第5章 物理气相淀积

1、 真空蒸发法真空蒸发法 蒸发源蒸发源 气体辉光放电气体辉光放电 溅射溅射 Two main deposition methods: CVD- Chemical Vapor Deposition -APCVD, LPCVD, PECVD PVD- Physical Vapor Deposition - evaporation, sputter 等离子体 u定义定义 利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现物质的转利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现物质的转 移，即原子或分子由源转移到衬底表面上，并淀积成薄膜。移，即原子或分子由源转移到衬底表面上，并淀积成薄膜。 u两种基本方法两种基本方法

2、 1.1.蒸发蒸发 在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表 面逸出，形成蒸气流并入射到硅片（衬底）表面，凝结形成面逸出，形成蒸气流并入射到硅片（衬底）表面，凝结形成 固态薄膜。固态薄膜。 2.2.溅射溅射 利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特利用带有电荷的离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靶电极，入射离子在与靶表面原点，将离子引向欲被溅射的靶电极，入射离子在与靶表面原 子的碰撞过程中使靶原子溅射出来。被溅射出来的原子沿一子的碰撞过程中使靶原子溅射出来。被溅射出来的原子沿一 定方向射向衬底，实现在衬底

3、上的薄膜淀积。定方向射向衬底，实现在衬底上的薄膜淀积。 Physical Vapor Deposition is used by many industries, not just IC: Capacitors Automotive industry (trim) Aircraft industry (ion plating) Tool industry (hard coatings) Jewelry industry (“fake Au” TiN) Food industry (packaging) Roll to Roll Sputter coater (Web Coater) Metal

4、lized Plastic Films (Food, Capacitors 电镀 装饰 Film Deposition in IC Fabrication Metal Contacts/Connections Electrodes Masks Wire insulation Device encapsulation(包装） Low stress Adherent Uniformity, no pin holes Conformal step coverage Thermal & electrical stability 粘附性 真空系统：真空系统：为蒸发过程提供为蒸发过程提供 真空环境。真空环

5、境。 蒸发系统：蒸发系统：放置蒸发源的装放置蒸发源的装 置以及加热和测温装置。置以及加热和测温装置。 基板及加热系统：基板及加热系统：放置衬底放置衬底 硅片，对衬底加热装置及测硅片，对衬底加热装置及测 温装置。温装置。 Rate monitor Shutter 10-6Torr u加热蒸发过程加热蒸发过程 对蒸气源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，对蒸气源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点， 则则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。 u气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程 原子或分子在真空

6、环境中，由源飞向硅片，飞行过程中原子或分子在真空环境中，由源飞向硅片，飞行过程中 可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于 真空度以及源到硅片之间的距离。真空度以及源到硅片之间的距离。 u被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程 飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过 程。程。 u汽化热汽化热 将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得 足够的能量，克服固相（或液相）的原子束缚

7、而蒸发到真空中，足够的能量，克服固相（或液相）的原子束缚而蒸发到真空中， 并形成具有一定动能的气相原子或分子，并形成具有一定动能的气相原子或分子，该能量为汽化热该能量为汽化热HH。 常用金属材料的汽化热每个原子近似为常用金属材料的汽化热每个原子近似为4eV4eV的数量级。的数量级。 汽化热的主要部分用来克服凝聚相中的原子间吸引力，动汽化热的主要部分用来克服凝聚相中的原子间吸引力，动 能所占的比例很小。能所占的比例很小。 u蒸汽压蒸汽压 在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平 衡时所表现出来的压力为衡时所表现出来的压力为饱和蒸汽压饱和

8、蒸汽压。 实现物质净蒸发条件为实现物质净蒸发条件为：被蒸发物质的分压降到平衡时饱：被蒸发物质的分压降到平衡时饱 和蒸汽压以下。和蒸汽压以下。 u蒸发速率蒸发速率 蒸发速率直接关系到薄膜的淀积速率，是工艺上蒸发速率直接关系到薄膜的淀积速率，是工艺上 一个重要参数。蒸发速率与很多因素有关，如一个重要参数。蒸发速率与很多因素有关，如温度、温度、 蒸发面积、表面的清洁程度、加热方式等，蒸发面积、表面的清洁程度、加热方式等，由于物质由于物质 的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因此的平衡蒸汽压随着温度的上升增加很快，因此对物质对物质 蒸发速率影响最大的因素是蒸发源的温度。蒸发速率影响最大的因素是蒸发源的

