第5章物理气相淀积

《第5章物理气相淀积》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章物理气相淀积（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章第五章 物理气相淀积物理气相淀积 物理气相淀积物理气相淀积PVD(physical vapor deposition)利用某种物理过程（蒸发或溅射），利用某种物理过程（蒸发或溅射），实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，淀积成薄膜。（硅）表面上，淀积成薄膜。 淀积特点：物理过程淀积特点：物理过程 技术：技术： 真空真空蒸发：蒸发：优点：淀积速率较高，相对高的真优点：淀积速率较高，相对高的真空度，薄膜质量较好空度，薄膜质量较好 缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时，缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时，组分难以控制。组

2、分难以控制。 溅射：优点：化学成分易控制，淀积薄层与衬溅射：优点：化学成分易控制，淀积薄层与衬底附着性好。底附着性好。5.1 真空蒸发的基本原理真空蒸发的基本原理v材料的三态：材料的三态：solid，liquid，gas；v蒸气：任何温度下，材料表面都存在蒸气；蒸气：任何温度下，材料表面都存在蒸气；v蒸气压：平衡时的饱和蒸气压；蒸气压：平衡时的饱和蒸气压； v升华：低于熔化温度时，产生蒸气的过程；升华：低于熔化温度时，产生蒸气的过程；v蒸发：熔化时，产生蒸气的过程；蒸发：熔化时，产生蒸气的过程；v真空蒸发：真空蒸发： 利用蒸发材料熔化时产生的蒸气进行薄膜淀积；利用蒸发材料熔化时产生的蒸气进行薄

3、膜淀积；v优点：工艺及设备简单，淀积速率快；优点：工艺及设备简单，淀积速率快；v缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺缺点：台阶覆盖差，薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不够理想。重复性不够理想。5.1.1 真空蒸发设备真空蒸发设备真空系统真空系统- -为蒸发过为蒸发过程提供真空环境；程提供真空环境；蒸发系统蒸发系统- -放置蒸发放置蒸发源的装置，以及加源的装置，以及加热和测温装置；热和测温装置；基板及加热系统基板及加热系统- -放放置衬底，对衬底加置衬底，对衬底加热及测温装置等。热及测温装置等。蒸发淀积过程蒸发淀积过程加热蒸发：加热蒸发源（固态），产生蒸气；加热蒸发：加热蒸发源（固态），

4、产生蒸气；输运：气化的原子、分子扩散到基片表面；输运：气化的原子、分子扩散到基片表面；淀积：气化的原子、分子在表面凝聚、成核、淀积：气化的原子、分子在表面凝聚、成核、生生长、成膜；长、成膜；5.1.2 汽化热和蒸汽压汽化热和蒸汽压汽化热汽化热H使蒸发源材料的原子或分子克服固相（或液相）使蒸发源材料的原子或分子克服固相（或液相）的原子束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气相原的原子束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气相原子或分子所获得的能量。子或分子所获得的能量。H用来克服凝聚相中原子间的吸引力。用来克服凝聚相中原子间的吸引力。饱和蒸汽压饱和蒸汽压P一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与

5、固态一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力。或液态平衡时所表现出来的压力。 净蒸发：分压净蒸发：分压P蒸发温度蒸发温度规定在规定在P=133.310-2Pa时的温度。时的温度。5.1.3 真空度与分子平均自由程真空度与分子平均自由程高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的理由：高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的理由：被蒸发原子或分子在真空中输运是直线运动（有效的淀被蒸发原子或分子在真空中输运是直线运动（有效的淀积）。积）。真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，并使加热的衬底表面发

6、生分子在输运过程中发生氧化，并使加热的衬底表面发生氧化。氧化。残余气体及所含杂质原子或分子淀积在衬底上，严重影残余气体及所含杂质原子或分子淀积在衬底上，严重影响淀积薄膜质量。响淀积薄膜质量。 蒸发源到放置硅片的基座距离蒸发源到放置硅片的基座距离原子或分子平均自由程原子或分子平均自由程 粒子两次碰撞之粒子两次碰撞之间飞行的平均行的平均距离。距离。5.1.4 蒸发速率蒸发速率蒸发源的温度影响最大蒸发源的温度影响最大5.1.5 多组分蒸发多组分蒸发v方法：（按蒸发源分类）方法：（按蒸发源分类） 单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶；单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶； 靶源的要求：各组分蒸汽压

