溅射镀膜.ppt

1、第5章溅射涂层，“溅射”是带电粒子与固体表面(靶)碰撞，使固体原子(或分子)从表面射出的现象。 射出的粒子多为原子状态，多被称为溅射原子。 用于碰撞靶的带电粒子可以是电子、离子或中性粒子。 离子在电场下容易加速，能够得到所希望的动能，所以作为碰撞粒子多采用离子。 这种粒子也被称为入射离子。 由于实现直接溅射的机理是离子，因此该镀技术也称为离子溅射镀膜或沉积。 目前，金属、合金、半导体、氧化物、绝缘电介质薄膜、化合物半导体薄膜、碳化物和氮化物薄膜，以及高TC超导薄膜等各种薄膜的制造中广泛应用，溅射膜与真空蒸镀膜相比，具有任何物质都可以溅射的特点，特别是高熔点、低蒸气压元素和化合物。 金属、半导体

2、、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，块状、粒状的物质也可以作为靶。 溅射氧化物等绝缘材料和合金，几乎不会发生分解和分馏，因此可以用于制造与靶材料组成均匀的合金膜，进而成分复杂的超导薄膜。 另外，通过反应溅射法，也可以制作氧化物、氮化物、碳化物、硅化物等与靶材完全不同的化合物薄膜。 2 )溅射膜与基板的密合性良好。 溅射原子的能量比蒸发原子的能量高12位数，因此高能量粒子堆积在基板上进行能量转换，产生高热能，增强溅射原子与基板的附着力。 此外，一部分高能量的溅射原子引起不同程度的注入现象，在基板上溅射原子和基板材料相互“混溶”，形成所谓的伪扩散层。 另外，在溅射粒子的碰撞过程中，基板总是在等

3、离子体区域被清洗活性化，除去未附着的堆积原子，净化活性化基板表面。 因此，溅射膜层与基板的密合性大大提高。 3 )溅射膜密度高，针孔少，膜层纯度高。 这是因为溅射膜中没有真空蒸镀时不可避免的坩埚污染现象。 4 )膜厚控制性和再现性好。 溅射镀膜时的放电电流和目标电流可以分别控制，通过控制目标电流可以控制膜厚。 因此，溅射镀膜的膜厚控制性和多次溅射的膜厚再现性良好，能够高效地镀敷规定厚度的薄膜。 另外，溅射镀膜能够在大面积上得到均匀厚度的薄膜。5.2溅射的基本原理，即溅射涂层膜基于负载离子碰撞靶时的溅射效应，整个溅射过程基于辉光放电，即溅射离子全部来源于气体放电根据溅射技术采用的辉光放电方式不同

4、。 直流双极溅射是利用直流辉光放电的三极溅射，是利用热阴极的支撑的辉光放电，高频溅射是利用高频辉光放电的磁控溅射，是基于环状磁场控制的辉光放电。 5.2.1直流辉光放电、溅射在辉光放电中发生。 所以。 辉光放电是溅射的基础。 辉光放电是在真空度约101Pa的稀薄气体中，在两电极间施加电压时产生的气体放电现象。 煤气放电时，两电极间的电压和电流的关系不能用单纯的欧姆定律记述。 因为两者之间不是单纯的直线关系。 1 .直流辉光放电的电流电压特性，放电区间分为几个区域。1 )无光放电区AB处于低压气体中。 宇宙射线产生游离正离子和电子的一部分，所以气体中总是存在正离子和电子的一部分。 如果对两电极加

5、载直流电压，这些少量的正离子和电子在电场下运动并形成电流。 此时，电子、离子与中性气体分子的碰撞为弹性碰撞。这些少量的正离子、电子量恒定，即使提高电压，电流密度也小，一般为1015-1016A/cm2左右，该区域仅电发光，因此被称为“无光放电区域”。 2 )汤森放电区BC在两极电压逐渐上升，电子运动速度加快，电子与中性气体分子的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而是使气体电离、电离产生正离子和电子，产生的电子和原有电子继续使气体分子电离、电离增加离子、电子数由于不发生放电，因此该放电方式也被称为非自发放电。 3 )在过渡区域CD中，当电容器的两端电压进一步增加时，到c点为止发生“雪崩点火”。 离子撞

6、击阴极，放出二次电子，二次电子撞击中性气体分子，产生更多的离子，这些离子再次撞击阴极，产生更多的新的二次电子。 当产生足够的离子和电子时，突然出现带颜色的辉光，气体发光，放电达到自我保持。 两极间的电流激增，电压急速下降，放电显示负电阻特性。 此时与c点相对应的电压也称为击穿电压、辉光电压、气体击穿，击穿后的气体发光也称为辉光放电。 CD区域是过渡区域。 4 )辉光放电DE进入辉光放电区域，增大电源功率，放电管的两管电压不变，电流平稳增加。 正常辉光放电时，放电自动调整阴极碰撞面积。 最初，冲击不均匀，冲击集中在阴极边缘附近或其他不规则的地方。 随着电源功率的增大，冲击区域逐渐扩大，直到阴极面