9、温度。 u高纯薄膜淀积需要高真空度的原因高纯薄膜淀积需要高真空度的原因 被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动， 以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上。以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上。 l 真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或 分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表 面发生氧化。面发生氧化。 系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬 底上，从而严重的

10、影响了淀积薄膜的质量底上，从而严重的影响了淀积薄膜的质量。 2 2 kT d P u平均自由程平均自由程 蒸发的原子或分子在残余气体中相互碰撞，同时又会与蒸发的原子或分子在残余气体中相互碰撞，同时又会与 真空室壁碰撞，不断改变运动方向并降低运动速度；真空室壁碰撞，不断改变运动方向并降低运动速度；粒子两粒子两 次碰撞之间飞行的平均距离称为蒸发原子或分子之间的平均次碰撞之间飞行的平均距离称为蒸发原子或分子之间的平均 自由程自由程。 u气体平均自由程公式气体平均自由程公式k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； TT绝对温度；绝对温度； d气体分子的直径；气体分子的直径； PP气体压强。气体压强。系统的真空度

11、越高，蒸发的分子系统的真空度越高，蒸发的分子 或原子的平均自由程就越大。或原子的平均自由程就越大。 u单源蒸发法单源蒸发法 先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，对合金靶进行蒸先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，对合金靶进行蒸 发，凝结成固态薄膜。发，凝结成固态薄膜。 要求要求：合金靶中各组分材料的蒸汽压应该接近，保证薄膜成：合金靶中各组分材料的蒸汽压应该接近，保证薄膜成 分与合金靶中各组分的比例接近。分与合金靶中各组分的比例接近。 u多源同时蒸发法多源同时蒸发法 用多个坩埚，每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料，在用多个坩埚，每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料，在 不同温度下同时蒸发。不同温度下同时蒸发

12、。 u多源顺序蒸发法多源顺序蒸发法 把薄膜所需材料放在不同坩埚中按顺序蒸发，并根据薄把薄膜所需材料放在不同坩埚中按顺序蒸发，并根据薄 膜组分控制层厚，之后高温退火形成所需多组分薄膜。膜组分控制层厚，之后高温退火形成所需多组分薄膜。 不同类型真空蒸发设备，主要差别表现在对蒸发源的加不同类型真空蒸发设备，主要差别表现在对蒸发源的加 热方式上。目前对蒸发源的加热方式主要有：热方式上。目前对蒸发源的加热方式主要有： 电阻加热源电阻加热源电子束加热源电子束加热源高频感应加热源高频感应加热源激光束加热源激光束加热源 一、电阻加热源一、电阻加热源 利用电流通过热源产生的焦耳热加热蒸发材料，分为利用电流通过热

13、源产生的焦耳热加热蒸发材料，分为直直 接加热源接加热源和和间接加热源间接加热源两类。直接加热源的加热体和待蒸发两类。直接加热源的加热体和待蒸发 材料的载体为同一物体；间接加热源是把待蒸发材料放入坩材料的载体为同一物体；间接加热源是把待蒸发材料放入坩 埚中进行间接加热。埚中进行间接加热。 对加热材料的要求：对加热材料的要求： u熔点要高，即蒸发材料的蒸发温度要高。熔点要高，即蒸发材料的蒸发温度要高。 u饱和蒸汽压要低，防止高温加热材料蒸发成为杂质在膜中。饱和蒸汽压要低，防止高温加热材料蒸发成为杂质在膜中。 u化学性能要稳定，保证加热材料与蒸发材料不发生化学反应。化学性能要稳定，保证加热材料与蒸发

