溅射法优选ppt资料

第八章溅射(jiànshè)法第一页，共117页。一、等离子体(děnglízǐtǐ)和辉光放电溅射一般是在辉光放电过程(guòchéng)中产生的，辉光放电是溅射技术的基础。辉光放电：真空度为10-1~10-2Torr，两电极间加高压，产生辉光放电。电流(diànliú)电压之间不是线性关系，不服从欧姆定律。第二页，共117页。直流辉光放电伏安(fúān)特性曲线暗光放电汤逊放电过渡区正常放电弧光放电第三页，共117页。直流辉光放电伏安特性(tèxìng)曲线A-B:电流小，主要是游离(yóulí)状态的电子，离子导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；B-C:增加电压，粒子能量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压(类似稳压源)。暗光放电汤逊放电过渡区正常放电弧光放电非自持(zìchí)放电第四页，共117页。C-D:起辉（雪崩）；离子轰击产生(chǎnshēng)二次电子，电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板间电阻减小从而使分压下降)；D-E:电流与极板形状、面积、气体种类相关，与电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电；E-F:异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关（可控制区域，溅射区域）；F-G:弧光放电过渡区；击穿或短路放电；自持(zìchí)放电第五页，共117页。特性正常辉光放电异常辉光放电阴极位降大小和电流无关和气压无关与电流成正比随气压提高而减小阴极位降宽度和电流无关和气压成反比随电流增加而减小随电压提高而减小电流密度和电流无关随气压增加而增加随电压升高而增大随气压增高而增大阴极斑点面积与电流成正比阴极全部布满辉光正常辉光放电和异常(yìcháng)辉光放电的特性对比第六页，共117页。dxdxnxnx+dnxnajan0j0阴极阳极第七页，共117页。dxdxnxnx+dnxnajan0j0阴极阳极维持放电(fàngdiàn)进行的两个必要过程：1.电离过程，a来表示电子对气体的体积电离系数。2.轰击阴极过程，以g表示离子的表面电离系数。假设开始时阴极发射电子(diànzǐ)数为n0，发射电流为j0，如图所示，则此过程中产生(chǎnshēng)的新离子数：自持放电条件：第八页，共117页。一个过程后阴极(yīnjí)发射电子数：两个过程(guòchéng)后阴极发射电子数：稳定时阴极(yīnjí)发射电子数：稳定时到达阳极电子数：第九页，共117页。稳定(wěndìng)时阳极电流密度：空间(kōngjiān)各点的电流密度：维持自持(zìchí)放电的条件：第十页，共117页。设气体的电离能eUi,电子能量高于eUi，电离几率(jīlǜ)为1，低于eUi，电离几率(jīlǜ)为0。极板间电场强度E，要产生电离电子的自由程至少li,第十一页，共117页。第十二页，共117页。辉光放电(fàngdiàn)的帕邢曲线不同气体的曲线不同一般(yībān)的取比较小的Pd值第十三页，共117页。辉光(huīɡuānɡ)放电示意图第十四页，共117页。辉光(huīɡuānɡ)放电示意图阿斯顿暗区：慢电子区域；阴极辉光：激发态气体发光；克鲁克斯暗区：气体原子(yuánzǐ)电离区，电子离子浓度高(电压降主要在前面的三个区域：阴极位降区)；负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高；法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；第十五页，共117页。辉光放电时光(shíguāng)强、电压、电场强度、电荷密度的分布衬底放在阴极(yīnjí)辉光区电极(diànjí)鞘层，鞘层电压降：第十六页，共117页。辉光(huīɡuānɡ)放电中的粒子、能量和温度第十七页，共117页。Ee~2eV，Te~23000KEi，Ti~500KEn，Tn~293KTv~3800K，Tro~2800K所以辉光(huīɡuānɡ)放电为非平衡过程。对于1Pa左右的气压，电子和离子的总量约占全部(quánbù)粒子总量的10-4。第十八页，共117页。粒子轰击固体表面(biǎomiàn)或薄膜产生的效应溅射仅是离子对物体(wùtǐ)表面轰击时可能发生的物理过程之一。4、离子与物质(wùzhì)的相互作用，溅射及其溅射参数第十九页，共117页。第二十页，共117页。