7、接近；靶源的要求：各组分蒸汽压接近； 多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发；多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； 多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发，多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发， 最后高温退火最后高温退火。v工艺关键：根据薄膜组分控制各层厚度；工艺关键：根据薄膜组分控制各层厚度； 5.2 蒸发源蒸发源（按加热方式分类）（按加热方式分类）电阻加热源电阻加热源电子束加热源电子束加热源高频感应加热源高频感应加热源激光加热源激光加热源5.2.1 电阻加热源电阻加热源利用电流通过加热源时产生的利用电流通过加热源时产生的焦耳热来加热蒸发材料焦耳热来加热蒸发材料v直接加

8、热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体；直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体； 加热体加热体-W、Mo、石墨。、石墨。v间接加热源：坩埚盛放蒸发源；间接加热源：坩埚盛放蒸发源； 坩埚坩埚-高温陶瓷、石墨。高温陶瓷、石墨。1.对加热材料的要求：对加热材料的要求：不产生污染不产生污染 熔点高：高于蒸发源的蒸发温度；熔点高：高于蒸发源的蒸发温度； 饱和蒸汽压低：饱和蒸汽压低：低于蒸发源；低于蒸发源； 化学性能稳定：不发生化学反应，不形成合金。化学性能稳定：不发生化学反应，不形成合金。v优点：工艺简单，蒸发速率快；优点：工艺简单，蒸发速率快； 缺点：难以制备高熔点、高纯度薄膜。缺点：难以制备高熔点

9、、高纯度薄膜。2.蒸发材料对加热材料的蒸发材料对加热材料的“湿润性湿润性”“湿润性湿润性”指在高温下，熔化的蒸发材料在加热源指在高温下，熔化的蒸发材料在加热源的材料上有扩展倾向（易湿润）。的材料上有扩展倾向（易湿润）。蒸发材料与加热源材料十分亲合，蒸发状态稳定。蒸发材料与加热源材料十分亲合，蒸发状态稳定。尤其丝状加热源。尤其丝状加热源。面蒸发面蒸发 湿润情况下，材料蒸发面积大且较稳定。湿润情况下，材料蒸发面积大且较稳定。点蒸发点蒸发湿润较差情况下。湿润较差情况下。5.2.2 电子束蒸发源电子束蒸发源v原理：电场作用原理：电场作用下，电子获得动下，电子获得动能轰击阳极蒸发能轰击阳极蒸发材料，使其

10、加热材料，使其加热气化。气化。v特点：特点： 淀积高熔点、淀积高熔点、 高纯薄膜。高纯薄膜。v优点：优点： 蒸发温度高（蒸发温度高（能量密度高于电阻源能量密度高于电阻源）；蒸发速率；蒸发速率较高，可蒸发较高，可蒸发W,Mo,Ge,SiO2,Al2O3。 高纯度淀积：高纯度淀积：水冷坩埚水冷坩埚可可避免容器材料的蒸发；避免容器材料的蒸发； 热效率高：热传导和热辐射损失少。热效率高：热传导和热辐射损失少。 v缺点：缺点： 电子枪发出的电子枪发出的一次电子与蒸发材料发出的二次电一次电子与蒸发材料发出的二次电子使蒸发原子和残余气体分子电离；子使蒸发原子和残余气体分子电离； 设备及工艺复杂，价格昂贵。设

11、备及工艺复杂，价格昂贵。5.2.3 激光加热源激光加热源激光束加热蒸发法激光束加热蒸发法利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热。对蒸发材料进行加热。加热特点：加热温度高，可避免坩埚的污染，材料蒸发速率高，加热特点：加热温度高，可避免坩埚的污染，材料蒸发速率高，蒸发过程易控制。蒸发过程易控制。激光源：连续输出的激光源：连续输出的CO2激光器。激光器。适应于蒸发成份较复杂的合金或化合物材料。适应于蒸发成份较复杂的合金或化合物材料。蒸发源的特点：蒸发源的特点：（1）功率密度高达）功率密度高达106W/cm2，可蒸发任何高熔点的材料；，可蒸发任何高熔

