第三章溅射镀膜

1、第三章第三章 溅射镀膜技术溅射镀膜技术 溅射现象是一百多年前格洛夫（溅射现象是一百多年前格洛夫（Grove）发现的。）发现的。 溅射是指溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象分子从表面射出的现象。 溅射原子溅射原子 轰击出来的粒子大多数呈原子状态轰击出来的粒子大多数呈原子状态 荷能粒子荷能粒子 电子、电子、离子（入射离子）离子（入射离子）或中性粒子或中性粒子 溅射可以溅射可以镀膜镀膜，也可以进行，也可以进行刻蚀刻蚀。 溅射镀膜是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利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击

2、阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬轰击阴极靶，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，形成所需要的薄膜底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。 目前已广泛应用于制备目前已广泛应用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质、化合物半导体、碳化物、氮化物及超导缘介质、化合物半导体、碳化物、氮化物及超导薄膜。薄膜。 溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点 溅射的基本原理溅射的基本原理 辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理 溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、

3、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、离子束溅射磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射 溅射镀膜厚度的均匀性溅射镀膜厚度的均匀性本章主要内容本章主要内容3.1 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：溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：q 任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、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；低蒸气压元素和化合物； 金属、半导体、绝缘体等，金属、半导体、绝缘体等， 块状、颗粒状块状、颗粒状 组分相近的、均匀的合金膜、化合物膜、成组分相近的、均匀的合金膜、化合物膜、成分复杂的超导膜分复

4、杂的超导膜 组分完全不同化合物薄膜组分完全不同化合物薄膜q 溅射薄膜与衬底的附着性好；溅射薄膜与衬底的附着性好； 溅射原子的溅射原子的能量较高能量较高，高能粒子淀积在基板上进行能量，高能粒子淀积在基板上进行能量交换，产生较高的热能，增加了溅射原子与基板的附着力；交换，产生较高的热能，增加了溅射原子与基板的附着力； 溅射原子会产生溅射原子会产生注入注入现象，在基板上产生伪扩散层；现象，在基板上产生伪扩散层； 基板始终处于等离子区中被基板始终处于等离子区中被清洗和激活清洗和激活，不牢固的淀积，不牢固的淀积原子被清除，净化且活化基板表面。原子被清除，净化且活化基板表面。q 溅射镀膜的密度高、针孔少，

5、膜层纯度高；溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；q 膜层厚度可控性和重复性好。膜层厚度可控性和重复性好。 溅射镀膜时的放电电流和靶电流可以分别控制，通过控溅射镀膜时的放电电流和靶电流可以分别控制，通过控制靶电流可以控制膜厚。制靶电流可以控制膜厚。溅射镀膜的缺点：溅射镀膜的缺点：q 溅射设备复杂，需要高压装置；溅射设备复杂，需要高压装置；q 成膜速率较低（成膜速率较低（0.01-0.5 m）。）。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在整个溅射过程都是建立在辉光放电辉光放电的基础上，即溅射的

6、基础上，即溅射离子都来源于气体放电。离子都来源于气体放电。放电方式：放电方式：直流二极溅射直流二极溅射直流辉光放电直流辉光放电三三 极极 溅溅 射射热阴极支持的辉光放电热阴极支持的辉光放电射射 频频 溅溅 射射射频辉光放电射频辉光放电磁磁 控控 溅溅 射射环状磁场控制下的辉光放电环状磁场控制下的辉光放电q 直流辉光放电直流辉光放电 辉光放电是在真空度约辉光放电是在真空度约101Pa的稀薄气体中，的稀薄气体中，两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。现象。 气体放电时，两电极之间的电压和电流的关气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用

7、欧姆定律描述。系复杂，不能用欧姆定律描述。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 无光放电区（无光放电区（AB） 由于宇宙射线产生的游离离子和电子，当在两极间加上直流电由于宇宙射线产生的游离离子和电子，当在两极间加上直流电压，游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，压，游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，10-16-10-14A。由于此区域导电但不发光，因此称为无光放电区。自然游离的离子由于此区域导电但不发光，因此称为无光放电区。自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理3.2 溅射的基

8、本原理溅射的基本原理 汤森放电区（汤森放电区（BC） 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，电离为正离子和电子，再被电场加速，再电离，使电流平稳地增加。于离，电离为正离子和电子，再被电场加速，再电离，使电流平稳地增加。于是在伏是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。安特性曲线出现汤森放电区。由于受到电源的高输出阻抗限制，电压由于受到电源的高输出阻抗限制，电压呈一常数。电流可在电压不变的情况下增大。呈一常数。电流可在电压不变的情况下增大。 上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因上述两种情况都以自然电

9、离源为前提，且导电而不发光。因此，称为此，称为非自持放电非自持放电。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理过渡区过渡区CD 过过C点后，发生点后，发生“雪崩点火雪崩点火”，离子轰击阴极，产生二次电子，二离子轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性气体分子发生碰撞，次电子与中性气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极产生更多的二次电子，大量的阴极产生更多的二次电子，大量的离子和电子产生后，放电达到自持，离子和电子产生后，放电达到自持，气体被击穿，开始气体被击穿，开始起辉起辉，两极间，两极间电电流剧增，电压迅速降低流剧增，电压迅速降低，放电呈现，放电呈现负

