溅射镀膜

第三章溅射镀膜/Sputtering表征溅射特性的参量主要有溅射阈值、溅射率，以及溅射粒子的速度和能量等。溅射阈值---是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。溅射阈值的测定比较困难，随着测量技术的进步，目前可以测出低于10-5原子/离子的溅射率。下图是不同种类的入射离子以不同的能量轰击同一钨靶的溅射曲线。三、溅射特性由图可知：不同的入射离子，溅射阈值变化很小。但是不同靶材，溅射阈值变化较明显。也就是说，溅射阈值与粒子质量之间没有明显的依赖关系，而取决于靶材。处于周期表中同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数增大而减小。对于绝大多数金属来说，溅射阈值10~30eV，相当于升华热的4倍左右。下表列出了几种金属的溅射阈值。溅射率——是描述溅射特性的一个最重要物理参量，它表示正离子轰击靶阴极时，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，常用S表示。溅射率与入射离子能量、种类、角度及靶材的类型、晶体结构、表面状态、升华热大小等因数有关，单晶靶材还与表面取向有关。（1）S与入射离子的能量的关系入射离子的能量大小对溅射率影响显著。当入射离子能量高于某一个临界值（溅射阈值）时，才发生溅射。下图是溅射率与入射离子能量之间的典型关系曲线。由图可知：溅射最初随轰击离子能量的增加呈指数上升，之后出现一个线性增大区，并逐渐达到一个平坦的最大值呈饱和状态。如果再增加E则因产生离子注入效应而使S值开始下降。右图是典型的Ar离子轰击铜时，离子能量与溅射率的关系曲线。图中曲线分三部分：1）没有溅射的低能区；2）能量从70eV-10keV，溅射率随离子能量增大区域；3）能量大于30keV,溅射率随离子能量增加而下降区域。（2）入射离子的种类溅射率依赖于溅射离子的原子量，原子量越大，则溅射率越高。溅射率也与入射离子的原子序数有关，呈现随离子的原子序数周期性变化的关系。在周期表每一排中，凡是电子壳层填满的元素就有最大溅射率。因此惰性气体的溅射率最高，而位于周期表每列中间的元素的溅射率最小，如Al、Ti、Zr、Hf等。所以，一般情况下，入射离子多采用惰性气体。此外，实验表明，在常用的入射离子能量范围内（500~2000eV），各种惰性气体的溅射率大体相同。溅射率与溅射离子原子序数的关系几种气体的电离几率入射离子通常采用Ar气，其原因：1.电离率高，容易起辉；2.惰性气体，不反应；3.价格便宜。（3）靶材料溅射率与靶材料种类的关系可用靶材料元素在周期表中位置来说明。在相同的条件下，用同一种离子对不同元素的靶材料进行轰击，得到不同的溅射率，且溅射率呈现周期性变化，一般规律为随靶材料原子序数的增加而增大。各靶材料元素的溅射率如下图所示。由图可以看出，铜、银、金的溅射率较大；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钨等元素的溅射率较小。此外，实验表明，在用400eV的Xe+离子轰击时，银的溅射率为最大，碳的最小；具有六方晶格结构（如镁、锌、钛等）和表面污染（如氧化层）的金属要比面心立方（如镍、铂、铜、银、金、铝等）和清洁表面的金属溅射率低；升华热大的比升华热小的金属溅射率低；从原子的结构分析上述规律，显然与原子的3d、4d、5d电子层的填充程度有关。溅射靶材溅射靶材（4）入射离子的入射角入射角---是指离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角。下图为Ar离子对几种金属溅射率与入射角的关系曲线。由图可知：随入射角的增大，溅射率逐渐增大，在0~60°之间的相对溅射率基本服从1/cosθ规律，即S(θ)/S(0)=1/cosθ,S(θ)和S(0)分别为θ角和垂直入射时的溅射率。由其典型曲线可知：对不同的靶材和入射离子而言，对应于最大溅射率S值都有一个最佳入射角θm。实验表明，不同的离子加速电压，对入射角值θm也有一定的影响。另外，大量实验表明，不同的入射角θ的溅射率值S(θ)和垂直入射时的溅射率值S(0)，对不同靶材和入射离子种类而言，有以下结果：（1）对于轻元素靶材，S(θ)/S(0)的比值变化显著；（2）重离子入射时，S(θ)/S(0)的比值变化显著；（3）随着入射离子能量的增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐渐增大，但是S(θ)/S(0)的最大值，在入射离子的加速电压超过2kV时，急剧减小。原因如下：首先，入射离子所具有的能量轰击靶材，将引起靶材表面原子的级联碰撞，导致某些原子被溅射。在大角度入射情况下，级联碰撞主要发生在表层，妨碍了碰撞范围的扩展，结果低能量的反冲原子生成率低，致使溅射率低；第二，入射离子以弹性反射方式从靶材反射。这对随后的入射离子有屏蔽阻挡作用与入射角有关，当入射角为60~80°时，阻挡作用最小而轰击效果最好，故此时溅射率呈最大值。（5）靶材温度溅射率与靶材温度的依赖关系，主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。在低温时，溅射率几乎无变化；但是超过某一温度，溅射率急剧增加。原因：与溅射和热蒸发的复合作用有关。下图为用45keV的氙离子轰击几种靶材时，所得溅射率与靶材温度的关系曲线。由图可知：在溅射时，应注意控制靶材温度，防止出现溅射率急剧增加现象的产生。溅射率除与上述因素有关外，还与靶材的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、溅射压强等因素有关。终上所述，为了保证溅射薄膜的质量，提高溅射薄膜的淀积速率，应当尽量降低工作气体的压力，提高溅射率。