第四章 溅射镀膜课件.ppt

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1、第四章 溅射镀膜,4-1 溅射镀膜的特点4-2 溅射的基本原理4-3 溅射镀膜类型,1,2,3,“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。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子，这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或沉积。与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。沉积和刻蚀是溅射过程的两种应用。溅射镀膜装置：阴极（靶材）、阳极（基片）、挡板、溅射气体入口,4,1842年，Grove在实验室中研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴极材料迁移到了真

2、空管壁上。1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉积的现象，对造成这种现象的原因不解，且把它作为有害的现象想法避免。1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物。1930s，已经有人利用溅射现象在实验室制取薄膜。60年代初，Bell实验室和Western Electric公司利用溅射制取集成电路用的Ta膜，开始了溅射技术在工业上的应用。1963年制作出长度为10m的连续溅射镀膜装置。1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。1969年，Battele Pacific Northwest实验室做成了实用的三极

3、高速溅射装置。1974年，J.Chapin实现了高速、低温溅射镀膜，平面磁控溅射。,5,4-1 溅射镀膜的特点,与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：（1）任何物质均可以溅射；材料性质高熔点、低蒸汽压的元素和化合物；材料形态块状、粉末、粒状；没有分解和分馏现象。（2）薄膜与基板之间的附着性好；溅射原子的能量比蒸发原子高12个数量级，所以高能粒子沉积在基板上进行能量交换，有较高的热能，增强了薄膜与基板间的附着力。（3）薄膜密度高，针孔少，纯度高因为没有坩锅污染；,6,（4）膜厚可控性和重复性好通过控制靶电流和放电电流。（5）可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜。可以“在任何材料的基板上沉积任何

4、材料的薄膜”，所以在新材料发现、新功能应用、新器件制作方面起着举足轻重的作用。缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.1 5 m/min，而溅射速率为0.010.5 m/min；（3）基板温升较高和易受杂质气体影响。射频溅射和磁控溅射技术已经克服了后二者的缺点。,7,4-2 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，整个溅射过程都是建立在辉光放电 的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用的辉光放电方式有所不同。直流二极溅射利用的是直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控

5、溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。,8,一 准备知识：气体放电的过程,将真空容器抽真空，到达101Pa的某一压力时，接通相距为d的两个电极间的电源，使电压逐渐上升。当电压低时，基于宇宙射线和存在于自然界的极微弱放射性物质射线引起的电离，电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流。随着电压增加，当加速电子能量大到一定值之后，与中性气体原子（分子）碰撞使之电离，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子的繁衍过程，也称为雪崩式放电过程。但此时的放电属于非自持放电过程，其特点为，若将原始电离源除去，放电立即停止。若将原始电离源去掉放电仍能维持，则称为自持放电过程。,9,1、由非支持放电过渡到自持放电的条件为

6、了维持放电进行，两个过程必不可少。（1）过程：开始由阴极表面发射出一个电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用下，向阳极加速运动。当电子能量超过一定值之后，使气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子和一个电子。这样，一个电子就变成了两个电子，重复这一过程，即实现了电子的所谓繁衍。定义为电子对气体的体积电离系数，即每一个电子从阴极到阳极繁衍过程中，单位距离所增加的电子数。,（2）过程：正离子在阴极位降的作用下，轰击阴极表面，产生电子（二次电子）。定义为正离子的表面电离（二次电子发射）系数，即每一个正离子轰击阴极表面而发射的电子（二次电子）的平均数。的大小与阴极材料、离子的种类、电场的强度有关

7、。以电子为火种，可引发后续的过程，产生的离子还可轰击阴极表面继续产生电子。达到一定条件，即使没有外界因素产生的电子，也能维持放电的进行，即放电进入自持阶段。,10,（2）非自持放电转为自持放电的条件：假设在单位时间内从单位阴极表面逸出的二次电子数为n0，相对应的阴极电流密度为j0，如图所示。又假设距阴极为x的平面上每单位面积的电子数为nx。为电离系数，因此，每个电子在路程dx上所产生的平均电离次数为dx，而由飞入dx薄层的nx个电子产生的平均电离次数应为nxdx，即在dx路程内由nx个电子所产生的电子数用下式表示：设x=0时，nx=n0，对上式积分如果阴极和阳极间的距离为d，在均匀电场中，到达

