溅射镀膜解析

§4.3溅射镀膜技术

☀溅射镀膜的特点

☀

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

☀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、磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射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。溅射镀膜广泛用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质，以及化合物半导体、碳化物、氮化物等薄膜。自70年代以来，日益受到重视，并取得重大进展。射频溅射镀膜机溅射镀膜的特点溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：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；溅射薄膜与衬底的附着性好；溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；膜层厚度可控性和重复性好。溅射镀膜的缺点：溅射设备复杂，需要高压装置；m）。溅射的基本原理——辉光放电★辉光放电直流辉光放电辉光放电是在真空度约10-1Pa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现象。气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定律描述。溅射过程是建立在气体辉光放电基础上。溅射的基本原理——辉光放电溅射的基本原理——辉光放电无光放电由于宇宙射线产生的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。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。汤森放电区随电压升高，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。于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。溅射的基本原理——辉光放电辉光放电当放电容器两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。气体击穿自持放电（电流密度范围2-3个数量级）电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关）电流密度恒定电流密度与阴极材料、气体压强和种类有关电流密度不高（溅射选择非正常放电区）称为正常辉光放电溅射的基本原理——辉光放电非正常辉光放电区当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。

特点：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。

阴极表面情况：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。此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，结果更多的正离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。溅射的基本原理——辉光放电弧光放电区异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁；损害电源。溅射的基本原理——辉光放电在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。正常辉光与异常辉光放电在溅射区：溅射电压，电流密度和气体压强遵守以下关系式中，和是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。溅射的基本原理——辉光放电溅射的基本原理——辉光放电辉光放电阴极附近的分子状态溅射的基本原理——溅射特性★溅射参数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必须的最小能量。目前能测出10-5原子/离子的溅射率（阈值参考）。对绝大多数金属靶材，溅射阈值为10~30eV溅射的基本原理——溅射特性溅射的基本原理——溅射特性溅射率溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数。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。1.靶材料溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。溅射的基本原理——溅射特性溅射的基本原理——溅射特性2.入射离子能量70eV-10KeV溅射的基本原理——溅射特性3.入射离子种类原子量核外电子结构溅射的基本原理——溅射特性4.入射离子的入射角入射离子的入射角是指离子入射方向与溅射靶材表面法线之间的夹角。0-60之间服从规律

60-80时，溅射率最大90时，溅射率为零溅射的基本原理——溅射特性溅射的基本原理——溅射特性5.靶材温度靶材存在与升华相关的某一温度。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。溅射的基本原理——溅射特性溅射原子的能量和速度溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能量（0.1eV）大1-2个数量级。溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射原子的方向等有关。几组实验数据曲线。溅射的基本原理——溅射特性溅射的基本原理——溅射特性溅射的基本原理——溅射镀膜过程★溅射镀膜过程靶材溅射过程溅射的基本原理——溅射镀膜过程溅射粒子的迁移过程溅射粒子的成膜过程淀积速率是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的薄膜厚度。溅射粒子：正离子：不能到达基片中性原子或分子其余粒子均能向基片迁移溅射的基本原理——溅射机理★溅射机理溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小；溅射率的大小与入射离子的质量有关；当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍；入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关；电子轰击靶材不会发生溅射现象。溅射的基本原理——溅射机理热蒸发理论（早期理论）认为：溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系；可以解释溅射原子的余弦分布规律；不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律，以及溅射率与质量关系等。溅射的基本原理——溅射机理动量转移理论深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程，并被人们广泛接受。该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。溅射镀膜的类型——二级直流溅射★二级直流溅射系统结构基片溅射镀膜的类型——二级直流溅射控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。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；真空系统多采用扩散泵，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差；基片温度升高，淀积速率低；靶材必须是良导体。缺点特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。溅射镀膜的类型——三极或四极溅射★三极或四极溅射等离子区由热阴极和一个与靶无关的阳极来维持，而靶偏压是独立的。大大降低靶偏压。负电位溅射镀膜的类型——三极或四极溅射1.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；3.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；缺点：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。特点：溅射镀膜的类型——射频溅射★射频溅射溅射镀膜的类型——射频溅射1.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；2.能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；3.溅射过程不需要次级电子来维持放电。缺点：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。特点：溅射镀膜的类型——磁控溅射★磁控溅射磁控溅射是70年代发展起来的一种高速溅射技术。磁控溅射可以使淀积速率提高。气体电离从0.3-0.5%提高到5-6%。溅射镀膜的类型——磁控溅射磁控溅射工作原理磁控溅射技术中使用了磁控靶。磁控靶溅射镀膜的类型——磁控溅射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。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。溅射镀膜的类型——磁控溅射特点：在阴极靶的表面形成一个正交的电磁场；电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率约为10-7

s-1）；可以在低真空（10-1Pa，溅射电压数百伏，靶流可达到几十毫安/m2）实现高速溅射；低温、高速。溅射镀膜的类型——反应溅射★反应溅射一般描述与反应蒸发相类似，在溅射过程中引入反应气体，就可以控制生成薄膜的组成和特性，称为“反应溅射”。溅射淀积高纯介质薄膜和各种化合物薄膜，必须先有高纯靶。高纯的氧化物、氮化物、碳化物、或其它化合物粉末并不难得，但是，加工成靶确是很难的。溅射镀膜的类型——反应溅射粒子的按能量分布：反应速度常数：目前，对于反应溅射成膜过程及机理的研究还不十分深入。通常靶反应溅射过程分为三个部分：靶面反应、气相反应、基片反应。反应动力学过程反应物之间发生化学反应的必要条件：反应物分子必须有足够能量以克服分子间的势垒。和为正逆反应过程的活化能；反应活化能为：溅射镀膜的类型——反应溅射（1）靶面反应:靶面金属与反应气体之间的反应，结果影响淀积薄膜的质量和成分。关键是防止在靶面上形成稳定化合物（如铝靶）。（2）气相反应:逸出靶面的原子在到达基片之前与反应气体发生反应形成化合物。（3）基片反应:溅射原子在基片表面形成所需要的化合物。基本要求是:到达基片的金属原子与反应气体分子之间维持一定的比例；保持适当的基片温度。溅射镀膜的类型——反应溅射溅射镀膜的类型——离子束溅射镀膜★离子束溅射镀膜以上各种溅射方法都是利用辉光放电产生的离子进行溅射，基片置于等离子体中。存在如下问题：基片受电子轰击；溅射条件下，气体压力、放电电流等参数不能独立控制；工艺重复性差。离子束溅射法：用离子源发出离子。经引出、加速、聚焦，使其成为束状，用此离子束轰击置于高真空室中的靶，将溅射出的原子进行镀膜。溅射镀膜的类型——离子束溅射镀膜离子束溅射的种类（1）一次离子束淀积（低能离子束淀积）

离子束由薄膜材料的离子组成，离子能量较低，到达基片后就淀积成膜。（2）二次离子束淀积（离子束溅射）离子束由惰性气体或反应气体的离子组成，离子能量高，它们打到由薄膜材料构成的靶上，引起靶原子溅射，并在衬底上形成薄膜。溅射镀膜的类型——离子束溅射镀膜离子束溅射的原理溅射镀膜的类型——离子束溅射镀膜离子束溅射的优点（1）高真空下成膜，纯度高；（2）淀积在无场区进行，基片不是电路的一部分，不会产生电子轰击引起的基片温升；（3）可以对工艺参数独立地严格控制，重复性好；（4）适合于制备多组分的多层薄膜；（5）可制备几乎所有材料的薄膜。溅射镀膜的类型——离子束溅射镀膜（2