10、阻现象负阻现象。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 正常辉光放电区（正常辉光放电区（DE） 继续增加电源功率，在继续增加电源功率，在D点以后，点以后，电流平稳增加，电压维持不变，此时两电流平稳增加，电压维持不变，此时两极板间出现辉光。极板间出现辉光。DE区域叫做正常辉区域叫做正常辉光放电区。光放电区。 在此区域，放电自动调整阴极轰击在此区域，放电自动调整阴极轰击面积。开始轰击不均匀，主要集中在靠面积。开始轰击不均匀，主要集中在靠近阴极边缘上，或在表面其他不规则处。近阴极边缘上，或在表面其他不规则处。随着功率不断增大，轰击区逐渐扩大，随着功率不断增大，轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均

11、匀为止。直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。正常辉光放电区正常辉光放电区DE D D点之后，电流与电压无关，即增大电源点之后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压不变，电流平稳增加，此时两功率时，电压不变，电流平稳增加，此时两极板间出现辉光。在此区域，放电自动调整极板间出现辉光。在此区域，放电自动调整阴极轰击面积。最初轰击不均匀，主要集中阴极轰击面积。最初轰击不均匀，主要集中在靠近阴极边缘处，或在表面其它不规则处。在靠近阴极边缘处，或在表面其它不规则处。随着电源功率增大，轰击面积逐渐扩大，直随着电源功率增大，轰击面积逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。到阴极面上电流密度几乎均匀为止。

12、这时电子和正离子来源于电子的碰撞和正这时电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电也能继续。电流与电压无关（与辉光覆盖面也能继续。电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关）积有关） 电流密度的大小与阴极材料、气体压强和电流密度的大小与阴极材料、气体压强和种类，阴极的形状有关。种类，阴极的形状有关。 电流密度不高（溅射选择非正常放电区）电流密度不高（溅射选择非正常放电区）3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 异常辉光放电区（异常辉光放电区（EF） 当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步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

13、和电流同时增加，进入非增加功率，放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。正常辉光放电。特点：特点：电流增大时，放电电极间电压升高，且电流增大时，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。阴极电压降与电流密度和气体压强有关。阴极表面情况：阴极表面情况：此时辉光布满整个阴极，离子层已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。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，使正此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，使正离子有更大的能量轰击阴极，使阴极更多的二次电离子有更大的能量轰击阴极，使阴极更多的二次电子

14、才行。子才行。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 弧光放电区弧光放电区(FG) 异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。的危险。 极间电压陡降，电流突然增大，相当极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；于极间短路； 放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁；放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁； 损害电源。损害电源。起辉电压起辉电压V 由巴邢定律知，由巴邢定律知，在气体成分和电极材在气体成分和电极材料一定的情况下，起料一定的情况下，起辉电压辉电压V只与气体压只与气体压强强P和电极距离和电极距离d的乘的乘积有关。积有关。Vmin3.2 溅射的基本原理溅射的基

15、本原理 若气体若气体P P太低太低或电极间距或电极间距d d 太小太小，二次电子二次电子在到达阳极前不能使气体分在到达阳极前不能使气体分子被碰撞电离，无法形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。子被碰撞电离，无法形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。 若气体若气体P P太高太高或电极间距或电极间距d d太大太大，二次电子二次电子因多次碰撞而得不到加速，因多次碰撞而得不到加速，也会使辉光放电熄灭。也会使辉光放电熄灭。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理辉光的产生：辉光的产生：众多的电子、原子碰撞导致原子中的众多的电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激跃迁到高能态，而后又衰变到基

16、态并轨道电子受激跃迁到高能态，而后又衰变到基态并发射光子，大量的光子形成辉光。发射光子，大量的光子形成辉光。 当电源功率增加，形成辉光放电时，阴阳两极当电源功率增加，形成辉光放电时，阴阳两极间明暗光区的分布情况，以及暗区和亮区对应的电间明暗光区的分布情况，以及暗区和亮区对应的电位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。 阿斯顿暗区阿斯顿暗区 冷阴极发射的电子能量冷阴极发射的电子能量很低，约很低，约1eV左右，很难与左右，很难与气体发生碰撞电离，所以在气体发生碰撞电离，所以在阴极附近形成一个黑暗的区阴极附近形成一个黑暗的区域，称为阿斯顿暗区。域，称为阿斯

