电子科大薄膜物理(赵晓辉)第三章溅射

1、1什么是溅射什么是溅射? ?1 1、定义：、定义：所谓溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），所谓溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。使固体原子（或分子）从表面射出的现象。用带有几十电子伏特以上动能的粒子束照射用带有几十电子伏特以上动能的粒子束照射固体表面，使靠近固体表面的原子获得能量固体表面，使靠近固体表面的原子获得能量而从表面射出的现象。而从表面射出的现象。 2荷能粒子为荷能粒子为 几十个电子伏特的粒子几十个电子伏特的粒子 说明入射粒子的能量范围说明入射粒子的能量范围入射粒子或粒子束入射粒子或粒子束，一般意义上的溅射，一般意义上的溅射就是指离子溅射。就是指

2、离子溅射。出射原子靠近表面出射原子靠近表面 32.2.定义比较定义比较4镀膜镀膜SIMS分析分析刻蚀，清洗刻蚀，清洗占靶产物的占靶产物的85-903.3.离子轰击固体表面的效应离子轰击固体表面的效应3.1 3.1 等离子体溅射如何发生等离子体溅射如何发生? ?1. 什么是等离子体什么是等离子体? 物质的物质的“第四态第四态” 部分电离的气体部分电离的气体5冰，此时其微观基本组元（分子）的热运动动能小于组冰，此时其微观基本组元（分子）的热运动动能小于组元之间的相互作用势能，因而相互束缚，在空间的相对元之间的相互作用势能，因而相互束缚，在空间的相对位置固定，是位置固定，是固体状态固体状态水，分子热

3、运动能与分子间相互作用势能相当。分子可水，分子热运动能与分子间相互作用势能相当。分子可以自由地移动，但在边界面上大多数分子还不能可以克以自由地移动，但在边界面上大多数分子还不能可以克服表面束缚能，因而存在一个明显的表面，是服表面束缚能，因而存在一个明显的表面，是液体状态液体状态水的四种状态水的四种状态6蒸汽，分子热运动能克服分子间的相互作用势垒，包括蒸汽，分子热运动能克服分子间的相互作用势垒，包括表面的束缚能，分子因此变成彼此自由的个体，它们将表面的束缚能，分子因此变成彼此自由的个体，它们将占据最大可能占据的空间，是占据最大可能占据的空间，是气体状态气体状态.当温度增高到使原子（分子）间的热运

4、动动能与电离能当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系统的基本组元相当的时候，变成（部分）电离气体，系统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量的原子和分子）。电变成了离子和电子（可以包含大量的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是磁力开始作用，这就是等离子体状态等离子体状态。7等离子体空间等离子体空间2. 如何生成等离子体如何生成等离子体? ? 从中性的气体分子或原子开始从中性的气体分子或原子开始 存在少量的自由电子存在少量的自由电子热能可生成更多的自由电子热能可生成更多的自由电子8 需要采用以下方式对气体施加能量需要采用以下方式对气体施加能量: :

5、n热热: : 温度温度4000 n辐射辐射n电场电场n磁场磁场 等离子体的形成等离子体的形成: :引入电场加速自由电子引入电场加速自由电子加速的自由电子与气体分子发生碰撞加速的自由电子与气体分子发生碰撞碰撞后，会发生碰撞后，会发生:a. dissociation/解离解离b. Ionization/电离电离c. Excitation/激发激发93. 等离子体的电价等离子体的电价实际上，作为气态介质的等离子体实际上，作为气态介质的等离子体包含有包含有:中性气体原子或分子中性气体原子或分子离子离子自由的激发态电子自由的激发态电子光子光子净电荷为零净电荷为零带电离子相对很少：带电离子相对很少： 1,

6、000,000 个中性原子中可能有一个中性原子中可能有一个带电（离子）个带电（离子）1011电离度由萨哈（电离度由萨哈（Saha）方程给出，）方程给出，ni、no:离子与原子的密度，离子与原子的密度，T为温度、为温度、Ei为电离能为电离能温度单位电子伏特与开尔文（温度单位电子伏特与开尔文（K）的换算关系为）的换算关系为:1 eV = 11600 K （根据波尔兹曼常数换算）（根据波尔兹曼常数换算）取取no=31025/m-3，T0.03eV， Ei14.5eV（氮气），（氮气），则则ni/no约为约为10122电离度电离度3/21503 10exp(/)iiinTETnn 124. 等离子体鞘