不同能量和离子(lízǐ)/原子质量比下不同的离子(lízǐ)轰击过程第二十一页，共117页。Si单晶上Ge沉积(chénjī)量与入射Ge+离子能量间的关系(实验结果)第二十二页，共117页。(1)从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦规律，而趋向于晶体密度最高的方向；(2)溅射系数不仅决定于轰击(hōngjī)离子的能量，同时也决定于其质量；(3)存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射；(4)离子能量很高时，溅射系数减小；(5)溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍；(6)没有发现电子轰击(hōngjī)产生溅射。溅射(jiànshè)机制：局部加热蒸发(zhēngfā)机制动能直接传递机制第二十三页，共117页。溅射一般发生(fāshēng)在数个原子层的范围内，大量能量转变为靶材的热不同能量范围的溅射(jiànshè)机制(a)Singleknock-on(lowenergy),(b)linearcascade,(c)spike(highenergy),第二十四页，共117页。溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量(néngliàng)值。与入射离子的质量关系不大，但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小，20~40eV。溅射参数：溅射阈值，溅射产额(chǎné)，沉积速率，溅射原子的能量第二十五页，共117页。薄膜的沉积速率与溅射产额（SputteringYield）成正比，所以溅射产额是衡量(héngliáng)溅射过程效率的参数。溅射(jiànshè)产额（SputteringYield）经验(jīngyàn)公式：US为表面结合能，a(M2/M1)只与M2，M1相关的常数。Eth是原子从晶格点阵被碰离，产生碰撞级联所必须的能量阈值，是Us和M2/M1的函数。Sn(E)是弹性碰撞截面，也是能量与原子质量及原子序数的函数。第二十六页，共117页。第二十七页，共117页。第二十八页，共117页。影响溅射产额的因素：靶材料（靶表面原子结合能）；轰击离子(lízǐ)的质量；轰击离子(lízǐ)的能量；轰击原子的入射角。第二十九页，共117页。Ar离子在400KV加速(jiāsù)电压下对各种元素的溅射产额取决于表面原子(yuánzǐ)束缚能靶材料(cáiliào)的影响第三十页，共117页。第三十一页，共117页。溅射率与入射离子(lízǐ)的关系靶；靶；靶入射离子种类(zhǒnglèi)的影响第三十二页，共117页。Ni的溅射产额(chǎné)与入射离子种类和能量之间的关系入射离子能量(néngliàng)的影响低能(dīnéng)端外推可得溅射阈值。第三十三页，共117页。第三十四页，共117页。溅射产额(chǎné)随离子入射角度的变化单晶靶不遵循(zūnxún)此分布第三十五页，共117页。出射原子(yuánzǐ)的欠余弦分布第三十六页，共117页。半导体材料(cáiliào)的溅射多晶靶：各向同性(ɡèxiànɡtónɡxìnɡ)。单晶靶低温(dīwēn)，各向同性高温，各向异性，原子从密排方向射出如FCC的[110]，[100]，[111]第三十七页，共117页。气体(qìtǐ)压强的影响第三十八页，共117页。溅射原子的能量(néngliàng)分布原子数原子能量能量为80~1200eV的离子轰击下，从[110]方向逸出的铜原子(yuánzǐ)能量分布第三十九页，共117页。沉积(chénjī)速率：Q为沉积速率，C为表示溅射装置特性的常数(chángshù)，I为离子流，r为溅射系数。溅射系数本身是溅射电压与溅射离子种类得函数。沉积速率与靶到基片的距离、溅射电压、溅射电流等有关。第四十页，共117页。沉积过程(guòchéng)中的污染（1）真空室的腔壁和真空室中的其他零件可能含有吸附气体、水气和二氧化碳。由于(yóuyú)辉光中电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。解决办法：可能接触辉光的一切表面部必须在沉积过程中适当地冷却以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡(假设在适当位置有一遮断器)；也可在抽气过程中进行高温烘烤。（2）基片表面的污染。第四十一页，共117页。不同元素的溅射产额没有平衡蒸汽压那么大；蒸发法中熔体中的快速扩散(kuòsàn)和对流使熔体很快达到均匀，而溅射法中，固体表面在经过一段时间的溅射后能使溅射产额比稳定。