14、材料不发生化学反应。 二、电子束蒸发源二、电子束蒸发源 u加热原理加热原理 电子在电场作用下，获得动能电子在电场作用下，获得动能 轰击处于阳极的蒸发材料，使蒸发轰击处于阳极的蒸发材料，使蒸发 材料加热汽化。材料加热汽化。 u优点优点 l比电阻加热源更高的能量密度；比电阻加热源更高的能量密度； l高纯度薄膜的淀积；高纯度薄膜的淀积； l热效率高；热效率高； l适合制作高熔点的薄膜材料。适合制作高熔点的薄膜材料。 u缺点缺点 价格高，结构复杂，产生的X射线对人体有一定伤害。 三、激光加热源三、激光加热源 u加热原理加热原理 u特点特点 利用高功率的连续或脉冲光束作为能源对蒸发材料加热。利用高功率的

15、连续或脉冲光束作为能源对蒸发材料加热。 l功率密度高，可以蒸发任何高熔点的材料；功率密度高，可以蒸发任何高熔点的材料； l激光束光斑很小，被蒸发材料局部气化，防止了坩埚材料对蒸激光束光斑很小，被蒸发材料局部气化，防止了坩埚材料对蒸 发材料的污染，提高薄膜质量；发材料的污染，提高薄膜质量； l能量密度高，可淀积不同熔点的化合物薄膜保证成分比例；能量密度高，可淀积不同熔点的化合物薄膜保证成分比例； l真空室内装备简单，可获得高真空度；真空室内装备简单，可获得高真空度； l价格昂贵。价格昂贵。 四、高频感应加热蒸发源四、高频感应加热蒸发源 u加热原理加热原理 u特点特点 通过高频感应对装有蒸发材料的

16、坩埚进行加热，使蒸通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热，使蒸 发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞 损失，使蒸发材料升温至汽化蒸发。损失，使蒸发材料升温至汽化蒸发。 l蒸发速率大，可用较大坩埚增加蒸发表面；蒸发速率大，可用较大坩埚增加蒸发表面； l蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象；蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象； l温度控制精度高，操作比较简单；温度控制精度高，操作比较简单； l价格昂贵，同时要屏蔽高频磁场。价格昂贵，同时要屏蔽高频磁场。 lA Primary Limitation of Evaporatio

17、n lThe step coverage of evaporated films is poor due to the directional nature of the evaporated material (shadowing & narrow arrival angle). l In the planetary substrate holder of the electron- beam system, heating (resulting in surface diffusion) and rotating the substrates (minimizing the shadowi

18、ng) help to improve step coverage . Totally Shadowed region sourc e Partially Shadowed region Film thickness variation. 1.1.蒸发蒸发 具有较高的淀积速率，相对高的真空度，以及由此具有较高的淀积速率，相对高的真空度，以及由此 导致较高的薄膜质量；但台阶覆盖能力差，淀积多元化导致较高的薄膜质量；但台阶覆盖能力差，淀积多元化 合金薄膜时组分难以控制。合金薄膜时组分难以控制。 2.2.溅射溅射 淀积多元化合金薄膜时组分易控制，高纯靶材、高淀积多元化合金薄膜时组分易控制，高纯靶材、

19、高 纯气体和制备技术的发展，也使溅射法淀积薄膜的质量纯气体和制备技术的发展，也使溅射法淀积薄膜的质量 得到提高。故溅射法已基本取代真空蒸发法。得到提高。故溅射法已基本取代真空蒸发法。 溅 射 具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入 射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动 量的转移，并可能将固体表面的原子溅射出来，称这种量的转移，并可能将固体表面的原子溅射出来，称这种 现象为现象为溅射溅射。 溅射过程都是建立在溅射过程都是建立在辉光放电辉光放电的基础上，即射向固的基础上，即射向固 体表面的

