半导体薄膜技术与物理ppt课件

1、2.3 溅射溅射Sputtering2.3.1 溅射的根本原理溅射的根本原理 荷能粒子轰击固体外表靶材，固体原子或荷能粒子轰击固体外表靶材，固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体外表射出分子获得入射粒子的部分能量，而从固体外表射出的景象称为溅射的景象称为溅射荷能粒子：离子易于在电磁场中加速或偏转伴随着离子轰击固体外表的各种景象右图：1大部分中性粒子成膜2二次电子辉光放电3少部分二次离子4气体解吸、加热等其他景象95%的离子能量作为热量损耗掉5%的能量传送给二次发射的粒子溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1直流辉光放电过程的构成VB： 击穿电压溅射区域：均匀稳定的“异常辉

2、光放电当离子轰击覆盖整个阴极外表后，继续添加电源功率，可同时提高放电区的电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系：气体辉光放电气体辉光放电PFjEUE和F取决于电极资料，是几何尺寸和气体成分的常数弧光放电区： U阴极强电场暗区收缩EUBEAdPcdc：暗区厚度A、B为常数j0.1A/cm2, Uj弧光放电气压P太低，两极间距太小： 没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭气压P太高： 二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电溅射过程的机了解释：溅射过程的机了解释： 1离子轰击部分瞬时加热而蒸发离子轰击部分瞬时加热而蒸发 因与实验察看不符而被否认因与

3、实验察看不符而被否认 2动量实际动量实际(级联碰撞实际级联碰撞实际) 离子撞击在靶上，把一部分动量传送给靶原子，假离子撞击在靶上，把一部分动量传送给靶原子，假设原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射设原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。出。研讨溅射的根底研讨溅射的根底2.3.2 溅射阈和溅射率溅射阈和溅射率 溅射阈：溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量 溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系主要取决于靶资料主要取决于靶资料周期中随着原子序数添加而减小周期中随着原子序数添加而减小 对大多

4、数金属来说：对大多数金属来说： 溅射阈为溅射阈为10-40eV，约为，约为4-5倍升华热倍升华热一些金属的溅射阈eVEEmmmmrYAIAI4432溅射率又称溅射产额：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数影响要素：入射粒子的类型离化气体、能量、角度、靶材的类型、晶格构造、外表形状、升华热等单晶资料的溅射率还与外表晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高E：入射粒子能量E0：升华热eV mI：入射粒子质量mA：靶材原子的质量r：mA/mI函数 4mImA/(mI+mA)2称为传送系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传送的奉献当mI=mA时，传送系数为1，入射能量全部传送给靶原子溅射

5、率与入射离子能量的关系溅射率与离子入射角的典型关系溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关104eV：下降注入添加060o：单调添加7080o：最大90o：0溅射率与靶材原子序数的关系同周期元素：溅射率随原子序数增大而添加Ag、 Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系温度低时：几乎不变化超越一定温度时：急剧添加高温，靶原子本身热动能大不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率溅射合金和化合物时，溅射率普通不能直接从组成金属的溅射率值来确定，存在较大的差别性。2.3.3 溅射粒子的速度和能量溅射粒子的速度和能量溅射Cu原子速度分布图He+：平均

6、速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eVAr+：平均速度=36105 cm/s 平均能量 E=3040 eV轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV2.3.4 溅射速率和淀积速率溅射速率和淀积速率dPPRTDMRD12ASNNSMR/max1112 RTMPRd1溅射速率： N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率，M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。2分散速率： D：分散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度，P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的间隔。 3淀积速率：1：基板外表凝结系数，T1：基板温度。1 1阴极二极溅射和三极四

7、极溅射阴极二极溅射和三极四极溅射2.3.5 溅射的种类溅射的种类阴极溅射原理图三极四极溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射2 2射频高频溅射射频高频溅射射频溅射原理图可溅射绝缘体。高频范围：530MHz普通rf13.56MHz 3 3磁控溅射磁控溅射 磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中电子的运动轨迹，改良溅射的工艺电子在正交电磁场中的作用力：采用正交电磁场可以提高离化率离化率：0.30.5% 56%电子在正交电磁场中的运动轨迹磁控溅射主要有三种方式：平面型、圆柱型、S枪)(HVeEeF衬底：“近冷态磁控溅射电极类型2.3.6 反响溅射反响溅射运用溅射技术制

8、备介质膜通常有两种方法： 高频溅射 反响溅射，特别是磁控反响溅射例如：在O2气氛中产生反响而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物 在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等反响物之间产生反响的必要条件：反响物分子必需有足够高的能量以抑制分子间的势垒势垒与能量关系为： Ea=NAEa为反响活化能，NA为阿佛伽德罗常数。根据过渡态模型实际，两种反响物的分子进展反响时，首先经过过渡态以活化络合物，然后再生成反响物，如上图所示。可见，反响物要进展反响，必需有足够高的能量去抑制反响活化能。Ea和Ea分别为正、逆向反响活化能x：反响物初态能量W：终态

9、能量T：活化络合物能量E：反响物与生成物能量之差热蒸发粒子的平均能量只需0.10.2eV，而溅射粒子可达1020eV，比热蒸发高出二个数量级。蒸发与溅射粒子的能量分布图其中能量大于反响活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为：kTEAa/exp sasEEA23exp seaesEEEAAM1123exp假设只需能量大于Ea的粒子能参与反响，那么，溅射粒子的反响度必然远远大于蒸发粒子。由于平均能量，因此溅射分子或原子的能量大于Ea的分数同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数 easEEA23exp式中 和 分别为溅射和蒸发粒子的平均动能由图可以看出，能量EEa的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数：sEeE2)-(2 2ZnOO2Zn1)-(2 TiO空气OTiC1000燃烧22C12002 假设两种反响物处在同一能量形状，那么Ti、Zn和O2的反响活化能Ea大约分别为0.2eV和0.17eV，但常温基板外表的氧分子完全处于钝化态能够有百分之几的离子氧，因此，膜料粒子最小的反响能阈值至少添加一倍，即Ti、Zn与O2反响至少要有0.4和0.34eV的能量。 设溅射原子的平均动能为15eV，由式(2-1)和(2-2)，那么大约有98%的溅射Ti原子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和