12、点的材料；（2）光斑小，可提高淀积薄膜的纯度；）光斑小，可提高淀积薄膜的纯度；（3）能量密度高，可保证薄膜成份的比例；）能量密度高，可保证薄膜成份的比例；（4）真空室内装置简单，易获得高真空度；）真空室内装置简单，易获得高真空度；（5）激光器价格昂贵，影响了广泛使用。）激光器价格昂贵，影响了广泛使用。5.2.4 高频感应加热源高频感应加热源通过高频感应对坩埚加热，通过高频感应对坩埚加热，使蒸发材料在高频磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞使蒸发材料在高频磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失，使蒸发材料升温，直至汽化蒸发。损失，使蒸发材料升温，直至汽化蒸发。v优点：优点：蒸发速率快；蒸发速率

13、快；温度均匀、稳定，温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象。不易产生飞溅现象。温度控制精确；温度控制精确；工艺简便；工艺简便；v缺点：缺点：成本高；成本高；电磁干扰。电磁干扰。5.3 气体辉光放电气体辉光放电v热蒸发热蒸发能量转化引起的能量转化引起的v溅射溅射含有动量的转换，溅射出的原子有方向性。含有动量的转换，溅射出的原子有方向性。v溅射过程：建立在辉光放电的基础上溅射过程：建立在辉光放电的基础上v溅射定义：具有一定能量的入射离子在对固体表面溅射定义：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生将发生能量和动量的转

14、移能量和动量的转移，并可能将固体表面的原，并可能将固体表面的原子溅射出来。子溅射出来。5.3.1 直流辉光放电直流辉光放电 图图5.6所示所示 讨论：平板电极间的电压讨论：平板电极间的电压V与电流与电流I的关系。的关系。（1）无光放电区）无光放电区ab段。导电而不发光。段。导电而不发光。 电离产生的离子和电子在外电场作用下定向运电离产生的离子和电子在外电场作用下定向运动，运动速度随电压增加而加快。直至达到饱和值，动，运动速度随电压增加而加快。直至达到饱和值，即电流从即电流从0逐渐增加至达到某一极大值。电压再逐渐增加至达到某一极大值。电压再，电流并不，电流并不。 原因：电离量很少且恒定。原因：电

15、离量很少且恒定。电压再电压再，到达电极的，到达电极的电子和离子数目不变。电子和离子数目不变。（2）汤生放电区）汤生放电区 bc段。离子和电子数目雪崩式的段。离子和电子数目雪崩式的增加，放电电流迅速增大。电压是常数（受到电源增加，放电电流迅速增大。电压是常数（受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制）高输出阻抗和限流电阻的限制） 原因：原因：作用作用（电离倍增作用）中性气体分子间的（电离倍增作用）中性气体分子间的碰撞使气体分子电离，产生正离子和电子。碰撞使气体分子电离，产生正离子和电子。 作用作用正离子对阴极的碰撞将产生二次电子。正离子对阴极的碰撞将产生二次电子。（1）和（）和（2）-非自持放电，即以

16、存在自然电离源为非自持放电，即以存在自然电离源为前提。前提。（3）辉光放电）辉光放电气体突然发生放电击穿现象，气体突然发生放电击穿现象， 电流电流，放电电压显著，放电电压显著。 c点点放电的着火点。处于阴极的边缘和不规则处放电的着火点。处于阴极的边缘和不规则处 cd段段前期辉光放电。电流前期辉光放电。电流，电压，电压（负阻现象）（负阻现象） 原因：气体已被击穿，气体内阻随电离度的原因：气体已被击穿，气体内阻随电离度的显著显著 de段段正常辉光放电。电压已定，电流的正常辉光放电。电压已定，电流的与电压无与电压无关，只与阴极上产生辉光的表面积有关。关，只与阴极上产生辉光的表面积有关。 有效放电面积