20、离子都是来源于气体放电，只是不同的溅射技体表面的离子都是来源于气体放电，只是不同的溅射技 术采用的辉光放电方式有所不同。术采用的辉光放电方式有所不同。 溅射与热蒸发在本质上是不相同的，热蒸发是由能溅射与热蒸发在本质上是不相同的，热蒸发是由能 量转化引起的，而量转化引起的，而溅射含有动量的转换溅射含有动量的转换，所以溅射出的，所以溅射出的 离子是有方向性的。离子是有方向性的。 在实际溅射时，往往被加速的正离子轰击作为阴极在实际溅射时，往往被加速的正离子轰击作为阴极 的靶，称为的靶，称为阴极溅射阴极溅射。 在圆柱形玻璃管内的两端装上两个平在圆柱形玻璃管内的两端装上两个平 板电极，里面充以气压约为几

21、板电极，里面充以气压约为几PaPa到几到几 十十PaPa的气体，在电极上加上直流电压。的气体，在电极上加上直流电压。 u无光放电区（无光放电区（abab）：）：有外场情有外场情 况下，中性气体中极少量被宇宙况下，中性气体中极少量被宇宙 射线激发而电离的带电粒子作定射线激发而电离的带电粒子作定 向运动，运动速度随电压的增加向运动，运动速度随电压的增加 加快；加快；当电极间的电压足够大时，当电极间的电压足够大时， 因为电离量少而且恒定，带电粒因为电离量少而且恒定，带电粒 子运动速度达到饱和值，再提高子运动速度达到饱和值，再提高 电压，到达电极的电子和离子数电压，到达电极的电子和离子数 目不变，对应

22、的曲线表征为对应目不变，对应的曲线表征为对应 电流从增加，直到一极大值。电流从增加，直到一极大值。 此区域导电而不发光此区域导电而不发光。 u汤生放电区（汤生放电区（bcbc）：）：电极间电电极间电 压继续升高时，外电路转移给电压继续升高时，外电路转移给电 子和离子的能量也逐渐增加，电子和离子的能量也逐渐增加，电 子的运动速度加快，电子与中性子的运动速度加快，电子与中性 气体分子间的碰撞使气体分子电气体分子间的碰撞使气体分子电 离，产生正离子和电子及二次电离，产生正离子和电子及二次电 子。新产生的电子和原有的电子子。新产生的电子和原有的电子 继续被加速和导致更多气体分子继续被加速和导致更多气体

23、分子 电离，电离，离子和电子数目雪崩式增离子和电子数目雪崩式增 加加，放电电流迅速增大放电电流迅速增大。在汤生。在汤生 放电区，放电区，电压受电源高输出阻抗电压受电源高输出阻抗 和限流电阻的限制呈一常数。和限流电阻的限制呈一常数。 u辉光放电（辉光放电（cece）：）：汤生放电后，汤生放电后，气体突然气体突然 发生放电击穿现象，电路中的电流大幅度增发生放电击穿现象，电路中的电流大幅度增 加，放电电压显著下降加，放电电压显著下降。产生这样的负阻现。产生这样的负阻现 象是因为气体已被击穿，气体内阻随电离度象是因为气体已被击穿，气体内阻随电离度 的增加而显著下降。这一阶段也称的增加而显著下降。这一阶

24、段也称前期辉光前期辉光 放电（放电（cdcd）。）。 如果再增大电流，电流的增加只与阴极如果再增大电流，电流的增加只与阴极 上产生辉光的表面积有关，放电进入上产生辉光的表面积有关，放电进入电压一电压一 定的正常辉光放电区定的正常辉光放电区（dede），阴极的有效放），阴极的有效放 电面积随电流的增加而增大，而阴极有效放电面积随电流的增加而增大，而阴极有效放 电区的电流密度保持恒定。这一阶段，电区的电流密度保持恒定。这一阶段，由于由于 导电粒子数目大大增加，碰撞过程中转移的导电粒子数目大大增加，碰撞过程中转移的 能量足够高，因此会产生明显的辉光。能量足够高，因此会产生明显的辉光。 气体击穿后，电

