半导体薄膜技术与物理
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. （研究溅射的基础）
5
2.3.2 溅射阈和溅射率
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述 您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更 多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其 反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种 子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达 这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、 知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能 使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段 处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。
P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。
R 淀D 积速率D ：RM TP2dP1
α1：基板表面凝结系数， T1：基板温度。
M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。
1.
扩散速率：
2.
溅射速率：
Rd 1P1
M
2RT1
14
2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三 极（四极）溅射 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
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=100：10：1
1
直流辉光 放电过程 的形成 VB： 击 穿电压
2
气体辉光放电
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：
Y 3 r 4mImA E
42 mI mA E
E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数
4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传 递的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子
8
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
Ar+：平均速度=3~6105 cm/s
平均能量 E=30~40 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
13
2.3.4 溅射速率和淀积速率
D：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度，
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信 息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都 希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功 倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的 详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用 分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。
2.3 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：离子 （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
10
Xe+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）
11
靶电压 (keV) 0.2
0.6
1
2
5
不同能 LiF<100> 量的Ar+对几种化合1物.3 1.8
CdS<1010>
的0.5 溅射1.2率
GaAs<110>
0.4
0.9
PbTe<110>
衬底：“近冷” 态
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
17
磁控溅射电极类型
18
应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：
#2022
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
溅射率与入射离子能量的关系
<150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 >104eV：下降（注入增加）
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0
9
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
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
6
一些金属的 溅射阈（eV）
7
溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴 极上打出的原子数 影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热等 单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高
20
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。
蒸发与溅射粒子的能量分布图 21
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：
A ex p E a/kT
由于平均能量，因此溅射分子或原子的能量大于Ea的分数
As
exp
3Ea 2Es
同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数
100C 0
2ZnO2
2ZnO
燃烧
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。
U E Fj P
E和F取决于电极材料， 是几何尺寸和气体成 分的常数
3
dc：暗区厚度 B为常数
01
弧光放电区：
U↑→阴极强电场↑→暗区收缩↓
dc
A
02
气压P太低，两极间距太小：
没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭
0B3 E 气压P太高： 单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
是反应速度常数
R是气体常数
CexC>p是2N有3AE效aE碰撞的频率因子
，故溅射的反应速度要比热蒸发快得多
Es
Ee
24
04
二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电
0.1A/cm2, U↓→j↑（弧光放电）
UE
4
溅射过程的机理解释：
1. 离子轰击局部瞬时加热而蒸发 2. （因与实验观察不符而被否定） 3. 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。
0.6
1.4
SiC<0001>
0.45
溅Si射O2合金和化合物时，溅射率一般不0.1能3 直接从0.4组 成A金l2O属3 的溅射率值来确定，存在较大0.0的4 差异性0.1。1
12
2.3.3 溅射粒子的速度和能量
He+：平均速度 =4 105 cm/s
平均能量 E=1/2m2=4.5 eV
溅射Cu原子速度分布图
N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率，
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信 息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都 希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功 倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的 详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用 分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。
设溅射原子的平均动能为15eV，由式(2-1)和(2-2)，则大约有98%的溅射Ti原 子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只有10%和0.5%左右。
(2-1)
(2-2)
举例来说，Ti和Zn与氧反应，反应方程式是
23
若用平均动能代替温度T，则
参加反应的高能粒子越多，反应速度越快
反应速度与活化能Ea的关系为
15
（2）射频（高频z（一般 rf＝13.56MHz ）
射频溅射原理图
16
（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：
F e E e (V H )
采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.3~0.5% 5~6%
2.3.6 反应溅射 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
19
势垒与能量关系为： Ea=NA
Ea为反应活化能，NA为阿佛伽德罗常数。
Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能 x：反应物初态能量 W：终态能量 T：活化络合物能量 E：反应物与生成物能量之差
根据过渡态模型理论，两种反应物的分子进行反应时，首先经过过渡态 以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行 反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。
As
exp
3Ea 2Ee
式中 E s和 E e 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：
MAs e Ae
3 1 xp2EaEe
E 1s
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。
22
120C 0
TiO2 空气TiO 2
5
2.3.2 溅射阈和溅射率
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述 您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更 多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其 反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种 子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达 这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、 知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能 使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段 处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。
P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。
R 淀D 积速率D ：RM TP2dP1
α1：基板表面凝结系数， T1：基板温度。
M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。
1.