17、随电流有效放电面积随电流而而 阴极阴极有效放电区内的电流密度保持恒定。有效放电区内的电流密度保持恒定。（3）属于自持放电，即不存在自然电离源，电子和正）属于自持放电，即不存在自然电离源，电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击。离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击。气体击穿气体击穿从非自持放电过渡到自持放电。从非自持放电过渡到自持放电。影响辉光放电电流密度的因素：阴极材料、气体种类、影响辉光放电电流密度的因素：阴极材料、气体种类、气体压强及阴极的形状。气体压强及阴极的形状。（4）反常辉光放电）反常辉光放电-ef段。放电电压和电流密度同时段。放电电压和电流密度同时增大。（溅射区域）增大。（溅射区

18、域） 特点：电流增大时，两个放电极板之间电压升高，特点：电流增大时，两个放电极板之间电压升高，且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。（5）电弧放电）电弧放电fg段。电流继续段。电流继续，放电电压再次突，放电电压再次突然大幅度然大幅度，电流急剧，电流急剧。放电区域的划分如图放电区域的划分如图5.85.8（a a）所示。）所示。阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉光区、法阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉光区、法拉第暗区、正柱（等离子）区、阳极辉光区和阳极暗拉第暗区、正柱（等离子）区、阳极辉光区和阳极暗区。（共八个）区。（共八个）1.1.阴极

19、区阴极区极间电压大部分加在这里，电子被加速与气体原子极间电压大部分加在这里，电子被加速与气体原子碰撞，使原子激发或电离。由碰撞，使原子激发或电离。由AstonAston暗区，阴极辉光区和阴暗区，阴极辉光区和阴极暗区三部分组成。极暗区三部分组成。AstonAston暗区：位于阴极右边，通过阴极电子被加速。这里电子暗区：位于阴极右边，通过阴极电子被加速。这里电子密度和能量都太低，不能激发气体，因此呈现暗区。密度和能量都太低，不能激发气体，因此呈现暗区。阴极辉光：由向阴极运动的正离子与阴极发射出的二次电子复阴极辉光：由向阴极运动的正离子与阴极发射出的二次电子复合产生的处于阴极附近的明亮发光层。合产生

20、的处于阴极附近的明亮发光层。阴极暗区（克罗克斯暗区）：二次电子和离子的主要加速区阴极暗区（克罗克斯暗区）：二次电子和离子的主要加速区电压降占整个放电电压的绝大部分。电压降占整个放电电压的绝大部分。2.2.负辉光区和法拉第暗区负辉光区和法拉第暗区负辉光区：发光最强的区域，是已获加速的电子与气体原子发负辉光区：发光最强的区域，是已获加速的电子与气体原子发生碰撞而电离的区域。生碰撞而电离的区域。法拉第暗区：这里电子能量太低，不足以激发气体原子。法拉第暗区：这里电子能量太低，不足以激发气体原子。3.3.正柱区正柱区：在阴极端能保持足够的电离度。电子密度：在阴极端能保持足够的电离度。电子密度101015

21、1510101616电子数电子数/m/m3 3, ,电场强度为常数。弧柱中电场强度为常数。弧柱中热量的散失主要依靠热传导、对流和辐射。热量的散失主要依靠热传导、对流和辐射。4.4.阳极区阳极区阳极附近发光区和阳极鞘层。由阳极辉光阳极附近发光区和阳极鞘层。由阳极辉光区和阳极暗区两部分组成区和阳极暗区两部分组成阳极辉光区阳极辉光区: :由阳极加速电子引起激发和电离而产生。由阳极加速电子引起激发和电离而产生。阳极暗区阳极暗区: :实质上是阳极与正柱区等离子体间的鞘层。实质上是阳极与正柱区等离子体间的鞘层。注意：随着极间距离的缩小，正柱区和法拉第暗区将注意：随着极间距离的缩小，正柱区和法拉第暗区将 缩

22、短直至消失；而阴极暗区和负辉光区不受影缩短直至消失；而阴极暗区和负辉光区不受影响。响。辉光放电（辉光放电（glow dischargeglow discharge）小结）小结1 1定义：气体在低气压状态下的一种自持放电。对玻定义：气体在低气压状态下的一种自持放电。对玻璃圆柱状放电管两端施加电压，当压力处于璃圆柱状放电管两端施加电压，当压力处于1 10.10.1托的范围时，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞托的范围时，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离和光电离，此时放电管的大部分区域都呈现弥电离和光电离，此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉，其颜色因气体而异，故称辉光放电。漫的光辉，其颜色因气

