第八章2溅射法ppt课件

1、8.2 溅射技术溅射技术一、等离子体和辉光放电一、等离子体和辉光放电溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放电是溅射技术的基础。电是溅射技术的基础。辉光放电：真空度为辉光放电：真空度为10-110-2 Torr，两电极间加高，两电极间加高压，产生辉光放电。压，产生辉光放电。电流电压之间不是线性关系，电流电压之间不是线性关系，不服从欧姆定律。不服从欧姆定律。直流辉光放电伏安特性曲线直流辉光放电伏安特性曲线暗光放电暗光放电汤逊放电汤逊放电过渡区过渡区正常放电正常放电弧光放电弧光放电直直流流辉辉光光放放电电伏伏安安特特性性曲曲线线A-B:电流小，主要是游离状态

2、的电子，离子电流小，主要是游离状态的电子，离子导电；电子原子碰撞为弹性碰撞；导电；电子原子碰撞为弹性碰撞；B-C: 增加电压，粒子能量增加，达到电离所增加电压，粒子能量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压源的输出阻抗限制电压(类似稳压源类似稳压源)。暗光放电暗光放电汤逊放电汤逊放电过渡区过渡区正常放电正常放电弧光放电弧光放电非自持放电非自持放电C-D: 起辉雪崩）；离子轰击产生二次电子，起辉雪崩）；离子轰击产生二次电子，电流迅速增大，极板间压降突然减小电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板极板间电阻减小从而使分压下降间电阻减小

3、从而使分压下降)；D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关，与电流与极板形状、面积、气体种类相关，与电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电；放电；E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关可控制区域，电压与电流、气体压强相关可控制区域，溅射区域）；溅射区域）；F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；弧光放电过渡区；击穿或短路放电；自持放电自持放电2eAeA特性特性正常辉光放电正常辉光放电异常辉光放电异

4、常辉光放电阴极位降大小阴极位降大小和电流无关和电流无关和气压无关和气压无关与电流成正比与电流成正比随气压提高而减小随气压提高而减小阴极位降宽度阴极位降宽度和电流无关和电流无关和气压成反比和气压成反比随电流增加而减小随电流增加而减小随电压提高而减小随电压提高而减小电流密度电流密度和电流无关和电流无关随气压增加而增加随气压增加而增加随电压升高而增大随电压升高而增大随气压增高而增大随气压增高而增大阴极斑点面积阴极斑点面积与电流成正比与电流成正比阴极全部布满辉光阴极全部布满辉光正常辉光放电和异常辉光放电的特性对比正常辉光放电和异常辉光放电的特性对比dxdxnxnx+dnxnajan0j0阴极阴极阳极阳

5、极dxdxnxnx+dnxnajan0j0阴极阴极阳极阳极维持放电进行的两个必要过程：维持放电进行的两个必要过程：1.电离过程，电离过程，a来表示电子对来表示电子对气体的体积电离系数。气体的体积电离系数。2.轰击阴极过程，以轰击阴极过程，以g表示离表示离子的表面电离系数。子的表面电离系数。假设开始时阴极发射电子数为假设开始时阴极发射电子数为n0，发射电流为，发射电流为j0，如下，如下图，那么图，那么dxndnxx)exp(0 xnnx)exp(0dnnd此过程中产生的新离子数：此过程中产生的新离子数：00)exp(ndn自持放电条件：自持放电条件：一个过程后阴极发射电子数：一个过程后阴极发射电

6、子数：1)exp(1)exp(0000dnndnn两个过程后阴极发射电子数：两个过程后阴极发射电子数：)exp()exp(120ddn稳定时阴极发射电子数：稳定时阴极发射电子数： 1)exp(101dnn 1)exp(1)exp(0ddnn稳定时到达阳极电子数：稳定时到达阳极电子数： 1)exp(1)exp(0ddjj稳定时阳极电流密度：稳定时阳极电流密度：空间各点的电流密度：空间各点的电流密度：iejjjj1 1)exp(d维持自持放电的条件：维持自持放电的条件：设气体的电离能设气体的电离能eUi,电子能量高于电子能量高于eUi，电离几率为，电离几率为1，低于低于eUi，电离几率为，电离几率