8、阳极的电子数为,11,那么可以算出从阴极逸出的n0个电子所引起的电离次数，即所产生的新电子数（或等量的正离子数）应为：个正离子轰击阴极时，过程将使阴极逸出 个新电子。因此，从阴极逸出的电子数将不止是由外界电源所产生的电子数ni，而且加上由过程产生的二次电子数，即：如果放电达到稳定状态，则从阴极逸出的电子数（二次电子数）不会再增加，仍为n1，n0=n1，则：到达阳极的电子数，则有：,12,式中，若分母等于零时，n为无穷大，其物理意义为，表示，在阴极发射出一个电子，而这一个电子到达阳极时，共产生 次电离碰撞，因而产生同样数目的正离子，这些正离子打到阴极后将产生 个二次电子，这些二次电子的数目为1。

9、也就是，一个电子自阴极逸出后产生的各种直接和间接过程将使阴极再发射一个电子，使放电过程不需要外致电离因素而成为自持放电。即放电所需的带电粒子可以自给自足，不需要外界因素作用，因此：为非自持放电转为自持放电的条件，上式也是辉光放电的初始条件，即气体发生击穿的充分条件。此时对应的电压为击穿电压，又称起辉电压（点燃电压）Uz。,13,二 辉光放电1直流辉光放电在真空度为0.510Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压产生的一种气体放电现象。气体放电时，两个电极之间的电压和电流的关系不符合欧姆定律，具体如下图：,14,AB段当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和电子很少，所以电流很小，AB

10、区域称为“无光”放电。无光放电：真空室的两个极板之间存在的气体总是有少量游离状态的气体分子。当阴阳极之间加上电压后，这些少量的正离子和电子在电场作用下到达极板，形成电流。但这些游离的气体分子数量恒定，所以电流密度随着电压的增加没有多少变化，仅为10-16 A左右。此时的气体只导电，不发光。,15,BC段电压升高后，带电离子和电子获得了足够的能量，与中性气体分子发生碰撞产生电离，电流平稳增加，但电压在电源高输出阻抗的限制下呈一常数。“汤森放电区”（Townsend discharge）。汤森放电：电压继续增加，电子的运动速度越来越快，它与中性气体之间的碰撞有可能使分子电离出新的离子和电子，这些新

11、的电子又加入向阳极加速的进程中，从而碰撞电离出更多的气体分子。B点电压Ub即为点燃电压Uz。上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。即，非自持放电。,16,CE段“雪崩点火”，离子轰击阴极时，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，产生出新的更多的二次电子。等产生出了足够的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉。两级间电流剧增，而电压迅速下降，呈现负阻特性。“过渡区”。,17,帕邢定律及点燃电压1889年帕邢（Paschen）在测量击穿电压对击穿距离和气体压力的依赖关系发现：在下图所示的两个平行平板电极上加

12、以直流电压后，在极间形成均匀电场。令极间距离为d，压力为p，如果气体成分和电极材料一定，气体恒温，那么击穿电压Uz是pd的函数，而不单独是p，d这两个变量的函数。当改变pd时，Uz有一极小值Uzmin。这便是气体放电的帕邢定律。,18,气体放电有非支持转入自持放电的条件是：。使气体放电的极间电压称为自持放电点燃电压，也称为击穿电压，用Uz表示。气体点燃时，则：一定的气体，电离电位Ui为定值，故设AUi=Az。电场强度E=Uz/d，代入上式后：,19,此式表明，Uz是pd乘积的函数，不单独是p或者d的函数。不同气体的Uz=f(pd)曲线如图所示。此曲线称为帕邢曲线。由图可知，同一气体的帕邢曲线是

13、有最低点的。在曲线的左部，随pd减小，Uz上升很快。右半部随pd增加，Uz上升缓慢。pd的单位为1.33Pam：,气体最低点燃电压Uzmin和与之对应的pdk值不仅与气体有关，也与阴极材料有关。,20,在真空容器中，若无空间电荷时，两极间电位分布如图所示，OA0成直线分布。放电后，在空间产生的正离子和电子的密度差不多。由于电子质量小、运动速度大，向阳极迁移率大。正离子则相反，质量大，向阴极运动速度小，所以堆积在阳极附近，这种正的空间电荷效应使两极间电场畸变，相当于使阳极A向阴极K移动，形成等效阳极。两级间电压主要分布在阴极和等效阳极之间，也近似为直线分布，称为阴极位降。如图中OA1，OA2所示