3、溅射原子的能量和速度溅射原子所具有的能量和速度也是描述溅射特性的重要物理参数。一般由蒸发源蒸发出来的原子能量为0.1eV左右，溅射原子是与高能量的入射离子交换动能而飞溅出来的，所以原子具有较大的能量。一般认为，溅射原子比蒸发原子的能量大1-2个数量级，约为5~10eV，所以，溅射薄膜具有许多优点。溅射原子能量与靶材料、入射离子的种类和能量以及溅射方向性等有关。同一离子轰击不同的材料时，溅射原子平均逸出能量和平均逸出速度分别由下图表示。由图可知：当原子序数在20时，各元素的平均逸出能量差别较大，而平均速度差别较小。同时，不同方向逸出的原子能量分布也是不同的。实验结果表明，溅射原子能量和速度具有以下几个特点:1)重金属靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而轻元素靶材则有高的原子逸出速度；2）不同靶材料具有不同的原子逸出能量，溅射率高的靶材，往往具有较低的平均原子逸出能量；3）在相同轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻入射离子溅射出的原子逸出能量较低，约10eV，而重入射离子溅射出的原子逸出能量较大，可达30~40eV，这与溅射率相似；4）溅射原子的平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，当入射离子的能量增大到1keV以上时，平均逸出能量趋于恒定值；5）在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这符合碰撞过程中动量和能量守恒定律。此外，靶材的结晶取向和晶体结构对逸出能量影响不大。4、溅射原子的角度分布研究溅射原子分布，有助于了解溅射机理和建立溅射理论，在实际应用中有助于控制膜厚的分布。实验结果表明，溅射原子的主要逸出方向与晶体结构有关。对于单晶靶材，最主要的逸出方向是原子排列最紧密的方向，其次是次紧密方向，如对于面心立方晶体而言，主要逸出方向是【110】晶向，其次是【100】、【111】晶向。而半导体单晶材料逸出原子角分布与金属相似，但没有金属那样明显；多晶靶材与单晶靶材溅射原子角分布也不同，对于单晶可以观察到溅射原子明显的择优取向，而多晶靶材显示的是一种类似余弦分布。5、溅射率的表达式溅射率的理论计算必须考虑一下几点：1）确定荷能粒子（入射离子及溅射原子）在表面附近的能量；2）确定由此产生的低能溅射原子数目；3）确定有这些原子到达基板表面的数目；4）确定到达基板表面溅射原子能量超过结合能的粒子数目。综上考虑，可得一般情况下溅射率的计算公式：S=W×105/mIt式中，W为靶材损失量（g），m为原子量；I为离子电流（A）；t为溅射时间（s）。W=RtAd其中，R为刻蚀速率（cm/s）；A为样品面积（cm2）；d为材料密度（g/cm3）.离子电流I=JA式中，J为离子电流密度（A/cm2）。综合上式可得溅射率表达式为：S=(Rd/mJ)×105四、溅射过程溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子形态、溅射粒子向基片的迁移和在基板上成膜过程。1、靶材溅射过程当入射离子在与靶材碰撞的过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过结合能时，靶原子将发生溅射。但是实际上，溅射过程十分复杂，当高能离子轰击固体表面时，还会发生许多效应。2、溅射粒子的迁移过程靶材受到轰击所逸出的粒子中，正离子由于反向电场的作用不能到达基片表面，其余的粒子均会向基片表面迁移。大量中性原子或分子与工作气体发生碰撞的平均自由程为λ1=c1/(v11+v12)式中，c1是溅射粒子的平均速度；v11溅射粒子相互之间平均碰撞次数；v12是溅射粒子与工作气体平均碰撞次数。λ1≈c1/v12v12与工作气体分子的密度n2、平均速度c2、碰撞面积Q12有关，由于溅射粒子的速度远大于气体分子速度，所以可认为v12≈Q12c1n2所以，溅射粒子平均自由程为溅射镀膜的气体压力为101~10-1Pa，此时溅射粒子的平均自由程为1~10cm，因此，靶材与基片的距离应与此值大致相等。否则粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，既降低了靶材原子动能，又增加靶材散射损失。3.溅射粒子成膜过程这里主要叙述靶材粒子入射到基片上沉积成膜过程中应注意的几个问题。1）淀积速率Q-----指从靶材上溅射出来的物质单位时间内淀积到基片上的厚度，表达式为Q=CISC---与溅射有关的特征常数；I---离子流；S---溅射率对于一定的溅射装置和一定的工作气体，提高淀积速率的有效办法是提高离子电流I。但是，在不增高电压的条件下，增加I只有增加工作气体压强。如下图。当压力增高到一定值时，溅射率开始下降。这是由于靶材粒子的背散射和反射引起的。因此，由溅射率来选择气压最佳值是比较恰当的。同时应注意升压对薄膜质量的影响。2）淀积薄膜的纯度为提高淀积薄膜的纯度，必须尽量减少淀积到基片上杂质的量。Pc=PArQc/QAr其中，Pc--残余气体分压；PAr--氩气分压；Qc---残余气体量；QAr---氩气量。因此，欲降低残余气体分压，提高薄膜纯度，可采取提高真空度和增加氩气量这两项措施。3）淀积过程中的污染a、真空室壁和真空室中其他零件可能吸附气体、水汽或CO2。措施：可接触辉光的一切表面在淀积过程中适当冷却或抽气过程中进行高温烘烤。b、溅射气压下，扩散泵抽气效率低，扩散泵油回流现象严重。措施：在系统中利用高真空阀门作为节气阀或将阻尼器与涡轮分子泵结合起来代替扩散泵。c、基片表面的颗粒物质对薄膜的影响是产生针孔和形成淀积污染。措施：淀积前对基片进行彻底清洗。谢谢！