7、为0。极板间电场强度。极板间电场强度E，要产生电，要产生电离电子的自由程至少离电子的自由程至少li,EUiieieieeZe/1pee0EBpAep/)/(pE1 1)exp(dEBpAep/)/exp()/11ln(1pEAUApdidUEAAUzzi/)/11ln(ln(Aln)pdln(pdAUzzlnBAPdVPdB辉光放电的辉光放电的帕邢曲线帕邢曲线不同气体的不同气体的曲线不同曲线不同一般的取比一般的取比较小的较小的Pd值值辉光放电示意图辉光放电示意图辉辉光光放放电电示示意意图图阿斯顿暗区：慢电子区域；阿斯顿暗区：慢电子区域；阴极辉光：激发态气体发光；阴极辉光：激发态气体发光；克鲁克

8、斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降主要在前面的三个区域：阴极位降区电压降主要在前面的三个区域：阴极位降区)；负辉光：电离；电子离子复合；正离子浓度高；负辉光：电离；电子离子复合；正离子浓度高；法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；辉光放电时光强、辉光放电时光强、电压、电场强度、电压、电场强度、电荷密度的分布电荷密度的分布衬底放在阴极衬底放在阴极辉光区辉光区电极鞘层，电极鞘层，鞘层电压降：鞘层电压降：辉光放电中的粒子、能量和温度辉光放电中的粒子、能量和温度Ee2eV，Te23000KEi

9、0.04eV，Ti500KEn0.025eV，Tn293KTv3800K，Tro2800K所以辉光放电所以辉光放电为非平衡过程。为非平衡过程。对于对于1Pa左右的气压，电子和离子的总量约占左右的气压，电子和离子的总量约占全部粒子总量的全部粒子总量的10-4。粒子轰击固体表面或薄膜产生的效应粒子轰击固体表面或薄膜产生的效应溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。4、离子与物质的相互作用，溅射、离子与物质的相互作用，溅射及其溅射参数及其溅射参数不同能量和离子不同能量和离子/原子质量比原子质量比下不同的离子轰击过程下不同的离子轰击过程S

10、i单晶上单晶上Ge沉积量与入射沉积量与入射Ge+离子能量间的关系离子能量间的关系(实验结果实验结果)(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦规律，而趋向于晶体密度最高的方向；规律，而趋向于晶体密度最高的方向；(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也决定于其质量；决定于其质量；(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射；存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射；(4) 离子能量很高时，溅射系数减小；离子能量很高时，溅射系数减小；(5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍；溅射原子的能量比热蒸发原

11、子能量高许多倍；(6) 没有发现电子轰击产生溅射。没有发现电子轰击产生溅射。溅射机制：溅射机制：局部加热蒸发机制局部加热蒸发机制动能直接传递机制动能直接传递机制溅射一般发生在数个原子层的范围内，溅射一般发生在数个原子层的范围内，大量能量转变为靶材的热大量能量转变为靶材的热不同能量范围的溅射机制不同能量范围的溅射机制(a) Single knock-on (low energy), (b) linear cascade, (c) spike (high energy), 溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的质量关系不大，离子最小

12、能量值。与入射离子的质量关系不大，但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小，但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小，2040eV。溅射参数：溅射阈值，溅射产额，沉积速溅射参数：溅射阈值，溅射产额，沉积速率，溅射原子的能量率，溅射原子的能量S被击出靶的原子数轰击离子数薄膜的沉积速率与溅射产额薄膜的沉积速率与溅射产额Sputtering Yield成正比，成正比，所以溅射产额是衡量溅射过所以溅射产额是衡量溅射过程效率的参数。程效率的参数。溅射产额溅射产额Sputtering Yield）1/221(/)0.042( )1 ()thnsEMMSSEUE经验公式：经验公式：US为表面结合能，为表

13、面结合能，a(M2/M1)只与只与M2，M1相关的常数。相关的常数。Eth是原子从晶格点阵被碰离，产生碰撞级联所必须的能是原子从晶格点阵被碰离，产生碰撞级联所必须的能量阈值，是量阈值，是Us和和M2/M1的函数。的函数。Sn(E)是弹性碰撞截面，是弹性碰撞截面，也是能量与原子质量及原子序数的函数。也是能量与原子质量及原子序数的函数。)88. 6708. 1(335. 61)718. 2lg(411. 3nS3/223/2102122218853. 0ZZaaMMMeZZaE163. 2;4137. 0)(6092. 0163. 2;1019. 0)(0842. 0121708. 0121298

