第八章2溅射法课件

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1、8.2 溅射技术,一、等离子体和辉光放电,溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放电是溅射技术的基础。,辉光放电：真空度为10-110-2 Torr，两电极间加高压，产生辉光放电。 电流电压之间不是线性关系，不服从欧姆定律。,直流辉光放电伏安特性曲线,直流辉光放电伏安特性曲线,A-B:电流小，主要是游离状态的电子，离子导电；电子原子碰撞为弹性碰撞； B-C: 增加电压，粒子能量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压(类似稳压源)。,非自持放电,C-D: 起辉（雪崩）；离子轰击产生二次电子，电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板间电阻减小从而使分压下降)； D-E

2、: 电流与极板形状、面积、气体种类相关，与电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电； E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关（可控制区域，溅射区域）； F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；,自持放电,正常辉光放电和异常辉光放电的特性对比,维持放电进行的两个必要过程： 1.电离过程，a来表示电子对气体的体积电离系数。 2.轰击阴极过程，以g表示离子的表面电离系数。,假设开始时阴极发射电子数为n0，发射电流为j0，如图所示，则,此过程中产生的新离子数：,自持放电条件：,一个过程后阴极发射电子数：,两个过程后阴极发射电

3、子数：,稳定时阴极发射电子数：,稳定时到达阳极电子数：,稳定时阳极电流密度：,空间各点的电流密度：,维持自持放电的条件：,设气体的电离能eUi,电子能量高于eUi，电离几率为1， 低于eUi，电离几率为0。极板间电场强度E，要产生电离电子的自由程至少li,辉光放电的帕邢曲线 不同气体的曲线不同,一般的取比较小的Pd值,辉光放电示意图,辉光放电示意图,阿斯顿暗区：慢电子区域； 阴极辉光：激发态气体发光； 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降主要在前面的三个区域：阴极位降区)； 负辉光：电离；电子离子复合；正离子浓度高； 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；,辉光放电时光

4、强、电压、电场强度、电荷密度的分布,衬底放在阴极辉光区,电极鞘层， 鞘层电压降：,辉光放电中的粒子、能量和温度,Ee2eV，Te23000K Ei0.04eV，Ti500K En0.025eV，Tn293K Tv3800K，Tro2800K,所以辉光放电为非平衡过程。,对于1Pa左右的气压，电子和离子的总量约占全部粒子总量的10-4。,粒子轰击固体表面或薄膜产生的效应,溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。,4、离子与物质的相互作用，溅射及其溅射参数,不同能量和离子/原子质量比下不同的离子轰击过程,Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系 (实验结果),(1) 从单晶靶材

5、逸出的原子，其分布并不符合正弦规律，而趋向于晶体密度最高的方向； (2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也决定于其质量； (3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。,溅射机制：,局部加热蒸发机制 动能直接传递机制,溅射一般发生在数个原子层的范围内，大量能量转变为靶材的热,不同能量范围的溅射机制(a) Single knock-on (low energy), (b) linear cascade, (c) spike (high energy),溅射阈值：

6、将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的质量关系不大，但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小，2040eV。,溅射参数：溅射阈值，溅射产额，沉积速率，溅射原子的能量,薄膜的沉积速率与溅射产额（Sputtering Yield）成正比，所以溅射产额是衡量溅射过程效率的参数。,溅射产额（Sputtering Yield）,经验公式：,US为表面结合能，a(M2/M1)只与M2，M1相关的常数。Eth是原子从晶格点阵被碰离，产生碰撞级联所必须的能量阈值，是Us和M2/M1的函数。Sn(E)是弹性碰撞截面，也是能量与原子质量及原子序数的函数。,影响溅射产额的因素： 靶材料（靶表面原

