薄膜物理3-1 磁控溅射原理

薄膜物理与技术 石市委 swshi 物理与材料科学学院 安徽大学 教师邮箱院系 1 2020 4 24 溅射镀膜 第三章 2 2020 4 24 3 1气体的放电现象与等离子体 3 2020 4 24 一 气体放电现象描述 气体放电是溅射过程的基础 所以首先讨论一下气体的放电过程 气体的直流放电 是在真空度为10 1pa的稀薄气体中 两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象 4 2020 4 24 在阴阳两极间 由电动势为E的直流电源提供靶电压V和靶电流I 并以电阻R作为限流电阻 将真空容器抽真空 到达10 1pa时的某一压力时 接通相距为d的两个电极间的电源 使电压逐渐上升 5 2020 4 24 当电压较低时 电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流 随着电压增加 当加速电子能量大到一定值之后 与中性气体原子 分子 碰撞使之电离 于是电子数按等比级数迅速增加 形成电子的繁衍过程 也称为雪崩式放电过程 但此时的放电属于非自持放电过程 其特点是 若将原始电离源除去 放电立即停止 若将电离源去掉放电仍能维持 则称为自持放电过程 6 2020 4 24 为维持放电进行 下述两个过程必不可少 电子的繁衍 开始由阴极表面发射出一个电子 初始电子 该电子在电极间电压的作用下 向阳极运动 当电子能量超过一定值后 使气体原子发生碰撞电离 后者被电离为一个离子和一个电子 这样 一个电子就变为两个电子 重复这一过程 即实现电子的所谓繁衍 二次电子发射过程 离子在阴极电位降的作用下 轰击阴极表面 产生二次电子 7 2020 4 24 气体放电时两电极间的电压和电流关系不满足欧姆定律 其伏安特性曲线如图 放电曲线分为 汤生放电段 气体分子开始出现电离 辉光放电段 产生大面积辉光等离子体 弧光放电段 产生高密度弧光等离子体 8 2020 4 24 由于在放电容器中充有少量气体 因而始终有一部分气体分子以游离状态存在着 当两电极上加直流电压时 这些少量的正离子和电子将在电场下运动 形成电流 曲线的开始阶段 由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的 所以 当正离子和电子一产生 便被电极拉过去 即使再升高电压 到达电极的电子与离子数目不变 此时的电流密度很小 一股情况下仅有10 16 10 11安培左右 此区是导电而不发光 所以称为无光放电区 1 无光放电 9 2020 4 24 2 汤森放电 随着电压逐渐升高 电离粒子的运动速度也随之加快 即电流随电压上升而增加 当这部分电离粒子的速度达到饱和时 电流不再随电压升高而增加 此时 电流达到了一个饱和值 曲线中第一个垂直段 AB段 当电压继续升高时 离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来 在碰撞趋于频繁的同时 外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加 10 2020 4 24 此时 一方面离子对阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射 而电子能量也增加到足够高的水平 它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离 这些均产生新的离子和电子 即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加 这时 随着放电电流的迅速增加 电压的变化却不大 汤森放电 上述两种情况的放电 都以有自然电离源为前提 如果没有游离的电子和正离子存在 则放电不会发生 因此 这种放电方式又称为非自持放电 11 2020 4 24 在汤生放电阶段的后期 放电开始进入电晕放电阶段 这时 在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑 电晕放电 在汤生放电阶段之后 气体会突然发生放电击穿现象 雪崩点火 气体开始具备了相当的导电能力 我们将这种具备了 定的导电能力的气体称为等离子体 雪崩点火 后 离子轰击阴极 释放出二次电子 二次电子与中性气体分子碰撞 产生更多的离子 这些离子再轰击阴极 又产生出新的更多的二次电子 3 正常辉光放电 12 2020 4 24 一旦产生了足够多的离子和电子后 放电达到自持 气体开始起辉 两极间电流剧增 