14、05. 012MMMMMMMM115. 3;809. 5)(791. 2115. 3;143. 4)(46.11124816. 012125004. 012MMMMMMMMUEsth影响溅射产额的因素：影响溅射产额的因素：靶材料靶表面原子结合能）；靶材料靶表面原子结合能）；轰击离子的质量；轰击离子的质量；轰击离子的能量；轰击离子的能量； 轰击原子的入射角。轰击原子的入射角。Ar离子在离子在400KV加速电压加速电压下对各种元素的溅射产额下对各种元素的溅射产额取决于表面取决于表面原子束缚能原子束缚能靶靶材材料料的的影影响响溅射率与入射离子的关系溅射率与入射离子的关系1.Ag靶；靶；2.Cu靶；靶

15、；3.W靶靶入入射射离离子子种种类类的的影影响响Ni的溅射产额与入射离子种类的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系和能量之间的关系入入射射离离子子能能量量的的影影响响低能端外推可低能端外推可得溅射阈值。得溅射阈值。溅射产额随离子溅射产额随离子入射角度的变化入射角度的变化单晶靶不遵循此分布单晶靶不遵循此分布出射原子的欠余弦分布出射原子的欠余弦分布半导体材料的溅射半导体材料的溅射多晶靶：各向同性。多晶靶：各向同性。单晶靶单晶靶低温，各向同性低温，各向同性高温，各向异性，原高温，各向异性，原子从密排方向射出子从密排方向射出如如FCC的的110，100，111气气体体压压强强的的影影响响溅射原子的能

16、量分布溅射原子的能量分布原子数原子数原子能量原子能量能量为能量为801200 eV的离子轰击下，的离子轰击下，从从110方向逸出的铜原子能量分布方向逸出的铜原子能量分布沉积速率：沉积速率： Q为沉积速率，为沉积速率，C为表示溅射装置特性的常数，为表示溅射装置特性的常数，I为离子流，为离子流，r为溅射系数。溅射系数本身是溅射电为溅射系数。溅射系数本身是溅射电压与溅射离子种类得函数。沉积速率与靶到基片压与溅射离子种类得函数。沉积速率与靶到基片的距离、溅射电压、溅射电流等有关。的距离、溅射电压、溅射电流等有关。rICQ沉积过程中的污染沉积过程中的污染（1真空室的腔壁和真空室中的其他零件可能含有真空室

17、的腔壁和真空室中的其他零件可能含有吸附气体、水气和二氧化碳。由于辉光中电子吸附气体、水气和二氧化碳。由于辉光中电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。 解决办法：可能接触辉光的一切表面部必须在解决办法：可能接触辉光的一切表面部必须在沉积过程中适当地冷却以便使其在沉积的最初沉积过程中适当地冷却以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡几分钟内达到热平衡(假设在适当位置有一遮断假设在适当位置有一遮断器器)；也可在抽气过程中进行高温烘烤。；也可在抽气过程中进行高温烘烤。（2基片表面的污染。基片表面的污染。 不同元素的溅射产额没有平衡蒸汽压那么大；不同元素的溅射

18、产额没有平衡蒸汽压那么大； 蒸发法中熔体中的快速扩散和对流使熔体很快蒸发法中熔体中的快速扩散和对流使熔体很快达到均匀，而溅射法中，固体表面在经过一段达到均匀，而溅射法中，固体表面在经过一段时间的溅射后能使溅射产额比稳定。时间的溅射后能使溅射产额比稳定。合金的溅射和沉积合金的溅射和沉积溅射制膜的化学成分与靶材基本一致，溅射制膜的化学成分与靶材基本一致， 与蒸发不同：与蒸发不同：ABAgABgBC (1-n S / )C (1-n S / )CnCn设组分设组分CA=nA/n, CB=nB/n, n=nA+nB设有设有ng原子入射，则表面的剩余组分比原子入射，则表面的剩余组分比AAABBBS CS