25、子和正离子来源于电子气体击穿后，电子和正离子来源于电子 的碰撞和正离子的轰击，即使不存在自然电的碰撞和正离子的轰击，即使不存在自然电 离源，导电也将继续进行下去造成自持放电。离源，导电也将继续进行下去造成自持放电。 u反常辉光放电（反常辉光放电（efef）：）：整个阴极均整个阴极均 成为有效放电区域后，只有增加功率成为有效放电区域后，只有增加功率 才能增加阴极的的电流密度而增大电才能增加阴极的的电流密度而增大电 流，此时流，此时放电电压和电流密度同时增放电电压和电流密度同时增 大进入反常辉光放电状态大进入反常辉光放电状态。溅射选在溅射选在 反常辉光放电区。反常辉光放电区。 特点：特点：电流增大

26、时，两个放电极板间电流增大时，两个放电极板间 间电压升高，阴极电压降的大小与电间电压升高，阴极电压降的大小与电 流密度和气体压强有关。流密度和气体压强有关。 原因：原因：辉光已布满整个阴极，再增加辉光已布满整个阴极，再增加 电流时，离子层无法向四周扩散，正电流时，离子层无法向四周扩散，正 离子层向阴极靠拢，使正离子层与阴离子层向阴极靠拢，使正离子层与阴 极间距离缩短，正离子轰击阴极。极间距离缩短，正离子轰击阴极。 u电弧放电（电弧放电（fgfg）：）：随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下 降，电流急剧增加。降，电流急剧增加。 辉光放电时，

27、明暗相间的光层可以分成辉光放电时，明暗相间的光层可以分成阿斯顿暗区、阿斯顿暗区、 阴极辉光区、阴极暗区、负辉光区、法拉第暗区、正柱区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉光区、法拉第暗区、正柱区、 阳极辉光区和阳极暗区阳极辉光区和阳极暗区等八个发光强度不同的区域。等八个发光强度不同的区域。 暗区：暗区：离子和电子从电场获得能量的加速区。离子和电子从电场获得能量的加速区。 辉光区：辉光区：不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。 放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种气体为放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种气体为等离等离 子体子体。等离子体是一种由正离子、电子、光子

28、以及原子、原子。等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子 团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。 u等离子体等离子体 由于各种粒子的速度不同，轰击物体表面的各种粒子密由于各种粒子的速度不同，轰击物体表面的各种粒子密 度不同。由于离子的质量远大于电子，轰击物体表面的电子度不同。由于离子的质量远大于电子，轰击物体表面的电子 数目远大于离子数目，物体表面因剩余负电荷呈现负电位。数目远大于离子数目，物体表面因剩余负电荷呈现负电位。 负电位的建立将排斥电子并吸引离子，直到物体表面电子数负电位的建立将排斥电子并吸引离子，直到物体表面电子数 和离子数相等电位

29、平衡，这导致浸没在等离子体中的物体表和离子数相等电位平衡，这导致浸没在等离子体中的物体表 面形成一个排斥电子的面形成一个排斥电子的等离子鞘层等离子鞘层。 u等离子鞘层等离子鞘层 2 21 2 21 1 2 )( cos4 MM MM E E )(2 cos 21 2 2 2 11 MM MVM U u弹性碰撞弹性碰撞 不存在粒子内能变化，即没有粒子的激发，电离，或复合发生。不存在粒子内能变化，即没有粒子的激发，电离，或复合发生。 能量关系：能量关系： u非弹性碰撞非弹性碰撞 碰撞过程中部分电子动能转化为粒子内能，引起其激发或碰撞过程中部分电子动能转化为粒子内能，引起其激发或 电离。内能增加的最

30、大值为：电离。内能增加的最大值为： u产生原因产生原因 阴极与阳极两个电极交替变换极性，当交变电压的频率在阴极与阳极两个电极交替变换极性，当交变电压的频率在 射频范围时，就会产生射频范围时，就会产生射频辉光放电射频辉光放电。 u特点特点 1.1.在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，则带电粒子不在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，则带电粒子不 容易到达电极和器壁而离开放电空间，减少了带电粒子损失。容易到达电极和器壁而离开放电空间，减少了带电粒子损失。 2.2.只要有较低的电场可以维持放电，因为两极之间不断振荡运只要有较低的电场可以维持放电，因为两极之间不断振荡运 动的电子可以从高频电场中