扩散速率：
2.
溅射速率：
Rd 1P1
M
2RT1
14
2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三 极（四极）溅射 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
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=100：10：1
1
直流辉光 放电过程 的形成 VB： 击 穿电压
2
气体辉光放电
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：
Y 3 r 4mImA E
42 mI mA E
E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数
4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传 递的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子
8
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
Ar+：平均速度=3~6105 cm/s
平均能量 E=30~40 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
13
2.3.4 溅射速率和淀积速率
D：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度，
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信 息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都 希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功 倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的 详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用 分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。
2.3 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：离子 （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
10
Xe+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）
11
靶电压 (keV) 0.2
0.6
1
2
5
不同能 LiF<100> 量的Ar+对几种化合1物.3 1.8
CdS<1010>
的0.5 溅射1.2率
GaAs<110>
0.4
0.9
PbTe<110>
衬底：“近冷” 态
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
17
磁控溅射电极类型
18
应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：
#2022
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
溅射率与入射离子能量的关系
<150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 >104eV：下降（注入增加）
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0
9
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
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
6
一些金属的 溅射阈（eV）
7
溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴 极上打出的原子数 影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热等 单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高
20
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。
蒸发与溅射粒子的能量分布图 21
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：
A ex p E a/kT
由于平均能量，因此溅射分子或原子的能量大于Ea的分数
As
exp
3Ea 2Es
同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数
100C 0
2ZnO2
2ZnO
燃烧
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。
U E Fj P
E和F取决于电极材料， 是几何尺寸和气体成 分的常数
3
dc：暗区厚度 B为常数
01
弧光放电区：
U↑→阴极强电场↑→暗区收缩↓
dc
A
02
气压P太低，两极间距太小：
没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭
0B3 E 气压P太高： 单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
是反应速度常数
R是气体常数
CexC>p是2N有3AE效aE碰撞的频率因子
，故溅射的反应速度要比热蒸发快得多
Es
Ee
24
04
二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电
0.1A/cm2, U↓→j↑（弧光放电）
UE
4
溅射过程的机理解释：
1. 离子轰击局部瞬时加热而蒸发 2. （因与实验观察不符而被否定） 3. 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。
0.6
1.4
SiC<0001>
0.45
溅Si射O2合金和化合物时，溅射率一般不0.1能3 直接从0.4组 成A金l2O属3 的溅射率值来确定，存在较大0.0的4 差异性0.1。1
12
2.3.3 溅射粒子的速度和能量
He+：平均速度 =4 105 cm/s
平均能量 E=1/2m2=4.5 eV
溅射Cu原子速度分布图
N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率，
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信 息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都 希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功 倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的 详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用 分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。
设溅射原子的平均动能为15eV，由式(2-1)和(2-2)，则大约有98%的溅射Ti原 子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只有10%和0.5%左右。
(2-1)
(2-2)
举例来说，Ti和Zn与氧反应，反应方程式是
23
若用平均动能代替温度T，则
参加反应的高能粒子越多，反应速度越快
反应速度与活化能Ea的关系为
15
（2）射频（高频z（一般 rf＝13.56MHz ）
射频溅射原理图
16
（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：
F e E e (V H )
采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.3~0.5% 5~6%
2.3.6 反应溅射 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
19
势垒与能量关系为： Ea=NA
Ea为反应活化能，NA为阿佛伽德罗常数。
Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能 x：反应物初态能量 W：终态能量 T：活化络合物能量 E：反应物与生成物能量之差
根据过渡态模型理论，两种反应物的分子进行反应时，首先经过过渡态 以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行 反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。
As
exp
3Ea 2Ee
式中 E s和 E e 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：
MAs e Ae
3 1 xp2EaEe
E 1s
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。
22
120C 0
TiO2 空气TiO 2