电压迅速下降 放电呈现负阻特性 曲线CD区域叫做过渡区 13 2020 4 24 在D点以后 放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展 在这一阶段 电流与电压无关 而只与阴极板上产生辉光的表面积有关 且气体中导电粒子的数目大量增加 粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大 因此放电气体会发出明显的辉光 维持辉光放电的电压较低 且不变 从D到E之间区域叫做 正常辉光放电区 14 2020 4 24 在正常辉光放电时 放电自动调整阴极轰击面积 最初 轰击是不均匀的 轰击集中在靠近阴极边缘处 或在表面其他不规则处 随着电源功率的增大 轰击区逐渐扩大 直到阴极面上电流密度几乎均匀为止 正常辉光放电时的电流密度仍比较小 所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作 4 异常辉光放电 E点以后 当离子轰击覆盖整个阴极表面后 继续增加电源功率 会使放电区内的电压和电流密度同时增大 即两极间的电流随着电压的增大而增大 EF这一区域称 异常辉光放电区 15 2020 4 24 异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式 因为它可以提供面积较大 分布较为均匀的等离子体 有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积 因为此时辉光已布满整个阴极 再增加电流时 离子层已无法向四周扩散 这样 正离子层便向阴极靠拢 使正离子层与阴极间距离缩短 此时若要想提高电流密度 则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极 使阴极产生更多的二次电子才行 16 2020 4 24 在F点以后 整个特性都改变了 两极间电压将会再次突然大幅度下降 降至很小的数值 而电流强度则会伴随有剧烈的增加 其大小几乎是由外电阻的大小来决定 而且电流越大 极间电压越小 FG区域称为 弧光放电区 此时 相当于极间短路 且放电集中在阴极的局部地区 致使电流密度过大而可能将阴极烧毁 同时 骤然增大的电流有损坏电源的危险 5 弧光放电 17 2020 4 24 此时 等离子体的分布区域发生急剧的收缩 阴极表面开始出现很多小的 直径约10 m 孤立的电弧放电斑点 在阴极斑点内 电流的密度可以达到108A cm2的数量级 在弧光放电过程中 阴极斑点会产生大量的焦耳热 并引起阴极表面局部温度大幅度地升高 这不仅会导致阴极热电子发射能力的大幅度提高 而且还会导致阴极物质自身的热蒸发 与此相比 在阳极表面上 电流的分布并不象在阴极表面上那样集中 但即使如此 冷却不足也会造成放电斑点处温度过高和电极材料的蒸发 18 2020 4 24 在实际的气体放电中 伏安特性决定于许多因素 如气体的种类和压力 电极材料和形状尺寸 电极表面状态 放电回路中的电源 电压 功率和限流电阻的大小等 在溅射镀膜 离子镀等与气体放电有关的装置设计 调试以及运行过程中 也都要考虑这些因素 弧光放电在气相沉积中的应用 仍在进一步研究之中 19 2020 4 24 在辉光放电时 电极之间有明显的放电辉光产生 其典型的区域划分如图所示 从阴极至阳极的整个放电区域可以被划分为阴极辉光区 阴极暗区 负辉光区 法拉第 Faraday 暗区 阳极柱区 阳极暗区和阳极辉光区等八个发光强度不同的区域 6 辉光放电现象及等离子体鞘层 20 2020 4 24 其中 暗区相当于离子和电子从电场获取能量的加速区 而辉光区相当于不同粒子发生碰撞 复合 电离的区域 以上对于放电区的划分只是一种比较典型的情况 实际上具体的放电情况可根据放电容器的尺寸 气体的种类 气压 电极的布置 电极材料的不同有所不同 21 2020 4 24 放电击穿之后的气体 已成为具有一定导电能力的等离子体 它是一种由离子 电子以及中性原子和原子团组成 而宏观上对外呈电中性的物质的存在形式 广义上可定义为 带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的数密度 整体呈电中性状态的粒子集聚体 按电离程度 等离子体可分为部分电离及弱电离等离子体和完全电离等离子体两大类 1 等离子体 22 2020 4 24 部分及弱电离等离子体中 大部分为中性粒子 只有部分或极少量中性粒子被电离 完全电离等离子体中 几乎所有中性粒子 都被电离 