《溅射工艺》PPT课件.ppt

薄膜技术,微电教研室 王雅欣,微电0801-0803 专业选修课,Thin Film Technologies,主要讲授内容,第2章 真空技术基础,第3章 薄膜生长与薄膜结构,第4章 薄膜制备的基本工艺,溅射镀膜,第1章 薄膜技术简介,离子束沉积,化学气相沉积,第6章 薄膜材料的应用,第5章薄膜材料的评价表证及物性测量,表征、性质和应用,薄膜制备方法的原理介绍，典型薄膜材料的制备工艺介绍,真空蒸镀,薄膜的形核、生长理论，薄膜的形成与典型成长机制,Whats the thin films?,真空的表征及获得,4-2 溅射工艺,二、溅射的基本原理辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理,三、溅射镀膜的类型二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射,一、溅射镀膜的特点,一、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：,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；溅射薄膜与衬底的附着性好；溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；膜层厚度可控性和重复性好。,溅射镀膜的缺点：,溅射设备复杂，需要高压装置；成膜速率较低（m）。,一、溅射镀膜的特点,辉光放电,直流辉光放电,辉光放电是在真空度约10-1Pa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。,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。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,直流辉光放电,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,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下运动形成电流，10-16-10-14A。,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。,汤森放电区,随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离。于是在伏-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，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。,二、溅射镀膜的基本原理,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。,气体击穿 自持放电（电流密度范围2-3个数量级）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）,此称为正常辉光放电,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,非正常辉光放电区,当轰击覆盖住整个阴极表面之后，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。,特点：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。,阴极表面情况：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。,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，更多的二次电子从阴极产生。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,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。,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；损害电源。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,正常辉光与异常辉光放电,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“异常辉光放电”，并均匀覆盖基片，这个放电区就是溅射区域。,在溅射区：溅射电压V，电流密度j和气体压强p遵守以下关系：,式中，E和F是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,正常辉光与异常辉光放电,进入异常辉光放电区后，继续增加电压，有：,更多的正离子轰击阴极产生大量的电子发射 阴极暗区收缩,式中，d为暗区宽度，A、B为常数,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,阿斯顿暗区,冷阴极发射的电子约1eV左右，很少发生电离，所以在阴极附近形成阿斯顿暗区。,阴极辉光区,加速电子与气体分子碰撞后，激发态分子衰变以及进入该区的离子复合形成中性原子，形成阴极辉光。,穿过阴极辉光区的电子，不易与正离子复合，形成又一个暗区。,克鲁克斯暗区,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,负辉光区,电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，复合几率增加，形成明亮的负辉光区。,正离子移动速度慢，产生积聚，电位升高；与阴极之间的电位差成为阴极压降。,随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,法拉第暗区,此区域电压降很小，类似一个良导体。,法拉第暗区过后，少数电子逐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。,少数电子穿过负辉光区，形成暗区。,正离子柱,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,辉光放电阴极附近的分子状态,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,与溅射现象有关的重要问题：,在克鲁克斯暗区周围形成的正离子冲击阴极；电压不变而改变电极间距时，主要发生变化的是阳极光柱的长度，而从阴极到负辉光区的距离几乎不变。,溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于阴极于负辉光区的距离。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,低频辉光放电,在低于50kHz的交流电压条件下，离子有足够的时间在每个半周期内，在各个电极上建立直流辉光放电，称为低频直流辉光放电。,基本原理与特性与直流辉光放电相同。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,射频辉光放电,电压变化周期小于电离或消电离所需时间。离子浓度来不及变化，电子在场内作振荡运动。,特点：,在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量，足以产生碰撞电离；由于减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压；射频电压可以通过各种阻抗偶合，所以电极可以是非金属材料。,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,耦合特性：电极表面电位自动偏置为负极性,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,辉光放电,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,辉光放电,二、溅射镀膜的基本原理,辉光放电,辉光放电空间与靶和接地电极之间的电压存在如下关系：,式中，Ac和Ad 分别为容性耦合电极（靶）和直接耦合电极（接地电极）的面积。,由于Ad Ac，所以Vc Vd。在射频辉光放电时，等离子体对接地的基片（衬底）只有极微小的轰击，而对溅射靶进行强烈轰击使之产生溅射。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射阈值,所谓溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。,溅射阈值的测定非常困难，目前已能测出低于10-5原子/离子的溅射率。