31、获得足够的能量使气体分子分离。动的电子可以从高频电场中获得足够的能量使气体分子分离。 3.3.阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。 4.4.射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所 以电极可以是导体，也可以是绝缘体。以电极可以是导体，也可以是绝缘体。 u工作机理工作机理 在辉光放电过程中离子对阴极的轰击，可以使阴极的物质在辉光放电过程中离子对阴极的轰击，可以使阴极的物质 飞溅出来。故溅射法利用带有电荷的离子在电场中加速有一定飞溅出来。故溅射法利用带有电荷的离子在电场中加速

32、有一定 动能的特点，将离子引向靶电极。在离子能量合适的情况下，动能的特点，将离子引向靶电极。在离子能量合适的情况下， 入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶原子溅射出来，这入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶原子溅射出来，这 些被溅射出来的原子带有一定的动能，并沿一定方向射向衬底些被溅射出来的原子带有一定的动能，并沿一定方向射向衬底 实现淀积。实现淀积。 u特点特点 溅射出来的靶原子具有更大的动能，在淀积表面有更高的迁溅射出来的靶原子具有更大的动能，在淀积表面有更高的迁 移能力，改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。移能力，改善了台阶覆盖和薄膜与衬底之间的附着力。 u溅射阈值溅射阈值 每种

33、靶材发生溅射现象的最低能量值称为溅射阈值。每种靶材发生溅射现象的最低能量值称为溅射阈值。 溅射阀值与入射离子质量间无明显依赖关系，主要取决溅射阀值与入射离子质量间无明显依赖关系，主要取决 于靶材料本身特性。于靶材料本身特性。 u溅射率溅射率 1.1.只有当入射离子的能量超过一定能量时，才能发生溅射；只有当入射离子的能量超过一定能量时，才能发生溅射； 2.2.随着入射离子能量增加，溅射率先增加后平缓最后降低，随着入射离子能量增加，溅射率先增加后平缓最后降低， 当离子能量继续增加，溅射率下降，发生离子注入。当离子能量继续增加，溅射率下降，发生离子注入。 轰击时，每个正离子能从靶上打出的原子数目。轰

34、击时，每个正离子能从靶上打出的原子数目。 溅射率与入射离子能量关系：溅射率与入射离子能量关系： # of ejected target atoms S incoming ion 溅射率与入射离子种类关系：溅射率与入射离子种类关系： 1.1.入射离子的原子量越大，溅射率越高；入射离子的原子量越大，溅射率越高； 2.2.随离子的原子序数周期性变化，电子壳层填满的元素随离子的原子序数周期性变化，电子壳层填满的元素 的溅射率最大。的溅射率最大。 溅射率与被溅射物质的种类关系：溅射率与被溅射物质的种类关系： 随靶元素原子序数增加而增大。随靶元素原子序数增加而增大。 溅射率与入射角的关系：溅射率与入射角的

35、关系： 随入射角的增加，溅射率以随入射角的增加，溅射率以1/cos1/cos规律增加；当入射规律增加；当入射 角接近度时，溅射率迅速下降。角接近度时，溅射率迅速下降。 The sputtering Yield Y depends on ion, substrate, energy, and incidence angle. l重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，重元重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，重元 素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出速度；素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出速度； l溅射率高的靶材料，原子平均逸出能通常较低；溅射率高的靶材料，原子平均逸出能通常较低； l相

36、同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性 增加，轻的入射离子溅射出的离子其逸出能量较低；增加，轻的入射离子溅射出的离子其逸出能量较低； l溅射原子的平均逸出能量，随入射离子的能量增加而增溅射原子的平均逸出能量，随入射离子的能量增加而增 加，当入射离子能量达到加，当入射离子能量达到1keV1keV以上时，平均逸出能量逐以上时，平均逸出能量逐 渐趋于恒定值；渐趋于恒定值； l在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。 u溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度 具体的溅射方法有：直流溅射、射频溅射、磁控溅射

