半导体薄膜技术与物理课件

12.3溅射（Sputtering）2.3.1溅射的基本原理

荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射荷能粒子：（易于在电磁场中加速或偏转）伴随着离子轰击固体表面的各种现象（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、加热等其他现象95%的离子能量作为热量损耗掉5%的能量传递给二次发射的粒子溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：12直流辉光放电过程的形成VB：击穿电压3溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电”当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，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E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数5溅射过程的机理解释：（1）离子轰击局部瞬时加热而蒸发（因与实验观察不符而被否定）（2）动量理论(级联碰撞理论)

离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。（研究溅射的基础）62.3.2溅射阈和溅射率

溅射阈：

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主要取决于靶材料周期中随着原子序数增加而减小

对大多数金属来说：

溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热7一些金属的溅射阈（eV）9溅射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<150eV：平方关系150~1000eV：正比关系103~104eV：趋于饱和>104eV：下降（注入增加）0~60o：单调增加70~80o：最大90o：010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增加Ag、Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小11Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系温度低时：几乎不变化超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大）132.3.3溅射粒子的速度和能量溅射Cu原子速度分布图He+：平均速度=4105cm/s

平均能量E=1/2m2=4.5eVAr+：平均速度=3~6105cm/s

平均能量E=30~40eV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14（1）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）扩散速率：

D：扩散系数，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：靶至基板的距离。

（3）淀积速率：α1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。（1）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射152.3.5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17（3）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，改进溅射的工艺电子在正交电磁场中的作用力：采用正交电磁场能够提高离化率离化率：0.3~0.5%5~6%电子在正交电磁场中的运动轨迹磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪衬底：“近冷”态18磁控溅射电极类型2.3.6反应溅射19应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：高频溅射反应溅射，特别是磁控反应溅射例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物在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得到氟化物等反应物之间产生反应的必要条件：反应物分子必须有足够高的能量以克服分子间的势垒热蒸发粒子的平均能量只有0.1~0.2eV，而溅射粒子可达10~20eV，比热蒸发高出二个数量级。21蒸发与溅射粒子的能量分布图22其中能量大于反应活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为：

假设只有能量大于Ea的粒子能参与反应，那么，溅射粒子的反应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E＞Ea的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数：23

若两种反应物处在同一能量状态，则Ti、Zn和O2的反应活化能Ea大约分别为0.2eV和0.17eV，但常温基板表面的氧分子完全处于钝化态（可能有百分之几的离子氧），因此，膜料粒子最小的反应能阈值至少增加一倍，即Ti、Zn与O2反应至少要有0.4和0.34eV的能量。设溅射原