7、层等离子体鞘层对于对于1Pa左右的辉光放电：左右的辉光放电：原子、电子、正离子的总密度：原子、电子、正离子的总密度：3 1014个个/cm3；其中其中10-4的比例为电子和离子。的比例为电子和离子。产生的是产生的是冷等离子体冷等离子体：电子和原子及正离子温度不等：电子和原子及正离子温度不等Te23000K，Ti=300-500K。离子的能量低，加上质量大，离子的能量低，加上质量大，所以其运动速度远远低于电子：所以其运动速度远远低于电子：平均速度：平均速度：Ve9.5 105m/s， Vi500m/s。 等离子体鞘层：等离子体鞘层：13任何与等离子体接触的表面自动处于一个负电位，任何与等离子体接

8、触的表面自动处于一个负电位，并在其表面伴随有正电荷的积累。并在其表面伴随有正电荷的积累。1421)3 . 2ln(eepmmekTV鞘层电压：鞘层电压：典型值：典型值：10V，并变化不大。，并变化不大。在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片， 电子受到减速，需大的能量方能到达基片。电子受到减速，需大的能量方能到达基片。鞘层厚度鞘层厚度d：与电子密度、温度、压降有关；：与电子密度、温度、压降有关；（V Vp p-V-V）2/32/33/43/4直流辉光放电直流辉光放电的电位分布和的电位分布和等离子体鞘层等离子体鞘层气体分子分解为更小的气体分子分解为

9、更小的“自由基自由基”：M + e- = M1 + M2 + e- 自由基是高能量的化学物质。自由基是高能量的化学物质。尽管成电中性，但是并不稳定。尽管成电中性，但是并不稳定。容易与其他物质发生反应而达到稳定状态。容易与其他物质发生反应而达到稳定状态。155. 等离子体化学等离子体化学 如图所示如图所示，Cl自由基生成。稳定态为自由基生成。稳定态为 Cl2.单个单个 Cl 不稳定，易与不稳定，易与Al反应反应Al(s) + 3Cl(g) AlCl3 (g) 这就是这就是Al刻蚀工艺。刻蚀工艺。16 Dissociation/ Dissociation/解离解离 Dissociation Rec

10、ombination 如果化学反应中有剩余自由基的话，他们会自动复合形成稳定态：如果化学反应中有剩余自由基的话，他们会自动复合形成稳定态：CCl3 + Cl CCl4 等离子体中自由基可以用于：等离子体中自由基可以用于： Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)/等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积化学反应生成化学反应生成 固体固体 Plasma Etching and Plasma Cleaning/等离子体刻蚀和等离子体刻蚀和等离子体清洁等离子体清洁化学反应生成化学反应生成 蒸汽蒸汽17逆反应逆反应 Recombinat

11、ion/复合复合 电子被从中性原子和分子上敲下来电子被从中性原子和分子上敲下来M + e- = M+ + 2e- 生成带正电的颗粒称为生成带正电的颗粒称为“离子离子”。因为带电，所以可用电场操控。因为带电，所以可用电场操控。18Ionization/Ionization/电离电离n 每次碰撞后会产生两个自由电子每次碰撞后会产生两个自由电子; 因此用于电离的自由电子加倍因此用于电离的自由电子加倍; 这个不断的倍增过程称为这个不断的倍增过程称为“impact ionization/碰撞电离碰撞电离” 19Impact Ionization/Impact Ionization/碰撞电离碰撞电离: :

12、电子碰撞后，分子保持完整，但吸收能量进入激发态；电子碰撞后，分子保持完整，但吸收能量进入激发态；价电子被激发到更高的能级（壳层）；价电子被激发到更高的能级（壳层）；几纳秒后，激发态电子回落到价带，称为几纳秒后，激发态电子回落到价带，称为 “Relaxation/弛豫弛豫”；多余能量转化为光子，通过发光释放。多余能量转化为光子，通过发光释放。因此等离子体会发光。因此等离子体会发光。20Excitation & Relaxation/Excitation & Relaxation/激发与驰豫激发与驰豫不同气体被激发后发出不同颜色的光：不同气体被激发后发出不同颜色的光：Nitroge