37、、具体的溅射方法有：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、 反应溅射、离子束溅射、偏压溅射等。反应溅射、离子束溅射、偏压溅射等。 u直流溅射直流溅射 又称为阴极溅射或直流二极溅射，靶材料必须是导电材料。又称为阴极溅射或直流二极溅射，靶材料必须是导电材料。 对于直流溅射，当正离子轰击阴极对于直流溅射，当正离子轰击阴极 靶时，正离子将与阴极靶表面的一个电靶时，正离子将与阴极靶表面的一个电 子复合而中性化。子复合而中性化。若阴极是导体，损失若阴极是导体，损失 的电子由电传导补充，阴极表面保持负的电子由电传导补充，阴极表面保持负 电位，电位，否则阴极靶表面电子得不到补充，否则阴极靶表面电子得不到补充， 正离子

38、聚集在靶表面，使阴阳两极表面正离子聚集在靶表面，使阴阳两极表面 势减小，若小于支持放电值，放电现象势减小，若小于支持放电值，放电现象 马上消失。马上消失。 l随着气压变化，淀积速率随着气压变化，淀积速率 出现一个极值；气压低时，出现一个极值；气压低时， 入射到衬底的原子能量高，入射到衬底的原子能量高， 有利于提供淀积膜的致密性。有利于提供淀积膜的致密性。 l淀积速率与溅射功率成正淀积速率与溅射功率成正 比；比； l淀积速率与靶材和衬底间淀积速率与靶材和衬底间 距成反比。距成反比。 u淀积速率淀积速率 u射频溅射射频溅射 适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀适用于各种金属和非金属材料的一种溅射

39、淀 积方法。高频电场可以由其它阻抗形式耦合进入积方法。高频电场可以由其它阻抗形式耦合进入 淀积室，不再要求电极一定是导电体。淀积室，不再要求电极一定是导电体。 在射频电场起作用时在射频电场起作用时, ,靶材料上产生靶材料上产生自偏压效自偏压效 应应，能自动处于一个负电位，能自动处于一个负电位, ,将导致气体离子对其将导致气体离子对其 产生自发的轰击和溅射。产生自发的轰击和溅射。 在射频电场中电子的运动速度比离子高很多，电极在在射频电场中电子的运动速度比离子高很多，电极在 正半周作为正极接受的电子数比在负半周作为负极接受的正半周作为正极接受的电子数比在负半周作为负极接受的 离子多，因为电极被电容

40、与电源隔离，经过几个周期后，离子多，因为电极被电容与电源隔离，经过几个周期后， 该电极将带上相当数量的负电荷而呈现负电位。此时，电该电极将带上相当数量的负电荷而呈现负电位。此时，电 极的负电荷将排斥电子，在后续的电源射频周期变化过程极的负电荷将排斥电子，在后续的电源射频周期变化过程 中，电极接受的正负电荷数目将趋于相等。中，电极接受的正负电荷数目将趋于相等。 上述上述产生负偏压的过程与靶材料是否是导体无关产生负偏压的过程与靶材料是否是导体无关。但。但 是，对于靶材料是金属的情况，电源需经过电容耦合至靶是，对于靶材料是金属的情况，电源需经过电容耦合至靶 材，以隔绝电荷流通的路径并形成自偏压。材，

41、以隔绝电荷流通的路径并形成自偏压。 u自偏压效应自偏压效应 由于射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可由于射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可 能因自偏压效应而受到离子轰击。解决的方法是能因自偏压效应而受到离子轰击。解决的方法是加大非溅射电极的极加大非溅射电极的极 面面积，从而降低该电极的自偏压鞘层电压。面面积，从而降低该电极的自偏压鞘层电压。实际的做法是实际的做法是将样品台、将样品台、 真空室器壁与地电极并联在一起，形成一个面积很大的电极。真空室器壁与地电极并联在一起，形成一个面积很大的电极。由于鞘由于鞘 层电压与电极面积的四次方成反比，因此面积大的靶电极受到较

