第四章_薄膜的物理气相沉积-_溅射法ppt课件

1、n4.1 辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体n4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象n4.3 溅射沉积技术溅射沉积技术 第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法n溅射法溅射法n利用带电离子在电磁场的作用下获得足够利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量，轰击固体靶物质，从靶材表的能量，轰击固体靶物质，从靶材表面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上形成薄膜。底，在衬底上形成薄膜。n溅射法的分类溅射法的分类n直流溅射直流溅射 射频溅射射频溅射n磁控溅射磁控溅射 反应溅射反应溅射n偏压溅射

2、偏压溅射 第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法n溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点n（1对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实实 n 现溅射现溅射n（2溅射所获得的薄膜与基片结合较好溅射所获得的薄膜与基片结合较好n（3溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好n（4溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获获 n 得厚度均匀的薄膜得厚度均匀的薄膜n靶材是需要被溅射的物质，作为靶材是需要被溅射的物质，作为n 阴极，相对阳极加数千伏电压，阴极，相对阳极加数千伏电压，n 在真空室内充入在真空室

3、内充入Ar气，在电极气，在电极间形成辉光放电。间形成辉光放电。n辉光放电过程中，将产生辉光放电过程中，将产生Ar离子，离子，阴极材料原子，二次电子，光子阴极材料原子，二次电子，光子等。等。4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体一、辉光放电的物理基础一、辉光放电的物理基础n等离子体等离子体n 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。电子。n作用：作用：n 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大n 部分能量部分能量

4、n 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属、通过等离子刻蚀选择性地去处金属n 4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体 产生辉光放电产生辉光放电 通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、或离子返回其最低能级时，以发射光或声子或离子返回其最低能级时，以发射光或声子的形式将能量释放出来。的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。不同气体对应不同的发光颜色。 4.1 辉光放电和等离子体

5、辉光放电和等离子体真空室电极高真空泵等离子体RF 发生器匹配部件4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine (neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 辉光放电和

6、等离子体辉光放电和等离子体n直流电源直流电源E, 提供电压提供电压V和电流和电流I则则 V = E - IR。n1、辉光放电过程包括、辉光放电过程包括n初始阶段初始阶段AB：I=0 无光放电区无光放电区n汤生放电区汤生放电区BC：I迅速增大迅速增大n过渡区过渡区CD：离子开始轰击阴极，产生：离子开始轰击阴极，产生二次电子，又与气体分子碰撞产生更多二次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子离子n辉光放电区辉光放电区DE：I增大，增大，V恒定恒定n异常辉光放电区异常辉光放电区EF：溅射所选择的工：溅射所选择的工作区作区n弧光放电：弧光放电：I增大，增大，V减小减小n弧光放电区弧光放电区FG：增加电源功

7、率，电流：增加电源功率，电流迅速增加迅速增加4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体ABCDEFG 2、辉光放电区域的划分、辉光放电区域的划分阴极辉光；阴极辉光； 阴极暗区；阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区；负辉光区；法拉第暗区；阳极柱；阳极暗区；阳极辉光阳极柱；阳极暗区；阳极辉光暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。域。4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过离子轰

8、击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过程的相对重要性取决于入射离子的能量。程的相对重要性取决于入射离子的能量。一、溅射的产额：一、溅射的产额： 被溅射出来的原子个被溅射出来的原子个数与入射离子数之比。数与入射离子数之比。它与入射能量，入射它与入射能量，入射离子种类，溅射物质离子种类，溅射物质种类及入射离子的入种类及入射离子的入射角度有关。射角度有关。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象图3.7n入射离子能量的影响入射离子能量的影响n只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射