23、体而异，故称辉光放电。2 2放电通道：八个区域放电通道：八个区域3 3产生原因：这些光区是空间电离过程及电荷分布所产生原因：这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关，因素有关，4 4主要应用：主要应用：利用它的发光效应（如霓虹灯）和正利用它的发光效应（如霓虹灯）和正常辉光放电的稳压特性常辉光放电的稳压特性( (如氖稳压管如氖稳压管) )。利用辉光利用辉光放电的正柱区产生激光的特性，制做氦氖激光器。放电的正柱区产生激光的特性，制做氦氖激光器。 等离子体：具有一定导电能力的气体。由正离子、电等离子体：具有一定

24、导电能力的气体。由正离子、电子、光子及原子、原子团、分子和它们的激发态所子、光子及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。（电子是其导电过程中的主要载组成的混合气体。（电子是其导电过程中的主要载流子）流子）特点：正、负带电粒的数目相等，宏观呈现电中性。特点：正、负带电粒的数目相等，宏观呈现电中性。辉光放电属于等离子体中粒子能量和密度较低、放电辉光放电属于等离子体中粒子能量和密度较低、放电电压较高类型。电压较高类型。其特点：质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和其特点：质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于电子的能量，是一种非热平原子团的能量远远低于电子的能量，是一

25、种非热平衡状态的等离子体。衡状态的等离子体。等离子体鞘层：是电子与离子具有不同速度的一个直等离子体鞘层：是电子与离子具有不同速度的一个直接后果。即任何处于等离子体中的物体相对于等离接后果。即任何处于等离子体中的物体相对于等离子体来讲都呈现出负电位，并且在物体的表面附近子体来讲都呈现出负电位，并且在物体的表面附近出现正电荷积累。出现正电荷积累。5.3.2 5.3.2 辉光放电中的碰撞过程辉光放电中的碰撞过程 等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞 维持气体放电的主要微观机制。维持气体放电的主要微观机制。弹性碰撞：总动能不变，粒子内能不变。不会造成气体分子

26、的弹性碰撞：总动能不变，粒子内能不变。不会造成气体分子的电离。电离。非弹性碰撞：部分电子动能转化为粒子的内能。非弹性碰撞：部分电子动能转化为粒子的内能。 - - 维持自持放电过程的主要机制。维持自持放电过程的主要机制。电离过程电离过程 使电子数目增加，放电过程继续；使电子数目增加，放电过程继续； e e- -+Ar+Ar ArAr+ +2e+2e- - 反过程为复合过程反过程为复合过程激发过程：激发过程： e e- -+O+O2 2 O O2 2 * *+e+e- - 分解反应分解反应分子被分解成为两个反应基团。分子被分解成为两个反应基团。 e e- -+CF+CF4 4 CFCF3 3 *

27、*+ F + F * *+ e+ e- - 5.3.3 射频辉光放电射频辉光放电特点：特点：（1）电场周期性的改变方向，使带电粒子不易到达）电场周期性的改变方向，使带电粒子不易到达电极和器壁而离开放电空间，减少了带电粒子的损电极和器壁而离开放电空间，减少了带电粒子的损失；低电场可维持放电；二次电子发射不再是气体失；低电场可维持放电；二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。击穿的必要条件。（2）电极可以是导体，绝缘体。）电极可以是导体，绝缘体。激发源：激发源：（1）E型放电型放电用高频电场直接激发；用高频电场直接激发；（2）H型放电型放电用高频磁场感应激发。用高频磁场感应激发。5.4 溅射溅射v原

28、理：气体辉光放电产生等离子体，原理：气体辉光放电产生等离子体， 具有能量的离子轰击靶材，具有能量的离子轰击靶材， 靶材原子获得能量从靶表面逸出靶材原子获得能量从靶表面逸出-被溅射出，被溅射出， 溅射原子淀积在表面。溅射原子淀积在表面。v特点：被溅射出的原子动能很大，特点：被溅射出的原子动能很大，10-50eV； （蒸发：（蒸发：0.1-0.2eV） 还可实现离子注入。还可实现离子注入。v优点：台阶覆盖好（迁移能力强），附着力得到改优点：台阶覆盖好（迁移能力强），附着力得到改善。善。5.4.1 溅射特性溅射特性1.溅射阈值溅射阈值判断发生溅射现象的值。判断发生溅射现象的值。1030eV。 主要取

