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溅射薄膜沉积⊙薄膜在基片上形成的厚度从单原子层到约5μm的物质。----特点：具有不同于固体块材的表面效应。⊙各种沉积薄膜的技术⊙溅射产生背景：辉光放电，异常辉光放电中，放电装置壁沉积导电薄膜。⊙定义：荷能粒子轰击固体材料，使材料以原子状态从表面逸出的现象。荷能粒子：离子、原子或分子（电子？）表面作用：溅射----唯一?⊙溅射历史●1853年：法拉第气体放电实验，发现沉积现象，但没有引起重视。●1902年：证实膜是正离子轰击阴极的溅射产物●1960：Bell实验室溅射沉积IC中Ta膜●1965年：IBM采用rf溅射沉积绝缘膜●1969年：三级溅射●1974年：平面磁控溅射⊙溅射产生条件：被轰击物质-----任何物质入射粒子阈能---克服结合力，结合能⊙溅射产生过程：入射离子----碰撞靶原子----原子离位----级连碰撞----到达表面----离开表面溅射阈能：引起靶材原子发生位移的入射粒子的最小能量入射原子靶材He+Ar+K+Xe+入射原子靶材He+Ar+K+Xe+Be12151515Mo24242827AI13131518Rh25242525TI22202728Pd20202015V21232528Ag12151517Cr22221820Ta25263030Fe22202523W35333030Co20252222Re35352530Ni23212520Pt27252222Cu17171615Au20202018Ge23252218Th20242525Zr23221825U20232522Nb27252632⊙溅射阈能特点：与靶材、入射有关。主要决定于靶材。⊙溅射产额（溅射率）---为一个入射离子所溅射出材料原于的数目。---影响溅射产额的因素：（1）离子能量----能量可分三个区域：(a)低能区（低于溅射阈能）---没有或很少溅射。(b)中等能量区（溅射阈能Ei10keV）---溅射率随离子能量增加而迅速增加(c)高能区----溅射产额缓慢增加，而后降低（？）（2）轰击离子的入射角---入射离子与靶材法线的夹角〖问题〗--在实际应用中如何提高利用最佳入射角提高溅射率？--离子束--等离子体鞘层除Pt外，随角度变化存在最大值----最佳入射角。(3)入射离子种类的影响特点：---溅射产额随离子的原子序数发生周期性变化----随原子序数的增加而增大原因：在元素周期表的每一排中，电子壳层填满的元素，它的离子引起的材料溅射产额最大，而居中部位的元素，例如AI、Ti、Zr相Hf,离子溅射产额较小。惰性气体离子:较大的溅射产额避免与靶材发生化学反应(4)靶材特点：相量的离子轰击不同靶材，溅射产额随靶材原子序数也呈周期性变化。原因：与靶元素原子电子壳层的填充程度等情况有密切关系。溅射产额与被溅射原子有关造成的结果---选择溅射对于多原子固体靶，溅射前后固体表面的组分发生变化-----所薄膜的成分与靶材有偏差。⊙溅射粒子的状态：中性：≥90%离子：≤10%⊙溅射原子的能量关心原因：决定溅射沉积薄膜的性质。----能量分布12000VKr原子轰击不同靶材逸出原子的能量分布AgPtZr----结论：(1)在相同能量相同元素离子的轰击下，溅射原子的平均逸出能随靶材的原子序数增加。（2）溅射产额低的靶材具有较低的平均逸出能量。(3)平均逸出能随入射离子的原子序数增加。(4)平均逸出能量随入射离子能量的变化：小于1keV---平均逸出能量近似随入射离子能量线性增加；大于1keV---溅射原子的平均逸出能逐渐趋向稳定。⊙溅射原子的角向分布结论：近似余弦分布-----垂直方向，凹陷--不满足蒸发溅射模型出射方向与晶体结构有关，原子排列紧密的方向是逸出粒子的主要方向⊙溅射机理---热蒸发机制：离子轰击在靶表面产生局部高温--靶物质原子蒸发。矛盾：溅射粒子角度分布非余弦性；溅射率与入射离子质量有关；溅射率与入射离子角度变化；---动量传递模型：入射离子将动能传递给原子。⊙各种溅射沉积装置---直流二极溅射设备--位形（图）---工作区域：异常辉光（？）---气体：氩气（氦气？）---气压：l---20Pa。---溅射靶：做阴极，加负电压。---基片电极：做阳极，接地。可加热。---靶与基片之间的距离：大于阴极暗区厚度（依据？）⊙溅射沉积的功率效率功率效率=2/mincmWA金属膜：最佳沉积电压区约600V.103102离子能量（溅射电压）功率效率104“无功”损耗大：光子、x射线、二次电子、靶加热溅射产额低优点：设备简单沉积均匀沉积温度低于蒸发镀成分控制范围大可沉积化合物、难熔金属膜基结合力大于蒸发镀膜缺点：基片温度仍然较高（？）沉积速率低薄膜致密度低不能沉积绝缘薄膜、或在绝缘基底上沉积薄膜。