溅射镀膜解析

1、溅射镀膜解析 溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。形成所需要的薄膜。 溅射镀膜广泛用于制备金属、合金、半导体、溅射镀膜广泛用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质，以及化合物半导体、碳化氧化物、绝缘介质，以及化合物半导体、碳化物、氮化物等薄膜。物、氮化物等薄膜。 自自7070年代以来，日益年代以来，日益受到重视，并取得重大进展。受到重视，并取得重大进展。第1页/共

2、58页 射频溅射镀膜机第2页/共58页溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：q 任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压元素和化合物；蒸气压元素和化合物；q 溅射薄膜与衬底的附着性好；溅射薄膜与衬底的附着性好；q 溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；q 膜层厚度可控性和重复性好。膜层厚度可控性和重复性好。溅射镀膜的缺点：溅射镀膜的缺点：q 溅射设备复杂，需要高压装置；溅射设备复杂，需要高压装置；q 成膜速率较低（成膜速率较低（0.01-0.5 m）

3、。）。第3页/共58页溅射的基本原理q 直流辉光放电直流辉光放电 辉光放电是在真空度约辉光放电是在真空度约10-1Pa的稀薄气体中，两的稀薄气体中，两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。 气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定律描述。杂，不能用欧姆定律描述。溅射过程是建立在气体辉光放电基础上。溅射过程是建立在气体辉光放电基础上。第4页/共58页溅射的基本原理第5页/共58页溅射的基本原理 无光放电无光放电 由于宇宙射线产生的游离离子和电子在直流电压作用由于宇宙射线产生的游离离子

4、和电子在直流电压作用下运动形成电流，下运动形成电流，10-16-10-14A。自然游离的离子和电子是有自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小。限的，所以随电压增加，电流变化很小。 汤森放电区汤森放电区 随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离。于是在伏子开始产生电离。于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。安特性曲线出现汤森放电区。 上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。光。因此，称为非自持放电。第6页/共58页溅射的基本原理

5、 辉光放电辉光放电 当放电容器两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。当放电容器两端电压进一步增大时，进入辉光放电区。 气体击穿气体击穿 自持放电（电流密度范围自持放电（电流密度范围2-3个数量级）个数量级） 电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关）电流与电压无关（与辉光覆盖面积有关） 电流密度恒定电流密度恒定 电流密度与阴极材料、气体压强和种类有关电流密度与阴极材料、气体压强和种类有关 电流密度不高（溅射选择非正常放电区）电流密度不高（溅射选择非正常放电区）称为正常辉光放电称为正常辉光放电第7页/共58页溅射的基本原理 非正常辉光放电区非正常辉光放电区 当轰击覆盖住整个当轰击覆盖住整个 阴极表面之

6、后，进一步增加功率，阴极表面之后，进一步增加功率，放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。放电电压和电流同时增加，进入非正常辉光放电。 特点：特点：电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电电流增大时，放电电极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有关。压降与电流密度和气体压强有关。 阴极表面情况：阴极表面情况：此时辉光布满整个阴极，离子层已无此时辉光布满整个阴极，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。 此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，结果更此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，结果更多的正离子轰击阴极，更多的二次电

7、子从阴极产生。多的正离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。第8页/共58页溅射的基本原理 弧光放电区弧光放电区 异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。 极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路； 放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁；放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁； 损害电源。损害电源。第9页/共58页溅射的基本原理 在正常辉光放电区，阴极有效放电面积随电流增加而增大，从而使有效区内电流密度保持恒定。 当整个阴极均成为有效放电区域后，只有增加阴极电流密度，才能增大电流，形成均匀而稳定的“异常辉光

8、放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是。q 正常辉光与异常辉光放电正常辉光与异常辉光放电FjVEP在溅射区：溅射电压在溅射区：溅射电压 ，电流密度，电流密度 和气体压强和气体压强 遵守遵守以下关系以下关系VjP式中，式中， 和和 是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。EF第10页/共58页溅射的基本原理第11页/共58页溅射的基本原理q 辉光放电阴极附近的分子状态辉光放电阴极附近的分子状态第12页/共58页溅射的基本原理 溅射阈值溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量。的最小能量

9、。 目前能测出目前能测出10-5原子原子/离子的溅射率（阈值参考）。离子的溅射率（阈值参考）。对绝大多数金属靶材，溅射阈值为对绝大多数金属靶材，溅射阈值为1030eV第13页/共58页溅射的基本原理第14页/共58页溅射的基本原理 溅射率溅射率 溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数 。S 溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。晶格结构、表面状态、升华热大小等

10、因素有关。1. 靶材料靶材料 溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。第15页/共58页溅射的基本原理第16页/共58页溅射的基本原理2. 入射离子能量入射离子能量70eV-10KeV第17页/共58页溅射的基本原理3. 入射离子种类入射离子种类 原子量原子量 核外电子结构核外电子结构第18页/共58页溅射的基本原理4. 入射离子的入射角入射离子的入射角 入射离子的入射角是指离子入射方向与溅射靶材表面入射离子的入射角是指离子入射方向与溅射靶材表面法线之间的夹角。法线之间的夹角。 0-60 之间服从之间服从 规律规律 60-80 时，溅射率最大时，溅射