合金(héjīn)的溅射和沉积溅射(jiànshè)制膜的化学成分与靶材基本一致，与蒸发不同：第四十二页，共117页。设组分(zǔfèn)CA=nA/n,CB=nB/n,n=nA+nB设有ng原子(yuánzǐ)入射，则表面的剩余组分比初始(chūshǐ)：若SA>SB最终：第四十三页，共117页。被溅射出的粒子(lìzǐ)的一些特性大多数为中性不带点的粒子。溅出的粒子的能量因溅射条件、靶材原子的键能和结晶方向等因素而异。 e.g.Ge(1.2KeV,Ar+)~15eV带有较大动能的粒子，可促成表面鍵合较弱的污染物脱离，並促进增原子在表面的扩散(kuòsàn)，但也多少会造成一些因撞击而产生的缺陷。带有较大动能的粒子会引起衬底温度的升高。第四十四页，共117页。溅射沉积的另一个特点是，在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大能量的传递。因此，溅射出的原子将从溅射过程中获得很大的动能，其数值一败可以达到5—20eV。相比之下，由蒸发法获得的原子动能一般只有。这导致在沉积过程中，高能量的原子对于衬底的撞击一方面提高(tígāo)了原子自身在沉积表面的扩散能力，另一方面也将引起衬底温度的升高。在溅射沉积过程中，引起衬底温度升高的能量有以下三个来源：(1)原子的凝聚能；(2)沉积原子的平均动能；(3)等离子体中的其它粒子，如电子、中性原子等的轰击带来的能量。第四十五页，共117页。离子轰击在溅射过程(guòchéng)中的作用1)在膜层沉积之前的离子溅射清洗2)离子轰击对基体和镀层交界面的影响a)使基体中产生缺陷；b)热效应；c)物理混合；反冲注入，伪扩散层。3)离子轰击在薄膜生长中的作用a)优先去除松散结合的原子；b)增强扩散和反应活性，提高成核密度(mìdù)；c)对形貌的影响(晶粒的择优取向)；b)对沉积膜组分的影响；c)对膜层物理性能的影响（应力，结合力）第四十六页，共117页。对形貌的影响平滑粗糙化第四十七页，共117页。对膜层结构(jiégòu)的影响膜层的晶粒尺寸(chǐcun)和内应力膜层的晶面间距(jiānjù)第四十八页，共117页。溅射(jiànshè)方法和溅射(jiànshè)装置直流溅射(二极，三极，四极(sìjí))射频溅射磁控溅射反应溅射其它溅射技术第四十九页，共117页。1.直流溅射（双极型）直流溅射沉积(chénjī)装置示意图电压(diànyā)约1－5kV，出射原子的速率约3-6x105cm/s，能量约10-40eV，到达基板的原子能量约1-2eV。第五十页，共117页。放电电流与气压和偏压的关系：i∼K(P)VmK(P)随气压的增加而增加，m≈5或更大；离子平均能量随气压的增加而下降，溅射产额降低；沉积(chénjī)率在100mTorr(10Pa)附近最大；•薄膜生长速率：Pdensity功率密度(W/cm2)、g阴-阳极间距、E平均溅射能量;γe汤生二次电子发射系数、ρ原子密度，与材料有关;<xth>溅射原子热化的平均距离，与气体压强有关；第五十一页，共117页。溅射沉积速率与工作(gōngzuò)气压间的关系第五十二页，共117页。溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的散射（方向及能量(néngliàng)无序），到达基片的几率随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极平面面积为基片面积的两倍。低气压溅射：降低污染，提高溅射原子的平均能量(néngliàng)；需额外的电子源；外加磁场或高频放电提高离化率。溅射设备的中心问题：增加(zēngjiā)电子对气体的电离效率第五十三页，共117页。直流三极(sānjí)溅射：可以在低压强(<0.13Pa)下运行(yùnxíng)，但放电过程难控制，重复性差等离子体(děnglízǐtǐ)的密度可通过改变电子发射电流和加速电压来控制。离子对靶材轰击能量可通过靶电压加以控制。从而解决了二极溅射中靶电压、靶电流及气压之间相互约束的矛盾。电子发射不稳定，造成放电不稳定第五十四页，共117页。优点：装置简单，容易控制，制膜重复性好（P，U，I）。缺点：1)工作气压高(10~2Torr)，高真空泵不起作用；2)沉积速率低；3)基片升温高；4)只能用金属靶(绝缘(juéyuán)靶导致正离子累积)；直流溅射第五十五页，共117页。2.射频溅射第五十六页，共117页。射频溅射原理图第五十七页，共117页。射频频率：13.56MHz；电子作振荡运动，延长了路径(lùjìng)，不再需要高压；射频溅射可制备绝缘介质薄膜；射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。