14、。等效阳极到阴极的距离用d1、d2表示，也称为阴极位降区宽度。,等效阳极实际改变了电场强度E，在气体点燃之前，场强E=Uz/d，在Uz作用下使电子得到了足够能量将气体点燃，进入自持放电阶段。在放电发展过程中，由于正空间电荷的作用，形成的等效阳极逐渐靠近阴极K，即阳极相当由A处移至A1处，再移至A2处。由于阴阳极之间距离的缩短使场强增加，E2=Uz/d2。当气体压强p不改变时，电子平均自由程不变，所以电子能量eE2eE。但电子原来具有的能量eE足以使气体电离，无需更多的能量，降低极间电压Uz仍可持续放电过程。因此，一旦将气体点燃后，两极间电压Uz将自动沿帕邢曲线降至Uzmin。此时等效阳极和阴极

15、间距离用dk表示。放电便进入了稳定的正常辉光放电压。Uzmin是维持正常辉光放电所需电压。因此，当气体点燃后，极间电压将出现陡降现象。,21,EF段在E点以后，电流平稳增加，而电压维持不变。这时两极之间出现辉光。“正常辉光放电区”。在此阶段，放电自动调整阴极轰击面积。最初，轰击不均匀，主要集中在阴极边缘附近或表面不规则处。但随着电源功率的增加，轰击区逐渐增大，直到阴极面上的电流密度均匀为止。辉光放电：随着电压继续增加，电流一直增加直到C点，电压突然降低，此时表明气体已被击穿，Ub是击穿电压（点燃电压）。被击穿的气体发光放电称为辉光放电。这时的电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击，而不是自

16、然的游离离子和电子，所以称为自持放电。此时的电流密度与电压无关，而与极板上产生辉光的表面积有关，与阴极材料及其形状、气体种类和压强有关。Un即Uzmin由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所以有时溅射选择在异常辉光放电区工作。,22,FG段“异常辉光放电区”。整个阴极表面都在离子轰击的范围内后，继续增加功率，会使放电区内的电流密度随着电压的增加而增加。异常辉光放电：在整个阴极表面都受到离子的轰击后，电流密度将和电压同时继续增加，阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已经布满整个阴极表面，再增加电流，离子层无法向周围扩散，便向阴极靠拢，使得二者的距离缩短。如果要进一步增大电流密度

17、，就需增加阴极压降，给予离子更大的能量轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。,23,G点以后“弧光放电区”。此时的两极电压突然降低到很小的数值，电流越大，电压越小，电流主要由外电阻决定。弧光放电：异常辉光放电在有些因素的影响下，有可能变化为弧光放电。此时两级板之间的电压陡降，电流又在增加，相当于极间短路。放电集中在阴极的某个区域，可能使局部电流密度过高而烧毁阴极靶。而且，较大的电流也可能损坏电源。,24,注意事项（1）尽量避免电流密度达到0.1A/cm2，出现弧光放电。（2）在异常辉光放电阶段，大量离子在负辉光区域中。如果在这一区域正好有其他物体存在，就会对阴极造成阴影，影响放电的均匀性。（3）

18、阴极附近的其他物体可能受到离子的轰击而产生其他杂质混入沉积的薄膜中。无关零件应远离阴极和沉积区。,25,二 直流辉光放电区域划分,辉光放电是气体的自持放电过程（1）阿斯顿暗区：从阴极表面发出的电子，刚从阴极跑出，能量较低，不足以使气体原子激发或者电离。（2）阴极辉光区：电子加速到能量足够引起气体原子激发，然后激发态的气体原子衰变和进入此区域的离子复合产生辉光。（3）阴极暗区（克鲁克斯暗区）：电子能量进一步加大到引起气体原子电离，产生大量离子和电子，但不发生可见光。由于电子质量小，容易被加速，可迅速离开阴极暗区，而离子的质量较大，向阴极移动的速度较慢，所以正离子组成了空间电荷并在该处聚集起来，正

19、空间电荷的存在使电场严重变形，形成等效阳极。使此区域的电位升高，与阴极形成很大的电位差（阴极辉光放电的阴极压降），阴极的压降主要在此区域。该区域的电场强度很大，正离子加速轰击阴极，产生二次电子发射。以上三区总称阴极区。,video,26,（4）负辉光区：在阴极暗区产生的电子多数能量不大，进入负辉区后，可以和离子复合或产生激发碰撞。因此有大量的激发发光和复合发光。此区域的光最强。（5）法拉第暗区：大部分电子在上一区损失了能量，而此区的电场强度较弱，不足以引起激发，从而产生暗区。（6）正离子柱：少数电子逐渐加速，并在空间与气体分子碰撞产生电离。因为电子数量少，产生的正离子不多，形成正离子与电子密度