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射阈值,对绝大多数金属来说，溅射阈值为1030eV,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,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、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射率,1.靶材料,溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射率,2.入射离子能量,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射率,3.入射离子种类,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射率,4.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法线之间的夹角。,0-60之间服从1/cos规律 60-80时，溅射率最大 90时，溅射率为零,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射率,4.入射离子的入射角,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性溅射率,5.靶材温度,靶材存在与升华相关的某一温度。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射原子的能量和速度,溅射原子的能量（5-1 0 eV）比热蒸发原子能量（0.1eV）大1-2个数量级。,溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能量、溅射原子的方向等有关。,几组实验数据曲线:,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性-溅射原子的能量和速度,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射原子的角度分布,早期的热蒸发理论,溅射原子的角度分布符合Knudsen余弦定律，并且与入射离子的方向无关（局部高温蒸发）。,实际逸出原子分布并不遵从余弦定律。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射原子的角度分布,实际分布,在垂直于靶面方向明显少于余弦分布时应有的逸出原子数。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射原子的角度分布,与晶体结构方向的关系,逸出原子与原子排列密度有关。主要逸出方向为110，其次为100、111。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射原子的角度分布,与靶材结构（晶态和非晶态）的关系,单晶靶可观察到溅射原子明显的择优取向；多晶靶溅射原子近似余弦分布。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射率的表达式,通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下表达式：,（1）离子能量小于1keV，在垂直入射时，溅射率为,式中，Tm为最大传递能量，V0靶材元素的势垒高度，a是与靶材原子质量和入射离子质量之比相关的常数。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射率的表达式,通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下表达式：,（2）离子能量大于1keV，在垂直入射时，溅射率为,（3）一般情况下，溅射率的计算可由下式处理,式中，W为靶材的损失量，m原子量，I为离子电流，t为溅射时间。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜过程,靶材溅射过程,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜过程,溅射粒子的迁移过程,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,中性粒子的平均自由程可以用下式表示：,式中，C1是溅射粒子的平均速度，V11是溅射粒子相互作用的平均碰撞次数，V12是溅射粒子与工作气体分子的平均碰撞次数。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜过程,溅射粒子的迁移过程,一般情况下，溅射粒子密度远小于工作气体的分子密度，则:,V11V12,所以,式中，n2和C2分别是工作气体分子的密度和平均速度；Q12是溅射粒子与工作气体分子的碰撞面积。,由于溅射粒子速度远大于气体分子的速度，有:,r1,r2分别是溅射粒子和工作气体分子的原子半径,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜过程溅射粒子的迁移过程,例题（p80）,Ar+离子溅射铜靶，已知,求溅射离子的平均自由程？,解：,代入公式:,溅射镀膜的气体压力一般为101-10-1Pa，其平均自由程为1-10cm，因此，靶和基片的距离与溅射粒子的平均自由程大致相当。,溅射粒子到达基片时的能量相当与蒸发原子的几十至上百倍。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜过程,溅射粒子的成膜过程,成膜机理将在薄膜物理部分讲，这里介绍几个相关问题。,（1）淀积速率,定义：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厚度。该速率与溅射速率S成正比：,Q CIS,式中，C是与溅射装置有关的特征常数，I是离子电流，S是溅射率。,上式表明，对于一定的溅射装置和一定工作气体，即：C为确定值。提高淀积速率的有效办法是提高离子电流I，但是，在不增高电压条件下，增加I值就只有增高工作气体的压力。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射粒子的成膜过程,（2）淀积薄膜的纯度,纯度杂质残余气体,基本关系：,设真空室体积V，残余气体分压Pc，氩气分压PAr，残余气体量Qc，氩气量QAr，则有：,提高纯度降低残余气体压力提高真空度、增加氩气量。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射特性,溅射粒子的成膜过程,（3）淀积过程中的污染,系统内部表面吸附的气体、水汽和二氧化碳；扩散泵油的回流引起的污染；基片表面吸附的固体颗粒，产生针孔和淀积污染；气体和靶材的纯度；,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,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，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。,相关结论：,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,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，非余弦分布规律，以及溅射率与质量关系等。,特性：,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,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。碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面的原子从近邻原子得到越来越多的能量。当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,动量转移理论,低能离子同靶原子之间的相互作用主要是原子核之间的弹性碰撞，尤其是对金属靶材料。,金属中电子的驰豫时间约为10-19秒，而对于一个能量为10keV的Ar离子，在金属中穿行1m所需的时间约为10-13秒，这样电子在这么短的时间内获得的能量不足以造成靶原子的移位。,同样在低能情况下，靶原子之间的相互作用也主要是弹性碰撞。也就是说，对于低能离子产生的溅射现象，主要是由原子之间的弹性碰撞过程造成的。因此，这种溅射也被称为撞击溅射（knock-on sputtering）。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,撞击溅射的分类,（1）单一撞击溅射,在离子同靶原子的碰撞过程中，反冲原子得到的能量比较低，以至于它不能进一步地产生新的反冲原子而直接被溅射出去。单一撞击溅射是在入射离子的能量为几十电子伏特范围内，且离子的能量是在一次或几次碰撞中被损失掉,单一撞击溅射示意图,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,撞击溅射的分类,（2）线性碰撞级联溅射,线性碰撞级联溅射示意图,初始反冲原子得到的能量比较高，它可以进一步地与其它静止原子相碰撞，产生一系列新的级联运动。