无负偏压(piānyā)有负偏压(piānyā)第五十八页，共117页。3.磁控溅射1)磁控溅射的原理(yuánlǐ)和装置第五十九页，共117页。不同磁场方向(fāngxiàng)的效应第六十页，共117页。磁控溅射中电子(diànzǐ)运动示意图第六十一页，共117页。各种(ɡèzhǒnɡ)不同的磁控溅射装置增加电子对气体(qìtǐ)的电离效率第六十二页，共117页。第六十三页，共117页。第六十四页，共117页。2)磁控溅射(jiànshè)的特点：(a)二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，路程足够长，电子使原子电离的机会增加。(b)提高了电离效率，工作气压可降低到10-310-4Torr，减少了工作气体与溅射(jiànshè)原子的散射作用，提高了沉积速率。(c)高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样，电离产生的正离子能有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰击，制膜过程中温升较小。有效地解决(jiějué)了直流溅射中基片温升高和溅射速率低两大难题第六十五页，共117页。不同溅射方法(fāngfǎ)靶电压和靶电流密度的比较第六十六页，共117页。非平衡(pínghéng)磁控靶第六十七页，共117页。非平衡(pínghéng)磁控靶示意图磁力线延伸(yánshēn)到衬底，对衬底进行适当溅射第六十八页，共117页。双磁极(cíjí)溅射第六十九页，共117页。存在的问题：不能实现强磁性材料的低温高速溅射(jiànshè)用绝缘材料的靶会使基板温度上升靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面不均匀溅射(jiànshè)反应性磁控溅射(jiànshè)中的电弧问题膜的均匀性靶的非均匀腐蚀及内应力颗粒（重溅射(jiànshè)）第七十页，共117页。靶的利用率第七十一页，共117页。在溅射气体中加入少量的反应性气体如N2,O2,烷类等，使反应气体与靶材原子一起在衬底上沉积，对一些不易找到块材制成靶材的材料，或在溅射过程中薄膜成分容易(róngyì)偏离靶材原成分的，都可利用此方法。反应气体：如O2,N2,NH3,CH4,H2S氧化物，如Al2O3,SiO2,In2O3,SnO2碳化物，如SiC,WC,TiC,DLC氮化物，如TiN,AlN,Si3N4硫化物，如CdS,ZnS,CuS4.反应(fǎnyìng)性气体溅射（ReactiveGasSputtering）第七十二页，共117页。第七十三页，共117页。第七十四页，共117页。反应(fǎnyìng)也可能在靶上或基板上进行=>靶中毒。化合物的溅射产率约为纯金属的10%~20%等离子体(děnglízǐtǐ)中的化学反应：活性高，如Ar+反应(fǎnyìng)活性类似于Cl原子反应(fǎnyìng)速率：第七十五页，共117页。反应(fǎnyìng)溅射中反应(fǎnyìng)气体分压与输入气流的迟滞回路。第七十六页，共117页。反应溅射的模型(móxíng)图第七十七页，共117页。稳态时靶上化合物溅射速率(sùlǜ)与形成速率(sùlǜ)相等：靶的消耗(xiāohào)速率：稳态时衬底上化合物生成速率与被金属(jīnshǔ)覆盖速率相等：第七十八页，共117页。输入(shūrù)气体总量：靶上的反应(fǎnyìng)衬底上的反应(fǎnyìng)泵抽走的量联立上述方程，可解出反应气体分压Pr，溅射率R等与输入气体量的关系。第七十九页，共117页。第八十页，共117页。Ti靶；靶电压(diànyā)415~430V；靶-基片距离13cm；溅射气体N2/Ar或N2；总压强0.47Pa；沉积率~1mm/h第八十一页，共117页。可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散溅射设备的中心问题：增加(zēngjiā)电子对气体的电离效率但是(dànshì)如果需要沉积到较深的结构内，大的角度范围也不合适（底部沉积量小，或者形成尖端）。化合物的溅射产率约为纯金属的10%~20%沉积过程(guòchéng)中的污染第七十六页，共117页。第九十二页，共117页。第三十七页，共117页。第六十三页，共117页。只有某一角度范围内的基团才能到达衬底;第六十一页，共117页。沉积速率与靶到基片的距离、溅射电压、溅射电流等有关。