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第三章溅射镀膜技术溅射现象是一百多年前格洛夫（Grove）发现的。溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或者分子从表面射出的现象。溅射原子轰击出来的粒子大多数呈原子状态荷能粒子电子、离子（入射离子）或中性粒子溅射可以镀膜，也可以进行刻蚀。溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。目前已广泛应用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质、化合物半导体、碳化物、氮化物及超导薄膜。☀溅射镀膜的特点☀溅射的基本原理辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理☀溅射镀膜的类型二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射☀溅射镀膜厚度的均匀性本章主要内容3.1溅射镀膜的特点溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；金属、半导体、绝缘体等，块状、颗粒状组分相近的、均匀的合金膜、化合物膜、成分复杂的超导膜组分完全不同化合物薄膜溅射薄膜与衬底的附着性好；溅射原子的能量较高，高能粒子淀积在基板上进行能量交换，产生较高的热能，增加了溅射原子与基板的附着力；溅射原子会产生注入现象，在基板上产生伪扩散层；基板始终处于等离子区中被清洗和激活，不牢固的淀积原子被清除，净化且活化基板表面。溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；膜层厚度可控性和重复性好。溅射镀膜时的放电电流和靶电流可以分别控制，通过控制靶电流可以控制膜厚。溅射镀膜的缺点：溅射设备复杂，需要高压装置；成膜速率较低（0.01-0.5m）。3.2溅射的基本原理——辉光放电溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。放电方式：直流二极溅射——直流辉光放电三极溅射——热阴极支持的辉光放电射频溅射——射频辉光放电磁控溅射——环状磁场控制下的辉光放电★辉光放电直流辉光放电辉光放电是在真空度约10～1Pa的稀薄气体中，两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定律描述。3.2溅射的基本原理——辉光放电无光放电区（AB）由于宇宙射线产生的游离离子和电子，当在两极间加上直流电压，游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，10-16-10-14A。由于此区域导电但不发光，因此称为无光放电区。自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小。3.2溅射的基本原理——辉光放电3.2溅射的基本原理——辉光放电汤森放电区（BC）随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离，电离为正离子和电子，再被电场加速，再电离，使电流平稳地增加。于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。由于受到电源的高输出阻抗限制，电压呈一常数。电流可在电压不变的情况下增大。上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。3.2溅射的基本原理——辉光放电过渡区CD过C点后，发生“雪崩点火”，离子轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极产生更多的二次电子，大量的离子和电子产生后，放电达到自持，气体被击穿，开始起辉，两极间电流剧增，电压迅速降低，放电呈现负阻现象。3.2溅射的基本原理——辉光放电正常辉光放电区（DE）继续增加电源功率，在D点以后，电流平稳增加，电压维持不变，此时两极板间出现辉光。DE区域叫做正常辉光放电区。在此区域，放电自动调整阴极轰击面积。开始轰击不均匀，主要集中在靠近阴极边缘上，或在表面其他不规则处。随着功率不断增大，轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。正常辉光放电区DED点之后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压不变，电流平稳增加，此时两极板间出现辉光。在此区域，放电自动调整阴极轰击面积。最初轰击不均匀，主要集中在靠近阴极边缘处，或在表面其它不规则处。随着电源功率增大，轰击面积逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。这时电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电也能继续。电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关）电流密度的大小与阴极材料、气体压强和种类，阴极的形状有关。电流密度不高（溅射选择非正常放电区）3.2溅射的基本原理——辉光放电异常辉光放电区（EF）当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。特点：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有关。阴极表面情况：此时辉光布满整个阴极，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，使正离子有更大的能量轰击阴极，使阴极更多的二次电子才行。3.2溅射的基本原理——辉光放电弧光放电区(FG)异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁；损害电源。起辉电压V由巴邢定律知，在气体成分和电极材料一定的情况下，起辉电压V只与气体压强P和电极距离d的乘积有关。Vmin3.2溅射的基本原理——辉光放电若气体P太低或电极间距d太小，二次电子在到达阳极前不能使气体分子被碰撞电离，无法形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。若气体P太高或电极间距d太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速，也会使辉光放电熄灭。3.2溅射的基本原理——辉光放电辉光的产生：众多的电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激跃迁到高能态，而后又衰变到基态并发射光子，大量的光子形成辉光。