溅射法学习教案

1、会计学1溅射溅射(jin sh)法法第一页，共53页。第1页/共52页第二页，共53页。1852年英国物理学家格罗夫（年英国物理学家格罗夫（William Robert Grove）发现）发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生(chnshng)这种现象的物理原因这种现象的物理原因 。1902年，年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体由于阴极受到电离气体(qt)中的离子的轰击

2、而引起的，中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。并且他完成了第一个离子束溅射实验。20世纪世纪30年代，人们开始利用溅射现象在试验中制取薄膜年代，人们开始利用溅射现象在试验中制取薄膜。但由于早年用的直流溅射有许多缺陷，故长期未能得到应。但由于早年用的直流溅射有许多缺陷，故长期未能得到应有的发展。直到有的发展。直到20世纪世纪50年代中期，溅射工艺才得到不断的发年代中期，溅射工艺才得到不断的发展和改进。展和改进。第2页/共52页第三页，共53页。到了到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅(bjn)与

3、带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。薄膜制备等都涉及到溅射现象。60年代初，年代初，Bell实验室和实验室和Western Electric公司利用溅射制取了集成公司利用溅射制取了集成电路用的电路用的Ta膜。膜。1965年，年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。1969年，年，Sigmund 在总结了大量的实验

4、工作的基础上，对在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。第3页/共52页第四页，共53页。第4页/共52页第五页，共53页。第5页/共52页第六页，共53页。汤生放电：电压继续升高，离子与阴汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁的碰撞频繁(pnfn)起来，同时外电起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离路使电子和离子的能量也增加了。离子撞

5、击阴极产生二次电子，参与与气子撞击阴极产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。一放电阶段称为汤生放电。 汤生放电汤生放电后期称为电晕放电。后期称为电晕放电。随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再，电流也达到一个饱和值，不再(b zi)增加增加（见第一个垂线段）

6、；（见第一个垂线段）；第6页/共52页第七页，共53页。第7页/共52页第八页，共53页。第8页/共52页第九页，共53页。第9页/共52页第十页，共53页。第10页/共52页第十一页，共53页。溅射溅射(jin sh)是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。果。第11页/共52页第十二页，共53页。个物理量来定量地描述，其定义为个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即出来的原子数，即每入射一个粒子溅射出来的原子数Y溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子溅射产额同样可

7、以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子(lz)数之比，溅数之比，溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子(lz)的能量、的能量、电荷态和种类有关。电荷态和种类有关。第12页/共52页第十三页，共53页。子的种类关系不大、与靶材有关。子的种类关系不大、与靶材有关。第13页/共52页第十四页，共53页。(b) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是随着入射离子能量的增加，溅射产额先是(xin.shi)提高，然后在离子能量达到提高，然后在离子能量达到10keV左左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。

8、如下图右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。如下图 图 3.9第14页/共52页第十五页，共53页。图是在图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击加速电压条件下各种入射离子轰击Ag表面时得到的溅射产额随离子的原子序表面时得到的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑经济方面的考虑(kol)，多数情况下均采用，多数情况下均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。溅射溅射(jin sh)产

9、额随入射原子序数增加而周期产额随入射原子序数增加而周期性增加。性增加。第15页/共52页第十六页，共53页。第16页/共52页第十七页，共53页。图图3.11 随着离子入射方向与靶面法线间夹随着离子入射方向与靶面法线间夹角角(ji jio)的增加，溅射产额先呈现的增加，溅射产额先呈现1/cos 规律的增加，即倾斜入射有利规律的增加，即倾斜入射有利于提高溅射产额。当入射角于提高溅射产额。当入射角接近接近80度度角时，产额迅速下降。离子入射角对溅角时，产额迅速下降。离子入射角对溅射产额的影响如图射产额的影响如图3.11。第17页/共52页第十八页，共53页。因此在实际薄膜沉积过程中，均需因此在实际

10、薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射靶材的温要控制溅射功率及溅射靶材的温升。升。第18页/共52页第十九页，共53页。子溅射，溅射产额分别为：子溅射，溅射产额分别为：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。经。经过一段时间的预溅射之后，靶材表面的成分比将逐渐过一段时间的预溅射之后，靶材表面的成分比将逐渐变为变为Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即，即70.2%Ni-29.8%Fe。在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。膜。第19页/共52页第二十页，共53页。第20页/共52页第二十一页，共53页。表表3.2是从沉积

11、原是从沉积原理方面对溅射和蒸理方面对溅射和蒸发这两种薄膜制备发这两种薄膜制备方法方法(fngf)进行进行的总结与比较的总结与比较第21页/共52页第二十二页，共53页。多功能磁控溅射设备多功能磁控溅射设备(shbi) 溅射靶溅射靶 第22页/共52页第二十三页，共53页。靶材生产厂家：北京(bi jn)有研总院靶材中心、北京(bi jn)蒙泰有研技术开发中心、北京(bi jn)泛德辰公司、合肥科晶、深圳宏瑞兴、惠州天亿等。第23页/共52页第二十四页，共53页。第24页/共52页第二十五页，共53页。底。底。第25页/共52页第二十六页，共53页。图图3.16第26页/共52页第二十七页，共5