而呈现离子态 电子态 带电粒子密度为1010 1015个 cm3 薄膜技术中 所利用的几乎都是部分电离及弱电离等离子体 在这种等离子体中 只要电离度达到1 其导电率就与完全电离等离子体相同 我们的讨论主要针对这类等离子体 对于1Pa左右气压下的辉光放电而言 理想气体定律给出电子 离子与中性粒子的总密度应该是3x1014个 cm3 但这中间只有大约1 10000比例的电子和离子 23 2020 4 24 在等离子体中 除了离子 电子之外 还有处于激发态的原子 分子 以及由分子解离而形成的活性基 被激发的原子和分子等在返回基态的过程中 会产生原子所固有的发光 在等离子体中或反应器壁面上 还不断发生着离子与电子间的复合 等离子体处于上述电离与复合的平衡状态 与常态的物质相比 等离子体处于高温 高能量 高活性状态 等离子体中的气体分子 原子 离子 电子处于不停的相互碰撞及运动之中 24 2020 4 24 电子与离子具有不同速度的一个直接后果是形成等离子鞘层 这是因为任何处于等离子体中的物体 如靶材和衬底 均会受到等离子体中各种粒子的轰击 由于离子的质量远大于电子 因而轰击物体表面的电子数目将远大于离子数目 物体表面将剩余出多余的负电荷而呈现负电位 电位的建立将排斥电子并吸附离子 使得到达物体表面的电子数目减少 离子数目增加 直到到达物体表面的电子与离子数目相等时 物体表面的电位才达到平衡 这导致浸没在等离子体中的物质 包括阴极和阳极 外表面无一例外地相对于等离子体本身处于负电位 即在其表面形成了一个排斥电子的等离子体鞘层 其厚度依赖于电子的密度和温度 其典型的数值大约100um 2 等离子鞘层 25 2020 4 24 3 直流辉光放电装置的电位分布 气体放电进入辉光放电阶段即进入稳定的自持放电过程 但仔细观察时 在从阴极附近到阳极之间 发光的颜色及亮度的分布是不均匀的 极间电位 场强 电荷分布也不均匀 其电位分布如下图 这种极间电位 场强 电荷分布的不均匀 导致从阴极附近到阳极之间 辉光外貌 颜色及亮度的分布的不均匀 26 2020 4 24 在辉光放电等离子体中 电子的速度与能量高于离子的速度与能量 因此 电子不仅是等离子体导电过程中的主要载流子 而且在粒子的相互碰撞 电离过程中也起着极为重要的作用 在鞘层中 电子密度较低 因而碰撞 电离概率较小而构成暗区 在整个放电通道中 也是电子充当着主要的导电和碰撞电离的作用 27 2020 4 24 二表征溅射特性的基本参数 表征溅射特性的基本参数主要有溅射阈值 溅射率 溅射原子的能量和速度等 溅射阈值溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的人射离子所必须具有的最小能量 不同靶材的溅射阈值有明显不同 溅射阈值随入射离子的变化很小 对处于周期表同一周期中的元素 溅射阈值随着原子序数的增加而减小 表2 11列出了某些金属元素的溅射阈值 28 2020 4 24 29 2020 4 24 2 溅射率 溅射率表示正离子轰击靶阴极时 平均每个正离子能从靶阴极上打出 溅射出 的原子个数 又称溅射产额或溅射系数 常用S表示 溅射率与人射离子的种类 能量 角度 以及靶材的类型 晶格结构 表面状态 升华热大小等因素有关 如果靶材是单晶靶材 溅射率还与晶体的取向有关 30 2020 4 24 入射离子种类与溅射率的关系溅射率依赖于人射离子的原子量 原子量越大 则溅射率越高 同时 也与入射离子的原子序数有关 呈现出随着离子的原子序数周期性变化的关系 31 2020 4 24 图2 27说明 在周期表每一排中 凡电子壳层填满的元素就有最大的溅射率 因此 惰性气体的溅射率最高 而位于元素周期表的每一列中间部位元素的溅射率最小 如Al Ti Zr等 所以 在一般情况下 入射离子大多采用惰性气体 考虑到经济性 通常选用Ar为工作气体 同时 惰性气体可以避免与靶材发生化学反应 32 2020 4 24 2 入射离子能量与溅射率的关系入射离子能量大小对溅射率有显著影响 当入射离子能量高于某一个临界值 即溅射阈值 时 才发生溅射 图2 25为溅射率与人射离子能量之间的典型关系曲线 结果表明 当人射离子能量较小时 溅射率随入射离子能量的增加而呈指数上升 其后 随人射离子能量的增加出现一个线性增大区 之后逐渐达到一个平坦的最大值并呈饱和状态 如果再增加E则因离子注人效应反而使S值开始下降 33 2020 4 24 用Ar离子轰击铜时 离子能量与溅射率的关系如图2 26所示 图中能量范围扩大到100keV 这一曲线可分成三部分 第一部分是几乎没有溅射的低能区域 