11、率最大 90 时，溅射率为零时，溅射率为零1 cosoo(60 )2 (0 )SS第19页/共58页溅射的基本原理第20页/共58页溅射的基本原理5. 靶材温度靶材温度 靶 材 存 在 与靶 材 存 在 与升华相关的某一升华相关的某一温度。低于此温温度。低于此温度时，溅射率几度时，溅射率几乎不变；高于此乎不变；高于此温度时，溅射率温度时，溅射率急剧增加。急剧增加。第21页/共58页溅射的基本原理 溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度 溅射原子的能量（溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能量（比热蒸发原子能量（0.1eV）大大1-2个数量级。个数量级。 溅射原子的能量与靶材、入射离子种

12、类和能量、溅射溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射原子的方向等有关。原子的方向等有关。 几组实验数据曲线。几组实验数据曲线。第22页/共58页溅射的基本原理第23页/共58页溅射的基本原理第24页/共58页溅射的基本原理 靶材溅射过程靶材溅射过程第25页/共58页溅射的基本原理溅射粒子的迁移过程溅射粒子的迁移过程 溅射粒子的成膜过程溅射粒子的成膜过程淀积速率 是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的薄膜厚度。溅射粒子： 正离子：不能到达基片 中性原子或分子 其余粒子均能向基片迁移第26页/共58页溅射的基本原理 溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，

13、由于离子注入效应，溅射率减小； 溅射率的大小与入射离子的质量有关； 当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射； 溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍； 入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关； 电子轰击靶材不会发生溅射现象。第27页/共58页溅射的基本原理 热蒸发理论（早期理论）热蒸发理论（早期理论） 认为：溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。 可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系； 可以解释溅射原子的余弦分布规律； 不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分

14、布规律，以及溅射率与质量关系等。第28页/共58页溅射的基本原理 动量转移理论动量转移理论 深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程，并被人们广泛接受。 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。 第29页/共58页溅射镀膜的类型 系统结构系统结构基片第30页/共58页溅射镀膜的类型控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。a. 溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压

15、变化，工艺重复性差；变化，工艺重复性差；b. 真空系统多采用真空系统多采用扩散泵扩散泵，残留气体对膜层污染较，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差；严重，纯度较差；c. 基片温度升高，淀积速率低；基片温度升高，淀积速率低；d. 靶材必须是良导体。靶材必须是良导体。 缺点 特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。 第31页/共58页溅射镀膜的类型等离子区由热阴极和一等离子区由热阴极和一个与靶无关的阳极来维个与靶无关的阳极来维持，而靶偏压是独立的。持，而靶偏压是独立的。大大降低靶偏压。大大降低靶偏压。负电位第32页/共58页溅射镀膜的类型 1. 靶电流和靶电压

16、可独立调节，克服了二极溅射的缺点靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点 2. 靶电压低（几百伏），溅射损伤小；靶电压低（几百伏），溅射损伤小； 3. 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，提溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，提高了溅射参数的可控性和工艺重复性；高了溅射参数的可控性和工艺重复性； 缺点：不能抑制电子轰击对基片的影响（温度升高）；缺点：不能抑制电子轰击对基片的影响（温度升高）；灯丝污染问题；不适合反应溅射等。灯丝污染问题；不适合反应溅射等。 特点：第33页/共58页溅射镀膜的类型第34页/共58页溅射镀膜的类型 1. 电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大

17、，击穿电压和放电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压和放电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级；电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级； 2. 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料； 3. 溅射过程不需要次级电子来维持放电。溅射过程不需要次级电子来维持放电。 缺点：缺点： 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。 特点：第35页/共58页溅射镀膜的类型 磁控溅射是磁控溅射是70年代发展起来年代发

18、展起来的一种高速溅射的一种高速溅射技术。技术。 磁控溅射可磁控溅射可以使淀积速率提以使淀积速率提高。气体电离从高。气体电离从0.3-0.5%提高到提高到5-6%。第36页/共58页溅射镀膜的类型 磁控溅射工作原理 磁控溅射技术中使用了磁控靶。磁控溅射技术中使用了磁控靶。磁控靶第37页/共58页溅射镀膜的类型 在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。在阴极靶的表面上形成一个正交的电磁场。 溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的能电子，但是它并不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作摆线运动。作用下作摆

19、线运动。 高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，并成为低能电子。传递能量，并成为低能电子。)(BvEv qdtdm第38页/共58页溅射镀膜的类型 特点：特点：1. 在阴极靶的表面形成一个正交的电磁场；在阴极靶的表面形成一个正交的电磁场；2. 电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞行才电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率约为能到达阳极，碰撞频率约为10-7 s-1 ）；3. 可以在低真空（可以在低真空（10-1Pa，溅射电压数百伏，靶流溅射电压数百伏，靶流可达到几十毫安可达到几十毫安/m2）实现高速溅射；