20、相等的区域，类似于一个良导体，成为等离子体。阴阳极的电位降主要发生在负辉区之前。维持辉光放电的电离大部分在阴极暗区。这是PVD、CVD等薄膜沉积所用的气体放电中，我们最感兴趣的两个区域。,27,阴极位降区阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的部分，自持放电主要在这个区域中进行。在辉光放电溅射镀膜和离子镀膜中，入射离子的能量是由阴极位降确定的。粗略估计，可以认为阴极位降近似等于放电电压。阴极位降的大小又与维持辉光放电所必需的二次电子的放出效果，电子在阴极暗区产生的一次电离效果相联系。因此，阴极位降即放电电压的大小要由阴极材料，放电气体离子的种类，放电气压，阴极电流密度来决定。,28,辉光放电的产生条

21、件：（1）放电开始前，放电间隙中电场是均匀的或不均匀性不大；（2）放电主要靠阴极发射电子的过程来维持；（3）放电气压P一般需要保持在4102 Pa范围内。太高，可能出现弧光放电，太低可能不能产生放电现象。（4）辉光放电电流密度一般为10-1102 mA/cm2,而电压为3005000V，属于高电压、小电流密度放电。,29,辉光放电阴极附近的分子状态：,阿斯顿暗区：从阴极发射的电子的初始能量只有1eV左右，所以与气体分子不发生相互作用，因此中性分子居多，且处于基态；其次还有些溅射原子。阴极辉光区：电子的能量进一步增加，使气体分子激发，当其跃迁回到基态就发出光波。还有一部分进入到此区域的离子发生和

22、电子复合发光。所以此处激发态原子最多，其次是在电场作用下迁移来的离子。,30,克鲁克斯暗区：电子的能量逐渐增加，使大量的气体分子电离。此处的离子数量最多。负辉光区：在克鲁克斯暗区产生的大量低速电子加速后又获得能量，激发气体分子发光。所以此区的激发原子再次增多。,31,溅射现象的两个主要问题：（1）克鲁克斯暗区形成的大量正离子会在电场作用下冲击阴极；（2）当两极板之间的电压不变，距离改变时，阴极到负辉光区的距离几乎不变，变化的主要是阳极光柱的长度。因为两极间的压降主要发生在阴极到负辉区之间。因此阳极（基板）至少应放在负辉光区以外远离阴极的一边。,32,正常辉光放电和异常辉光放电：,正常辉光放电的

23、阴极位降区宽度dk由下式决定：式中，A为常数。可知，dk与p成反比。正常辉光放电的电流密度一定。因此，在一定气压时，dk一定。,33,异常辉光放电的阴极位降Uka和阴极位降区宽度dka由下式决定：,整理二式得：式中，E，F，G，H为常数，可由下表查知,34,射频辉光放电：概念：交流电压的频率增加到射频频率时，就可以产生稳定的射频辉光放电。特征：（1）放电空间产生的电子可以获得足够的能量，从而产生碰撞电离。减少了对二次电子的依赖，降低了击穿电压。（2）射频电压可以通过任何类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要是良好的导体。所以可以实现任何材料的溅射，应用非常广泛。放电过程：一般射频频率达到530M

24、Hz范围，就可产生射频放电。此时外加电压的变化周期很短，而且小于电离和消电离所需的时间。对等离子体，其浓度来不及变化；对离子，质量大，来不及进行有效移动，可近似认为不动。正离子在空间不动，形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。对电子，质量小，容易在电场作用下在射频场内来回振荡。经过放电空间的路程较长，因此能增加与气体分子的碰撞几率，使电离能力显著提高，降低击穿电压和工作电压。,低频交流辉光放电概念：在频率低于50kHz的交流电压下，离子有足够的活动性，也有足够的时间在每个半周的时间内，产生辉光放电。与直流放电的区别仅仅在于两个电极交替地成为阴极和阳极。实际用处不大。,35,三 溅射的特性,表

25、征溅射特性的参量主要有溅射阀值、溅射率以及溅射粒子的速度和能量等。1溅射阈值 溅射阈值指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。入射离子不同时溅射阈值变化很小，而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显，即溅射阈值主要取决于靶材料，与离子质量无明显依赖关系。绝大多数金属的溅射阈值为1030eV,相当于升华热的4倍溅射阈值与离子质量没有明显的依赖关系，而主要取决于靶材。对于同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数的增加而减小。,36,2溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时，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，常用S表示。溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构