29、决于靶材料本身的特性。主要取决于靶材料本身的特性。2.溅射率溅射率S溅射产额，表示正离子轰击作为阴极的靶溅射产额，表示正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目。材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目。 S=被溅射出的原子数被溅射出的原子数/入射离子数入射离子数（1） S与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系 图图5.12 随着入射离子能量的随着入射离子能量的，S S先先，接着是一个平缓，接着是一个平缓区；当区；当离子能量继续离子能量继续， SS（发生离子注入）（发生离子注入）（2） S与入射离子种类的关系与入射离子种类的关系 图图5.13依赖于：依赖于： a)

30、入射离子原子量入射离子原子量， S ； b)入射离子原子序数，随其周期性变化。入射离子原子序数，随其周期性变化。 电子壳云填满的元素，电子壳云填满的元素， S最大。最大。 一般选氩为工作气体，原因：惰性气体一般选氩为工作气体，原因：惰性气体S最高，可避免最高，可避免与靶材起化学反应。与靶材起化学反应。（3） S与被溅射物质的种类的关系与被溅射物质的种类的关系即随靶材元素的即随靶材元素的原子序数呈周期性变化。原子序数呈周期性变化。（4） S与离子入射角的关系与离子入射角的关系 图图5.14 入射角入射角离子入射方向与被溅射靶材表面法线间夹角离子入射方向与被溅射靶材表面法线间夹角 , S, S以以

31、1/cos1/cos规律规律，当，当接近接近8080时，时， S S迅速迅速 其他因素：靶温、靶的晶格结构、靶的表面情况、溅射压强、其他因素：靶温、靶的晶格结构、靶的表面情况、溅射压强、升华热的大小升华热的大小3.溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度具有的特点：具有的特点：（1）靶材上：重元素）靶材上：重元素被溅射出原子有较高逸出被溅射出原子有较高逸出能量能量 轻元素轻元素被溅射出原子有较高逸出被溅射出原子有较高逸出速度速度（2）不同靶材料，不同的原子逸出能量。）不同靶材料，不同的原子逸出能量。S高的靶材，高的靶材，原子平均逸出能较低。原子平均逸出能较低。（3）相同轰击能量，原子逸出能量随

32、入射离子质量线）相同轰击能量，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻的入射离子较低（性增加，轻的入射离子较低（10eV），重的较大），重的较大（3040eV）（4）溅射原子的平均逸出能量随入射离子能量的增加）溅射原子的平均逸出能量随入射离子能量的增加而增加。而增加。1keV（5）倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。）倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。5.4.2 溅射方法溅射方法v直流、射频、磁控、直流、射频、磁控、反应、离子束、偏压等溅反应、离子束、偏压等溅射；射；1.直流溅射直流溅射 v溅射靶：阴极溅射靶：阴极v衬底：阳极（接地）衬底：阳极（接地）v工作气体：工作气体：Ar气气v要求：

33、靶材导电性好要求：靶材导电性好v特点：只适于金属靶材特点：只适于金属靶材2. RF溅射溅射原因：原因：高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室。高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室。 可在靶材上产生自偏压效应可在靶材上产生自偏压效应即在射频电场起作用即在射频电场起作用 时，时，靶材会自动处于一个负电位，导致气体离子对其产生自发的靶材会自动处于一个负电位，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。轰击和溅射。特点：适于各种金属与非金属靶材。特点：适于各种金属与非金属靶材。v避免每个电极产生自偏压效应办法：加大非溅射电避免每个电极产生自偏压效应办法：加大非溅射电极的极面面积。极的极面面积。v具体做法：将样