20、实现高速溅射；4. 低温、高速。低温、高速。第39页/共58页溅射镀膜的类型 一般描述 与反应蒸发相类似，在溅射过程中引入反应气体，就可以控制生成薄膜的组成和特性，称为“反应溅射”。 溅射淀积高纯介质薄膜和各种化合物薄膜，必须先有高纯靶。 高纯的氧化物、氮化物、碳化物、或其它化合物粉末并不难得，但是，加工成靶确是很难的。第40页/共58页溅射镀膜的类型粒子的按能量分布：exp()aEnkT反应速度常数：exp()aEAkT目前，对于反应溅射成膜过程及机理的研究还不十分深入。通常靶反应溅射过程分为三个部分：靶面反应、气相反应、基片反应。 反应动力学过程 反应物之间发生化学反应的必要条件：反应物分

21、子必须有足够能量以克服分子间的势垒 。aAENaEaE 和和 为正逆反应为正逆反应过程的活化能；过程的活化能；aEaE反应活化能为：第41页/共58页溅射镀膜的类型（1）靶面反应:靶面金属与反应气体之间的反应，结果影响淀积薄膜的质量和成分。关键是防止在靶面上形成稳定化合物（如铝靶）。（2）气相反应:逸出靶面的原子在到达基片之前与反应气体发生反应形成化合物。（3）基片反应: 溅射原子在基片表面形成所需要的化合物。基本要求是基本要求是:到达基片的金属原子与反应气体分子之间维持一定的比例；到达基片的金属原子与反应气体分子之间维持一定的比例； 保持适当的基片温度。保持适当的基片温度。第42页/共58页

22、溅射镀膜的类型第43页/共58页溅射镀膜的类型 以上各种溅射方法都是利用辉光放电产生的离子进行溅射，基片置于等离子体中。存在如下问题： 基片受电子轰击；基片受电子轰击； 溅射条件下，气体压力、放电电流等参数不能独立控制；溅射条件下，气体压力、放电电流等参数不能独立控制； 工艺重复性差。工艺重复性差。离子束溅射法：用离子源发出离子。经引出、加速、离子束溅射法：用离子源发出离子。经引出、加速、聚焦，使其成为束状，用此离子束轰击置于高真空聚焦，使其成为束状，用此离子束轰击置于高真空室中的靶，将溅射出的原子进行镀膜。室中的靶，将溅射出的原子进行镀膜。第44页/共58页溅射镀膜的类型 离子束溅射的种类（

23、1）一次离子束淀积（低能离子束淀积） 离子束由薄膜材料的离子组成，离子能量较低，到达基片后就淀积成膜。（2）二次离子束淀积（离子束溅射） 离子束由惰性气体或反应气体的离子组成，离子能量高，它们打到由薄膜材料构成的靶上，引起靶原子溅射，并在衬底上形成薄膜。第45页/共58页溅射镀膜的类型 离子束溅射的原理第46页/共58页溅射镀膜的类型 离子束溅射的优点（1）高真空下成膜，纯度高；（2）淀积在无场区进行，基片不是电路的一部分，不会产生电子轰击引起的基片温升；（3）可以对工艺参数独立地严格控制，重复性好；（4）适合于制备多组分的多层薄膜；（5）可制备几乎所有材料的薄膜。第47页/共58页溅射镀膜的

24、类型（2）如果沉积过程中真空度较低，沉积膜中容易含有氧。 离子束溅射沉积法，有以下三点必须加以注意。（3）如果用多成分的靶制取合金或化合物薄膜，由于靶的选择溅射效果，沉积膜中各元素的成分比和靶相比会发生相当大的变化。（1）由靶反射的Ar+离子会变为中性粒子，沉积膜中可能发生Ar+离子的注入，也可能发生气体的混入等。 第48页/共58页习题、思考题习题、思考题1.溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？2.正常辉光放电和异常辉光放电的特征？3.射频辉光放电的特点？4.溅射的概念及溅射参数。5.溅射机理6.二极直流溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射系统的结构和原理第49页/共58页溅射

25、的基本原理 无光放电无光放电 由于宇宙射线产生的游离离子和电子在直流电压作用由于宇宙射线产生的游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，下运动形成电流，10-16-10-14A。自然游离的离子和电子是有自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小。限的，所以随电压增加，电流变化很小。 汤森放电区汤森放电区 随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离。于是在伏子开始产生电离。于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。安特性曲线出现汤森放电区。 上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。光。因此，称为非自持放电。第50页/共58页溅射的基本原理 溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度 溅射原子的能量（溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能量（比热蒸发原子能量（0.1eV）大大1-2个数量级。个数量级。 溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射原子的方向等有关。原子的方向等有关。 几组实验数据曲线。几组实验数据曲线。第51页/共58页溅射镀膜的类型控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。控制参