7、子结合能）； 轰击离子的质量； 轰击离子的能量； 轰击原子的入射角。,Ar离子在400KV加速电压下对各种元素的溅射产额,取决于表面原子束缚能,靶材料的影响,溅射率与入射离子的关系 1.Ag靶；2.Cu靶；3.W靶,入射离子种类的影响,Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系,入射离子能量的影响,低能端外推可得溅射阈值。,溅射产额随离子入射角度的变化,单晶靶不遵循此分布,出射原子的欠余弦分布,半导体材料的溅射,多晶靶：各向同性。,单晶靶,低温，各向同性,高温，各向异性，原子从密排方向射出,如FCC的110，100，111,气体压强的影响,溅射原子的能量分布,能量为801200 eV的离子轰

8、击下，从110方向逸出的铜原子能量分布,沉积速率：,Q为沉积速率，C为表示溅射装置特性的常数，I为离子流，r为溅射系数。溅射系数本身是溅射电压与溅射离子种类得函数。沉积速率与靶到基片的距离、溅射电压、溅射电流等有关。,沉积过程中的污染,（1）真空室的腔壁和真空室中的其他零件可能含有吸附气体、水气和二氧化碳。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。 解决办法：可能接触辉光的一切表面部必须在沉积过程中适当地冷却以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡(假设在适当位置有一遮断器)；也可在抽气过程中进行高温烘烤。 （2）基片表面的污染。,不同元素的溅射产额没有平衡蒸汽压那么大； 蒸发法中熔

9、体中的快速扩散和对流使熔体很快达到均匀，而溅射法中，固体表面在经过一段时间的溅射后能使溅射产额比稳定。,合金的溅射和沉积,溅射制膜的化学成分与靶材基本一致， 与蒸发不同：,设组分CA=nA/n, CB=nB/n, n=nA+nB,设有ng原子入射，则表面的剩余组分比,初始：,若SASB,最终：,被溅射出的粒子的一些特性,大多数为中性不带点的粒子。 溅出的粒子的能量因溅射条件、靶材原子的键能和结晶方向等因素而异。 e.g. Ge (1.2 KeV, Ar+) 15 eV 带有较大动能的粒子，可促成表面鍵合较弱的污染物脱离，並促进增原子在表面的扩散，但也多少会造成一些因撞击而产生的缺陷。 带有较大

10、动能的粒子会引起衬底温度的升高。,溅射沉积的另一个特点是，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递。因此，溅射出的原子将从溅射过程中获得很大的动能，其数值一败可以达到520eV。相比之下，由蒸发法获得的原子动能一般只有0.1eV。这导致在沉积过程中，高能量的原子对于衬底的撞击一方面提高了原子自身在沉积表面的扩散能力，另一方面也将引起衬底温度的升高。 在溅射沉积过程中，引起衬底温度升高的能量有以下三个来源： (1)原子的凝聚能； (2)沉积原子的平均动能； (3)等离子体中的其它粒子，如电子、中性原子等的轰击带来的能量。,离子轰击在溅射过程中的作用,1) 在膜层沉积之前的离子溅射清洗 2)

11、 离子轰击对基体和镀层交界面的影响 a) 使基体中产生缺陷； b) 热效应； c) 物理混合；反冲注入，伪扩散层。 3) 离子轰击在薄膜生长中的作用 a) 优先去除松散结合的原子； b) 增强扩散和反应活性，提高成核密度； c) 对形貌的影响(晶粒的择优取向)； b) 对沉积膜组分的影响； c) 对膜层物理性能的影响（应力，结合力）,对膜层结构的影响,膜层的晶粒尺寸和内应力,膜层的晶面间距,溅射方法和溅射装置,直流溅射(二极，三极，四极) 射频溅射 磁控溅射 反应溅射 其它溅射技术,1. 直流溅射（双极型）,直流溅射沉积装置示意图,电压约15 kV，出射原子的速率约3-6x105 cm/s，能