12、3页。第27页/共52页第二十八页，共53页。特点：由于特点：由于(yuy)热阴极发射电子的能力较强，因而放电气压可以维持热阴极发射电子的能力较强，因而放电气压可以维持在较低水平上，这对于提高沉积速率、减少气体污染等都是有利的。此在较低水平上，这对于提高沉积速率、减少气体污染等都是有利的。此时提高辅助阳极的电流密度即可提高等离子体的密度和薄膜的沉积速率时提高辅助阳极的电流密度即可提高等离子体的密度和薄膜的沉积速率，而轰击靶材的离子流又可以得到独立的调节。，而轰击靶材的离子流又可以得到独立的调节。缺点：难于获得大面积且分缺点：难于获得大面积且分布均匀的等离子体，且在提布均匀的等离子体，且在提高薄

13、膜沉积速率方面的能力高薄膜沉积速率方面的能力(nngl)有限。有限。第28页/共52页第二十九页，共53页。 两极间接两极间接(jin ji)上射频（上射频（530MHz，国际上多采用美国联邦通讯委员会（国际上多采用美国联邦通讯委员会（FCC）建议的建议的13.56MHz）电源后，两极间等离子体）电源后，两极间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（再需要在高压下（10Pa

14、左右）产生二次电子左右）产生二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压（来维持放电过程，射频溅射可以在低压（ 1Pa左右）下进行，沉积速率也因气体散射少左右）下进行，沉积速率也因气体散射少而较二极溅射为高；高频电场可以经由其他阻而较二极溅射为高；高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导体；由于射频方法可以在靶材上产生定要是导体；由于射频方法可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处于一个较大的负电位下，从而导致气会自动处于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其产

15、生自发的轰击和溅射，而在衬底体离子对其产生自发的轰击和溅射，而在衬底上自偏压效应很小，气体离子对其产生的轰击上自偏压效应很小，气体离子对其产生的轰击和溅射可以忽略，将主要是沉积过程。和溅射可以忽略，将主要是沉积过程。第29页/共52页第三十页，共53页。如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？ 由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离子体近旁的任何由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离子体近旁的任何部位都处于负电部位都处于负电(fdin)位。位。 设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，

16、它既可作为阳极接受电子设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它既可作为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大量电子，并使其自身带有负电，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大量电子，并使其自身带有负电(fdin)荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电(fdin)荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电极上将带有一定数量的负电荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电极上将带有一定数量的负电(fdin)荷而对等荷而对等离子体呈现一定的负

17、电离子体呈现一定的负电(fdin)位。（此负电位。（此负电(fdin)位对电子产生排斥作用，使电极此后接受的位对电子产生排斥作用，使电极此后接受的正负电正负电(fdin)荷数目相等）荷数目相等） 设等离子电位为设等离子电位为Vp（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为0）对等离子的）对等离子的电位差为电位差为-Vp，设靶电极的电位为，设靶电极的电位为Vc（是一个负值），则靶电极相对于等离子体的电位差为（是一个负值），则靶电极相对于等离子体的电位差为Vc-Vp。|Vc-Vp|幅值要远大于幅值要远大于| -Vp|。因此，这一较大的电位差使

18、靶电极实际上处在一个负偏压之下，它。因此，这一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。驱使等离子体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。工作频率50Hz或60Hz叫工频, 在它以下的叫低频(dpn);60Hz至20kHz叫中频;20kHz以上叫高频。 第30页/共52页第三十一页，共53页。第31页/共52页第三十二页，共53页。第32页/共52页第三十三页，共53页。磁控溅射仪（型号(xngho)JGP-560） 第33页/共52页第三十四页，共53页。第34页/共52页第三十五页，共53页。第35页/共52页第三十六

19、页，共53页。第36页/共52页第三十七页，共53页。第37页/共52页第三十八页，共53页。第38页/共52页第三十九页，共53页。第39页/共52页第四十页，共53页。第40页/共52页第四十一页，共53页。a、平面磁控靶、平面磁控靶b、圆柱磁控靶、圆柱磁控靶 这里用的是电磁线圈，书这里用的是电磁线圈，书中用的是永磁铁来提供中用的是永磁铁来提供(tgng)磁场。磁场。 第41页/共52页第四十二页，共53页。第42页/共52页第四十三页，共53页。 溅射系统的一个主要缺点就是工作压强较高，由此导致溅射膜中有气体分子的进入。而离子束溅射，除具有工作压强低，减小气体进入薄膜，溅射粒子输送过程中

20、较少受到散射等优点外，还可以让基片远离离子发生(fshng)过程。 离子束溅射的靶和基片与加速极不相干，因此，通常在传统溅射沉积中由于离子碰撞引起的损伤会降到极小。并且在外延生长薄膜领域，离子束溅射沉积变得非常有用。因为在高真空环境下，离子束溅射出来的凝聚粒子具有超过10eV的动能。即使在低基片温度下，也会得到较高的表面扩散率，对外延生长十分有利。4 离子束溅射离子束溅射(jin sh)第43页/共52页第四十四页，共53页。（2）离子束溅射的基本原理）离子束溅射的基本原理 产生离子束的独立装置被称产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供一定的束流强为离子枪，它提供一定的束流强度、一定能量的度、一定能量的Ar离子流。离子离子流。离子束以一定的入射角度轰击靶材并束以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的情况下，需要在离子枪不导电的情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近外或是在靶材的表面