离子溅射镀膜法

第五章、离子溅射镀膜第一节溅射的定义用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空中，这种现象称为溅射。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10-1~10-2Torr，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)。暗光放电汤逊放电过渡区正常放电弧光放电非自持放电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: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2eAeA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；溅射原子的联级碰撞示意图第二节溅射机制(1)从单晶靶材逸出的原子，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1.溅射阈值：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，20~40eV。溅射参数：溅射阈值，溅射产额(溅射率)，沉积速率，溅射原子的能量第三节溅射参数S被击出靶的原子数轰击离子数薄膜的沉积速率与溅射产额（SputteringYield）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（SputteringYield）1/221(/)0.042()[1()]thnsEMMSSEUE经验公式：US为表面结合能，(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。2.溅射产额S影响溅射产额的因素：靶材料（靶表面原子结合能）；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3.溅射原子的能量分布原子数原子能量能量为80~1200eV的离子轰击下，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。rICQ4.沉积速率第四节入射离子和固体表面相互作用引起的各种效应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5—20eV。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。第五节入射离子与靶材之间有很大能量的传递第六节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)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第七节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1.直流溅射（双极型）直流溅射沉积装置示意图电压约1－5kV，出射原子的速率约3-6x105cm/s，能量约10-40eV，到达基板的原子能量约1-2eV。已很少用，主要因为沉积速率太低~0.1mm/min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。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。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(10~2Torr)，高真空泵不起作用；2)沉积速率低；3)基片升温高；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1)射频频率：13.56MHz；2)电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压；3)射频溅射可制备绝缘介质薄膜；4)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BVmedtdV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10-310-4Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作用，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）在溅射气体中加入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,CuS4.反应性气体溅射（ReactiveGasSputtering）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：eAP/(,)PeAdndtkeTnnTi靶；靶电压415~430V；靶-基片距离13cm；溅射气体N2/Ar或N2；总压强0.47Pa；沉积率~1mm/h非搀杂Si靶；溅射气体O2/Ar；靶-基片距离8cm；溅射压强0.7～2Pa；溅射功率3.0kW；基片温度为室温；薄膜中磷含量可达3x1021cm-3，且可由坩锅温度和溅射气体压强控制。反应溅射的实例5.离子束溅射工作压强低，溅射粒子被散射少，基片远离粒子发生过程；凝聚粒子能量较高，利于扩散。增加了控制自由度：可改变离子束方向及基片方向，可独立控制离子束能量和电流。轰击到的靶面积小，沉积率较低，不适合沉积厚度均匀的大面积薄膜HgCdTe6.离子镀在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。1产生辉光；2蒸发离化；3被加速；4沉积成膜与蒸发，溅射的比较增加了对沉积束团的控制；与基片结合良好；在低温下可实现外延生长；形貌可变；可合成化合物；可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散(1)离子镀的优点(2)离子镀过程中的离化率问题离子镀是在等离子体内，蒸发或溅射的原子部分或大部分被离化的情况下进行沉积的。离化率即被电离的原子占全部蒸发原子的百分比。二极型：0.1~2%射频：10%(3)离子镀的粒子绕射性①离子镀的工作气压约10-1Pa，比普通的真空蒸镀10-4高，所以蒸发原子的平均自由程低，散射严重，所以绕射性好。②在气体放电的离子镀中，沉积粒子呈现正电性，从而受到处于负电位的基片的吸引作用。离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。(4)离子镀的类型和特点1－阳极2－蒸发源3－进气口4－辉光放电区5－阴极暗区6－基片7－绝缘支架8－直流电源9－真空室10－蒸发电源11－真空系统①直流二极型离子镀②直流三极型1－阳极2－进气口3－蒸发源4－电子吸收极5－基片6－热电子发射极7－直流电源8－真空室9－蒸发电源10－真空系统1/23()(%)2.210cJMTP③阴极电弧等离子体沉积离化率高，离化的离子动能高(40-100eV)。可沉积复杂形状基片，沉积率高，均匀性好，基片温度低，易于制备理想化学计量比的化合物或合金。④射频放电离子镀1－溶化坩埚2－热电偶3－基片支持架(阴极)4－真空室5－基片6－RF线圈7－匹配箱8－同轴电缆9－高频电源10－加速用直流电源11－蒸发电源12－真空系统13－真空计14－调节阀15－反应气体入口⑤离子束辅助沉积类型粒子荷电性能量（eV）沉积速率绕射性基片负荷蒸发中性0.10.3高差接0溅射中性310低差接0或负偏压离子镀带正电10100高好接负第八节蒸发、溅射和离子镀特点比较（三）溅射镀膜的特点相对于真空镀膜，溅射镀膜具有如下特点：对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射；溅射所获得的薄膜与基片结合较好；溅射所获得的薄膜纯度好，致密性好；溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜；缺点是：沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照等作用而产生温升。（三）磁控溅射自从20世纪70年代初磁控溅射技术诞生以来，磁控溅射技术在高速率沉积金属、半导体和介电薄膜方面已取得了巨大进步。与真空蒸发、传统溅射镀膜相比，磁控溅射除了可以在较低压强下得到较高的沉积率以外，它也可以在较低的基片温度下获得高质量薄膜。1、磁控溅射装置570型磁控溅射装置如图2.6所示。系统的极限真空优于2×10-5Pa，具有多靶位、多基片的特点，共有八个基片位置，采用循环水冷却靶材，其中有三个直流靶和二个射频靶。该溅射装置的特点是靶与基片之间的距离可调范围大（3~15cm），靶可以自由升降，适合制备氮化物膜、氧化物膜、金属多层膜等。在制备薄膜的过程中由计算机控制，可以有效地控制薄膜的厚度及制膜时间。图2.6570型高真空磁控溅射沉积系统示意图2、磁控溅射工作原理利用辉光放电可以进行直流二极溅射，在冷阴极辉光放电中，由于离子轰击会从阴极表面放出二次电子，这些二次电子在电场的作用下被加速，并在运动过程中与气