溅射法.ppt

薄膜的物理气相沉积 溅射法 主要内容 溅射背景气体放电与等离子体溅射的物理过程溅射沉积方法直流 射频 磁控 反应 离子束溅射其它PVD法 十九世纪 发现溅射现象 被当作一种令人讨厌的现象 特别是放电管领域里 设法避免二十世纪60年代 镀膜技术贝尔实验室 BellLab 和威期特思电气公司 WesternElectric 进行溅射镀膜研究1963年 全长10余米的连续溅射装置1966年 美国IBM公司高频溅射技术 绝缘膜理论上 可在任何材料上沉积任何材料的薄膜 一 溅射背景 物理气相沉积 PVD 示意图 溅射 离子轰击物体 让飞溅的物体落到所需基片上 较高的真空度薄膜纯度高沉积速度高 蒸发沉积vs 溅射沉积 缺点结合力差沉积速率不易控制膜厚不均高熔点材料沉积困难 离子轰击 二 气体放电与等离子体 气体电离 具有一定能量电子与气体分子碰撞 可能使气体分子外层电子丢失形成离子 气体放电 气体在电场作用下发生电离的过程 Townsend放电 电极两端施加直流高压而导致气体电离 2 1气体的电离 Townsend放电 气体击穿初期 放电电压较高 且随输入功率的增加变化很小 放电电流随输入功率的增加而增加 但比较小正常辉光放电 足够多电子和离子使得放电可以自持 气体电导率较大 极板间电压下降异常辉光放电 电离度达到较高后 电流随功率增加变缓 但电压迅速增加 弧光放电 功率进一步升高 气体电导率再次增加 极板间电压再次下降 2 2气体放电阶段 辉光放电过程中电子的碰撞等离子体中高速运动的电子与其他粒子碰撞是气体维持放电的主要微观机制电子速度能量远高于离子的速度能量弹性碰撞 小于2eV 质量的差异 重离子能量 电子能量非弹性碰撞电子大部分能量转移给质量较大的离子和原子 引起激发和电离 化学活性提高电离 放电持续 激发 分解维持放电过程的主要机制 直流气体放电的结构阴极区 Aston暗区 阴极辉区和阴极暗区 或称克罗克斯暗区 三部分组成 极间电压大部分加在这里 电子被加速与气体原子碰撞 使原子激发或电离 负辉区 电极间发光最强区 加速的电子与气体分子碰撞而产生电离 形成负空间电荷区 电子速度减慢加大了激发与复合的几率 使发光特别强 直流气体放电的结构法拉第暗区 与负辉区相比 该区电子和离子密度较小 电场很弱 激发和复合的几率都比较小正柱区 正辉光区 电子和离子浓度相等 接近理想等离子体 直流气体放电的结构阳极区 阳极暗区 阳极辉区阳极暗区 阳极与正柱区等离子体间的鞘层阳极辉区由阳极加速电子引起激发和电离而产生 等离子体的粒子种类 中性粒子 原子 分子 基态 约0 025eV 激发态 平动 振动 转动正电粒子 原子离子 分子离子 约0 04eV 负电粒子 电子 1 10eV 平均能量约2eV 2 3等离子体的性质 等离子体中带电粒子的运动电子流 离子流 等离子体振荡频率 等离子体Debye长度 点电荷在等离子体中被电子云屏蔽的量度 等离子体密度及其应用领域 薄膜沉积等离子体刻蚀 集成电路 光电子器件清洗 消毒离子源离子溅射 离子注入离子束分析核反应 三 溅射的物理过程 碰撞的动量转移 载能离子与固体表面相互作用 载能离子的能量和动量 固体表面原子 表面原子的溅射 表面原子获得足够大的动能而脱离基体表面 产生溅射 溅射产额S 被溅射出原子数量 入射离子数量 溅射产额的影响因素 入射离子能量入射离子种类和靶材种类离子入射角度靶材温度 入射离子能量 入射离子能量在几 几十keV时 溅射产额最大 溅射原子的能量分布 最可几能量为几个eV 与入射离子的质量和能量 与被溅射原子的质量等有关 入射离子和靶材种类重离子溅射产额较高 选择Ar离子 成本 随靶材原子序数增加而周期性变化外层d电子数增加 产额增加 离子入射角度满足余弦分布 入射方向与样品法向为60o 70o时 溅射产额最大 入射离子能量 靶材温度一定范围内 影响不大达到某一水平 急剧升高 晶体取向 控制靶材温度和溅射功率 合金化对溅射产额的影响 溅射将导致合金表面成分发生偏析 质量守恒律 合金在稳定溅射时的各元素的溅射产额比例与体合金材料的成分比例一致 四 溅射沉积方法 4 1直流溅射 二极溅射 气压变化 沉积速率存在极大值低气压 电离少 溅射少高气压 溅射原子散射增加薄膜生长速率 V 阴极电压I 溅射电流d 靶材和衬底之间间距 三极溅射 溅射原理 利用灯丝热电子发射离化气体产生等离子体 通过靶负偏压溅射靶材料 优点 可以在低气压下放电缺点 等离子体密度不均匀 采用射频电压的必要性利用辉光放电等离子体进行溅射 刻蚀或沉积时 电极上常会有绝缘覆盖层存在 因此利用直流不能实现持续放电衬底本身是绝缘体射频辉光放电的特点击穿电压低 放电气压低 放电易自持 电极可放在放电室外面实际用于气体放电的射频源频率为13 56MHz 避免干扰正常通讯 4 2射频溅射 每经历一周期 Va都将更负一些 到若干周期后 电压波形趋于稳定 整体向负电位偏移而产生负的直流分量 