26、、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。（1）靶材料 a.溅射率S 随靶材元素原子序数增加而增大。b.晶格结构不同，S不同。c.与表面清洁度有关，清洁度高，S大。d.升华热大，S小。,37,38,（2）入射离子能量离子能量在阈值500eV 之间，溅射产额与离子能量的平方呈正比；500eV1keV之间，溅射产额与离子能量呈正比；1keV50keV之间，溅射产额与离子能量的平方根呈正比；,离子能量继续增加，因为产生离子注入效应。溅射产额下降。轰击离子越重，出现下降的能量越高。,39,一般的，溅射率（S）和入射离子能量E有如下经验关系：其中，Eth是原子从晶格点阵被碰离位，产生碰

27、撞级联所必需的能量阈值，是Us和质量比M2/M1的函数，M2样品原子质量，M1入射离子质量。Sn(E)弹性碰撞阻止截面，Us是表面结合能。,其中，a0是氢原子第一玻尔轨道半径，其数值大约为0.529，e是电子电量，Z1和Z2分别是入射离子和样品原子的原子序数。,40,和Eth可由下列关系式给出：因此，对于单原子样品的溅射，利用上述半经验公式，求出溅射率的大小是完全可能的。,41,（3）入射离子的种类入射离子的原子量越大，溅射率越高。周期表的同一行中，电子壳层填满的元素（惰性气体）有最大的溅射率。周期表的同一列中，中间部位元素的溅射率最小。,一般采用惰性气体作为入射离子，既有较高的溅射率，也能避

28、免与靶材发生化学反应。考虑到成本，一般选用氩气。各种惰性气体的溅射率差别不大。,42,（4）入射离子的入射角概念：入射离子的入射方向与靶材表面法线之间的夹角。入射角在6080时，溅射速率最大，90 时为0。对于不同的靶材和入射离子，存在最佳入射角度。,43,轻元素靶材和重入射离子，角度变化对溅射率更灵敏。随着入射离子能量的增加，最大溅射率对应的入射角度越大。,解释：入射离子所具有的能量轰击靶材，将引起靶表面原子的级联碰撞。此级联碰撞的扩展范围与入射离子的角度有关。在大入射角情况下，级联碰撞集中在浅表面层，妨碍了碰撞范围的拓展，使溅射率下降；小入射角情况下，离子以弹性方式从表面反射出来，反射离子

29、对后来的入射离子有屏蔽阻挡作用，所以在入射角为6080时，阻挡作用最小，轰击效果最好。,44,（5）靶材温度 溅射率与靶材温度的依赖关系，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。但是，超过此温度时，溅射率将急剧增大。,45,3溅射原子的能量和速度（1）溅射原子的能量比蒸发原子的能量大：一般由蒸发源蒸发出来的原子的能量为 0.1ev 左右。溅射中，由于溅射原子是与高能量（几百-几千 ev）入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，溅射原子具有 较大的能量。一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子 能量大 1-2 个数量级，约5-10 ev。（2）影响溅射原子的能量的因素：

30、溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类和能量以及溅射原子的方向性有关。,46,不同能量的离子轰击相同靶材时，溅射原子能量分布呈麦克斯韦分布，平均能量为1040eV；入射离子能量大于1000eV后，平均能量不再增加。相同能量的离子轰击不同靶材时，溅射原子的平均能量与靶材有关。,47,同种离子轰击不同靶材时，溅射原子的平均逸出能量在原子序数大于20后，差别较大。平均逸出速度差异较小。,48,溅射原子的能量和速度具有以下几个特点：(1)重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而轻元素靶材则有高的原子逸出速度；(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,溅射率高的靶材料，通常有较低的平均原子逸出能量

31、；(3)在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，约为10 eV，而重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大，平均达到3040eV，与溅射率的情形相类似；(4)溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量达到1keV以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值;(5)在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这符合溅射的碰撞过程遵循动量和能量守恒定律。*此外，实验结果表明，靶材的结晶取向与晶体结构对逸出能量影响不大。溅射率高的靶材料通常具有较低的平均逸出能量。,49,4溅射原子的角度分布 早期的溅射理论（溅射的热峰蒸发理论）认为：溅射的发生是

32、由于高能量的轰击离子产生了局部高温区，从而导致靶材料的蒸发，逸出原子呈现余弦分布规律，并且与入射离子的方向性无关。进一步研究发现：（1）用低能离子轰击时，逸出原子的分布并不服从余弦分布定律。垂直于靶表面方向逸出的原子数明显地少于按余弦分布时应有的逸出原子 数（2）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同（3）改变轰击离子的入射角时，逸出原子数在入射的正反射 方向显著增加（4）溅射原子的逸出主要方向与晶体结构有关。,50,51,四溅射过程 溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移和在基板上成膜的过程。1靶材的溅射过程当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使