42、高的层电压与电极面积的四次方成反比，因此面积大的靶电极受到较高的 自偏压，而衬底电极的自偏压很小，受到的离子轰击和产生的溅射效自偏压，而衬底电极的自偏压很小，受到的离子轰击和产生的溅射效 应也将很小。应也将很小。 u磁控溅射磁控溅射 l工作原理工作原理 V V与与B B垂直，电子沿电场方垂直，电子沿电场方 向加速，同时绕磁场方向螺旋向加速，同时绕磁场方向螺旋 前进。磁场的存在将延长电子前进。磁场的存在将延长电子 在等离子体中的运动轨迹，提在等离子体中的运动轨迹，提 高与原子碰撞的效率，在同样高与原子碰撞的效率，在同样 的电流和气压下显著提高溅射的电流和气压下显著提高溅射 的效率和淀积的速率。的

43、效率和淀积的速率。 l优点优点 淀积速率高，降低薄膜污染，提高入射到衬底表面淀积速率高，降低薄膜污染，提高入射到衬底表面 原子能量，薄膜质量好。原子能量，薄膜质量好。 直流和射频溅射的淀积速率低，所需工作气压 高，气体分子易对薄膜造成污染。 u反应溅射反应溅射 l淀积化合物时，普通溅射方法存在的问题淀积化合物时，普通溅射方法存在的问题 利用化合物作为靶材可以实现多组分的薄膜淀积利用化合物作为靶材可以实现多组分的薄膜淀积, ,但如果但如果 化合物在溅射过程中发生分解化合物在溅射过程中发生分解, ,得到的薄膜物质与靶材的化学得到的薄膜物质与靶材的化学 组成有很大差别。组成有很大差别。 l解决方法解

44、决方法 1.1.调整溅射室里气体组成和压力调整溅射室里气体组成和压力, ,限制化合物分解过程；限制化合物分解过程； 2.2.采用纯金属为溅射靶材采用纯金属为溅射靶材, ,在工作气体中混入适量活性气体，在工作气体中混入适量活性气体， 使其使其在溅射的在溅射的淀积的同时生成特定的化合物淀积的同时生成特定的化合物，从而完成从溅，从而完成从溅 射、反应到多组分薄膜淀积的多个步骤。这种溅射技术称为射、反应到多组分薄膜淀积的多个步骤。这种溅射技术称为 反应溅射。反应溅射。 u偏压溅射偏压溅射 在一般溅射设置的基础上，在衬底与靶材之间加偏压，在一般溅射设置的基础上，在衬底与靶材之间加偏压， 以改变入射到衬底

45、表面的带电粒子的数量和能量的方法。偏以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量的方法。偏 压溅射改善溅射淀积形成的薄膜组织及性能的最常用的而且压溅射改善溅射淀积形成的薄膜组织及性能的最常用的而且 也是最有效的手段之一。也是最有效的手段之一。 l特点特点 在偏压作用下，带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子在偏压作用下，带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子 在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和 成膜能力，抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等；还可改善薄膜成膜能力，抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等；还可改善薄膜 中的气体含量。中的气体含量。 u接触孔中薄膜的溅射淀积接触孔中薄膜的溅射淀积 l要求要求 各处的薄膜应当保持适当的厚度各处的薄膜应当保持适当的厚度, ,保证互连的效果。保证互连的效果。 l问题问题 由于孔的深宽比大于由于孔的深宽比大于1 1，溅射原子离开靶面时遵守余弦，溅射原子离开靶面时遵守余弦 分布，故溅射原子在衬底表面和接触孔上表面的拐角处，分布，故溅射原子在衬底表面和接触孔上表面的拐角处， 沉积速率最高，侧壁适中，底角最低。沉积速率最高，侧壁适中，底角最低。 l解决的方法解决的方法 可采用带准直器的溅射淀积方法，将大角度溅射的可采用带准直器的溅射淀积方法，将大角度溅射的 中性原子吸附在准