17、顿暗区。 使用氩、氖之类气体时使用氩、氖之类气体时这个暗区很明显。对于其它这个暗区很明显。对于其它气体，这个暗区很窄，难以气体，这个暗区很窄，难以观察到。观察到。 阴极辉光区阴极辉光区 电子通过阿斯顿暗区后，在电子通过阿斯顿暗区后，在电场的作用下获得了足够的能量，电场的作用下获得了足够的能量，与气体发生碰撞与气体发生碰撞，激发态的气体，激发态的气体分子衰变与进入该区的离子分子衰变与进入该区的离子复合复合而而形成中性原子放出形成中性原子放出辉光，辉光，形成形成阴极辉光区。阴极辉光区。 克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区 随电子加速获足够能量，穿随电子加速获足够能量，穿过阴极辉光区时与正离子过阴极辉光区时与

18、正离子不易发不易发生复合，生复合，从而形成又一个暗区，从而形成又一个暗区，叫做克鲁克斯暗区。叫做克鲁克斯暗区。 暗区的宽度与电子的平均自暗区的宽度与电子的平均自由程有关。由程有关。 负辉光区负辉光区 随着电子速度增大，很快获随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是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，离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。产生大量的正离子。 正离子移动速度慢，产生积正离子移动速度慢，产生积聚，电位升高；与阴极之间的电聚，电位升高；与阴极之间的电位差成为位差成为阴极压降阴极压降。 电子在高浓度正离子积聚区电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速

19、度降低，经过碰撞速度降低，与正离子与正离子复复合几率增加，形成明亮的负辉光合几率增加，形成明亮的负辉光区。区。 法拉第暗区法拉第暗区 经过负辉光区后，大多数动经过负辉光区后，大多数动能较大的电子因碰撞都已丧失了能较大的电子因碰撞都已丧失了能量，少数电子穿过负辉光区，能量，少数电子穿过负辉光区，形成暗区。形成暗区。 正离子柱正离子柱 法拉第暗区过后，少数电子法拉第暗区过后，少数电子逐渐加速，并使气体电离；由于逐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。成密集的空间电荷。 此区域电压降很小，类似一此区域电压降很小，类似一个良导体。个良导体。

20、q 辉光放电阴极附近的分子状态辉光放电阴极附近的分子状态3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 从阴极发射的低能电子不能从阴极发射的低能电子不能与气体分子碰撞电离，形成靠近与气体分子碰撞电离，形成靠近阴极的阿斯顿暗区。阴极的阿斯顿暗区。 电子经过阿斯顿暗区被加速电子经过阿斯顿暗区被加速后，使气体分子激发，激发的气后，使气体分子激发，激发的气体分子发出固有频率的光，成为体分子发出固有频率的光，成为阴极辉光。阴极辉光。 电子进一步加速，使气体电电子进一步加速，使气体电离产生大量的离子和低速自由电离产生大量的离子和低速自由电子，该区域不发光，为克鲁克斯子，该区域不发光，为克鲁克斯暗区。暗区。 所形成的

21、低速电子加速后，又激发气体分子使之发光，形所形成的低速电子加速后，又激发气体分子使之发光，形成负辉光区。成负辉光区。 与溅射现象有关的问题：与溅射现象有关的问题： 在克鲁克斯暗区周围形成的正离子冲击阴极；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是阳极光柱的长度，而从阴极到负辉光区的距离几乎不变。其主要原因是两电极之间电压的下降几乎乎不变。其主要原因是两电极之间电压的下降几乎都发生在阴极到负辉光区之间。都发生在阴极到负辉光区之间。 溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要

22、大于溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于阴极与负辉光区的距离。阴极与负辉光区的距离。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理q 低频辉光放电低频辉光放电 在低于在低于50kHz的交流电压条件下，离的交流电压条件下，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，称为低频直流电极上建立直流辉光放电，称为低频直流辉光放电。辉光放电。 基本原理与特性与直流辉光放电相同。基本原理与特性与直流辉光放电相同。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理q 射频辉光放电射频辉光放电u 射频辉光放电的重要特征：射频辉光放电的重要特征： 在辉光放电空间产生的电子可以

23、获得足够的能量，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；因而，减少了放电对二次电子足以产生碰撞电离；因而，减少了放电对二次电子的依赖，并降低了击穿电压；的依赖，并降低了击穿电压；射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要一定是导体。所以电极并不需要一定是导体。 在一定气压下，阴阳极间所加交流电压的频率增高在一定气压下，阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率到射频频率(300KHz30GHz ) ，将产生射频辉光放电。，将产生射频辉光放电。3.2 溅射的基本原理溅射的基本原理 在在5-30MHz的射频溅射频率下

24、将产生射频放电。的射频溅射频率下将产生射频放电。 电子的质量小，会随着外电场从射频场中吸收能量而在电子的质量小，会随着外电场从射频场中吸收能量而在场内作振荡运动。增加了与气体分子的碰撞几率，并使电离场内作振荡运动。增加了与气体分子的碰撞几率，并使电离能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降低（仅为直流辉光放电的十分之一）；射频辉光放电可以在低（仅为直流辉光放电的十分之一）；射频辉光放电可以在较低的气压下进行，直流辉光放电常在较低的气压下进行，直流辉光放电常在10-1-10-2Pa运行。运行。 正离子的质量大，运行速度低，跟不上电源

