第四章-溅射工艺

微电0801-0803专业选修课主要讲授内容第2章真空技术基础第3章薄膜生长与薄膜结构第4章薄膜制备的基本工艺溅射镀膜第1章薄膜技术简介离子束沉积化学气相沉积第6章薄膜材料的应用第5章薄膜材料的评价表证及物性测量表征、性质和应用薄膜制备方法的原理介绍，典型薄膜材料的制备工艺介绍真空蒸镀薄膜的形核、生长理论，薄膜的形成与典型成长机制What’sthethinfilms?真空的表征及获得4-2溅射工艺二、溅射的基本原理辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理三、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、离子束溅射一、溅射镀膜的特点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。概念：溅射镀膜广泛用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质，以及化合物半导体、碳化物、氮化物等薄膜。应用：一、溅射镀膜的特点☞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；􀂉溅射薄膜与衬底的附着性好；􀂉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。溅射镀膜的缺点：􀂉溅射设备复杂，需要高压装置；􀂉成膜速率较低（0.01-0.5µm）。一、溅射镀膜的特点☞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。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电直流辉光放电二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电无光放电由于宇宙射线产生的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。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。汤森放电区随电压升高，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。于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。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。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电辉光放电当放电容器两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。•气体击穿•自持放电（电流密度范围2-3个数量级）•电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关）•电流密度恒定•电流密度与阴极材料、气体压强和种类有关•电流密度不高（溅射选择非正常放电区）此称为正常辉光放电二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电非正常辉光放电区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，结果更多的正离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电弧光放电区异常辉光放电时，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。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电正常辉光与异常辉光放电在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。在溅射区：溅射电压V，电流密度j和气体压强p遵守以下关系：式中，E和F是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电正常辉光与异常辉光放电进入异常辉光放电区后，继续增加电压，有：更多的正离子轰击阴极产生大量的电子发射阴极暗区收缩式中，d为暗区宽度，A、B为常数二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电阿斯顿暗区冷阴极发射的电子约1eV左右，很少发生电离，所以在阴极附近形成阿斯顿暗区。阴极辉光区加速电子与气体分子碰撞后，激发态分子衰变以及进入该区的离子复合形成中性原子，形成阴极辉光。穿过阴极辉光区的电子，不易与正离子复合，形成又一个暗区。克鲁克斯暗区二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电负辉光区电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，复合几率增加，形成明亮的负辉光区。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。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。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电法拉第暗区此区域电压降很小，类似一个良导体。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。少数电子穿过负辉光区，形成暗区。正离子柱二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电辉光放电阴极附近的分子状态二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电与溅射现象有关的重要问题：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。溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于阴极于负辉光区的距离。二、溅射镀膜的基本原理☞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。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电射频辉光放电电压变化周期小于电离或消电离所需时间。离子浓度来不及变化，电子在场内作振荡运动。特点：•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；•由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；•射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以是非金属材料。二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电耦合特性：电极表面电位自动偏置为负极性二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电辉光放电二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电辉光放电二、溅射镀膜的基本原理☞辉光放电辉光放电空间与靶和接地电极之间的电压存在如下关系：式中，Ac和Ad分别为容性耦合电极（靶）和直接耦合电极（接地电极）的面积。由于AdAc，所以VcVd。