19、 CAABBAAgABBgBS C (1-n S / )S C (1-n S / )ABS CnS Cn初始：初始：若若SASBAABBABABBACC SCC S最终：最终：BABAABAABACCSCSSCS被溅射出的粒子的一些特性 大多数为中性不带点的粒子。 溅出的粒子的能量因溅射条件、靶材原子的键能和结晶方向等因素而异。e.g. Ge (1.2 KeV, Ar+) 15 eV 带有较大动能的粒子，可促成表面鍵合较弱的污染物脱离，並促进增原子在表面的扩散，但也多少会造成一些因撞击而产生的缺陷。 带有较大动能的粒子会引起衬底温度的升高。溅射沉积的另一个特点是，在溅射过程中入射离子与靶材之间

20、有很大能量的传递。因而，溅射出的原子将从溅射过程中获得很大的动能，其数值一败可以达到520eV。相比之下，由蒸发法获得的原子动能一般只有0.1eV。这导致在沉积过程中，高能量的原子对于衬底的撞击一方面提高了原子自身在沉积表面的扩散能力，另一方面也将引起衬底温度的升高。 在溅射沉积过程中，引起衬底温度升高的能量有以下三个来源： (1)原子的凝聚能； (2)沉积原子的平均动能； (3)等离子体中的其它粒子，如电子、中性原子等的轰击带来的能量。离子轰击在溅射过程中的作用离子轰击在溅射过程中的作用1) 1) 在膜层沉积之前的离子溅射清洗在膜层沉积之前的离子溅射清洗2) 2) 离子轰击对基体和镀层交界面

21、的影响离子轰击对基体和镀层交界面的影响 a) a) 使基体中产生缺陷；使基体中产生缺陷； b) b) 热效应；热效应； c) c) 物理混合；反冲注入，伪扩散层。物理混合；反冲注入，伪扩散层。3) 3) 离子轰击在薄膜生长中的作用离子轰击在薄膜生长中的作用 a) a) 优先去除松散结合的原子；优先去除松散结合的原子； b) b) 增强扩散和反应活性，提高成核密度；增强扩散和反应活性，提高成核密度； c) c) 对形貌的影响对形貌的影响( (晶粒的择优取向晶粒的择优取向) )； b) b) 对沉积膜组分的影响；对沉积膜组分的影响； c) c) 对膜层物理性能的影响应力，结合力）对膜层物理性能的影

22、响应力，结合力）对形貌的影响对形貌的影响平滑平滑粗糙化粗糙化对膜层结构的影响对膜层结构的影响膜层的晶粒尺膜层的晶粒尺寸和内应力寸和内应力膜层的晶膜层的晶面间距面间距溅射方法和溅射装置溅射方法和溅射装置 直流溅射直流溅射(二极，三极，四极二极，三极，四极) 射频溅射射频溅射 磁控溅射磁控溅射 反应溅射反应溅射 其它溅射技术其它溅射技术1. 直流溅射双极型）直流溅射双极型）直流溅射沉积装置示意图直流溅射沉积装置示意图电压约电压约15 kV，出射，出射原子的速率约原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约，能量约 10-40 eV，到达基板的原子能量约到达基板的原子能量约1-2eV。放电电流与气压

23、和偏压的关系： i K(P) VmK(P)随气压的增加而增加，m5或更大；离子平均能量随气压的增加而下降，溅射产额降低；沉积率在100mTorr(10Pa)附近最大；薄膜生长速率：Pdensity功率密度(W/cm2)、g阴-阳极间距、E 平均溅射能量; e汤生二次电子发射系数、原子密度，与材料有关; 溅射原子热化的平均距离，与气体压强有关；溅射沉积速率与工作气压间的关系溅射沉积速率与工作气压间的关系rICQ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的散射方向及能量无序），到达基片的几率散射方向及能量无序），到达基片的几率随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均

24、随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极平面面积为基片面积的两倍。平面面积为基片面积的两倍。 低气压溅射：降低污染，提高溅射原子的平低气压溅射：降低污染，提高溅射原子的平均能量；需额外的电子源；外加磁场或高频均能量；需额外的电子源；外加磁场或高频放电提高离化率。放电提高离化率。溅射设备的中心问题：增加溅射设备的中心问题：增加电子对气体的电离效率电子对气体的电离效率直流三极溅射：直流三极溅射：可以在低压强可以在低压强(450C ； 表面扩散速率提高，由于受表面能减小的表面扩散速率提高，由于受表面能减小的驱动，表面平滑；驱动