25、极性的改变，正离子的质量大，运行速度低，跟不上电源极性的改变，可认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放可认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。电起增强作用。溅射的基本原理溅射的基本原理表征溅射特性的参数表征溅射特性的参数1、溅射阈值、溅射阈值2、溅射率及其影响因素、溅射率及其影响因素3、溅射粒子的速度和能量分布、溅射粒子的速度和能量分布4、溅射原子的角度分布、溅射原子的角度分布5、溅射率的计算、溅射率的计算1、溅射阈值、溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量。必须的最小能量。 溅射阈值的

26、大小与离子质量之间无明显关系，主溅射阈值的大小与离子质量之间无明显关系，主要取决于靶材料。对于处于周期表中同一周期的元素，要取决于靶材料。对于处于周期表中同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数增加而减小。溅射阈值随着原子序数增加而减小。 溅射的基本原理溅射的基本原理溅射的基本原理溅射的基本原理对绝大多数金属靶材，溅射阈值为对绝大多数金属靶材，溅射阈值为1030eV溅射的基本原理溅射的基本原理2、溅射率、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从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数 。S

27、溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、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。晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。(1) (1) 靶材料靶材料 溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料，得到相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料，得到的溅射率不同。的溅射率不同。 溅射率呈周期性变化，随靶材料元素的原子序数的溅射率呈周期性变化，随靶材料元素的原子序数的增大而增加。增大而增加。溅射的基本原理溅射的基本原理参见表参见表3-2六方晶格结构和表六方晶格结构和

28、表面污染的金属比面面污染的金属比面心立方和清洁表面心立方和清洁表面的金属的溅射率低的金属的溅射率低升华热大的金属比升华热大的金属比升华热小的金属的升华热小的金属的溅射率低溅射率低溅射的基本原理溅射的基本原理（2）入射离子能量）入射离子能量 入射离子的能量对溅射率有显著的影响。入射离子的能量对溅射率有显著的影响。 当入射离子的能量高于某个定值时，才会发生溅射。当入射离子的能量高于某个定值时，才会发生溅射。 入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域，入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域， 指数上升区；指数上升区；SE 2 （E数数百百eV）；）； 下降区下降区; ; SE1/2 （E=10-1

29、00keV）；存在存在溅射阈值溅射阈值，阈值能，阈值能量一般为量一般为2010020100 eV eV。当入。当入射离子的能量小于这个阈射离子的能量小于这个阈值时，没有原子溅射出来。值时，没有原子溅射出来。 一般当入射离子能量一般当入射离子能量为为110 110 keVkeV时，溅射率可时，溅射率可达到最大值。达到最大值。 最 大最 大值值入射离子的能量入射离子的能量（E / ev）S阈阈值值溅射的基本原理溅射的基本原理（3） 入射离子种类入射离子种类 溅射率依赖于入溅射率依赖于入射离子的种类。射离子的种类。靶材靶材中不同成分的中不同成分的溅射率溅射率不一样不一样. .入射离子的原子量入射离子

30、的原子量越大，溅射率就越高。越大，溅射率就越高。 溅射率随入射离溅射率随入射离子的子的Z Z周期性变化而周期性变化而变。同一周期中凡变。同一周期中凡闭闭合电子壳层合电子壳层的元素溅的元素溅射率最大，所以射率最大，所以惰性惰性气体的溅射率最高。气体的溅射率最高。溅射率与入射离子的原子序数的关系溅射率与入射离子的原子序数的关系溅射的基本原理溅射的基本原理（4） 入射离子的入射角入射离子的入射角 入射角：离子入射方向与被溅射靶材表面法线间的夹入射角：离子入射方向与被溅射靶材表面法线间的夹角。角。 随入射角的增大溅射率逐渐增大。在随入射角的增大溅射率逐渐增大。在060060间相对溅射间相对溅射率基本服

31、从率基本服从1/cos1/cos规律。规律。入射角在入射角在60 8060 80溅射率最大。入射角继续增加，则溅溅射率最大。入射角继续增加，则溅射率减小，射率减小，9090时时溅射率为零。溅射率为零。 参看书参看书P: 72P: 72； 3-143-14图图溅射的基本原理溅射的基本原理（5） 靶材温度靶材温度溅射率与被溅射靶材溅射率与被溅射靶材的温度有关。主要与的温度有关。主要与靶材物质的升华能相靶材物质的升华能相关的某温度值有关。关的某温度值有关。低于此温度时，溅射低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧温度时，溅射率急剧增加。增加。 除此之外，还与除此之外，

32、还与靶的结构和靶材的结靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、晶取向、表面形貌、溅射压强溅射压强等因素有关。等因素有关。 降低工作气压和降低工作气压和提高溅射率提高溅射率。溅射的基本原理溅射的基本原理3、溅射原子的能量和速度、溅射原子的能量和速度 溅射原子的溅射原子的能量和速度能量和速度也是描述溅射特性的也是描述溅射特性的 重要参数重要参数 。溅射溅射原子的能量与原子的能量与靶材料、入射离子能量、靶材料、入射离子能量、 种类及溅射种类及溅射原子的原子的方向性等有关。方向性等有关。 一般从蒸发源出来的原子能量约一般从蒸发源出来的原子能量约0.1ev0.1ev， 溅射溅射原子是与高能量原子是与高能量（