在射频辉光放电时，等离子体对接地的基片（衬底）只有极微小的轰击，而对溅射靶进行强烈轰击使之产生溅射。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射阈值所谓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。溅射阈值的测定非常困难，目前已能测出低于10-5原子/离子的溅射率。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射阈值对绝大多数金属来说，溅射阈值为10~30eV二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射阈值二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性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。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率1.靶材料溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率2.入射离子能量二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率3.入射离子种类二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率4.入射离子的入射角入射离子的入射角是指离子入射方向与溅射靶材表面法线之间的夹角。•0-60°之间服从1/cosθ规律••60-80°时，溅射率最大•90°时，溅射率为零二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率4.入射离子的入射角二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率4.入射离子的入射角S(θ)和S(0)对于不同靶材和入射离子种类有如下规律：对于轻元素靶材，的比值变化显著对于重离子入射时，的比值变化显著；随着入射离子能量的增加，呈最大值的度逐渐增大，的最大值在入射离子能量超过2keV时，急剧减小。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性－溅射率5.靶材温度靶材存在与升华相关的某一温度。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。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射原子的能量和速度溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能量（0.1eV）大1-2个数量级。溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射原子的方向等有关。几组实验数据曲线:二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性-溅射原子的能量和速度二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射原子的能量和速度􀂉重元素靶材溅射出来的原子有较高的能量；而轻元素靶材则有较高的速度；􀂉不同靶材具有不同的原子逸出能量，而溅射率高的靶材，通常具有较低的平均逸出能量；􀂉在入射离子能量相同时，原子逸出能量随入射离子质量线性增加；入射离子质量小，原子逸出能量低；反之亦然。􀂉平均逸出能量随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量超过1keV时，平均逸出能量趋于恒定；􀂉倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量（守恒定律)溅射原子的能量与速度有如下特点：二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射原子的角度分布早期的热蒸发理论溅射原子的角度分布符合Knudsen余弦定律，并且与入射离子的方向无关（局部高温蒸发）。实际逸出原子分布并不遵从余弦定律。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射原子的角度分布实际分布在垂直于靶面方向明显少于余弦分布时应有的逸出原子数。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射原子的角度分布与晶体结构方向的关系逸出原子与原子排列密度有关。主要逸出方向为[110]，其次为[100]、[111]。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射原子的角度分布与靶材结构（晶态和非晶态）的关系单晶靶可观察到溅射原子明显的择优取向；多晶靶溅射原子近似余弦分布。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射率的表达式通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下表达式：（1）离子能量小于1keV，在垂直入射时，溅射率为式中，Tm为最大传递能量，V0靶材元素的势垒高度，a是与靶材原子质量和入射离子质量之比相关的常数。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射特性溅射率的表达式通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下表达式：（2）离子能量大于1keV，在垂直入射时，溅射率为（3）一般情况下，溅射率的计算可由下式处理式中，W为靶材的损失量，m原子量，I为离子电流，t为溅射时间。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射镀膜过程靶材溅射过程二、溅射镀膜的基本原理☞溅射镀膜过程靶材溅射过程10-100eV能量的Ar+离子对某些金属表面进行轰击时，平均每个入射离子所产生的各种效应及其发生几率。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射镀膜过程溅射粒子的迁移过程溅射粒子：􀂉正离子：不能到达基片􀂉中性原子或分子􀂉其余粒子均能向基片迁移中性粒子的平均自由程可以用下式表示：式中，C1是溅射粒子的平均速度，V11是溅射粒子相互作用的平均碰撞次数，V12是溅射粒子与工作气体分子的平均碰撞次数。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射镀膜过程溅射粒子的迁移过程一般情况下，溅射粒子密度远小于工作气体的分子密度，则:V11V12所以式中，n2和C2分别是工作气体分子的密度和平均速度；Q12是溅射粒子与工作气体分子的碰撞面积。由于溅射粒子速度远大于气体分子的速度，有:r1,r2分别是溅射粒子和工作气体分子的原子半径二、溅射镀膜的基本原理☞溅射镀膜过程－溅射粒子的迁移过程例题（p80）Ar+离子溅射铜靶，已知求溅射离子的平均自由程？解：代入公式:溅射镀膜的气体压力一般为101-10-1Pa，其平均自由程为1-10cm，因此，靶和基片的距离与溅射粒子的平均自由程大致相当。溅射粒子到达基片时的能量相当与蒸发原子的几十至上百倍。二、溅射镀膜的基本原理☞溅射镀膜过程溅射粒子的成膜过程成膜机理将在薄膜物理部分讲，这里介绍几个相关问题。（1）淀积速率定义：淀积速率是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的厚度。该速率与溅射速率S成正比：Q＝CIS式中，C是与溅射装置有关的