反应气体：如O2,N2,NH3,CH4,H2S3)离子轰击在薄膜生长中的作用靶的消耗(xiāohào)速率：靶电压(diànyā)415~430V；非搀杂Si靶；溅射气体O2/Ar；靶-基片距离8cm；溅射压强0.7～2Pa；溅射功率；基片温度(wēndù)为室温；薄膜中磷含量可达3x1021cm-3，且可由坩锅温度(wēndù)和溅射气体压强控制。第八十二页，共117页。反应溅射的实例(shílì)第八十三页，共117页。溅射(jiànshè)薄膜的质量第八十四页，共117页。校准(jiàozhǔn)溅射(Collimatedsputtering)基团到达衬底的角度范围小会导致沉积的薄膜不均匀；但是(dànshì)如果需要沉积到较深的结构内，大的角度范围也不合适（底部沉积量小，或者形成尖端）。图形(túxíng)衬底第八十五页，共117页。Collimatedsput.(Cont.2)只有某一角度范围内的基团才能到达衬底;校准器作用相当于过滤器；70-90%的基团被过滤掉，使沉积速率大大降低；校准配件需要清洁或者更换，提高了成本(chéngběn)；适合于沉积阻挡层或接触层（需要的沉积量少）；第八十六页，共117页。采用校准沉积和传统沉积技术时，底部覆盖率和凹坑(āokēnɡ)形状比的关系；第八十七页，共117页。热溅射(jiànshè)(Hotsputtering)改进覆盖；基本思想是在沉积过程中将衬底加热到>450ºC；表面扩散速率提高，由于受表面能减小的驱动(qūdònɡ)，表面平滑；通常先在低温下沉积以改进黏附；然后再用热溅射法。第八十八页，共117页。溅射靶浇铸，喷铸，烧结，碾压纯度致密性：电弧，颗粒，放气，非均匀刻蚀水冷问题(wèntí)：靶的断裂溅射法的缺点：溅射设备复杂，需要真空系统及高压装置；基片温度会升高(shēnɡɡāo)；溅射速率慢。mm/分钟。第八十九页，共117页。溅射(jiànshè)法与蒸发法的比较第九十页，共117页。第九十一页，共117页。8.3离子镀在真空条件(tiáojiàn)下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。1产生辉光；2蒸发离化；3被加速(jiāsù)；4沉积成膜溅射(jiànshè)和沉积同时进行第九十二页，共117页。离子镀的类型(lèixíng)和特点1－阳极2－蒸发源3－进气口4－辉光(huīɡuānɡ)放电区5－阴极暗区6－基片7－绝缘支架8－直流电源9－真空室10－蒸发电源11－真空系统直流二极型离子镀第九十三页，共117页。电子束辅助(fǔzhù)离子镀第九十四页，共117页。反应(fǎnyìng)性电子束辅助离子镀第九十五页，共117页。直流三极(sānjí)型1－阳极2－进气口3－蒸发源4－电子吸收极5－基片6－热电子发射极7－直流电源(diànyuán)8－真空室9－蒸发电源(diànyuán)10－真空系统第九十六页，共117页。第九十七页，共117页。射频(shèpín)放电离子镀1－溶化坩埚2－热电偶3－基片支持(zhīchí)架(阴极)4－真空室5－基片6－RF线圈7－匹配箱8－同轴电缆9－高频电源10－加速用直流电源11－蒸发电源12－真空系统13－真空计14－调节阀15－反应气体入口第九十八页，共117页。阴极电弧等离子体(děnglízǐtǐ)沉积离化率高，离化的离子动能高(40-100eV)。可沉积复杂形状(xíngzhuàn)基片，沉积率高，均匀性好，基片温度低，易于制备理想化学计量比的化合物或合金。第九十九页，共117页。第一百页，共117页。第一百零一页，共117页。增加了对沉积束团的控制；与基片结合良好；在低温下可实现外延生长；形貌可变；可合成(héchéng)化合物；可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散离子镀的优点(yōudiǎn)第一百零二页，共117页。离子镀过程(guòchéng)中的离化率问题离子镀是在等离子体内，蒸发(zhēngfā)或溅射的原子部分或大部分被离化的情况下进行沉积的。离化率即被电离的原子占全部蒸发(zhēngfā)原子的百分比。二极型：0.1~2%射频：10%多弧:60~80%第一百零三页，共117页。离子镀的粒子(lìzǐ)绕射性离子镀的工作气压约10-1Pa，比普通的真空蒸镀10-4高，所以蒸发原子的平均自由程低，散射严重，所以绕射性好。在气体放电的离子镀中，沉积(chénjī)粒子呈现正电性，从而受到处于负电位的基片的吸引作用。离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力。第一百零四页，共117页。Plotsoffront/backfilmthicknessratio(R)vssource-substratedistance(l).Curvesarefordifferentvaluesofl