13、n/氮气氮气, Helium/氦气氦气, Sodium/钠钠, Boron/硼硼, Neon/氖气氖气颜色（或波长）与弛豫时失去的能量有关：颜色（或波长）与弛豫时失去的能量有关：E = hv这个特性使得分析产生等离子体的气体成为可能。这个特性使得分析产生等离子体的气体成为可能。例如例如: 等离子体刻蚀时的等离子体刻蚀时的 Endpoint detection/终点探测终点探测21 Glow Discharge Color/ Glow Discharge Color/辉光放电颜色辉光放电颜色6.6. 等离子体的应用等离子体的应用 Etching/刻蚀刻蚀 湿法刻蚀湿法刻蚀 精度精度 3 micr

14、on Isotropic/各项同性各项同性 (倾斜壁倾斜壁) 更多污染更多污染 greater resist lifting (undercut) 环境因素环境因素 干法刻蚀干法刻蚀 亚微米精度亚微米精度 Anisotropic/各项异性各项异性(竖直阱竖直阱) 污染少污染少 less resist lifting (undercut) 环境污染少环境污染少 可以进行可以进行endpoint detection22 低压低压 CVD vs. 等离子体增强等离子体增强CVDn反应温度反应温度 高高 低低n沉积速率沉积速率 慢慢 快快n有害气体有害气体 多多 少少n器壁沉积器壁沉积 多多 少少23

15、 CVD CVD 蒸发蒸发 vs. 溅射溅射n源类型源类型 点源点源 平面源平面源n合金制备合金制备 难难 易易n晶体结构晶体结构 小小/多多 大大/少少n电子迁移电子迁移 难难 易易n 附着力附着力 差差 好好24 PVD PVD3.2 Glow discharge/辉光放电辉光放电25溅射系统溅射系统26被激导电及被激导电及非自持暗放电非自持暗放电自持暗放电自持暗放电1. 1. 直流辉光放电的直流辉光放电的I-VI-V曲线曲线 电弧电弧不是不是辉光放电；辉光放电； 电弧是两电极之间介电空间的低阻击穿；电弧是两电极之间介电空间的低阻击穿； 在高压强和高电压下发生；在高压强和高电压下发生； 电

16、极表面部分气化，金属蒸汽成为导体。电极表面部分气化，金属蒸汽成为导体。 电弧会把辉光放电产生的电流导走，使等离子体失效；电弧会把辉光放电产生的电流导走，使等离子体失效； 一旦发现电弧产生，必须立刻一旦发现电弧产生，必须立刻关闭系统关闭系统! 电弧发光的主要应用：钠蒸汽和水银蒸汽灯。电弧发光的主要应用：钠蒸汽和水银蒸汽灯。27等离子体的电弧等离子体的电弧282. 2. 辉光放电的空间分布辉光放电的空间分布o直流电压加载于平行平板之间（阴极直流电压加载于平行平板之间（阴极/cathode和阳和阳极极/anodeo在阴极和阳极之间，辉光放电可以划分为以下区域在阴极和阳极之间，辉光放电可以划分为以下区

17、域多重电离多重电离/复合和激发复合和激发/弛豫导致发光弛豫导致发光光的颜色与所用气体有关光的颜色与所用气体有关注注: 发光区基本不做任何事情发光区基本不做任何事情(例如：刻蚀例如：刻蚀/etching)。29 发光区域发光区域30 暗区暗区o较大的电压降导致离子加速；较大的电压降导致离子加速；o复合很少发生，因此不发光；复合很少发生，因此不发光；o绝大多数工作在此区间完成；绝大多数工作在此区间完成；o阳极和阴极发光区一般强度很弱，因此直流阳极和阴极发光区一般强度很弱，因此直流等离子体像是由暗等离子体像是由暗/ /明明/ /暗三个区间构成。暗三个区间构成。31辉光放电空间特性辉光放电空间特性 3

18、. 3. 帕邢曲线帕邢曲线Paschen Curve等离子体激发等离子体激发/Plasma Ignition:32Sweet Spot帕邢曲线和击穿电压帕邢曲线和击穿电压气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气压气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气压及电极距离的乘积相关。及电极距离的乘积相关。 一般情况下，起辉放电的最低气压一般情况下，起辉放电的最低气压 P Pminmin=l=le e /d/d，l le e为自由程，为自由程，d d为极间距。为极间距。对于对于ArAr来说，来说，1Torr1Torr压力下，压力下， l le e221010-3-3m m 极间距极间距 d10d10-1