但级联运动的密度比较低，以至于运动原子同静止原子之间的碰撞是主要的，而运动原子之间的碰撞是次要的。对于线性碰撞级联，入射离子的能量范围一般在keV-MeV。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,撞击溅射的分类,（2）线性碰撞级联溅射,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,撞击溅射的分类,（3）热钉扎溅射,热钉扎线性碰撞级联溅射示意图,反冲原子的密度非常高，以至于在一定的区域内大部分原子都在运动。热钉扎溅射通常是由中等能量的重离子轰击固体表面而造成的。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,撞击溅射的分类,入射离子的能量损失可以分为两部分：一部分用于靶原子核的反冲运动，另一部分用于激发或电离靶原子核外的电子，分别对应于核阻止本领和电子阻止本领。对于低能离子，核阻止本领是主要的，而对于高能离子，电子阻止本领则是主要的。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,离子注入：,如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能量损失到某一定的值（约为20eV左右)时，将停止在固体中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。,Ion,E,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,溅射现象：,当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原子团。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,溅射现象：,二、溅射镀膜的基本原理,溅射机理,离子与靶相互作用,按参与碰撞粒子的种类划分：入射离子（或载能原子）-静止靶原子的碰撞反冲原子-静止靶原子的碰撞 按能量损失的方式划分：弹性碰撞非弹性碰撞,二、溅射镀膜的基本原理,二极直流溅射,系统结构：,三、溅射镀膜的类型,二极直流溅射,特点：,结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。,控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。,缺点a.溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气 压变化，工艺重复性差；b.真空系统多采用扩散泵，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差；c.基片温度升高，淀积速率低；d.靶材必须是良导体。,三、溅射镀膜的类型,偏压溅射,模型：,结构：基片施加负偏压。特点：1.提高薄膜纯度；2.提高附着力。,三、溅射镀膜的类型,三级或四级溅射,二极直流溅射只能在高气压下进行，因为它是依赖离子轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电。,当气压下降（1.3-2.7Pa）时，阴极暗区扩大，电子自由程增加，等离子体密度下降，辉光放电将无法维持。,负电位,三、溅射镀膜的类型,三级或四级溅射,稳定电极电位,三、溅射镀膜的类型,三级或四级溅射,特点：,缺点：,1.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；3.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；,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。,三、溅射镀膜的类型,射频溅射,三、溅射镀膜的类型,射频溅射,三、溅射镀膜的类型,射频溅射,特点：,缺点：,1.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；2.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。,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。,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,磁控溅射是70年代发展起来的一种高速溅射技术。磁控溅射可以使淀积速率提高。气体电离从0.3-0.5%提高到5-6%。,三、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,磁控靶,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,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。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。,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,E=0B along y-axisv0 along z-axis,E=0B along y-axisv0 along yz-plane,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,E along x-axisB along y-axisv0 along yz-plane,E along x-axisB along y-axisv0 in z-directionE/B=0.02,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,E along x-axisB along y-axisv0 in z-directionE/B=0.1,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,特点：,1.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能到达阳极，碰撞频率约为10-7 s-1）；3.可以在低真空（10-1Pa，溅射电压数百伏，靶流可达到几十毫安/m2）实现高速溅射；4.低温、高速。,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射源类型,圆柱状磁控溅射源 平面磁控溅射源 S 枪（锥型磁控溅射源）,三、溅射镀膜的类型,平面磁控溅射源,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,磁控溅射靶的最基本要求是：在阴极表面形成环形磁场，对靶面发射的二次电子进行有效控制。,环行磁场区域一般称为跑道，磁力线从跑道外环指向内环（或由内环指向外环），横贯跑道。,二次电子在跑道内作摆线运动。由于磁场强度分布不均匀造成了离子密度的不均匀，进而形成靶面不均匀溅射。,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,三、溅射镀膜的类型,磁控溅射,三、溅射镀膜的类型,对向靶溅射,对于磁性材料，要实现低温、高速溅射镀膜，由于靶的磁阻很低，磁场几乎完全从靶中通过，不可能在靶面上形成平行的磁场。采用对向靶溅射技术，可以解决上述问题。对向靶溅射具有溅射速率高、基板温度低、可淀积磁性薄膜等优点。,三、溅射镀膜的类型,反应溅射,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，加工成靶却是很难的。,三、溅射镀膜的类型,反应溅射,反应动力学过程,反应物之间发生化学反应的必要条件：反应物分子必须有足够能量以克服分子间的势垒。,反应活化能为：,E a 和E a为正逆反应过程的活化能；,三、溅射镀膜的类型,反应溅射,粒子的按能量分布：,反应速度常数：,教材中给出了能量大于E A 的溅射粒子和蒸发粒子的比较；以及反应溅射和反应蒸发速率的比较。,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。,三、溅射镀膜的类型,反应溅射,（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。,三、溅射镀膜的类型,反应溅射,（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：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。,三、溅射镀膜的类型,反应溅射,三、溅射镀膜的类型,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、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射系统的结构和原理,