7、上的电流密度大致均匀为止。 辉光放电时，电子和正离子是电子碰撞和正离子碰撞产生的阴极，即使不存在自然游离源，导电也会继续。 另外，维持辉光放电的电压低，不变化，但此时的电流的增大明显与电压无关，仅与阴极板产生的辉光面积有关。 由于正常辉光放电时的电流密度依然较小，因此在溅射等方面均被选为非正常辉光放电工作区。 5 )非正常辉光放电区域在用冲击复盖阴极表面整体后，进一步增加功率，放电的电压和电流密度同时增加，变为非正常辉光放电状态。 其特征在于，当电流增大时，两放电极板的电压上升，阴极电压降的大小依赖于电流密度和气压。 此时，如果辉光扩散到阴极整体，进一步增加电流，则离子层不再扩散到周围，因此正

8、离子层接近阴极，正离子层与阴极之间的距离变短，此时，为了提高电流密度，增大阴极电压降，使正离子与阴极碰撞，使阴极与更多的二次电子6 )如果电弧放电区域发生异常电弧放电，则由于某种原因有转移到电弧放电的危险。 此时，极间电压急剧下降，电流急剧增大，相当于极间短路。 另外，放电集中在阴极的局部地区，电流密度过大，使阴极烧毁。 同时，急剧增大的电流可能会损坏电源。 电弧放电在气相沉积中的应用，仍在研究中。 2 .辉光放电的特性和辉光，1 )冷阴极发射的电子能量为1eV左右，电离冲击少，因此在阴极附近形成阿斯顿暗部。 2 )接近阿斯顿暗部是比较明亮的阴极辉光区域，在加速电子与气体分子碰撞后，激发状态的

9、气体分子崩溃，进入该区域的离子复合体形成中性原子。 3 )随着电子持续加速，为了获得足够的动能，通过阴极辉光区后，由于难以与正离子再结合，出现另一个暗区，称为库鲁克斯暗区。 克鲁克斯暗部的宽度与电子的平均自由程(即压力)有关。4 )随着电子速度的增大，可以得到足够的能量立即引起电离，离开阴极暗部会产生大量电离，在该空间内电离会产生大量正离子。 由于正离子质量大，向阴极的运动速度慢。 因此，由正离子组成的空间电荷聚集在那里，该区域的电位上升，与阴极形成大的电位差，该电位差多被称为阴极辉光放电的阴极电压降。 这是因为在该区域中正离子浓度大，所以电子碰撞后的速度降低，电子和正离子的复合概率变多，成为

10、有明亮辉光的负辉光区域。 5 )通过负辉光区域时，动能大的电子大多失去能量，只有少数电子通过负辉光区域和阳极。 在负辉光区域和阳极之间有法拉第暗区域和阳极光柱，这些区域几乎没有电压降，唯一的作用是连接负辉光和阳极。 这是因为在法拉第暗部之后，少数电子逐渐加速，在空间中与气体分子碰撞而电离。 由于电子数少，产生的正离子不形成密集的空间电荷，所以在该大空间形成了正离子和电子密度相等的区域。 由于没有空间电荷的作用，该区间的电压降小，类似良导体。 在溅射过程中，基板(阳极)始终处于负的辉光区域。 阴极和基板之间的距离必须至少是库克暗部宽度的34倍。 如果不改变两极间的电压而仅改变其距离，则从阴极到负

11、辉光区域的距离几乎不变。 另外，图33所示的放电区域结构是属于长间隙的情况，但在溅射时属于短间隙辉光放电，此时不存在法拉第暗部或正离子柱。 3 .关于辉光放电阴极附近的分子状态、溅射现象的重要问题主要有两个：一个是在库克斯暗部的周围形成的正离子与阴极碰撞，另一个是在库克斯暗部的周围形成的正离子与阴极碰撞，另一个是两极板间的电压不变而两极间的距离主要变化的是由等离子体构成的阳极光柱部分的长度，但是，从阴极到负辉光区域的距离几乎不变化。 这是因为两电极间的电压几乎不会在阴极到负辉光区域之间发生降低。 因此，使辉光放电产生的正离子撞击阴极，溅射阴极原子是一般的溅射法。 阴极和阳极之间的距离必须至少比

12、阴极和负辉光区域之间的距离长。 3 .形成巴邢曲线、辉光放电的重要击穿电压取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。 为了引起最初的“雪崩”，每个二次电子必须产生约1020个离子。 在气体成分和电极材料为一定的条件下，由巴申定律可知，亮度电压v仅与气压p和电极距离d的乘积有关。 从图中可以看出，电压有最小值。 如果气压过低或极间距离过小，二次电子在到达阳极之前无法碰撞电离足够的气体分子，与一定量的离子形成二次电子，使辉光放电消失。 气压过高，极间距离过大，二次电子多次碰撞，得不到加速，也不会产生辉光。 大多数辉光放电溅射要求气压低，压力和间距的乘积一般在最小值的右边，所以需要相当高的亮点电

