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1、1 2.3 溅射（Sputtering） 2.3.1 溅射的基本原理 荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子 的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射 荷能粒子：离子 （易于在电磁场中加速或偏转） 伴随着离子轰击固体表面的各种现 象（右图）： 1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象 95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子 溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1 2 直流辉光放电过程的形成 VB： 击穿电压 3 溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面
2、后，继续增加电源功率，可同时提高放电区的 电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系： 气体辉光放电 E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数 4 弧光放电区： U阴极强电场暗区收缩 dc：暗区厚度 A、B为常数 j0.1A/cm2, Uj（弧光放电） 气压P太低，两极间距太小： 没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭 气压P太高： 二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电 5 溅射过程的机理解释： （1）离子轰击局部瞬时加热而蒸发 （因与实验观察不符而被否定） （2）动量理论(级联碰撞理论) 离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果
3、原子获得的动能 大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。 （研究溅射的基础） 6 2.3.2 溅射阈和溅射率 溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量 溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小 对大多数金属来说： 溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热 7 一些金属的溅射阈（eV） 8 溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴 极上打出的原子数 影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热等 单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高 E：入射粒子能量 E
4、0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：mA/mI函数 4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传递 的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子 9 溅射率与入射离子能量的关系溅射率与离子入射角的典型关系 溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关 104eV：下降（注入增加） 060o：单调增加 7080o：最大 90o：0 10 溅射率与靶材原子序数的关系 同周期元素：溅射率随原子序数增大而增加 Ag、 Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小 11 Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系 温度低
5、时：几乎不变化 超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大） 12 溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射率值来 确定，存在较大的差异性。 13 2.3.3 溅射粒子的速度和能量 溅射Cu原子 速度分布图 He+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eV Ar+：平均速度=36105 cm/s 平均能量 E=3040 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV 14 （1）溅射速率： N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率， M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。 （2）扩散速率： D：扩散系数，R：气体普适系数，T
6、：绝对温度， P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。 （3）淀积速率： 1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。 15 2.3.5 溅射的种类 阴极溅射原理图 三极（四极）溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射 16 射频溅射原理图 可溅射绝缘体。 高频范围：530MHz（一般rf13.56MHz ） 17 （3）磁控溅射 磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中 电子的运动轨迹，改进溅射的工艺 电子在正交电磁场中的作用力： 采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.30.5% 56% 电子在正交电磁场中的运动轨迹 磁控溅射主要有三种形式：平
7、面型、圆柱型、S枪 衬底：“近冷”态 18 磁控溅射电极类型 19 应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法： 高频溅射 反应溅射，特别是磁控反应溅射 例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物 在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等 反应物之间产生反应的必要条件：反应物分子必须有足够高的能量以克服 分子间的势垒 20 势垒与能量关系为： Ea=NA Ea为反应活化能，NA为阿佛伽德罗常数。 根据过渡态模型理论，两种反应物的分子进行反应时，首先经过过渡态 以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行
8、 反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。 Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能 x：反应物初态能量 W：终态能量 T：活化络合物能量 E：反应物与生成物能量之差 21 蒸发与溅射粒子的能量分布图 22 其中能量大于反应活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为： 假设只有能量大于Ea的粒子能参与反应，那么，溅射粒子的反应度 必然远远大于蒸发粒子。 由于平均能量，因此溅射分子或原子的能量大于Ea的分数 同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数 式中 和 分别为溅射和蒸发粒子的平均动能 由图可以看出，能量EEa的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数 ： 23 若两种反应物处在同一能量状态，则Ti、Zn和O
9、2的反应活化能Ea大约分别 为0.2eV和0.17eV，但常温基板表面的氧分子完全处于钝化态（可能有百分之 几的离子氧），因此，膜料粒子最小的反应能阈值至少增加一倍，即Ti、Zn 与O2反应至少要有0.4和0.34eV的能量。 设溅射原子的平均动能为15eV，由式(2-1)和(2-2)，则大约有98%的溅射Ti 原子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只有10%和0.5%左右。 举例来说，Ti和Zn与氧反应，反应方程式是 24 若用平均动能代替温度T，则 参加反应的高能粒子越多，反应速度越快 反应速度与活化能Ea的关系为 是反应速度常数 R是气体常数 C是有效碰撞的频率因子 ，故溅射的反应速度要比热蒸发快得多