12、量约 10-40 eV，到达基板的原子能量约1-2eV。,放电电流与气压和偏压的关系： iK(P) Vm K(P)随气压的增加而增加，m5或更大； 离子平均能量随气压的增加而下降，溅射产额降低； 沉积率在100mTorr(10Pa)附近最大； 薄膜生长速率： Pdensity功率密度(W/cm2)、g阴-阳极间距、E 平均溅射能量; e汤生二次电子发射系数、原子密度，与材料有关; 溅射原子热化的平均距离，与气体压强有关；,溅射沉积速率与工作气压间的关系,溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的散射（方向及能量无序），到达基片的几率随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均匀性，极板间距是克鲁克暗区的

13、两倍，阴极平面面积为基片面积的两倍。 低气压溅射：降低污染，提高溅射原子的平均能量；需额外的电子源；外加磁场或高频放电提高离化率。,溅射设备的中心问题：增加电子对气体的电离效率,直流三极溅射：,可以在低压强(0.13Pa)下运行，但放电过程难控制，重复性差,等离子体的密度可通过改变电子发射电流和加速电压来控制。离子对靶材轰击能量可通过靶电压加以控制。从而解决了二极溅射中靶电压、靶电流及气压之间相互约束的矛盾。,电子发射不稳定，造成放电不稳定,优点：装置简单，容易控制，制膜重复性好（P，U，I）。 缺点： 1) 工作气压高(102 Torr)，高真空泵不起作用； 2) 沉积速率低； 3) 基片升

14、温高； 4) 只能用金属靶(绝缘靶导致正离子累积)；,直流溅射,2. 射频溅射,射频溅射原理图,射频频率：13.56 MHz； 电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压； 射频溅射可制备绝缘介质薄膜； 射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。,无负偏压,有负偏压,3. 磁控溅射 1) 磁控溅射的原理和装置,不同磁场方向的效应,磁控溅射中电子运动示意图,各种不同的磁控溅射装置,增加电子对气体的电离效率,2) 磁控溅射的特点： (a) 二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，路程足够长，电子使原子电离的机会增加。 (b) 提高了电离效率，工作气压可降低到10-310-4 Torr，减少了工作气体与溅

15、射原子的散射作用，提高了沉积速率。 (c) 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样，电离产生的正离子能有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰击，制膜过程中温升较小。,有效地解决了直流溅射中基片温升高和溅射速率低两大难题,不同溅射方法靶电压和靶电流密度的比较,非平衡磁控靶,非平衡磁控靶示意图,磁力线延伸到衬底，对衬底进行适当溅射,双磁极溅射,存在的问题： 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面不均匀溅射 反应性磁控溅射中的电弧问题 膜的均匀性 靶的非均匀腐蚀及内应力 颗粒（重溅射）,靶的利用率,在溅射气体中加入

16、少量的反应性气体如N2,O2,烷类等，使反应气体与靶材原子一起在衬底上沉积，对一些不易找到块材制成靶材的材料，或在溅射过程中薄膜成分容易偏离靶材原成分的，都可利用此方法。 反应气体：如 O2, N2, NH3, CH4, H2S 氧化物，如 Al2O3, SiO2, In2O3, SnO2 碳化物，如 SiC, WC, TiC, DLC 氮化物，如 TiN, AlN, Si3N4 硫化物，如 CdS, ZnS, CuS,4. 反应性气体溅射（Reactive Gas Sputtering）,反应也可能在靶上或基板上进行=靶中毒。 化合物的溅射产率约为纯金属的10%20%,等离子体中的化学反应：,活性高，如Ar+反应活性类似于Cl原子 反应速率：,反应溅射中反应气体分压与输入气流的迟滞回路。,反应溅射的模型图,稳态时靶上化合物溅射速率与形成速率相等：,靶的消耗速率：,稳态时衬底上化合物生成速率与被金属覆盖速率相等：,输入气体总量：,靶上的反应,衬底上的反应,泵抽走的量,联立上述方程，可解出反应气体分压Pr，