34、品台、真空室器壁与地电极并联在具体做法：将样品台、真空室器壁与地电极并联在一起，形成一个面积很大的电极。一起，形成一个面积很大的电极。v注意：射频溅射中，交流频率不能太低。注意：射频溅射中，交流频率不能太低。3.磁控溅射磁控溅射v原理：磁场在靶材表面与电场垂直，电子沿电场方原理：磁场在靶材表面与电场垂直，电子沿电场方向加速、绕磁场方向螺旋前进，提高了电子碰撞效向加速、绕磁场方向螺旋前进，提高了电子碰撞效率，从而也提高了原子的电离几率。率，从而也提高了原子的电离几率。v特点：淀积速率最高；工作气体压力较低。特点：淀积速率最高；工作气体压力较低。磁控溅射磁控溅射4.反应溅射反应溅射利用化合物直接作

35、为靶材。利用化合物直接作为靶材。 特点：可实现多组分的薄膜淀积。特点：可实现多组分的薄膜淀积。 利用的化合物主要包括：利用的化合物主要包括：（1）氧化物：）氧化物：Al2O3,SiO2,In2O3,SnO2等等;（2）碳化物：）碳化物：SiC,WC,TiC等等;（3）氮化物：）氮化物：TiN,AlN, Si3N4等等;（4）硫化物：）硫化物：CdS,ZnS,CuS等等;（5）各种复合化合物。）各种复合化合物。避免化合物在溅射过程中发生分解避免化合物在溅射过程中发生分解（1）调整溅射室内的气体组成和压力，限制化合物分解过程）调整溅射室内的气体组成和压力，限制化合物分解过程的发生。的发生。（2）纯

36、金属作为靶材，在工作气体中混入适量的活性气体）纯金属作为靶材，在工作气体中混入适量的活性气体（O2,NH3, CH4 , H2S ）,在溅射淀积同时生成特定化合物，在溅射淀积同时生成特定化合物，一步完成从溅射、反应到多组分薄膜淀积的多个步骤。一步完成从溅射、反应到多组分薄膜淀积的多个步骤。5.偏压溅射偏压溅射在衬底与靶材间施加一定大小的偏置电压，以改在衬底与靶材间施加一定大小的偏置电压，以改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量的方法。变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量的方法。偏压作用下：偏压作用下：使带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子在薄膜表面的扩使带电粒子对表面的轰击可以提高淀积原子

37、在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和成膜能力散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和成膜能力抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等。抑制柱状晶生长和细化薄膜晶粒等。可改变薄膜中气体含量。可改变薄膜中气体含量。6.接触孔中薄膜的溅射淀积接触孔中薄膜的溅射淀积存在问题：存在问题：衬底表面和接触孔上表面的拐角处，淀积速率最高；衬底表面和接触孔上表面的拐角处，淀积速率最高；接触孔侧壁，淀积速率适中；接触孔底角，淀积速率最低。接触孔侧壁，淀积速率适中；接触孔底角，淀积速率最低。导致结果：侧壁膜厚从上到下导致结果：侧壁膜厚从上到下逐逐渐减小；表面形成减小；表面形成悬梁造成梁造成底角底角处形成明形

38、成明显的凹槽。如的凹槽。如图5.21所示。所示。原因：溅射原子原因：溅射原子发生碰撞；发生碰撞； 遵守余弦分布。遵守余弦分布。应用：形成金属互连层。应用：形成金属互连层。对薄膜的要求：各处薄膜都应保持适当的厚度。对薄膜的要求：各处薄膜都应保持适当的厚度。实现办法：实现办法：采用带有准直器的溅射淀积方法。采用带有准直器的溅射淀积方法。缺点：淀积速率降低，成本增加。缺点：淀积速率降低，成本增加。长投准直溅射技术长投准直溅射技术如同只有一个孔的准直器。如同只有一个孔的准直器。特点：靶与硅片间距离长（特点：靶与硅片间距离长（2530cm）；低压下产生）；低压下产生等离子体等离子体优点：能改善接触孔底部覆盖效果。优点：能改善接触孔底部覆盖效果。有待解决的问题：有待解决的问题： 溅射会导致反应室室壁表面凝结溅射会导致反应室室壁表面凝结靶材料的原子，形成污染；靶材料的原子，形成污染； 远离硅片中心的通孔远离硅片中心的通孔存在台阶覆盖的不对称性；存在台阶覆盖的不对称性； 低压下获得等离子体低压下获得等离子体较难。较难。