19、-1m.m. 此时，此时，P Pminmin221010-2-2TorrTorr 辉光放电的电流强度一般为辉光放电的电流强度一般为1010-1-110102 2mA/cmmA/cm2 2 3334 p太小，太小，d太小太小二次电子在碰撞阳极前不能进行二次电子在碰撞阳极前不能进行足够数量的电离碰撞。足够数量的电离碰撞。 p太大，太大，d太大太大则气体中产生的离子，会由于非则气体中产生的离子，会由于非弹性碰撞被慢化、减速，以致到达阴极时已无足够的弹性碰撞被慢化、减速，以致到达阴极时已无足够的能量来产生二次电子能量来产生二次电子 大多数的辉光放电，大多数的辉光放电，pd乘积应在最小值的右侧乘积应在最

20、小值的右侧p有一定值，有一定值，n较多；较多；d有一定值，溅射效率较高，特有一定值，溅射效率较高，特别是成膜区可以扩大。别是成膜区可以扩大。起辉电压存在最小值起辉电压存在最小值35几种气体的电离几率几种气体的电离几率通常采用通常采用Ar气，原因：气，原因：电离率高，容易起辉电离率高，容易起辉惰性气体，不反应惰性气体，不反应1. 价格便宜价格便宜363.3 Sputtering Characteristics/溅射特性溅射特性1. Threshold voltage/阈值电压阈值电压 对于大多数金属而言，阈值电压是升华热对于大多数金属而言，阈值电压是升华热的数倍，大约为的数倍，大约为10 to

21、30 eV 因不同材料而不同。因不同材料而不同。Tab.3137382. Sputter Yield/溅射产额溅射产额 S 溅射出的原子或分子对溅射效率的衡量入射离子S =0.01 4 随金属的质量和溅射气体的能量增加随金属的质量和溅射气体的能量增加 定义定义 影响因素影响因素材料材料 离子能量和质量离子能量和质量入射角入射角 靶材温度靶材温度39a. 入射离子能量入射离子能量离子注入离子注入存在溅射阈值：存在溅射阈值：通常金属通常金属10-30ev。 （150ev） （1 1501000ev） （10005000ev）能量大于数万能量大于数万ev，离子注入，溅射率下降离子注入，溅射率下降 2

22、ES ES 5 . 0ES b. 靶材原子序数靶材原子序数40 说明与外电子说明与外电子d壳层壳层的填满程度有关。的填满程度有关。另外，升华热小的金另外，升华热小的金属属S大；表面清洁的大；表面清洁的S大。大。溅射率呈现周期性；溅射率呈现周期性；同一周期中，溅射率基本随同一周期中，溅射率基本随Z增大。增大。c. 入射原子序数入射原子序数41溅射率呈现周期性，总趋势随溅射率呈现周期性，总趋势随Z增大而增大；增大而增大；同一周期中，惰性元素的溅射率最高，而中部同一周期中，惰性元素的溅射率最高，而中部 元素溅射率最小。元素溅射率最小。d. 入射角入射角42Arsec)0()(SS(060)对于轻元素

23、靶材，和重对于轻元素靶材，和重 离子入射，随角度的变离子入射，随角度的变 化明显。化明显。随入射离子能量的增加，随入射离子能量的增加， opt逐渐增加，逐渐增加，43e. 靶材的晶体结构靶材的晶体结构单晶靶溅射率与入射角的关系不同于多晶靶单晶靶溅射率与入射角的关系不同于多晶靶现象：对应于低指数现象：对应于低指数晶面的溅射率低，而晶面的溅射率低，而高指数晶面的溅射率高指数晶面的溅射率略高于多晶靶材。略高于多晶靶材。解释：沟道效应。解释：沟道效应。44单晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶单晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶现象：在密排方向现象：在密排方向溅射率大。溅射率大。解释：沟道效应。解释：沟道效

24、应。45f. 靶材温度靶材温度现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。 在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。温度，溅射率急剧增加。溅射与热蒸发溅射与热蒸发二者的复合作用。二者的复合作用。463. 溅射原子的能量和速度分布溅射原子的能量和速度分布n 与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系平均逸出能量在平均逸出能量在10ev左右左右随入射离子能量的增加随入射离子能量的增加溅射率增加，而平均逸出能量溅射率增加，而平均逸出能量略微增大略微增大当入射离子能量达到当入射离子能量达到