即负的自偏压 正弦波电压及所产生的直流自偏压 自偏压的起源 ve vi 且电子运动可以跟上电场 电极正半周的电子流大于负半周的离子流 电容器不能传输净电荷 等离子体中必须存在一个补偿电场 即自偏压保证没有净电流输出 4 3磁控溅射 磁控的作用与构型 磁场与电场平行电子沿磁力线螺旋运动 增加电子运动的路径 提高电子与气体分子碰撞概率运动路径的增加与电子运动方向和磁场夹角有关 多极磁场 磁力线与电场的关系 低温高速溅射 磁控溅射靶的基本结构 永磁体磁控溅射靶 Nd Fe B永磁体结构简单 经济耐用铁磁性材料溅射效率低 励磁磁控溅射靶 励磁线圈 可溅射铁磁材料 结构相对复杂 普通磁控溅射靶 平面磁控溅射靶 大面积 不受形状限制 适合流水线生产柱状磁控溅射靶 360o溅射 沉积几何简单 薄膜均匀性好磁控溅射枪 更换靶材料容易 适合实验室使用 磁控溅射靶的构型 非平衡磁控溅射靶非平衡磁场的作用拓展等离子体区域 增加离子的比例 增加沉积能量 非平衡磁控靶的类型 单向非平衡磁控 UBMS 闭场非平衡磁控 CFUBMS 镜场非平衡磁控 MFUBMS 闭场非平衡控溅射靶 多功能磁控溅射靶 4 4反应溅射 制备化合物薄膜 直接使用化合物作为溅射靶调节气体组成和压力纯金属 靶 气体 化合物滞后效应 沉积速率变化 Qr Qr 沉积速率较高 基本不变 金属溅射 Qr Qr 电压骤然降低 转变为化合物溅射 靶中毒 无偏压溅射 离子溅射 4 5偏压溅射 衬底与等离子体之间施加一定的偏压 吸引一部分离子流向衬底带电粒子轰击 提高原子在薄膜表面扩散和参与化学反应的能力 提高致密度 细化晶粒清除衬底吸附的气体原子改善薄膜组织结构及性能常用有效手段之一 离子产生 0 1Pa 溅射 10 3Pa 沉积装置结构 溅射离子源 会聚式宽束离子源 Ar离子能量 3 10keV 束流密度 1mA cm2 直流溅射靶 金属 非金属板或粉末烧结靶 工作真空 0 1 10 3Pa特点 对溅射靶材料要求较低成分可控性比较好沉积原子的能量比较高 薄膜沉积效率比较低 成本较高 4 6离子束溅射 离子源的基本结构 离子源 产生高密度等离子体的腔体 引出系统气体离子源靠腔体中气体放电形成等离子体 引出正离子 金属离子源是将金属气化电离而引出正离子 引出系统 直接引出系统 带孔 孔径mm级 的阳极和阴极构成间接引出系统 阳极和引出极间插入另一阳极 两阳极间形成一个离子体密度较低的等离子体 双等离子体要求能引出分散性小的强束流 并具有大的气阻 因放电区处于低真空状态 束流加速区处于高真空状态 若气流过大 会给高真空的获得和加速带来困难 高频放电型离子源 结构与原理 采用高频感应耦合放电 振荡频率为13 56 25MHz 高频振荡器通过高频电场来加速自由电子 与气体原子 或分子 碰撞引起电离 形成等离子体 引出系统为直接引出方式 可用气态 液态或固态物质当气源 特点结构简单 寿命长 可工作数百小时至1500小时左右 功耗小 约在100 500W左右 离子束中原子型离子占80 90 离子源的介绍 电子振荡型离子源 结构与原理 放电室阴极 阳极间有轴向磁场 增加电离率 引出系统为直接引出方式 可用气态 液态或固态物质当气源 特点 结构简单 束流调节方便 可产生带一个电荷正离子 且可通过碰撞产生带两个或多个电荷正离子 双等离子体型离于源 结构与原理 三电极低气压放电系统 电子从灯丝 棚极 发射 先经阴极区加速 与原子碰撞形成等离子体 电子进入中间电极区后 磁场对等离子体进行一次压缩 压缩后的等离子体进入阳极区域 由于锥形中间电极和细小阳极孔使得等离子体密度更高 实现二次压缩引出系统为间接引出方式 特点 发散度低 亮度高 引出束流大 电离效率高 其它类型的离子源Kaufman离子源 空心阴极离子源 热灯丝离子源 Freeman离子源 微波放电离子源 金属弧蒸汽离子源 MEVVA 离子镀 蒸发 溅射衬底为阴极 真空室为阳极 产生等离子体 氩离子轰击衬底氩离子与蒸发原子之间电荷交换 蒸发物质电离 轰击溅射率小于蒸发速度特点结合力好 清洁表面 细化晶粒覆盖能力强 离子具有更高的动能和迁移能力 五 其它PVD法 5 1离子镀 电弧离子镀 电弧离子镀膜技术是以金属等离子体弧光放电为基础的一种高效镀膜技术 电弧源 靶 导电材料 约束磁场 弧电极 触发电极等离子体的电离率高达70 可蒸发高熔点导电材料 如C Ta等 有部分金属液滴 可在活性气氛下工作 电弧离子镀的特点 沉积速率高 高达0 1 min 沉积能量可控 具有自清洗功能 通过改变基片负偏压控制沉积粒子能量当偏压较大时 高能离子溅射作用大于沉积而实现对表面的清洗 可以通过控制偏压改变薄膜的生长 膜基结合强度和薄膜应力 有大颗粒 粗糙度大 不利于精细薄膜制备 影响光洁度 改进 电弧过滤技术 磁镜过滤 通过磁场对电子运动的控制实现对等离子体的控制可以显著降低薄膜中的大颗粒 沉积效率降低明显 束径受磁镜限制 主要