《半导体薄膜技术与物理-医学资料》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体薄膜技术与物理-医学资料(24页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
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