《《溅射薄膜制备技术》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《溅射薄膜制备技术》PPT课件（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章、溅射镀膜第三章、溅射镀膜本章重点本章重点1.溅射的定义及原理溅射的定义及原理2.溅射的特性及机理溅射的特性及机理3.溅射与蒸发的比较溅射与蒸发的比较4.溅射技术性问题溅射技术性问题第一节、基本概念第一节、基本概念1、溅射镀膜的定义：溅射镀膜的定义：高能离子在电场作高能离子在电场作用下高速轰击阴极用下高速轰击阴极（靶），经过能量（靶），经过能量交换与转移，靶材交换与转移，靶材粒子飞离出来，粒子飞离出来，淀积在基板上形成淀积在基板上形成薄膜。薄膜。溅溅射射离子轰击固体表曲所引起的各种效应离子轰击固体表曲所引起的各种效应镀膜镀膜SIMS分析分析刻蚀，清洗刻蚀，清洗占靶产物的占靶产物的85-9
2、0等离子体等离子体2、什么是等离子体、什么是等离子体当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离子体状态。子体状态。也被称作物质的第四态，可看作部分电离的气体也被称作物质的第四态，可看作部分电离的气体等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（离等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（离子），而不是其结合体，异类带
3、电粒子之间是子），而不是其结合体，异类带电粒子之间是相互相互“自由自由”和独立的。等离子体粒子之间的和独立的。等离子体粒子之间的相互作用力是电磁力相互作用力是电磁力等等离离子子空空间间第二节、溅射的基本原理第二节、溅射的基本原理1、溅射时入射粒子的来源：气体放电、溅射时入射粒子的来源：气体放电所谓气体放电是指电流通过气体的现所谓气体放电是指电流通过气体的现象，气体放电将产生等离子体。一般是利象，气体放电将产生等离子体。一般是利用辉光放电，根据所加电场的不同，又分用辉光放电，根据所加电场的不同，又分为直流辉光放电、射频辉光放电，而其他为直流辉光放电、射频辉光放电，而其他如三极溅射、磁控溅射时的辉
4、光放电都是如三极溅射、磁控溅射时的辉光放电都是在此基础上的改进。在此基础上的改进。2、为什么用氩等惰性气体？3、辉光放电过程、辉光放电过程定义：是指在低气压（定义：是指在低气压（110Pa）的稀薄气体中，在的稀薄气体中，在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。l1）为什么会产生辉光放电为什么会产生辉光放电l空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使更多的分子电离。之所以需要低气压，使因为在较更多的分子电离。之所以需要
5、低气压，使因为在较高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量使离子被加速。使离子被加速。2）辉光放电的）辉光放电的IV特性特性直流辉光放电的伏安特性曲线直流辉光放电的伏安特性曲线被激导电及被激导电及非自持暗放电非自持暗放电自持暗放电自持暗放电AB段段：电电压压增增加加，而而电电流流密密度度增增加加很很小小，说说明明电电压压不够。不够。BC段段：电电压压不不变变，电电流流密密度度增增加加很很快快。说说明明电电离离已已经产生，但电源的阻抗很大。经产生，但电源的阻抗很大。C点：击穿电压点：击穿电压VBCD段：段：“雪崩区雪崩区”、离子轰击靶、释放出二次电
6、子，、离子轰击靶、释放出二次电子，二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增，电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增，电压剧减。电阻呈负阻特征。电压剧减。电阻呈负阻特征。DE段段：电电流流与与电电压压无无关关，增增大大功功率率时时，电电压压不不变变，电电流流增增加加。放放电电能能自自动动调调节节轰轰击击阴阴极极的的面面积积，起起初初集集中中在在阴阴极极边边缘缘或或表表面面不不规规则则处处，随随功功率率密密度度的的增增
7、加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。EF段：增大功率，呈正电阻特性。段：增大功率，呈正电阻特性。溅射一般工作在此区。溅射一般工作在此区。E、F：常数，与电极材料、常数，与电极材料、尺寸和气体种类有关。尺寸和气体种类有关。F点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小。点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小。在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气压及电极距离的乘积相关。压及电极距离的乘积相关。3）巴刑（）巴刑（paschen）定律定律 pd太小太小二次电子在碰撞阳极前不能进行二次电子在碰撞阳极前不能进行足够数量的电离碰撞
8、。足够数量的电离碰撞。 pd太大太大气体中产生的离子，由于非弹性气体中产生的离子，由于非弹性碰撞被慢化、减速，到达阴极时无足够能量来碰撞被慢化、减速，到达阴极时无足够能量来产生二次电子产生二次电子 大多数辉光放电，大多数辉光放电，pd乘积在最小电压值右侧乘积在最小电压值右侧p有一定值，有一定值，n较多；较多；d有一定值，溅射效有一定值，溅射效率较高，特别是成膜区可以扩大。率较高，特别是成膜区可以扩大。起辉电压存在最小值：起辉电压存在最小值：4）等离子体鞘层）等离子体鞘层对于对于1 1PaPa左右的辉光放电：左右的辉光放电： 原子、电子、离子总密度：原子、电子、离子总密度：3 103 10141
9、4个个/ /cmcm3 3； 其中其中1010-4 -4的比例为电子和离子。的比例为电子和离子。产生的是产生的是冷等离子体冷等离子体：电子和原子及离子温度不等：电子和原子及离子温度不等 T Te e23000K23000K，T Ti i=300-500K=300-500K。 离子质量大，其运动速度远低于电子：离子质量大，其运动速度远低于电子： 平均速度：平均速度：V Vi i500m/s500m/s V Ve e9.5 109.5 105 5m/sm/s 电子优先到达固体表面！电子优先到达固体表面！结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一个负电位，并在其
