《溅射薄膜制备技术》PPT课件.ppt

第三章 溅射镀膜 本章重点溅射的定义及原理溅射的特性及机理溅射与蒸发的比较溅射技术性问题 第一节 基本概念 1 溅射镀膜的定义 高能离子在电场作用下高速轰击阴极 靶 经过能量交换与转移 靶材粒子飞离出来 淀积在基板上形成薄膜 溅 射 离子轰击固体表曲所引起的各种效应 镀膜 SIMS分析 刻蚀 清洗 占靶产物的85 90 等离子体 2 什么是等离子体 当温度增高到使原子 分子 间的热运动动能与电离能相当的时候 变成 部分 电离气体 系统的基本组元变成了离子和电子 可以包含大量的原子和分子 电磁力开始作用 这就是等离子体状态 也被称作物质的第四态 可看作部分电离的气体 等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子 离子 而不是其结合体 异类带电粒子之间是相互 自由 和独立的 等离子体粒子之间的相互作用力是电磁力 等离子空间 第二节 溅射的基本原理 1 溅射时入射粒子的来源 气体放电 所谓气体放电是指电流通过气体的现象 气体放电将产生等离子体 一般是利用辉光放电 根据所加电场的不同 又分为直流辉光放电 射频辉光放电 而其他如三极溅射 磁控溅射时的辉光放电都是在此基础上的改进 2 为什么用氩等惰性气体 3 辉光放电过程 定义 是指在低气压 1 10Pa 的稀薄气体中 在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象 1 为什么会产生辉光放电空气中有游离的离子 在电场加速获得能量后 与气体分子碰撞并使其电离 产生更多的离子 使更多的分子电离 之所以需要低气压 使因为在较高的气压下 平均自由程短 不能获得足够的能量使离子被加速 2 辉光放电的I V特性 直流辉光放电的伏安特性曲线 AB段 电压增加 而电流密度增加很小 说明电压不够 BC段 电压不变 电流密度增加很快 说明电离已经产生 但电源的阻抗很大 C点 击穿电压VB CD段 雪崩区 离子轰击靶 释放出二次电子 二次电子与中性分子碰撞 产生更多离子 这些离子再轰击阴极 又产生新的二次电子 达到一定的电子 离子浓度后 气体起辉 两极间电流剧增 电压剧减 电阻呈负阻特征 DE段 电流与电压无关 增大功率时 电压不变 电流增加 放电能自动调节轰击阴极的面积 起初集中在阴极边缘或表面不规则处 随功率密度的增加 阴极面的电流密度达到近乎于均匀 EF段 增大功率 呈正电阻特性 溅射一般工作在此区 E F 常数 与电极材料 尺寸和气体种类有关 F点以后 弧光放电 特点是两极间电阻很小 在气体成分和电极材料一定时 击穿电压只与气压及电极距离的乘积相关 3 巴刑 paschen 定律 pd太小 二次电子在碰撞阳极前不能进行足够数量的电离碰撞 pd太大 气体中产生的离子 由于非弹性碰撞被慢化 减速 到达阴极时无足够能量来产生二次电子大多数辉光放电 pd乘积在最小电压值右侧 p有一定值 n较多 d有一定值 溅射效率较高 特别是成膜区可以扩大 起辉电压存在最小值 4 等离子体鞘层 对于1Pa左右的辉光放电 原子 电子 离子总密度 3 1014个 cm3 其中10 4的比例为电子和离子 产生的是冷等离子体 电子和原子及离子温度不等Te 23000K Ti 300 500K 离子质量大 其运动速度远低于电子 平均速度 Vi 500m sVe 9 5 105m s电子优先到达固体表面 结果 任何与等离子体接触的表面自动处于一个负电位 并在其表面处伴随有正电荷的积累 形成等离子体鞘层 鞘层电压 典型值 10V 并变化不大 在薄膜制备中的意义 离子受到加速 轰击基片 电子受到减速 需大的能量方能到达基片 鞘层厚度b 与电子密度及温度有关 典型值100微米 直流辉光放电的电位分布和等离子体鞘层 5 辉光放电的空间分布 阿斯顿暗区 阴极发射的二次电子能量小 1ev 不足以电离中性分子 阴极辉光区 电子获得足够能量 碰撞气体分子使其激发 退激发而发光 少数电子和正离子复合发光 克鲁克斯暗区 电子能量太大 不易与正离子复合发光 电离产生低速电子 负辉光区 大量电离区 产生大量的正离子 正离子与电子复合发光 该区是正的空间电荷区 也是主要的压降区 法拉第暗区 少数电子穿过负辉光区 电子动能小 正光柱区 上述少数电子加速 产生电离 负辉光区以后 等离子体密度低 几乎无电压降 类似一良导体 两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间 因此 当极间电压不变而长度改变时 阴极到负辉光区的距离不变 而是正光柱区变化 产生的正离子冲击阴极产生溅射 6 辉光放电的主要形式 用于溅射 直流辉光放电 射频辉光放电 