应用：较少----等离子体磁控溅射----磁控溅射设备结构：----直流磁控溅射靶结构（平面、圆柱靶）：---电子运动方式：EXB漂移----沿封闭漂移轨道运动(图)影响：电子约束↗---〉电子寿命↗---〉电离几率↗---放电电流↗等离子体密度↗---〉放电电压↘---薄膜损伤↘优点：沉积速率高薄膜损伤低基片温升低（？）—〉低温沉积---〉光电子、超晶格结构。薄膜致密度高（？）ionpumpimgeffect缺点：沉积均匀性（？见图）靶材利用率低（？）基片附近的等离子体密度仍然较低---〉沉积速率有待提高不能进行绝缘沉积（阳极消失、弧放电、基片打火）提高靶材利用率的方法：（1）改善磁场位形---〉提高靶面水平磁场的均匀性；（2）运动靶、智能调节磁场---软铁垫片，改变磁场位形---电磁线圈智能调节磁场---扫描磁场---旋转靶材（图）---旋转磁铁（图）圆柱形旋转靶示意图旋转靶基片法拉第屏蔽圆柱形旋转磁铁溅射靶示意图旋转靶基片法拉第屏蔽旋转磁铁应用程度：广泛商用---金属膜。----射频等离子体溅射靶位形：基本同直流磁控溅射----〉新问题：射频绝缘更为困难---〉屏蔽。优点：等离子体电离率高---〉薄膜致密性好可沉积绝缘薄膜缺点：磁控放电的一般缺点装置结构相对复杂放电控制相对困难电源成本高应用程度：广泛商用---〉绝缘膜。---中频磁控溅射--开发原因：(1)绝缘膜的重要应用----SiO2,Al2O3,TiO2,MgO,ZrO(2)射频磁控溅射存在缺点：（a）射频溅射对设备要求严格；(屏蔽、匹配)（b）电源成本较高。(元件)（c）相同功率下，溅射率随频率增加而降低频率：60kHz80kHz500kHz13.56MHz溅射率100%85%、70%55%---中频：104～104---装置构成：中频磁控溅射沉积装置示意图进气基片架质量流量计中频电源屏蔽均流环靶压电阀---装置性能：研究实验表明，沉积薄膜性能优良。----问题：（1）靶面状态控制（金属、氧化、过渡）金属态：沉积速度高，薄膜贫氧氧化态：沉积速率低，薄膜富氧过渡态：中间态----〉沉积速率较高，薄膜质量好-------沉积工艺区金属态---〉氧化态过渡说明：氧气流量增加---〉靶面上形成氧化物---〉①溅射产额降低（？）---〉沉积速率降低②二次电子发射系数增加---〉能量消耗于二次电子加速---〉入射离子能量降低---〉溅射产额降低---〉沉积速率降低期望的工艺：靶面---金属态---〉氧气少基片处---氧化充分---氧气足够矛盾？解决方法（1）：阻塞气体法（图）缺点：（a）需要经常拆洗删网；（b）颗粒污染----微波等离子体溅射解决方法（2）脉冲进气法：通过控制压电阀的通断来控制反应气体的注入：在靶面发生不可逆转的中毒之前,切断反应气体的注入,并保证在关闭时段内能溅射去除掉靶面上形成的化合物层。因此靶的工作状态是不断地在金属溅射模式和反应溅射模式之间来回切换,即工作在迟滞回线的拐点区域。脉冲进气控制沉积的示意图阀关断阀进气----问题：（2）反应溅射中的靶“中毒”与打火---“中毒”：表面沉积绝缘物（氧化物）---〉绝缘层分压---阴极压降降低----放电熄灭---打火：靶绝缘层积累电荷---绝缘层两端电压增加---局部绝缘层击穿-------靶电流急剧增加-----局部弧放电（电源内阻小时）----造成的危害：（a）颗粒污染（局部高温蒸发）；（b）靶使用寿命降低；（c）沉积稳定性：保护性切断后，系统不能恢复到原态（迟滞效应）----抑制弧放电（打火）的方法：----降低电荷积累ibbJET0沉积SiO2薄膜的典型值：Ji=1mA/cm2,ε=3.7,Eb=3×105VˆcmTb100μs因此SiO2绝缘膜上正电荷释放的频率必须大于10kHz。----〉中频电源频率大于10kHz，考虑到溅射率随频率的关系：选10-80KHz.----脉冲溅射：-----中频反应溅射大规模应用一例显示管屏表面镀覆抗静电减反膜----非平衡磁控溅射技术传统平衡磁控溅射的缺点：电子被约束在溅射靶附近，基片表面的等离子体密度低---(a)不能沉积期望的薄膜（TiN/TiNb）（b）薄膜沉积速率低(c)离子轰击强度低，薄膜致密度仍然低，膜基结合力弱解决思路：将溅射靶附近的等离子体推向基片解决方法：非平衡磁控溅射j1985年B.Window开发；将磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱------磁场分布的非平衡----水平磁场分量电子，维持稳定的磁控溅射放电，同时电子沿着强磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，向基片运动。----基片附近等离子体密度增加（磁推动电子+新增电离电子）----薄膜沉积速率增加，离子轰击增强----薄膜致密度、膜基结合力提高应用：已推出商业机---四靶闭合磁场的非平衡磁控溅射装置----等离子体增强磁控溅射增强原因：磁控溅射放电的电离率仍然偏低，需要另加放电增强电离。增强原则：高电离等离子体放电---〉ECR,ICP,Helicon???