33、几百（几百- -几千几千evev）入射离子入射离子 碰撞交换能量飞出的，所以溅射碰撞交换能量飞出的，所以溅射原子有原子有较高的能量。较高的能量。溅射的基本原理溅射的基本原理 重元素靶材溅射出来的原子有较高的能量；而轻元素靶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；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，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；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

34、低；反之亦然。线性增加；入射离子质量小，原子逸出能量低；反之亦然。 平均逸出能量平均逸出能量随入射离子能量增加而增大，当入射离子随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量超过能量超过1keV时，平均逸出能量趋于恒定；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）。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：溅射原子的能量与速度有如下特点：溅射的基本原理溅射的基本原理4、溅射原子的角度分布、溅射原子的角度分布 研究溅射原子的分布，对了解溅射研究溅射原子的分布，对了解溅射机理机理、建立溅射理、建立溅射理论有着重要的意义。在实际应用中

35、对论有着重要的意义。在实际应用中对控制膜厚控制膜厚分布也非常分布也非常重要。重要。 溅射的热峰蒸发理论溅射的热峰蒸发理论早期的研究认为：早期的研究认为： 溅射原子的角度分布符合那森余弦定律，与溅射原子的角度分布符合那森余弦定律，与入射入射离子的离子的方向性无关方向性无关。 即：即：溅射的发生是因为溅射的发生是因为高能量的高能量的轰击离子产生了局轰击离子产生了局部的部的高温区高温区，从而导致了靶材料的从而导致了靶材料的蒸发，蒸发，所以逸出原子所以逸出原子呈余弦分布。呈余弦分布。溅射的基本原理溅射的基本原理 溅射原子的角分布溅射原子的角分布不同靶材料的不同靶材料的角分布角分布与余弦分布的偏差也不同

36、。后来的研究发现，与余弦分布的偏差也不同。后来的研究发现，用低能原子轰击时，逸出原子的分布用低能原子轰击时，逸出原子的分布不遵守余弦规律。不遵守余弦规律。垂直于靶面方向逸出的原子数，明显少于按余弦分布分布时应有的垂直于靶面方向逸出的原子数，明显少于按余弦分布分布时应有的原子数。原子数。对于不同的靶材，角分布与余弦分布的偏差也不相同。对于不同的靶材，角分布与余弦分布的偏差也不相同。溅射的基本原理溅射的基本原理 溅射原子的逸出角分布与晶体结构溅射原子的逸出角分布与晶体结构 实验表明：溅射原子逸出的实验表明：溅射原子逸出的主方向与晶主方向与晶体结构体结构有关，直接影响溅射率。有关，直接影响溅射率。

37、单晶材料原子单晶材料原子密排面密排面是最主要的逸出方是最主要的逸出方向；面心立方体结构逸出主方向是向；面心立方体结构逸出主方向是110110晶晶向，其次是向，其次是100100、111 111 晶向。晶向。多晶靶与单晶靶溅射原子的角分布明显不多晶靶与单晶靶溅射原子的角分布明显不同同. .单晶靶材可看到溅射原子明显有单晶靶材可看到溅射原子明显有择优取择优取向向的角分布，多晶靶材显示出近似于余弦的角分布，多晶靶材显示出近似于余弦分布。分布。abc溅射的基本原理溅射的基本原理5、溅射率的表达式、溅射率的表达式计算溅射率需要考虑计算溅射率需要考虑p 荷能粒子（入射离子和溅射原子）在表荷能粒子（入射离子

38、和溅射原子）在表面附近的能量面附近的能量p 产生的低能溅射原子的数目产生的低能溅射原子的数目p 这些溅射原子中到达基板表面的数目这些溅射原子中到达基板表面的数目p 到达基板表面的溅射原子中能量超过结到达基板表面的溅射原子中能量超过结合能的原子数目合能的原子数目 通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下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：表达式：（1）离子能量小于）离子能量小于1keV，在垂直入射时，溅射率为在垂直入射时，溅射率为2034maTSV式中，式中， 为最大传递能量，为最大传递能量， 靶材元素的势垒高度，靶材元素的势垒高度， 是是与靶材原子质量与靶材原子质量 和

39、入射离子质量和入射离子质量 之比之比 相关的相关的常数。常数。mT0Va1m2m21mm溅射的基本原理溅射的基本原理（2）离子能量大于）离子能量大于1keV，在垂直入射时，溅射率为在垂直入射时，溅射率为00.042( )/nSaSEV2（3）一般情况下，溅射率的计算可由下式处理）一般情况下，溅射率的计算可由下式处理510 /SWmItWRtAIJA510RSmJ式中，式中， 为靶材的损失量，为靶材的损失量， 原子量，原子量， 为离子电流，为离子电流， 为溅为溅射时间。射时间。 设设 为刻蚀速率，为刻蚀速率， 样品面积，样品面积， 为材料密度，为材料密度， 为离为离子电流密度，则子电流密度，则W