第三节 溅射特性 1 溅射率 产额 1 1与入射离子能量的关系 存在溅射阈值 通常金属10 30ev 150ev 150 1000ev 1000 5000ev 能量大于数万ev 离子注入 溅射率下降 1 2与靶材原子序数的关系 溅射率呈现周期性 同一周期中 溅射率基本随Z增大 说明与外电子d壳层的填满程度有关 另外 升华热小的金属S大 表面清洁的S大 溅射率呈现周期性 总趋势随Z增大而增大 同一周期中 惰性元素的溅射率最高 而中部元素溅射率最小 1 3与入射原子序数的关系 1 4与入射角的关系 0 60 对于轻元素靶材 和重离子入射 随角度的变化明显 随入射离子能量的增加 opt逐渐增加 但当E 2Kev时 opt 解释 Ar 1 5与靶材的晶体结构有关 单晶靶溅射显现出各向异性 而多晶靶是各向同性 现象 对应于低指数晶面的溅射率低 而高指数晶面的溅射率略高于多晶靶材 解释 沟道效应 即原子排列密度最大的方向上溅射率越大 1 6与靶材温度的关系 现象 主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关 在低于此温度时 溅射率几乎不变 而高于此温度 溅射率急剧增加 解释 溅射与热蒸发二者的复合作用 2 溅射原子的角度分布 2 1与入射离子能量的关系 现象 入射离子能量越高 角分布越趋向于余弦分布 但在低能状态下 几千ev 并非如此 欠余弦分布 蒸发原子的角分布为余弦分布 2 2与入射离子的角度的关系 轻离子入射 与入射角的关系很大 重离子入射 基本为余弦分布 与入射角无关 第四节 溅射机理 1 热蒸发理论 认为溅射是一个能量传递过程 靶表面被碰撞处产生局域高温 发生熔化而蒸发 该理论可解释的现象 a 溅射率与靶材蒸发热的关系 b 溅射率与入射离子能量的关系 c 溅射原子的余弦分布律 该理论不能解释的现象 溅射原子的角分布并不象热蒸发原子那样符合余弦规律 从单晶靶溅射出的原子趋向于集中在晶体原子密排方向 溅射产额不仅取决于轰击离子能量 同时也取决于其质量与靶原子质量之比 溅射产额取决于轰击离子的入射角 当入射角不同时 溅射原子的角分布也不相同 离子能量很高时 溅射产额会减少 溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高100倍 电子质量小 即使用高能电子轰击靶材 也不会产生溅射 2 级联碰撞理论 溅射是一个动量传递过程 而不是能量传递过程 入射离子与靶原子发生二体弹性碰撞 一部分能量传递给靶原子 当后者获得的能量超过势垒高度后 金属5 10ev 原子 离位原子 并进一步和附近的原子碰撞 产生碰撞级联 当碰撞到达样品表面时 若表面原子获得的动能超过表面结合能 金属1 6ev 靶原子从表面逸出 二体弹性碰撞 动量守恒 能量守恒 能量转移函数 碰撞前 碰撞后 当m1 m2 0时 1 为最大值 完全能量转移 当m1 m2时 所以电子不能溅射 当m1 m2时 重离子入射轻靶 此时 v2 2v1 v2 v1 溅射率的表达式 前提 线形级联碰撞理论 非晶靶模型 二体碰撞近似 原子作用势为Thomas Fermi势平均表面势垒 垂直入射 1969年 Sigmund给出 当离子能量 1keV 表面势垒 一般取升华能 碰撞阻止能 若考虑原子的相互作用 第五节 溅射的特点 一 优点 任何物质均可以溅射尤其是高熔点 低蒸气压元素和化合物不论是块状 粒状的物质都可以作为靶材溅射膜与基板之间的附着性好溅射原子的能量 10ev 蒸发 0 1ev表面迁移强 溅射清洗作用 伪扩散层溅射镀膜膜密度高 针孔少 且膜层的纯度较高溅射镀膜中 不存在坩埚污染现象膜厚可控性和重复性好 二 缺点 针对二极溅射 溅射设备复杂 需要高压装置 溅射淀积的成膜速度低 真空蒸镀 0 1 5 m min 溅射 0 01 0 5 m min 基板温升较高和易受杂质气体影响等 第六节 蒸发与溅射的比较 1 淀积粒子的过程 蒸发 热交换过程 气化过程 蒸发粒子能量低 附着力低 溅射 动量交换过程 能量交换率高 溅射粒子能量高 附着力好 2 淀积粒子的角分布 蒸发 余弦分布 膜厚分布不均 溅射 轴平面对称性分布 状态与入射粒子动能有关 3 逸出粒子性质 蒸发 不带电 极少热电子发射 溅射 离子种类多 性质各异 中性原子 正负离子 高能电子 光子 低能原子或离子团 气体分子 解吸附原子分子 入射离子 4 合金的蒸发 溅射不同 1 粒子的产生过程蒸发 要出现分馏 膜成分偏离源组分 各元素的蒸发速率相差较大 膜成分随蒸发时间而变溅射 膜成分与靶材接近 各元素间溅射速率差异小 2 迁移过程蒸发 真空度10 5 10 6Torr 源 基距 淀积粒子几乎不发生碰撞 直线淀积 