25、1keV以以上时，平均逸出能量逐渐趋于上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值。恒定值。47n与靶材原子序数的关系与靶材原子序数的关系平均能量：热蒸发原子平均能量：热蒸发原子 0.1ev，溅射原子，溅射原子 5-40ev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能量溅射率高的靶材，通常有较低的溅射率高的靶材，通常有较低的平均原子逸出能量。平均原子逸出能量。48Z20的平均逸出速度差别不大。的平均逸出速度差别不大。在相同轰击能量下，轻入射离子溅射出的原于其逸出能量较低，约为在相同轰击能量下，轻入射离子溅射出的原于其逸出能量较低，约为l0ev，而重入射离子溅射出的原于

26、其逸出能量较大，平均达到而重入射离子溅射出的原于其逸出能量较大，平均达到30-40ev。4. 溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布 遵循余弦或亚余弦定理遵循余弦或亚余弦定理 随入射离子角度变化，用随入射离子角度变化，用sinn2 描述描述 晶体结构变化影响晶体结构变化影响 原子序数变化影响原子序数变化影响4950n与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系现象：入射离子能现象：入射离子能量越高，角分布越量越高，角分布越趋向于余弦分布，趋向于余弦分布，但在低能状态下并但在低能状态下并非如此。非如此。51n与入射离子的角度的关系与入射离子的角度的关系轻离子入射，与入射角轻离子入射，与入射角的关系很大

27、。的关系很大。重离子入射，基本为重离子入射，基本为余弦分布，与入射角余弦分布，与入射角无关。无关。3.4 溅射机理溅射机理1.热蒸发理论热蒸发理论认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生局域高温，发生熔化而蒸发。产生局域高温，发生熔化而蒸发。该理论可解释的现象：该理论可解释的现象：a)a)溅射率与靶材蒸发热的关系；溅射率与靶材蒸发热的关系；b)b)溅射率与入射离子能量的关系；溅射率与入射离子能量的关系；c)c)溅射原子的余弦分布律。溅射原子的余弦分布律。5253该理论不能解释的现象：该理论不能解释的现象：a.溅射原子角分布并不象热蒸发原子那样符合

28、余弦规律，溅射原子角分布并不象热蒸发原子那样符合余弦规律，从单晶靶溅射出的原子趋向于集中在晶体原子密排方向从单晶靶溅射出的原子趋向于集中在晶体原子密排方向b.溅射产额不仅取决于轰击离子能量，同时也取决于其质溅射产额不仅取决于轰击离子能量，同时也取决于其质量与靶原子质量之比量与靶原子质量之比c.溅射产额不仅取决于轰击离子的入射角，而且当入射角溅射产额不仅取决于轰击离子的入射角，而且当入射角不同时，溅射原子的角分布也不相同不同时，溅射原子的角分布也不相同d.离子能量很高时，溅射产额会减少离子能量很高时，溅射产额会减少e.溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高100倍倍

29、f.电子质量小，使用高能电子轰击靶材，也不会产生溅射电子质量小，使用高能电子轰击靶材，也不会产生溅射2. 级联碰撞理论级联碰撞理论54溅射是一个动量传递过程溅射是一个动量传递过程而不是能量传递过程而不是能量传递过程 入射离子与靶原子发生二体弹性碰撞，一部分能量传入射离子与靶原子发生二体弹性碰撞，一部分能量传递给靶原子。当后者获得的能量超过势垒高度后（金属递给靶原子。当后者获得的能量超过势垒高度后（金属5-10ev），原子离位，并和附近的原子碰撞，产生级联碰撞。），原子离位，并和附近的原子碰撞，产生级联碰撞。当碰撞到达表面原子，当碰撞到达表面原子，若获得的动能超过结合能若获得的动能超过结合能（金

30、属（金属1-6ev），靶原子），靶原子从表面逸出，溅射实现。从表面逸出，溅射实现。二体弹性碰撞二体弹性碰撞55动量守恒：动量守恒：22111cosvmumvm能量守恒：能量守恒：222221 11122111(sin)222mvm uvm vcos212112vmmmv22212112cos)(4mmmmEE能量转移函数能量转移函数 56当当m1=m2时，时， 1 1，为最大值，完全能量转移，为最大值，完全能量转移当当m1 m2时，重离子入射轻靶，时，重离子入射轻靶，1412mm此时，此时，122112221242121mmvmvmEEV2= 2V13. 溅射率的表达式溅射率的表达式57前提：