33、其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子发生溅射。这是靶材在溅射时主要发生的一个过程。实际上，溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体表面时，会产生如图 所示的许多效应。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最终淀积为薄膜之外，其他一些效应会对溅射膜层的生长产生很大的影响。,52,其他过程：入射离子从靶表面发射；入射离子在轰击过程中捕获电子后成为中性原子或分子，从表面反射；离子轰击靶引起靶表面逸出次级电子；离子深入靶表面产生注入效应；吸附气体的解析；辐射射线等。,除了中性离子沉积成薄膜外，其他效应会对溅射膜层的生长产生很大的影响。而且，这些效应同样会作用于待镀的基片上。因为一般基片接地，相对于阳极

34、处于负电位。,53,2溅射粒子的迁移过程 靶材受到轰击所逸出的粒子中，正离子由于反向电场的作用不能到达基片表面，其余的粒子均会向基片迁移。中性原子或分子在放电空间的飞行中，与工作气体分子发生碰撞的平均自由程为：其中，C1是溅射离子的平均速度，v11是溅射离子之间的平均碰撞次数，v12是溅射离子与工作气体分子之间的碰撞次数。一般，溅射离子的密度远小于工作气体分子的密度，v11可以忽略，则有，v12与工作气体分子的密度n2，平均速度c2，溅射离子与工作气体分子的碰撞面积Q12有关，可以表示为：,54,其中，Q12（r1+r2）2,r1、r2分别是溅射粒子和工作气体分子的原子半径。因为溅射粒子的平均

35、速度远大于气体分子的速度，所以c2可忽略：,溅射镀膜的气体压力为10110-1Pa,此时溅射粒子的平均自由程为110cm，因此，靶与基片的距离应与该值大致相等。否则，溅射粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，这样，既降低了靶材原子的动能，又增加靶材的散射损失。尽管溅射原子在向基片的迁移输运过程中，会因与工作气体分子碰撞而降低其能量，但是，由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量，所以溅射过程中淀积在基片上靶材原子的能量仍比较大，其值相当于蒸发原子能量的几十至上百倍。,55,3溅射粒子的成膜过程薄膜的生长过程我们已经介绍，这里主要叙述靶材粒子入射到基片上在沉积成膜过程中应当考虑的几个问题。（1）

36、淀积速率Q 淀积速率 Q 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厚度.Q=CIS C-与溅射装置有关的特征常数，I-离子流，S-溅射率 对于一定的溅射装置（即C确定值）和一定的工作气体，该沉积速率 Q 与溅射率 S 与离子电流I 的乘积成正比。提高淀积速率的有效办法是提高离子电流I。在不增高电压的条件下，增加I 就只有增高工作气体的压力，但较多地增加气体压力反而会降低溅射率。,56,下图示出了气体压力与溅射率的关系曲线。当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。这是由于靶材粒子的背返射和散射增大所引起的。事实上，在大约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中，只有10%左右

37、才能够穿越阴极暗区。所以，由溅射率来选择气压的最佳值是比较恰当的。,57,（2）淀积薄膜的纯度 为了提高淀积薄膜的纯度，必须尽量减少淀积到基片上杂质的量（杂质主要指真空室的残余气体）。因为，通常有约百分之几的溅射气体分子注入淀积薄膜中，特别在基片加偏压时。若真空室容积为V，残余气体分压为，氩气分压为，送入真空室的残余气体量为，氩气量为，则有 由此可见，欲降低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氩量这两项有效措施。本底真空度为 较合适,58,（3）沉积过程中的污染 在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真空区内（）是很必要的。即便如此，仍可存在许多污染源存在：a.真空

38、壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体、水汽和二氧化碳。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。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在淀积过程中适当冷却，以便使其在淀积的最初几分钟内达到热平衡，也可在抽气过程中进行高温烘烤。b.在溅射气压下，扩散泵抽气效力很低，扩散泵油的回流现象可能十分严重。,59,可编辑,60,c.基片表面的颗粒物质对薄膜的影响是会产生针孔和形 成淀积污染。因此，沉积前应对基片进行彻底的清洗，尽可能保证基片不受污染或携带微粒状污物。（4）成膜过程中的溅射条件控制:a.应选择溅射率高、对靶材呈惰性、价廉、高纯的 溅射气体或工作气体。b.应注意溅射电压及基片电位（接