40、mItRAJ溅射的基本原理溅射的基本原理 靶材溅射过程、逸出粒子的形态靶材溅射过程、逸出粒子的形态溅射粒子的迁移过程溅射粒子的迁移过程溅射粒子的成膜过程溅射粒子的成膜过程1.1. 靶材的溅射过程靶材的溅射过程 入射高能粒子轰击靶，将动量转给入射高能粒子轰击靶，将动量转给靶材原子，把靶材原子从靶表面撞靶材原子，把靶材原子从靶表面撞出发生溅射。只有靶材原子出发生溅射。只有靶材原子吸收的吸收的能量超过其结合能能量超过其结合能，溅射才能发生。，溅射才能发生。 实际的实际的溅射过程非常溅射过程非常复杂复杂，除正常，除正常溅射还有许多附加效应。如：入射溅射还有许多附加效应。如：入射高能粒子可能从表面反射；

41、轰击过高能粒子可能从表面反射；轰击过程捕获电子成为中性粒子；离子轰程捕获电子成为中性粒子；离子轰击引起靶原子中的电子溢出（次级击引起靶原子中的电子溢出（次级电子）；离子注入产生辐射射线等电子）；离子注入产生辐射射线等。溅射的基本原理溅射的基本原理溅射的基本原理溅射的基本原理2.2. 溅射粒子的迁移过程溅射粒子的迁移过程 阴极发射的电子在电场作用下加速，飞向基片过程中与阴极发射的电子在电场作用下加速，飞向基片过程中与溅射溅射气体原子气体原子(H(He e) )发生碰撞，电离出大量的发生碰撞，电离出大量的正离子正离子和和电电子子。 电子飞向基片电子飞向基片, ,正离子在电场作用下加速轰击靶材，溅正

42、离子在电场作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子中性的靶原子（分子）（分子）沉积沉积在在基片上成膜。基片上成膜。 溅射过程中，必须保证一定的气体压力。要使溅射粒子溅射过程中，必须保证一定的气体压力。要使溅射粒子平均自由程大于靶与基片间距。否则，溅射粒子在迁移平均自由程大于靶与基片间距。否则，溅射粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，降低靶材原子的动能，增加靶过程中将发生多次碰撞，降低靶材原子的动能，增加靶材的散射损耗。材的散射损耗。 详细讨论请参阅书详细讨论请参阅书 P: 80-81P: 80-81。 溅射的基本原理溅射的基本原理1.1. 热蒸发理论热蒸发理论

43、 热蒸发理论热蒸发理论( (早期理论早期理论 ) ) 溅射现象是荷能正离子在电场加速下轰击靶材表面，将溅射现象是荷能正离子在电场加速下轰击靶材表面，将能量传给碰撞处能量传给碰撞处的原子，使靶表面碰撞处很小区域内，发的原子，使靶表面碰撞处很小区域内，发生生瞬间强烈的高温瞬间强烈的高温，使该区域的靶材料，使该区域的靶材料熔化发生蒸发熔化发生蒸发。 可以解释溅射某些现象和规律，可以解释溅射某些现象和规律， 如：溅射率与靶材料间的蒸发热和轰击粒子的能量关系、如：溅射率与靶材料间的蒸发热和轰击粒子的能量关系、 溅射原子的余弦分布规律等。溅射原子的余弦分布规律等。 不能解释：不能解释： 溅射率与粒子入射角

44、间的关系；溅射率与粒子入射角间的关系； 溅射率与入射离子质量关系溅射率与入射离子质量关系; ; 单晶材料溅射时，溅射原子非余弦分布规律等问题。单晶材料溅射时，溅射原子非余弦分布规律等问题。 溅射的基本原理溅射的基本原理 各种实验结果表明，溅射各种实验结果表明，溅射完全是个完全是个动量转移动量转移过程过程。 所以溅射也称为所以溅射也称为: 物理溅射。物理溅射。 对于低能离子溅射过程，对于低能离子溅射过程， 离子同靶原子间的相互离子同靶原子间的相互 作用主要是原子间的作用主要是原子间的 弹性碰撞弹性碰撞，特别是金属，特别是金属 靶材料，因此也称为：靶材料，因此也称为： 碰撞溅射。碰撞溅射。 碰撞溅

45、射的示意图碰撞溅射的示意图真空真空+固体固体溅射粒子溅射粒子(离子或中性粒子离子或中性粒子)注入离子注入离子渗透深度渗透深度入射离子入射离子 碰撞溅射碰撞溅射 knock-on sputtering 2. 动量转移理论动量转移理论溅射的基本原理溅射的基本原理 动量转移动量转移理论认为：理论认为： 对于对于低能低能离子碰撞靶时，离子碰撞靶时，不不能能从固体表面从固体表面直接直接溅射出原子。溅射出原子。而是把能量转移给被碰撞的靶而是把能量转移给被碰撞的靶原子，引起原子，引起晶格点阵晶格点阵上的原子上的原子的链琐式碰撞。的链琐式碰撞。这种这种碰撞将沿着晶格点阵的碰撞将沿着晶格点阵的各个方向各个方向进