薄膜不均匀 溅射 真空度10 2 10 4Torr 源 基距 3 成膜过程溅射原子动能 蒸发原子动能 有净化和粗化表面作用 促进吸附粒子迁移与核生长 溅射离子入射可渗透到几个原子层厚度 产生缺陷 使基板晶体结构畸变 溅射入射离子可使成核小岛瞬间充电 有利于小岛聚集 晶核密度大 晶粒尺寸小 第七节 溅射类型 一 二极溅射 靶为阴极 基片为阳极 由辉光放电产生等离子体 工作气压 1 10Pa 缺点 溅射参数不易独立控制 工艺重复性差 2 真空度低 1 10Pa 方能维持放电 3 残留气体对膜层的污染较严重 4 淀积速率低 小于10nm min 5 基板的温升高 辐照损伤大 6 靶材必须是良导体 直流 二 偏压溅射 二极溅射中 基片与阳极同电位 偏压溅射 基片与阳极分离 在基片上加偏压 若加负偏压 基片电位低于阳极电位 可以提高薄膜的纯度和附着力 除掉吸附气体 离子轰击基片除掉附着力差的淀积原子 清洗作用 2 偏压可改变薄膜的结构a偏压在 100 10V 四方结构 电阻率高 b偏压 100V 体心立方结构 电阻率低 偏压的作用 3 偏压可改变薄膜中杂质离子的浓度 在负偏压大于20v以上时 电阻率迅速上升 O2已从钽膜中溅射出来 当负偏压较高时 电阻率逐渐上升 Ar渗入薄膜 二极溅射 放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持 此需较高的工作气压 三极溅射 由热阴极发射电子来维持放电 同时使靶电位低于等离子体电位 阳极和基板支架分离 阴极和靶分离 四极溅射 在三极溅射的基础上增加辅助阳极 作用是使放电更加稳定 三 四极溅射示意图 稳定化电极 1 为什么直流溅射不能溅射绝缘靶溅射条件 靶电位 等离子体电位正离子轰击靶 99 以上注入 使靶电位升高2 射频溅射原理 三 射频溅射 48 第一周期 Thedisparityinelectron ionmobility positivelycharged electrodedrawsmoree currentbut nochargetransferthroughcapacitor self biasvoltage negative attargetelectrode capacitivelycoupledelectrode 在正半周 靶电位为正 绝缘体的极化作用 靶表面吸引电子 电位很快降低至等离子体电位 B 在负半周 靶电位为负 吸引正离子 但由于正离子移动速度慢 所以靶电位上升慢 最终结果使得靶相对于等离子体而言处于负电位 射频溅射时等离子鞘层和靶电位的变化曲线 结果 在等离子鞘层与靶之间形成Vd的直流偏压 造成正离子对靶的持续溅射 3 射频溅射的空间电位分布 为什么在正半周不对基片进行溅射 C1 C2 VP T VP S 基片 靶 阳极与等离子形成的偏压小 6 射频溅射的特点 优点 A 可淀积导体 半导体 绝缘体在内的所有材料 B 击穿电压及维持放电电压均很低 工作气压低电子作振荡运动 增加了碰撞几率 便于吸收能量 不需要二次电子来维持放电 缺点 靶上发射的二次电子对基片的辐照损伤没有消除 四 磁控溅射 1 原理 E 靶面 B 靶面 溅射产生二次电子和原子 对于e1电子近似认为 二次电子在阴极暗区只受磁场作用 在负辉光区只受磁场作用在电磁场的作用下 二次电子作上下的振荡横向的漂移 运动 若电磁场是闭合的 则二次电子的运动轨迹为一条圆滚线 二次电子与气体分子碰撞以后 损失能量 其运动轨迹会稍微偏离阴极而靠近阳极 阴阳极间距的1 100左右 这样必须经多次碰撞后二次电子才能到达阳极 基片 一方面增加了碰撞电离的几率 另一方面对基片的损伤小 e2电子可直接到达阳极 但其比例很少 气体电离后的正离子轰击靶 打出新的e1电子 重复上述过程 1 高沉积速率 比二极溅射高100倍 离化率从0 3 0 5 5 6 2 基片温升低 只及RF入射能量的1 10 可对塑料基片 光刻胶等进行溅射 3 基片的辐照损伤低 4 工作气压可下降2个数量级 10Pa0 5Pa5 靶的平均电流密度高缺点 1 靶的不均匀刻蚀 2 强磁性材料困难 2 特点 3 磁控溅射靶的类型 适合大面积 靶材利用率高 膜厚分布均匀 五 对向靶溅射 两靶对向放置 B 靶面 阳极与靶垂直在阴极暗区 E B 电子只受电场力作用 电子在离开阴极暗区后 具有X方向的速度分量 受洛仑兹力偏转作回旋运动 但Y方向速度很大 作振荡运动 综合来看 作螺旋线运动 电子被束缚在两个靶之间 增加了碰撞电离的几率 所以具有磁控溅射同样的优点 1 高速2 低温3 低损伤 突出的优点 可溅射磁性材料 六 反应溅射 1 定义在溅射镀膜时 引入某些活性反应气体 来获得不同与靶材的新物质薄膜的方法 是除射频