第二部分的能量从70eV至10keV 这是溅射率随离子能量增大的区域 用于溅射淀积薄膜的能量值大都在这一范围内 第三部分是30keV以上 这时溅射率随离子能量的增加而下降 此时轰击离子深人到靶材内部 将大部分能量损失在靶材体内 而不是消耗在靶表面 34 2020 4 24 3 入射离子入射角与溅射率的关系 入射角是离子入射方向与被溅射的靶材表面的法线之间的夹角 图2 29给出了用Ar 离子溅射时 几种金属的溅射率与人射角的关系 可以看出 随着入射角的增加溅射率逐渐增大 在0 60o之间的相对溅射率基本上服从1 cos 的规律 0o 60o时的S值约为垂直入射时的2倍 当入射角为60o 80o时 溅射率最大 入射角再增加时 溅射率急剧减小 当 等于90o时 溅射率为0 即对于不同的靶材和不同的入射离子而言 对应于最大溅射率的S值有一个最佳的入射角度 35 2020 4 24 4 靶材料与溅射率的关系 在相同条件下 同一种离子轰击不同元素的靶材料 得到不同的溅射率 靶材的溅射率呈现周期性变化 一般是随靶材元素原子序数增大而增大 如图2 23所示 由图可知 铜 银 金的溅射率较大 碳 硅 钛 铌 钽 钨等元素的溅射率较小 在用400eV的Xe 离子轰击时 银的溅射率为最大 碳的为最小 36 2020 4 24 5 靶材温度与溅射率的关系 溅射率与靶材温度也紧密相关 对于某一给定的材料 当靶材温度低于与靶材升华能相关的某一温度时 溅射率几乎不变 但是 超过此温度时 溅射率将急剧增加 图2 31是用45keV的离子 Xe 对几种靶材进行轰击时 所得溅射率与靶材温度的关系曲线 因此在溅射时应控制靶材温度 防止发生溅射率急剧增加的现象 37 2020 4 24 6 影响溅射率的其它因素 溅射率还与靶材的结构和结晶取向 表面形貌 溅射压强等因素有关 在溅射镀膜过程中 为了保证溅射薄膜的质量和提高薄膜的沉积速度 应当尽量降低工作气体的压力 提高靶材溅射率 38 2020 4 24 3 溅射原子的能量和速度 溅射原子 从靶材中溅射出来的原子 溅射原子所具有的能量和速度也是描述溅射特性的重要参数 溅射原子的能量与靶材料 入射离子的种类和能量以及溅射原子的方向性等都有关 一般由蒸发源蒸发出来的原子的能量为0 leV左右 而在溅射中 由于溅射原子是与高能量入射离子交换能量而飞溅出来的 所以 溅射原子具有较大的动能 约为5eV 10eV 正因为如此 溅射法制膜才具有许多的优点 39 2020 4 24 不同种类入射离子轰击不同的靶材时 逸出原子的能量分布在图2 33中给出 由图2 33可以看出 溅射原子具有相近的能量分布规律 但能量值所在的分布范围不同 40 2020 4 24 不同能量的Hg 离子轰击Ag单晶靶材后 逸出的Ag原子能量分布情况如图2 34所示 其能量分布近似于麦克斯韦分布 大部分溅射原子的能量小于100eV 高能量部分有一拖长的尾巴 平均能量为10 40eV 轰击离子的能量增加 高能量尾巴也拖得更长 当人射离子能量大于l000eV时 所逸出的原子的平均能量不再增大 41 2020 4 24 同一离子轰击不同材料时 溅射原子的平均逸出能量E eV 和平均逸出速度分别如图2 36和图2 37所示 图2 36和图2 37表明 当原子序数Z 20时 各元素的平均逸出能量差别较大 而平均逸出速度的差别则较小 42 2020 4 24 溅射镀膜中溅射原子的能量和速度具有以下几个特点 重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量 而轻元素靶材则有较高的原子逸出速度 不同靶材具有不同的原子逸出能量 靶材的取向与晶体结构对逸出能量影响不大 而溅射率高的靶材 通常有较低的平均原子逸出能量 在相同轰击能量下 原子逸出能量随人射离子质量的增加而线性增加 轻人射离子溅射出的原子其逸出能量较低 约为10eV 而重人射离子溅射出的原子其逸出能量较大 平均在30eV以上 溅射原子的平均逸出能量 随人射离子能量增大而增大 当人射离子能量达到IkeV以上时 平均逸出能量逐渐趋于恒定值 在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能 43 2020 4 24 4 溅射原子的角度分布 早期克努曾 Knudsen 研究认为 溅射原子角度分布符合余弦定律 进一步研究发现 在用低能离子轰击时 逸出原子的分布并不遵从余弦分布规律 垂直于靶表面方向逸出的原子数 明显少于按余弦分布时应有的逸出原子数 其结果如图3 38所示 44 2020 4 24 4 溅射原子的角度分布 