46、行。因碰撞在原子进行。因碰撞在原子最密排列点阵方向上最有效，最密排列点阵方向上最有效，所以，晶体所以，晶体表面表面原子从邻近原原子从邻近原子那里获得越来越大的能量，子那里获得越来越大的能量，最终从固体表面溅射出来。最终从固体表面溅射出来。E0 , M1, Z1 被溅射出来的原子被溅射出来的原子 溅射原子弹性碰撞物理过溅射原子弹性碰撞物理过程程 很好解释很好解释热蒸发理论热蒸发理论不能解释的各种现象不能解释的各种现象和规律。和规律。溅射的基本原理溅射的基本原理 碰撞溅射碰撞溅射分类分类 单一碰撞溅射模型（线性）单一碰撞溅射模型（线性） 线性碰撞线性碰撞级联级联溅射模型溅射模型 （线性（线性 二级

47、碰撞模型）二级碰撞模型） “热钉扎热钉扎”溅射模型溅射模型 （非线性溅射（非线性溅射模型模型） 单一线性碰撞溅射模型单一线性碰撞溅射模型 在离子同靶原子的碰撞过在离子同靶原子的碰撞过程中，程中，反冲原子反冲原子得到的能得到的能量比较低量比较低，使它不能进一使它不能进一步产生新的反冲原子而直步产生新的反冲原子而直接被溅射出去。接被溅射出去。 入射离子的能量在几十电入射离子的能量在几十电子伏内，且离子的能量是子伏内，且离子的能量是在一次或几次碰撞中损失在一次或几次碰撞中损失掉掉 没考虑原子间的功函数、没考虑原子间的功函数、原子间碰撞性质随能量不原子间碰撞性质随能量不同而不同等问题。同而不同等问题。

48、 只能在只能在溅射能量范围内近溅射能量范围内近似似阐明溅射过程，不能完阐明溅射过程，不能完全反映溅射的实际过程。全反映溅射的实际过程。单一碰撞溅射单一碰撞溅射溅射的基本原理溅射的基本原理 初始反冲原子得到能量较高，它可进初始反冲原子得到能量较高，它可进一步与一步与其它静止其它静止原子相碰撞，产生一原子相碰撞，产生一系列新的系列新的级联运动级联运动。 但级联运动但级联运动密度密度较低，以至于运动原较低，以至于运动原子子主要主要同同静止静止原子间碰撞，而原子间碰撞，而运动原运动原子间子间的碰撞是次要的。的碰撞是次要的。 对于线性碰撞级联，入射离子能量范对于线性碰撞级联，入射离子能量范围一般在围一般

49、在keV-MeV，且级联运动主要，且级联运动主要是在是在离子离子的路径周围产生的。的路径周围产生的。 线性碰撞级联溅射线性碰撞级联溅射 西格曼德（西格曼德（Sigmund ）模型模型线性碰撞级联溅射线性碰撞级联溅射溅射的基本原理溅射的基本原理 当反冲原子的密度非常高，以当反冲原子的密度非常高，以至于在一定区域内大部分原子至于在一定区域内大部分原子都在运动。都在运动。 热钉扎溅射通常是由热钉扎溅射通常是由中等能量中等能量的重离子的重离子轰击固体表面而造成轰击固体表面而造成 是一种是一种反常溅射反常溅射或或非线性溅射非线性溅射 现象。现象。 热钉扎溅射模型热钉扎溅射模型 1974年发现年发现 低能

50、低能重离子重离子辐照固体表面，辐照固体表面， 可产生非线性溅射现象，可产生非线性溅射现象， 称为称为“热钉扎热钉扎”效应。效应。 “热钉扎热钉扎” 效应效应溅射的基本原理溅射的基本原理 假设：入射离子在固体表面产生假设：入射离子在固体表面产生的原子级联运动是的原子级联运动是线性线性的，采用的，采用二体二体碰撞理论来描述。碰撞理论来描述。 对于中等能量重离子轰击固体表对于中等能量重离子轰击固体表面，固体中面，固体中移位原子移位原子间的平均自间的平均自由程接近于晶格中原子的空间尺由程接近于晶格中原子的空间尺度，这时二体碰撞近似理论度，这时二体碰撞近似理论不再不再成立。成立。 此时表面级联区沉积的此