当电源功率增加，形成辉光放电时，阴阳两极间明暗光区的分布情况，以及暗区和亮区对应的电位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。阿斯顿暗区冷阴极发射的电子能量很低，约1eV左右，很难与气体发生碰撞电离，所以在阴极附近形成一个黑暗的区域，称为阿斯顿暗区。使用氩、氖之类气体时这个暗区很明显。对于其它气体，这个暗区很窄，难以观察到。阴极辉光区电子通过阿斯顿暗区后，在电场的作用下获得了足够的能量，与气体发生碰撞，激发态的气体分子衰变与进入该区的离子复合而形成中性原子放出辉光，形成阴极辉光区。克鲁克斯暗区随电子加速获足够能量，穿过阴极辉光区时与正离子不易发生复合，从而形成又一个暗区，叫做克鲁克斯暗区。暗区的宽度与电子的平均自由程有关。负辉光区随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。正离子移动速度慢，产生积聚，电位升高；与阴极之间的电位差成为阴极压降。电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，与正离子复合几率增加，形成明亮的负辉光区。法拉第暗区经过负辉光区后，大多数动能较大的电子因碰撞都已丧失了能量，少数电子穿过负辉光区，形成暗区。正离子柱法拉第暗区过后，少数电子逐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。此区域电压降很小，类似一个良导体。辉光放电阴极附近的分子状态3.2溅射的基本原理——辉光放电从阴极发射的低能电子不能与气体分子碰撞电离，形成靠近阴极的阿斯顿暗区。电子经过阿斯顿暗区被加速后，使气体分子激发，激发的气体分子发出固有频率的光，成为阴极辉光。电子进一步加速，使气体电离产生大量的离子和低速自由电子，该区域不发光，为克鲁克斯暗区。所形成的低速电子加速后，又激发气体分子使之发光，形成负辉光区。与溅射现象有关的问题：在克鲁克斯暗区周围形成的正离子冲击阴极；电压不变而改变电极间距时，主要发生变化的是阳极光柱的长度，而从阴极到负辉光区的距离几乎不变。其主要原因是两电极之间电压的下降几乎都发生在阴极到负辉光区之间。溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于阴极与负辉光区的距离。3.2溅射的基本原理——辉光放电低频辉光放电在低于50kHz的交流电压条件下，离子有足够的时间在每个半周期内，在各个电极上建立直流辉光放电，称为低频直流辉光放电。基本原理与特性与直流辉光放电相同。3.2溅射的基本原理——辉光放电射频辉光放电射频辉光放电的重要特征：•在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离；因而，减少了放电对二次电子的依赖，并降低了击穿电压；•射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要一定是导体。在一定气压下，阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率(300KHz～30GHz)，将产生射频辉光放电。3.2溅射的基本原理——辉光放电在5-30MHz的射频溅射频率下将产生射频放电。电子的质量小，会随着外电场从射频场中吸收能量而在场内作振荡运动。增加了与气体分子的碰撞几率，并使电离能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降低（仅为直流辉光放电的十分之一）；射频辉光放电可以在较低的气压下进行，直流辉光放电常在10-1-10-2Pa运行。正离子的质量大，运行速度低，跟不上电源极性的改变，可认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。溅射的基本原理——溅射特性★溅射参数表征溅射特性的参数1、溅射阈值2、溅射率及其影响因素3、溅射粒子的速度和能量分布4、溅射原子的角度分布5、溅射率的计算1、溅射阈值溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量。溅射阈值的大小与离子质量之间无明显关系，主要取决于靶材料。对于处于周期表中同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数增加而减小。溅射的基本原理——溅射特性溅射的基本原理——溅射特性对绝大多数金属靶材，溅射阈值为10~30eV溅射的基本原理——溅射特性2、溅射率溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数。S溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。(1)靶材料溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料，得到的溅射率不同。溅射率呈周期性变化，随靶材料元素的原子序数的增大而增加。溅射的基本原理——溅射特性参见表3-2六方晶格结构和表面污染的金属比面心立方和清洁表面的金属的溅射率低升华热大的金属比升华热小的金属的溅射率低溅射的基本原理——溅射特性（2）入射离子能量入射离子的能量对溅射率有显著的影响。当入射离子的能量高于某个定值时，才会发生溅射。入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域，指数上升区；S∝E2（E100eV）；线性增大区；S∝E（E数百eV）；下降区;S∝E1/2（E=10-100keV）；存在溅射阈值，阈值能量一般为20~100eV。当入射离子的能量小于这个阈值时，没有原子溅射出来。一般当入射离子能量为1~10keV时，溅射率可达到最大值。最大值入射离子的能量（E/ev）S阈值溅射的基本原理——溅射特性（3）入射离子种类溅射率依赖于入射离子的种类。靶材中不同成分的溅射率不一样.入射离子的原子量越大，溅射率就越高。溅射率随入射离子的Z周期性变化而变。同一周期中凡闭合电子壳层的元素溅射率最大，所以惰性气体的溅射率最高。溅射率与入射离子的原子序数的关系溅射的基本原理——溅射特性（4）入射离子的入射角入射角：离子入射方向与被溅射靶材表面法线间的夹角。随入射角的增大溅射率逐渐增大。在0~60°间相对溅射率基本服从1/cosθ规律。入射角在60~80°溅射率最大。入射角继续增加，则溅射率减小，90°时溅射率为零。参看书P:72；3-14图溅射的基本原理——溅射特性（5）靶材温度溅射率与被溅射靶材的温度有关。主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。除此之外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、溅射压强等因素有关。降低工作气压和提高溅射率。溅射的基本原理——溅射特性3、溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度也是描述溅射特性的重要参数。溅