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4.1辉光放电与等离子体4.2物质的溅射现象4.3溅射沉积技术第四章薄膜制备技术-溅射法第四章薄膜制备技术-溅射法溅射法利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶材表面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上形成薄膜。溅射法的分类直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射偏压溅射第四章薄膜制备技术-溅射法溅射镀膜的特点（1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射（2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好（3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好（4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获得厚度均匀的薄膜靶材是需要被溅射的物质，作为阴极，相对阳极加数千伏电压，在真空室内充入Ar气，在电极间形成辉光放电。辉光放电过程中，将产生Ar离子，阴极材料原子，二次电子，光子等。4.1辉光放电和等离子体一、辉光放电的物理基础等离子体等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。作用：1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大部分能量2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属4.1辉光放电和等离子体产生辉光放电通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子）的形式将能量释放出来。不同气体对应不同的发光颜色。4.1辉光放电和等离子体真空室电极高真空泵等离子体RF发生器匹配部件4.1辉光放电和等离子体CHF2radicalHigh-energyelectronFluorine(neutral)CHF3moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollisionresultsindissociationofmolecule.High-energyelectroncollideswithmolecule.4.1辉光放电和等离子体直流电源E,提供电压V和电流I则V=E-IR。1、辉光放电过程包括初始阶段AB：I=0无光放电区汤生放电区BC：I迅速增大过渡区CD：离子开始轰击阴极，产生二次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子辉光放电区DE：I增大，V恒定异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区弧光放电：I增大，V减小弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速增加4.1辉光放电和等离子体ABCDEFG2、辉光放电区域的划分阴极辉光；阴极暗区；负辉光区；法拉第暗区；阳极柱；阳极暗区；阳极辉光暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。4.1辉光放电和等离子体4.2物质的溅射现象离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过程的相对重要性取决于入射离子的能量。一、溅射的产额：被溅射出来的原子个数与入射离子数之比。它与入射能量，入射离子种类，溅射物质种类及入射离子的入射角度有关。4.2物质的溅射现象图3.7入射离子能量的影响只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热有一定比例关系随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅射产额反而下降4.2物质的溅射现象2入射离子的种类和被溅射物质的种类通常采用惰性气体离子来溅射，由图3.7知，重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因素，通常使用氩气作为溅射气体。用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射产额也是不同的，Cu,Ag,Au产额高，而Ti,W,Mo等产额低。4.2物质的溅射现象4.2物质的溅射现象3、离子入射角度对溅射产额的影响倾斜入射有利于提高产额，但当入射角接近80时，产额迅速下降合金的溅射和沉积：溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基本一致。自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率上升。4.2物质的溅射现象4.3溅射沉积装置一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）气体离子靶材离子二次电子一、直流溅射装置及特性溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍溅射电压1-5KV。靶材必须为金属。为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。一、直流溅射装置及特性工作原理：当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄膜。在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。一、直流溅射装置及特性气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。三极溅射在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。阳极电位高于基片直流溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性4.3溅射沉积装置二、射频溅射装置及特性射频电源的频率13.56MHz射频溅射电压1-2KV射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在衬底表面出现。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。二、射频溅射装置及特性工作原理在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。二、射频溅射装置及特性电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。三、磁控溅射装置及特性4.3溅射沉积装置1直流电源2出水口3进水口4进气口5靶材6真空泵7基片架8基片偏压三、磁控溅射装置及特性磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：1、磁场中电子的电离效率提高2、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜的质量。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。4.3溅射沉积装置四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。如：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2，In2O3，SnO2等(反应气体O2）碳化物：SiC，WC，TiC等(反应气体CH4）氮化物：BN，FeNTiN，AlN，Si3N4等(反应气体N2）硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反应气体H2S）化合物：Ti-Si-N,Fe-B-Si,YBa2Cu3O7五、偏压溅射装置及特性偏压溅射是在一般溅射的基础上，在衬底与靶材间加一定的偏压，以改变入射离子能量和离子数，达到改善薄膜的结构和性能。如图所示，改变偏压可改变Ta薄膜的电阻率。溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化4.3溅射沉积装置六、离子束溅射在离子束溅射沉积中，由离子源产生的离子束通过引出电极引入真空室，打到靶材上溅射，实现薄膜沉积。六、离子束溅射六、离子束溅射4.3溅射沉积装置作业1.描述溅射产额？2.解释溅射的物理过程3.列出并解释溅射过程的6个步骤？4.溅射沉积的优点是什么？溅射适合于合金沉积吗？5.描述RF溅射系统？什么是它的主要限制？6.讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？1．解释下列名词：互连、接触、通控和填充塞2．列出并描述金属用于硅片制造的7种要求3．列出用于半导体制造业的金属和合金的种类4．讨论电迁徙是怎样影响稳定性的5．列出并讨论引入铜金属化的五大优点？6．互连金属转向铜时所面临的三大主要挑战是什么？7．什么是阻挡层金属，阻挡层材料的基本特性是什么？那种金属常被用作阻挡层金属？8．定义硅化物，并解释难溶金属硅化物在硅片制造业中重要的原因？