39、地、悬浮或偏压）对薄膜特性的严重影响。溅射电压不仅影响沉积速 率，而且还严重影响薄膜的结构；基片电位则直接影 响入射的电子流或离子流。,61,c.基片温度直接影响膜层的生长及特性。靶材中杂质和 表面氧化物等不纯物质，是污染薄膜的重要因素。d.注意靶材的高纯和保持清洁的靶表面。e.通常在溅射沉积之前对靶进行预溅射是使靶表面净化 的有效方法。此外，在溅射过程中，还应注意溅射设备中存在的诸如电场、磁场、气氛、靶材、基片温度、几何结构、真空度等参数间的相互影响。,62,五溅射机理溅射现象很早就为人们所认识，通过大量实验研究，对这一重要物理现象得出以下几点结论：（1）溅射率随入射离子的能量增加而增大；而

40、在离子能量增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅射率将随之减小；（2）溅射率的大小与入射粒子的质量有关；（3）当入射离子的能量低于某一临界值（阈值）时，不会发生溅射；（4）溅射原子的能量比蒸发原子的大许多倍；（5）入射原子的能量低时，溅射原子角度分布就不完全符合于余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在原子密排的方向。（6）因为电子的质量小，所以，即使用具有极高能量的电子轰击靶材时，也不会产生溅射现象。,63,解释溅射现象的两种较为成熟的理论：1热蒸发理论 早期认为：溅射现象是被电离气体的荷能正离子，在电场的加速下轰击靶表面，而将能量传递给碰撞处的原子，结果

41、导致表面碰撞处很小区域内，发生瞬间强烈的局部高温，从而使这个区域的靶材料熔化，发生热蒸发。*在一定程度上解释了溅射的某些规律和溅射现象，如溅射率与靶材料的蒸发热和轰击离子的能量关系、溅射原子的余弦分布规律等。*不能解释溅射率与离子入射角的关系、单晶材料溅射时，溅射原子的角分布的非余弦分布规律、以及溅射率与入射离子质量的关系等。,64,2动量转移理论 低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链琐式碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。同时，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量

42、，如果这个能量大于原子的结合能，原子就从固体表面被溅射出来。,65,（4）简单计算：二体弹性碰撞的能量转移考虑二粒子（质量分别mi和mt）间的弹性碰撞。假设碰撞前mt静止，mi以速度vi，沿角度与mt碰撞。由此，可求出由质量mi的入射粒子向质量mt的目标粒子的能量转移比率,66,讨论，以正面碰撞=0，cos=1，则：其中，为能量转移系数。（1）mi=mt，=1，Et=Ei，靶原子获得最大能量。（2）mimt，=4mi/mt1，EtEi例如用电子轰击靶，只有很少的能量转移到靶原子上，说明电子不能产生溅射作用。（3）mtmi，=4mt/mi1，EtEi重元素粒子轰击轻元素粒子，轻粒子的速度为碰撞前

43、的2倍。实际中，大约只有1的入射能量转移到了靶表面逸出的溅射原子上，大部分通过级联碰撞被消耗在靶的表面层，转化为晶格的热振动。,67,二体非弹性碰撞的能量转移与弹性碰撞只交换动能相对应，非弹性碰撞后粒子内能发生变化，只考虑第一类非弹性碰撞：入射粒子的动能变成目标粒子的内能，如图所示，碰撞之后目标粒子获得内能U。U与ut之间存在函数关系，为求U的极大值，令代入得：,68,因此，可转移为目标粒子的内能与入射粒子动能之比的最大值为：定义为非弹性碰撞内能传递系数，对于垂直入射，有（1）mi=mt，mt/(mt+mi)=1/2，即入射粒子最多有一半能量传递给靶原子，转换成内能。（2）如果电子入射，mim

44、t，mt/(mt+mi)1，即电子几乎把所有动能传递给靶原子，转化为内能。,69,确信动量转移机制正确的理由：（1）溅射原子的角分布不象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。（2）溅射产额不仅取决于轰击离子的能量，也取决于其质量与靶质量之比。（3）溅射产额不仅取决于轰击离子的入射角，且入射角不同时，溅射原子的角分布也不同。（4）离子能量很高时，溅射产额会减少，这是由于入射离子产生的碰撞离表面较远的缘故。（5）溅射原子的能量比热蒸发原子可能具有的能量高许多倍。,70,4-3 溅射镀膜类型,溅射镀膜的方式较多，从电极结构上可分为二极溅射、三或四极溅射和磁控溅射