31、线形级联碰撞理论；非晶靶模型；二体碰撞近似；前提：线形级联碰撞理论；非晶靶模型；二体碰撞近似； 原子作用势为原子作用势为Thomas-Fermi势势 平表面势垒；垂直入射平表面势垒；垂直入射nrrv1)(012)()/(042. 0UESmmSn1969年，年，Sigmund给出：给出：Sn(E)：弹性碰撞阻止截面：弹性碰撞阻止截面42. 014. 0)1ln(5 . 0)(2122120mmeZZmEa约化能量：约化能量：表面势垒，表面势垒，一般取升华能一般取升华能58121213. 015. 0)/(mmmm3/223/214683. 0ZZaThomas-Fermi 屏蔽半径：屏蔽半径：

32、5902112/322/312112)()/(56. 3UESmmmZZZZmmSn若考虑原子的相互作用：若考虑原子的相互作用：3.5 溅射过程溅射过程601. 靶材原子进入气态：靶材原子进入气态：靶材原子发射靶材原子发射 靶材原子靶材原子 (1 - 2 %) 发射电子发射电子 维持等离子体维持等离子体 Ar+ 变为变为Ar原子反射原子反射 Ar 埋入靶材埋入靶材 发射光子发射光子61我们对第一种最感兴趣：靶材原子进入气态我们对第一种最感兴趣：靶材原子进入气态 动量传递过程动量传递过程 包含表面包含表面10 硬质小球碰撞模型硬质小球碰撞模型 对能量对能量 冷却靶材冷却靶材 5 %入射能量被溅射

33、的靶材原子带走入射能量被溅射的靶材原子带走 能量一般为能量一般为5-100 eV 靶材原子的发射并非均匀分布靶材原子的发射并非均匀分布 更多的原子垂直于靶材表面更多的原子垂直于靶材表面 服从余弦分布服从余弦分布cosine distribution (象平面源象平面源) 63影响因素影响因素 参与溅射的原子层数参与溅射的原子层数 离子在靶材中的平均自由程离子在靶材中的平均自由程 一般为一般为2 层层 靶材原子的表面密度靶材原子的表面密度 离子与靶材原子的碰撞截面离子与靶材原子的碰撞截面64 2. 传输传输 靶材原子穿过靶材原子穿过Ar 气和等离子体气和等离子体 每每 10,000 Ar 中性原

34、子中含有中性原子中含有 1 Ar+ 离子离子 等离子体中电子与等离子体中电子与 Ar 原子碰撞产生离子和更多的电子原子碰撞产生离子和更多的电子 靶材原子靶材原子与与 Ar 原子、原子、Ar+ 离子和电子发生碰撞离子和电子发生碰撞 作为作为random walk “扩散扩散” 经过气体经过气体 靶材原子能量损失靶材原子能量损失(下降到下降到 1-10 eV) 化学反应可能发生化学反应可能发生 并非射线发射过程（并非射线发射过程（ line of sight ） (低压除外低压除外) 因此可以在角落处镀膜因此可以在角落处镀膜65 (book) 靶材原子和离子注入靶材原子和离子注入 电子注入电子注入

35、 Ar 原子注入原子注入 Ar 气压气压 0.1 torr Ar 可能进入薄膜可能进入薄膜 能量离子可以改变生长模式能量离子可以改变生长模式663. 沉积沉积67Ar 气压气压 最佳沉积速率约最佳沉积速率约100 mTorr 权衡权衡 增加增加 Ar 离子数离子数 增加增加 Ar 离子与离子与Ar 原子的散射原子的散射 如果可以增加如果可以增加 Ar 离子数离子数 而不增加而不增加 Ar 原子，就可以在更低原子，就可以在更低的气压下进行的气压下进行4. 相关参数相关参数6869- 薄膜沉积速率与溅射气压和电流变量有关薄膜沉积速率与溅射气压和电流变量有关 P : 离子发射离靶材太远（损失）离子发