10、表面处伴随有正电荷的积累。个负电位，并在其表面处伴随有正电荷的积累。形成等离子体鞘层。形成等离子体鞘层。鞘层电压：鞘层电压：典型值：典型值：-10V，并变化不大。并变化不大。在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，电子受到减速，需大的能量方能到达基片。电子受到减速，需大的能量方能到达基片。鞘层厚度鞘层厚度b：与电子密度及温度有关，典型值与电子密度及温度有关，典型值100微米。微米。直流辉光放电直流辉光放电的电位分布和的电位分布和等离子体鞘层等离子体鞘层5）辉光放电的空间分布）辉光放电的空间分布阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能量小阿斯顿暗区：阴极发
11、射的二次电子能量小（1ev），不足以电离中性分子。不足以电离中性分子。阴极辉光区：阴极辉光区：电子获得足够能量，碰撞气体分子使其电子获得足够能量，碰撞气体分子使其激发，退激发而发光。激发，退激发而发光。少数电子和正离子复合发光。少数电子和正离子复合发光。克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。电离产生低速电子。电离产生低速电子。负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与电子复合发光。该区是正的空间电荷区，电子复合发光。该区是正的空间电荷区，也是主要的压降区。也是主要的压降区。法拉第
12、暗区：少数电子穿过负辉光区，电子动能小。法拉第暗区：少数电子穿过负辉光区，电子动能小。正光柱区：正光柱区：上述少数电子加速，产生电离。上述少数电子加速，产生电离。负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似一良导体。一良导体。两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间。因此，当两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间。因此，当极间电压不变而长度改变时，阴极到负辉光区的距离不极间电压不变而长度改变时，阴极到负辉光区的距离不变，而是正光柱区变化。变，而是正光柱区变化。产生的正离子冲击阴极产生溅射产生的正离子冲击阴极产生溅射阴极鞘层阴极鞘层阳极鞘层阳极鞘
13、层阴极阴极阳极阳极电位电位0Vp6)辉光放电的主要形式（用于溅射）辉光放电的主要形式（用于溅射）直流辉直流辉光放电光放电射频辉射频辉光放电光放电第三节、溅射特性第三节、溅射特性1.溅射率（产额）溅射率（产额）1.1与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系存在溅射阈值，存在溅射阈值，通常金属通常金属10-30ev。（2Kev时，时，opt解释：解释：Ar1.5与靶材的晶体结构有关与靶材的晶体结构有关单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性现象：对应于低指数晶面的溅现象：对应于低指数晶面的溅射率低，而高指数晶面的溅射射率低，而高指数晶面的溅射率略高于
14、多晶靶材。率略高于多晶靶材。解释：沟道效应，即原子排列解释：沟道效应，即原子排列密度最大的方向上溅射率越大。密度最大的方向上溅射率越大。1.6与靶材温度的关系与靶材温度的关系现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。现象：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；而高于此在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。温度，溅射率急剧增加。解释：溅射与热蒸发解释：溅射与热蒸发 二者的复合作二者的复合作 用。用。2.溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布2.1与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系现象：入射离子能现象：入射离子能量越高，角分
15、布越量越高，角分布越趋向于余弦分布，趋向于余弦分布，但在低能状态下但在低能状态下（几千（几千ev）并非如并非如此。此。欠余弦分布欠余弦分布。蒸发原子的角分蒸发原子的角分布为余弦分布。布为余弦分布。2.2与入射离子的角度的关系与入射离子的角度的关系轻离子入射，与入射角轻离子入射，与入射角的关系很大。的关系很大。重离子入射，基本为重离子入射，基本为余弦分布，与入射角余弦分布，与入射角无关。无关。第四节、溅射机理第四节、溅射机理1.热蒸发理论热蒸发理论认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生局域高温，发生熔化而蒸发。局域高温，发生熔化而蒸发。该理论
16、可解释的现象：该理论可解释的现象：a)溅射率与靶材蒸发热的关系；溅射率与靶材蒸发热的关系；b)溅射率与入射离子能量的关系；溅射率与入射离子能量的关系；c)溅射原子的余弦分布律。溅射原子的余弦分布律。该理论不能解释的现象：该理论不能解释的现象：溅溅射射原原子子的的角角分分布布并并不不象象热热蒸蒸发发原原子子那那样样符符合合余余弦弦规规律律，从从单单晶晶靶靶溅溅射射出出的的原原子子趋趋向向于于集集中中在在晶晶体体原原子子密排方向；密排方向；溅溅射射产产额额不不仅仅取取决决于于轰轰击击离离子子能能量量，同同时时也也取取决决于于其质量与靶原子质量之比；其质量与靶原子质量之比；溅溅射射产产额额取取决决于于轰轰击击离离子子的的入入射射角角，当当入入射射角角不不同同时，溅射原子的角分布也不相同；时，溅射原子的角分布也不相同；离子能量很高时，溅射产额会减少；离子能量很高时，溅射产额会减少；溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高100倍。倍。电电子子质质量量小小，即即使使用用高高能能电电子子轰轰击击靶靶材材，也也不不会会产产生溅射。生溅射。2.级联碰撞理论级联碰撞理论溅射是