45、；射频溅射制备绝缘薄膜而研制的；反应溅射可制备化合物薄膜；为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对称交流溅射和吸气溅射等；近年来为进行磁性薄膜的高速低温制备，还研究开发成功对向靶溅射装置。,71,溅射镀膜：（1）效率高；（2）薄膜质量高；（3）可以沉积任何材料薄膜。,材料属性；电流强度；表面电荷积累,工作气压；残留气压；电子/等离子体浓度；,电子辐照导致升温；溅射粒子轰击；,射频溅射,射频溅射；三级，四级溅射，磁控溅射,磁控溅射；偏压溅射,72,73,74,75,一二极溅射 被溅射的靶和成膜的基板及其固定架（阳极）构成了溅射装置的两极。射频二极溅射，直流二极溅射；平面二极溅射，同轴二极溅射。

46、,射频二极溅射：使用射频电源直流二极溅射：使用直流电源 平面二极溅射：靶和基板固定架都是平板状同轴二极溅射：靶和基板都是同轴圆柱状布置,video,76,直流二极溅射原理：*用膜材制成阴极靶，并接上负高压，为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导体。*工作时，先将真空室预抽到高真空（如10-3Pa），然后，通入氩气使真空室内压力维持在110Pa时，接通电源使在阴极和阳极间产生异常辉光放电，并建立起等离子区，其中带正电的氩离子受到电场加速而轰击阴极靶，从而使靶材产生溅射。,*直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依

47、靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。因此，在溅射镀膜过程中，电离效应是必备的条件。,77,*直流二极溅射的工作参数为溅射功率、放电电压、气体压力和电极间距。溅射时主要监视功率、电压和气压参数。当电压一定时，放电电流与气体压强的关系如图所示。,溅射沉积量与溅射装置消耗的电能（UsIst）成正比，与气压和靶基片距离的乘积成反比：,Us、Is、t分别是放电电压、电流和溅射时间，p-气压，靶基片距离d。,78,优点：结构简单，可获得大面积膜厚均匀的薄膜。缺点：1.溅射参数不能独立控制,电流随电压和气压变化，工艺重复性差。2.溅射装置的排气系统，如果采用油

48、扩散泵,在直流溅射的压力范围内，扩散泵的抽气速率很低，所以残余气体的影响较大，薄膜纯度差。3.基片温度上升较高（几百度）。4.沉积速率低。阴阳两极之间的距离远，26 cm，沉积速率下降太快；如果间距太近，二次电子在两极之间的运动距离过短，难以维持放电。如果增加气体压强，使放电气体的密度增加，一方面电子碰撞电离的效率提高了；另一方面溅射原子通过扩散返回阴极的几率也增加，总溅射率下降。,79,措施：1.设法在10-1Pa以上的真空度产生辉光放电，形成足够高密度的等离子体。2.采用涡轮分子泵。3.有效冷却阴极靶，尽量减少靶材放出的二次电子对基片的轰击。4.选择适当的入射离子能量。,80,二偏压溅射对

49、基片施加一个固定的直流偏压。如果是负偏压基片电压低于阳极，基片相当于另一个阴极，起辉放电后，气体离子会同时轰击阴极和基片。偏压的作用:清洁衬底表面提高薄膜的附着力；随时清除可能进入薄膜表面的气体提高薄膜的纯度；轰击去除粘附力弱的沉积粒子提高薄膜的致密度。,81,改变薄膜结构（Ta film）：例1：偏压在-100V10V，四方晶结构；100V，体心立方结构。例2：负偏压20V后，电阻率迅速下降（氧被溅射出来）；负偏压较高时，电阻率逐渐上升（氩渗入钽膜）。,82,三三极或四极溅射 对于二极溅射,如果气压降到1Pa以下，阴极暗区会扩大，电子自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电就无法维持。特点：增

50、加一个热阴极（第三极），或再附加稳定化电极（第四极），实现低气压下的溅射。,三极溅射：热阴极比靶的电位更低，发射出的电子向靶移动穿越放电空间时，可以增加工作气体的电离数量，增加入射离子密度，从而在较低气压下实现溅射。优势：附加的热电子发射流是靶电流的一个调整参量，即电流可以独立于电压进行单独调整。,83,优势：靶电流主要决定于辅助阳极，而不是靶电压。靶电流和溅射电压可以独立调节。三、四极溅射装置均可以在几百伏的电压下运行。对基片的溅射损伤小，可用来制作集成电路和半导体器件用薄膜。可以在主阀全开的状态下工作，可以制取高纯度的薄膜。,四极溅射：又称为等离子弧柱溅射，它是在二，三极溅射的基础上更有效