9、离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热有一定比例关系有一定比例关系n随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然后处于平缓后处于平缓10Kev)，离子能量继续增加，溅，离子能量继续增加，溅射产额反而下降射产额反而下降 4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象n2 入射离子的种类和被溅射物质的种类入射离子的种类和被溅射物质的种类n 通常采用惰性气体离子来溅射，由通常采用惰性气体离子来溅射，由图图3.7知，重离子的溅射产额比轻离子高，知，重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因素，通常使用氩气作为溅但考虑价格因素，通常使用氩

10、气作为溅射气体。射气体。n 用相同能量的离子溅射不同的物用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射产额也是不同的，质，溅射产额也是不同的，Cu, Ag, Au产产额高，而额高，而Ti, W, Mo等产额低。等产额低。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象3、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响倾斜入射有利于提高倾斜入射有利于提高产额，但当入射角接产额，但当入射角接近近80时，产额迅速时，产额迅速下降下降n合金的溅射和沉积：合金的溅射和沉积：n 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基本一致。基本一致。n

11、自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率上升。射速率上升。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置一、直流溅射装置及特性只适用于靶材为良导体的溅射）一、直流溅射装置及特性只适用于靶材为良导体的溅射）气体离子气体离子靶材离子靶材离子二次电子二次电子一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性n溅射气压溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。，太低和太高都不利于薄膜的形成。n阴阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的阳极距离适中

12、，大约为阴极暗区的2倍倍n溅射电压溅射电压1-5KV。n靶材必须为金属。靶材必须为金属。n为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。倍。一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性n工作原理：工作原理：n当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄膜。积在衬底上形成薄膜。n在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射出来，被电场加速向衬底运动，在运动极靶发射

13、出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。辉光放电达到自持。一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性n气体压强太低或阴气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之阳极距离太短，二次电子达到阳极之前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次电子。另外溅射出来的靶材原

14、子在飞向衬底的过程中将电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。n直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。三极溅射三极溅射在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。提供一个额外

15、的电子源将电子注入到放电系统中。阳极电位高于基片直流溅射装置及特性直流溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性n射频电源的频率射频电源的频率13.56MHzn射频溅射电压射频溅射电压1-2KVn射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。n在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在衬底表面出现。压在衬底表面出现。n靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。二、射频溅射

16、装置及特性二、射频溅射装置及特性n工作原理工作原理n在射频溅射系统中，射频电势加在位于在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。再重要。n由于电子比离子具有较高的迁移率，相由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内将有更多的对于负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自电子到达绝缘靶表面，

17、而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。正离子，使离子轰击靶，产生溅射。二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性n电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。属无关。n射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每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。实个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个际解决的

18、办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置1直流电源直流电源 2出水口出水口 3进水口进水口 4进气口进气口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏压基片偏压三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性n磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提

19、高了气体的离化效率和薄而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。膜的沉积速率。n 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：n 1、磁场中电子的电离效率提高、磁场中电子的电离效率提高n 2、在较低气压下、在较低气压下0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小溅射原子被散射的几率减小n 提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 n 的质量。的质量。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性 在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与

20、反应在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。称为反应溅射。 利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。这时可在溅射气体中通入适量的氧气。4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性 采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的采用纯金属作为

21、靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。如：薄膜。如：氧化物：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等等(反应气体反应气体O2）碳化物：碳化物：SiC， WC，TiC等等(反应气体反应气体CH4）氮化物：氮化物：BN，FeN TiN，AlN，Si3N4等等(反应气体反应气体N2）硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反应气体反应气体H2S）化合物：化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7五、偏压溅射装置及特性五、偏压溅射装置及特性 偏压溅射是在一般溅射的基础偏压溅射是在一般溅射的基础上，在衬底与靶材间加一定的偏上，在衬底与靶材间加一定的偏压，以改变入射离子能量和离子压，以改变入射离子能量和离子数，达到改善薄膜的结构和性能。数，达到改善薄膜的结构和性能。如下图，改变偏压可改变如下图，改变偏压可改变Ta薄膜薄膜的电阻率。的电阻率。溅射制备的溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化薄膜的电阻率随