对于不同的靶材料 角分布与余弦分布的偏差也不相同 而且 改变轰击离子的人射角时 逸出原子数在入射的正反射方向显著增加 如图2 39中实线所示 45 2020 4 24 三 溅射过程与溅射镀膜 溅射过程包括靶的溅射 逸出粒子的形态 溅射粒子向基片的迁移和在基片上成膜等过程 当人射离子在与靶材的碰撞过程中 将动量传递给靶材原子 使其获得的能量超过其结合能时 就可能使靶原子发生溅射 这是靶材在溅射时主要发生的一个过程 实际上 溅射过程是非常复杂的 当高能人射离子轰击固体表面时 要产生许多效应 图2 4 给出了这些效应的示意图 1 溅射过程 46 2020 4 24 实际上 溅射过程是非常复杂的 当高能人射离子轰击固体表面时 要产生许多效应 图2 4 给出了这些效应的示意图 例如人射离子可能从靶表面反射 或在轰击过程中捕获电子后成为中性原子或分子再从表面反射 离子轰击靶材引起靶表面逸出电子 即产生所谓次级电子 离子深人靶表面产生离子注人效应 此外还能使靶表面结构和组分发生变化 以及使靶表面吸附的气体解吸和在高能离子人射时产生辐射电子等 除了靶材的中性粒子 即原子或分子最终淀积为薄膜之外 其他一些效应会对溅射膜层的生长产生很大影响 1 溅射过程 47 2020 4 24 表2 14给出了用能量为10eV l00eV的Ar 离子对某些金属表面进行轰击时 平均每个人射离子所产生各种效应及其发生概率的大致情况 1 溅射过程 48 2020 4 24 图2 40中所示的各种效应或现象 在溅射过程中 在基片上同样可能发生 因为在辉光放电镀膜工艺中 基片的自偏压和接地极一样 都将形成相对于周围环境为负的电位 所以 在考虑基片在溅射过程中发生的现象时 也可将基片视为溅射靶 只不过二者在程度上有很大差异 1 溅射过程 49 2020 4 24 2 迁移过程 靶材受到轰击时所逸出的粒子中 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迁移 溅射镀膜的气体压力为10Pa 10 1Pa 此时溅射离子的平均自由程约为1 10cm 因此 靶与基片的距离应与该值大致相等 否则 溅射粒子在迁移过程中将产生多次碰撞 这样 既降低了靶材原子的动能 又增加了靶材的散射损失 尽管溅射原子在向基片的迁移输运过程中 会因与工作气体分子碰撞而降低其能量 但是 由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量 所以溅射过程中淀积在基片上的靶材原子的能量仍比较大 甚至可达蒸发原子能量的上百倍 50 2020 4 24 3 成膜过程 薄膜生长形成的过程在本课程中将有专门的章节介绍 这里主要介绍靶材粒子人射到基片上成膜过程中应考虑的几个问题 1 沉积速率D沉积速率D是指从靶材上溅射出来的物质 在单位时间内沉积到基片上的厚度 D与溅射速度S成正比 D CIS式中 C为与溅射装置有关的特征常数 I为离子电流 对于一定的溅射装置 即C为确定值 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 在不增高电压的情况下 增加I值就只有增高工作气体的压强 51 2020 4 24 图2 41给出了气体压强与溅射率的关系曲线 由图2 41可以看出 当压强增高到一定值时 溅射率将开始明显下降 这是由于靶材粒子的背反射和散射增大所引起的 所以 应由溅射率来选择合适的气压值 但应注意气压升高对薄膜质量的影响 52 2020 4 24 2 淀积薄膜的纯度 为了提高淀积薄膜的纯度 必须尽量减少淀到基片上的杂质的量 这里所指的杂质主要是残余气体 因为 通常有约百分之几的溅射气体分子注人淀积到薄膜中 特别在基片加偏压时 欲降低残余气体压力来提高薄膜的纯度 可采取提高本底真空度和增加氩气量这两项有效措施 一般本底真空度应为l0 3Pa 10 4Pa 53 2020 4 24 3 沉积过程中污染的防治 在通入溅射气体之前 应把真空室内的真空度提高到高真空区域 10 4Pa 即便如此 仍有可能存在许多污染源 主要包括 真空室壁和真空室中的其他部件可能会有吸附气体 水汽和二氧化碳 由于辉光放电中电子和离子的轰击作用 这些气体可能重新释放出来 为了防止这些污染 可能接触到辉光的表面都必须进行冷却或在抽气过程中进行高温烘烤 在溅射气压下 扩散泵油的回流现象也会引人污染 一般通过采用高真空阀门作为节气阀来解决这个问题 基片表面的颗粒物质对薄膜的影响也会产生针孔和形成污染 因此在淀积前应对基片进行彻底的清洗 尽可能保证基片不受污染或携带微米级污物 54 2020 4 24