13、压。 对于极间间距小的电极结构，为了开始放电，大多需要瞬间提高气压。 5.2.2低频辉光放电，由低频交流辉光放电引起的溅射少。 在频率低于50KHz的交流电压条件下，离子具有充分的活性，并且每隔半周对各电极确立直流辉光放电有充分的时间。 该放电称为低频交流辉光放电。 该放电基本上与直流辉光放电相同，只是两个电极交替成为阴极和阳极。 5.2.3高频辉光放电，在一定的气压下，阴阳极间施加的交流电压的频率高到高频时，能够产生稳定的高频辉光放电。 5-30MHz。高频辉光放电有两个重要特点：第一，在辉光放电空间产生的电子，获得了足以产生碰撞电离的能量。 这样，放电对二次电子的依赖减少，破坏电压降低。

14、第二，高频电压可以耦合到任何类型的阻抗，使得电极不一定是导体。 因此，可以溅射包括介电材料在内的任意材料。 因此，高频辉光放电在溅射技术中的应用十分广泛。 一般情况下，在530MHz的高频下，会发生高频放电。 此时的施加电压的变化周期比消除电离和电离所需的时间(一般为106秒左右)小，等离子体浓度的变化来不及。 由于电子质量小，因此从跟随外部电场的高频场吸收能量，在场内容易进行振荡运动。 然而，放电空间中电子的移动距离不仅是从一个电极到另一个电极的距离，而是在放电空间中不断往返，经过很长的距离。 因此，增加了气体分子的碰撞概率，显着提高了电离能力，降低了击穿电压和维持放电的工作电压(其工作电压

15、只有直流辉光放电的1/10 )。 因此，高频放电的自保持比直流放电容易得多。 通常，高频辉光放电可以在低气压下进行，例如，直流辉光放电通常可以在100-101Pa下进行，高频辉光放电可以在10-1-10-2Pa下进行。 另外，由于正离子的质量大，运动速度低，跟不上电源极性的变化，所以正离子在空间中不动，形成更强的正空间电荷，可近似为强烈作用于放电。 很多正离子的活性非常小，但对这些电极的冲击可以忽略不计。 然而，当一个或两个电极经由电容耦合到高频振荡器时，在该电极上确立了脉动的负电压。 由于电子和离子迁移率的不同，辉光放电的I-V特性与漏电的二极管整流器相似。 也就是说，通过电容器引入高频电压

16、时，存在较大的初始电流，第2个半周只有较小的离子电流流动。 因此，在经由电容器传送电荷的情况下，电极表面的电位必然会自动地偏置为负极性，直到有效电流(各周的平均电流)为零。 平均直流电位v的数值与施加峰值电压大致相等。 在高频溅射装置中，如果将溅射靶与基板完全对称配置，则正离子以均等的概率与溅射靶和基板碰撞，不能进行溅射成膜。 实际上，仅仅对靶进行溅射，这种溅射靶必须通过绝缘、电容与高频电源耦合。 另一电极(真空室壁)是直接耦合电极(即接地电极)，靶面积必须小于直接耦合电极。 辉光放电空间和靶之间的电压为Vc，辉光放电空间和直接耦合电极之间的电压为Vd (参照图36 )。 在两个电压之间存在如

17、下近似理论关系式，Ac和Ad分别是电容性耦合电极(即溅射靶)和直接耦合电极(即接地电极)的面积。 Ac是电容性耦合电极(即溅射靶)的Ad直接耦合电极(即接地电极)的面积。 实际上，因为直接耦合电极是整个系统的地端，所以包括底板、真空室壁等在内都是AdAc。 因此，两者之间实际上没有四次方的关系。 因此，如图36所示，平均壳层在目标电位和接地之间变化。 因此，高频辉光放电时等离子体中的离子对对接地部件只有很小的冲击，但会强烈冲击溅射靶，使其发生溅射。 5.2溅射特性是入射离子在与靶碰撞的过程中，将动量传递给靶原子，如果得到的能量超过其结合能，则有可能使靶原子产生溅射。 这是目标的这种溅射时主要发

18、生的过程。 实际上，溅射工序非常复杂，高能量的入射离子与固体表面碰撞时，也会产生图3图26所示的许多效果。例如：入射离子有可能从靶表面放出，或者在冲击过程中捕获电子成为中性原子或分子，通过从表面反射的离子与靶碰撞，电子从靶表面逃逸，即所谓的二次电子离子进入靶表面而产生注入效果， 被称为离子注入，另外，能够改变靶表面的构造和成分，使吸附在靶表面的气体解吸，在高能量离子入射时产生放射线等。 离子碰撞固体表面所产生的各种效果及其发生概率、1溅射阈值是指目标原子产生溅射的入射离子所需的最小能量。 溅射阈值的测定非常困难，随着测定技术的进步，现在可以测定低于105原子/离子的溅射率。 图3-7是使各种金属元素靶材以不同能量的Ar离子碰撞时得到的溅射率曲线。 图3-8是不同种类的入射离子以不同的能量与同一钨靶碰撞的溅射曲线。 入射离子不同的情况下溅射阈值的变化小，但对于不同