36、射离靶材太远（损失） 电子平均自由程电子平均自由程 电离效率低电离效率低 SB , 溅射更多的溅射更多的A 表面富表面富B . . BAB. B. BA. B . AB 表面富表面富B = 更多的更多的B被被溅射被被溅射. ABABBABABBAB 表面成分达到稳定状态表面成分达到稳定状态 表面富表面富B 溅射总体成分溅射总体成分 fASA / CA = fBSB / CB where f = 表面分数表面分数 and C = 总体成分总体成分合金靶材需要预处理，在正式沉积之前溅射除掉几百合金靶材需要预处理，在正式沉积之前溅射除掉几百 74过程过程3. 7 溅射方法溅射方法Diode sput

37、tering/二级溅射二级溅射 DC/直流直流 DC+Bias/直流直流+偏压偏压 Asymmetric AC/非对称交流非对称交流 RF/射频射频 Absorption/吸收吸收75761.1. 溅射的特点溅射的特点 优点优点l任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压固体任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压固体l溅射膜与基板之间的附着性好溅射膜与基板之间的附着性好 溅射原子的能量溅射原子的能量10ev，蒸发，蒸发0.1ev。 表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层。表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层。l溅射镀膜膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高溅射镀膜膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高不

38、存在真空镀膜时无法避免的坩埚污染现象。不存在真空镀膜时无法避免的坩埚污染现象。l膜厚可控性和重复性好膜厚可控性和重复性好 缺点（缺点（针对二极溅射）针对二极溅射）u 溅射设备复杂、需要高压装置溅射设备复杂、需要高压装置u 溅射淀积的成膜速度低，溅射淀积的成膜速度低， 真空蒸镀：真空蒸镀：0.15m/min， 溅射：溅射：0.010.5m/min。u 基板温升较高和易受杂质气体影响等基板温升较高和易受杂质气体影响等 772.2. 溅射的类型溅射的类型78 二极溅射二极溅射靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体工作气压：工作气压：110Pa缺点：缺

39、点：a. 溅射参数不易独立控制，工艺重复性差；溅射参数不易独立控制，工艺重复性差；798080b. 真空度低，真空度低，1-10Pa，方能维持放电。，方能维持放电。c. 残留气体对膜层的污染较严重。残留气体对膜层的污染较严重。d. 淀积速率低，小于淀积速率低，小于10nm/min；e. 基板的温升高，辐照损伤大；基板的温升高，辐照损伤大；f. 靶材必须是良导体。靶材必须是良导体。 偏压溅射偏压溅射81二极溅射中：基片与阳极同电位二极溅射中：基片与阳极同电位偏压溅射：偏压溅射：基片与阳极分离，基片与阳极分离，在基片上加偏压。在基片上加偏压。偏压的作用偏压的作用82a.若加负偏压（基片电位低于阳极

40、电位）若加负偏压（基片电位低于阳极电位） 可以提高薄膜的纯度和附着力。可以提高薄膜的纯度和附着力。 除掉吸附气体；除掉吸附气体；离子轰击基片离子轰击基片 除掉附着力差的淀积原子；除掉附着力差的淀积原子； 清洗作用。清洗作用。b. 偏压可改变薄膜的结构偏压可改变薄膜的结构 偏压在（偏压在（-100+10V） 四方结构，电阻率高；四方结构，电阻率高； 偏压偏压-100V， BCC结构，电阻率低。结构，电阻率低。c. 偏压可改变薄膜中杂质离子的浓度偏压可改变薄膜中杂质离子的浓度83在负偏压大于在负偏压大于20v以上时，以上时，电阻率迅速下降，电阻率迅速下降，O2已从已从钽膜中溅射出来。钽膜中溅射出来

41、。当负偏压较高时，电阻率当负偏压较高时，电阻率逐渐上升，逐渐上升，Ar渗入薄膜。渗入薄膜。 三极或四极溅射三极或四极溅射8485二极溅射：放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持，二极溅射：放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持， 因此需较高的工作气压。因此需较高的工作气压。三极溅射：由热阴极发射电子来维持放电，三极溅射：由热阴极发射电子来维持放电， 同时使靶电位低于等离子体电位，同时使靶电位低于等离子体电位， 阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。热阴极发射的电流密度热阴极发射的电流密度四极溅射：在三极溅射的基础上增加辅助阳极，四极溅射：在三极溅射的基础上增加辅助阳极， 作用是使放电更加稳定。作用是使放电更加稳定。)exp(2kTeATj86优点：优点：轰击靶的离子电流和离子能量可独立控制，轰击靶的离子电流和离子能量可独立控制，工艺重复性提高；工艺重复性提高；2. 在较低的气压下能维持放电（在较低