基 片 中性原子或分子 其余粒子 均能向基片迁移 中性粒子的平均自由程可以用下式表示： 式中， C1是溅射粒子的平均速度， V11是溅射粒子相互作用的平均 碰撞次数， V12是溅射粒子与工作气体分子的平均碰撞次数。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射镀膜过程 溅射粒子的迁移过程 一般情况下，溅射粒子密度远小于工作气体的分子密度，则: V11M1） 或0时（M2 M1时，有 电子不能产生溅射

20、。 当M2 M1时，有 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 溅射特性 双体弹性模型： 根据能量转移关系，可以得出溅射产额正比于核阻止截面。 式中， 是核阻止截面， E0入射离子能量， a是原子相互作用屏蔽半径， U0是 表面势能。 二、溅射镀膜的基本原理二、溅射镀膜的基本原理 二极直流溅射 系统结构： 基片 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 二极直流溅射 特点： 结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。 控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。 缺点 a. a. 溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气 压变化，工艺重复性差； b. b. 真空系统多采用扩散泵，残留气体对膜层污染 较严

21、重，纯度较差； c. c. 基片温度升高，淀积速率低； d. d. 靶材必须是良导体。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 偏压溅射 模型： 结构：基片施加负偏压。 特点： 1. 1. 提高薄膜纯度； 2. 2. 提高附着力。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 三级或四级溅射 二极直流溅射只能在高气 压下进行，因为它是依赖离子 轰击阴极所发射的次级电子来 维持辉光放电。 当气压下降（ 1 . 3 -2.7Pa1 . 3 -2.7Pa） 时， 阴极暗区扩大，电子自由程 增加，等离子体密度下降，辉光 放电将无法维持。 负电位 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 三级或四级溅射 稳定电 极电

22、位 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 三级或四级溅射 特点： 缺点： 1. 1. 靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点； 2. 2. 靶电压低（几百伏），溅射损伤小； 3. 3. 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，提 高了溅射参数的可控性和工艺重复性； 不能抑制电子轰击对基片的影响（温度升高）；灯丝污染 问题；不适合反应溅射等。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 射频溅射 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 射频溅射 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 射频溅射 特点： 缺点： 1. 1. 电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压和放 电电压显著降低，比

23、直流溅射小一个数量级； 2. 2. 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料； 3. 3. 溅射过程不需要次级电子来维持放电。 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为 高能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 磁控溅射是7070年代发展 起来的一种高速溅射技术。 磁控溅射可以使淀积速率 提高。气体电离从0.3-0.5%0.3-0.5% 提高到5-6%5-6%。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射工作原理 磁 控 溅 射 技 术 中 使 用 了 磁 控 靶 磁控靶 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 在阴极靶

24、的表面上形成一个正交的电磁场。 溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速 成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在 电场和磁场的作用下作摆线运动。 高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发 生碰撞，传递能量，并成为低能电子。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 E = 0 B along y-axis v0 along z-axis E = 0 B along y-axis v0 along yz-plane 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 E along x-axis B along y-axis v0 along yz-plane E along x-axis B

25、 along y-axis v0 in z-direction E/B=0.02 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 E along x-axis B along y-axis v0 in z-direction E/B=0.1 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 特点： 1. 1. 在阴极靶的表面形成一个正交的电磁场； 2. 2. 电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞 行才能到达阳极，碰撞频率约为10-7 s-1 10-7 s-1 ）； 3. 3. 可以在低真空（10-1Pa10-1Pa，溅射电压数百伏，靶 流可达到几

26、十毫安/m2/m2）实现高速溅射； 4. 4. 低温、高速。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射源类型 圆柱状磁控溅射源 平面磁控溅射源 S S 枪（ 锥型磁控溅 射源） 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 平面磁控溅射源 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 磁控溅射靶的最基本要求是：在阴极表面形成环 形磁场，对靶面发射的二次电子进行有效控制。 环行磁场区域一般称为跑道，磁力线从跑道外环指 向内环（或由内环指向外环），横贯跑道。 二次电子在跑道内作摆线运动。由于磁场强度分布 不均匀造成了离子密度的不均匀，进而形成靶面不均 匀溅射。 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 磁控溅射 三、溅射镀膜的类型三、溅射镀膜的类型 对向靶溅射 对于磁性材料，要实现低温、 高速溅射镀膜，由于靶的磁阻很 低，磁场几乎完全从靶中通过， 不可