51、时表面级联区沉积的能能量密度量密度相当高，以至相当高，以至产生产生一个可一个可超过表面熔化和蒸发点的超过表面熔化和蒸发点的有效温有效温度度，溅射过程进入，溅射过程进入热钉扎热钉扎区，使区，使溅射率变得溅射率变得反常反常的高。的高。 热钉扎溅射的理论解释热钉扎溅射的理论解释Au+ Au图：图：Au Au 的的反常反常溅射溅射的自溅射率的自溅射率的实验值。的实验值。当当AuAu离子能量达离子能量达几千几千keVkeV 时，时，实验测量值远远高于实验测量值远远高于西格曼德西格曼德线性级联理论给出的结果。线性级联理论给出的结果。溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型因电极不同可以分为：因电极不同可以分为： 二极

52、溅射二极溅射 靶材为良导体靶材为良导体 三极溅射三极溅射 四极溅射四极溅射 磁控溅射磁控溅射 施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长施加磁场来改变电子的运动方向，束缚并延长电子运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅电子运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。射沉积率。 射频溅射射频溅射 绝缘体、半导体、导体任何一类靶材绝缘体、半导体、导体任何一类靶材反应溅射法反应溅射法溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 系统结构系统结构直流二极溅射直流二极溅射射频二极溅射射频二极溅射电离效应电离效应靶与基板的距离以大靶与基板的距离以大于阴极暗区的于阴极暗区的3-4倍倍为宜。为宜。溅射镀膜的

53、类型溅射镀膜的类型 特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。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。控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。 缺点缺点a. 溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压变化，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；工艺重复性差；b. 真空系统多采用真空系统多采用扩散泵扩散泵，残留气体对膜层污染较严重，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差；（设法在纯度较差；（设法在10-1Pa下产生辉光）下产生辉光）c.基片温度升高，淀积速率低；（冷却靶、控制入射离子基片温度升高，淀积速率低；（冷却靶、控制入射离子能量）

54、能量）d. 靶材必须是良导体。靶材必须是良导体。溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 结构：基片施加负偏压。结构：基片施加负偏压。 特点：特点： 1. 提高薄膜纯度；提高薄膜纯度； 2. 提高附着力。提高附着力。 3. 改变薄膜的性质改变薄膜的性质溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 二极直流溅射只能在高气压下进行，因为它是依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。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（当气压下降（1.3-2.7Pa）时，阴极暗区扩大，电时，阴极暗区扩大，电子自由程增加，等离子体密度下降，辉光放电将无法子自由程增加，等离子体

55、密度下降，辉光放电将无法维持。维持。提供一个额外的电子源（三极或四极溅射）提供一个额外的电子源（三极或四极溅射）负电位负电位热阴极发射的电子与阳极热阴极发射的电子与阳极产生等离子体产生等离子体靶相对于该等离子体为负靶相对于该等离子体为负电位电位为把阴极发射的电子全部为把阴极发射的电子全部吸引过来，阳极上加正偏吸引过来，阳极上加正偏压，压，20V左右。左右。为使放电稳定，增加第四为使放电稳定，增加第四个电极个电极稳定化电极稳定化电极溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型稳定电稳定电极电位极电位溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 特点：特点： 1. 靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极

56、溅射的缺点；靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点； 2. 靶电压低（几百伏），溅射损伤小；靶电压低（几百伏），溅射损伤小； 3. 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，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；提高了溅射参数的可控性和工艺重复性； 缺点：缺点： 不能抑制电子轰击对基片的影响（温度升高）；灯丝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。污染问题；不适合反应溅射等。溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 射频溅射的机理和特性可以用射频辉光放电解释。等离射频溅射的机理和特性可以用射频辉光放电解释。等离子体中

57、的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，与子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，与工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著工作气体的碰撞几率增大，从而使击穿电压和放电电压显著降低。降低。tfEtEEmm2coscosteEdtxdmFmecos22tmeEdtdxvemesintAtmeExemcoscos2)(2emmeEA溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 特点：特点： 1. 电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压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，比直流溅射小一个数量级；和放电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级； 2. 能淀积

58、包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；料； 3. 溅射过程不需要次级电子来维持放电。溅射过程不需要次级电子来维持放电。 缺点：缺点： 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高当离子能量高时，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。能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 磁控溅射是磁控溅射是70年代发展起来年代发展起来的一种的一种高速高速溅射溅射技术。技术。 磁控溅射可磁控溅射可以使淀积速率提以使淀积速率提高。气体电离从高。气体电离从0.3-0.5%提高到提高到5-6%。溅射镀膜

59、的类型溅射镀膜的类型 磁控溅射工作原理磁控溅射工作原理 磁控溅射技术中使用了磁控靶。磁控溅射技术中使用了磁控靶。磁控靶磁控靶溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型 在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。在阴极靶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。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，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。传递能量，并成为低能电子。)

60、(BvEv qdtdm溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型EEE = 0B along y-axisv0 along z-axisE = 0B along y-axisv0 along yz-plane溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型E along x-axisB along y-axisv0 along yz-planeE along x-axisB along y-axisv0 in z-directionE/B=0.02溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型E along x-axisB along y-axisv0 in z-directionE/B=0.1xyzEB0溅射镀膜的类型溅射镀膜的类型溅射镀膜的