25、，表面平滑； 通常先在低温下沉积以改进黏附；通常先在低温下沉积以改进黏附； 然后再用热溅射法。然后再用热溅射法。溅射靶溅射靶浇铸，喷铸，烧结，碾压浇铸，喷铸，烧结，碾压纯度纯度致密性：电弧，颗粒，放气，非均匀刻蚀致密性：电弧，颗粒，放气，非均匀刻蚀水冷问题：靶的断裂水冷问题：靶的断裂溅射法的缺点：溅射法的缺点： 溅射设备复杂，需要真空系统及高压装置；溅射设备复杂，需要真空系统及高压装置； 基片温度会升高；基片温度会升高； 溅射速率慢。溅射速率慢。0.010.5mm/分钟。分钟。溅射法与蒸发法的比较溅射法与蒸发法的比较8.3 离子镀离子镀在真空条件下，利用气体放电使在真空条件下，利用气体放电使气

26、体或被蒸发物部分离化，产生气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种的一种 PVD方法。方法。1产生辉光；产生辉光；2蒸发离化；蒸发离化；3被加速；被加速；4沉积成膜沉积成膜溅射和沉积同时进行溅射和沉积同时进行离子镀的类型和特点1阳极 2蒸发源 3进气口 4辉光放电区 5阴极暗区 6基片 7绝缘支架 8直流电源 9真空室 10蒸发电源 11真空系统直流二极型离子镀电电子子束束辅辅助助离离子子镀镀反应性电子束反应性电子束辅助离子镀辅助离子

27、镀直流三极型直流三极型1阳极阳极 2进气口进气口 3蒸发源蒸发源 4电子吸收极电子吸收极 5基片基片 6热电子发射极热电子发射极 7直流电源直流电源 8真空室真空室 9蒸发电源蒸发电源 10真空系统真空系统1/23()(%)2.2 10cJMTP射频放电离子镀射频放电离子镀1溶化坩埚 2热电偶 3基片支持架(阴极) 4真空室 5基片 6RF线圈 7匹配箱 8同轴电缆 9高频电源 10加速用直流电源 11蒸发电源12真空系统 13真空计14调节阀 15反应气体入口阴极电弧等离子体沉积阴极电弧等离子体沉积离化率高，离化的离子动离化率高，离化的离子动能高能高(40-100 eV)。可沉积复杂形状基片

28、，沉可沉积复杂形状基片，沉积率高，均匀性好，基片温积率高，均匀性好，基片温度低，易于制备理想化学计度低，易于制备理想化学计量比的化合物或合金。量比的化合物或合金。增加了对沉积束团的控制；增加了对沉积束团的控制；与基片结合良好；与基片结合良好；在低温下可实现外延生长；在低温下可实现外延生长；形貌可变；形貌可变；可合成化合物；可合成化合物；可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散离子镀的优点离子镀的优点离子镀过程中的离化率问题离子镀过程中的离化率问题 离子镀是在等离子体内，蒸发或溅射的原离子镀是在等离子体内，蒸发或溅射的原子部分或大部分被离化的情况下进行沉积子部分或

29、大部分被离化的情况下进行沉积的。离化率即被电离的原子占全部蒸发原的。离化率即被电离的原子占全部蒸发原子的百分比。子的百分比。 二极型：二极型：0.12% 射频：射频： 10% 多弧多弧: 6080%离子镀的粒子绕射性离子镀的粒子绕射性离子镀的工作气压约离子镀的工作气压约10-1Pa，比普通的真空，比普通的真空蒸镀蒸镀10-4高，所以蒸发原子的平均自由程低，高，所以蒸发原子的平均自由程低，散射严重，所以绕射性好。散射严重，所以绕射性好。 在气体放电的离子镀中，沉积粒子呈现在气体放电的离子镀中，沉积粒子呈现 正正电性，从而受到处于负电位的基片的吸引作电性，从而受到处于负电位的基片的吸引作用。离子镀

30、的粒子绕射性提高薄膜对于复杂用。离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。外形表面的覆盖能力。Plots of front/back film thickness ratio ( R ) vs source-substrate distance (l). Curves are for different values of l The coating thickness uniformity model is also physically depicted.离子束辅助沉积 离子束溅射离子束溅射工作压强低，溅射粒子工作压强低，溅射粒子被散射少，基片远离粒被散射少，基片远离粒子发生过程；凝聚粒子子发生过程；凝聚粒子能量较高，利于扩散。能量较高，利于扩散。增加了控制自由度：可增加了控制自由度