3-薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法及其他PVD方法
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第三章 薄膜的物理气相沉积（Ⅱ） ——溅射法及其他PVD方法
薄膜的物理气相沉积
1
溅射法：带有电荷的离子被电场加速后具有一 定动能，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离 子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原 子的碰撞过程中将后者溅射出来。溅射原子带 有一定动能，且沿一定方向射向衬底，实现衬 底上薄膜的沉积。
合金靶材预溅射: 要使合金靶材表面成分达到溅射动态平衡对应的
成分，需要经过一定的溅射时间。可以将靶材预先 溅射一段时间，使其表面成分达到平衡后，再开始 正式溅射过程。预溅射层的深度一般需要达到几百 个原子层左右。
薄膜的物理气相沉积
27
例如，合金靶材成分为80％Ni-20％Fe， Ar+离子 能量lkeV，元素溅射产额：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。
溅射法：靶物质的扩散能力弱。由于溅射产额 差 别 造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面 成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中 实现一种成分的自动补偿效应。
薄膜的物理气相沉积
26
溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降； 而溅射产额低的元素得到了富集，溅射速率上升。 结果：尽管靶材表面的化学成分已经改变，但溅射 出来的物质成分却与靶材的原始成分相同。
薄膜的物理气相沉积
9
正离子与二
电离区
次电子复合 加速区
薄膜的物理气相沉积
11
3.1.3 辉光放电的碰撞过程
等离子体中高速运动的电子与其他粒子的碰 撞是维持气体放电的主要微观机制。
电子与其他粒子的碰撞： 弹性碰撞（能量较低时） 非弹性碰撞（能量较高时）
薄膜的物理气相沉积
12
弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量 保持不变，并且不存在粒子内能的变化，即没 有粒子的激发、电离或复合过程发生。 两粒子弹性碰撞后：
①溅射原子具有很宽 的能量分布范围，平 均能量约为10eV； ②随着入射离子能量 增加，溅射离子的平 均能量也有上升趋势。
离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉 光放电过程密切相关。
薄膜的物理气相沉积
2
3.1 气体放电与等离子体
直流溅射：
阴极
Ar 10-1~10Pa
薄膜的物理气相沉积
3
阳极
eAr
衬底
薄膜的物理气相沉积
4
3.1.1 气体放电现象描述
V=E-IR
碰撞产生新的 离子和电子
等离子体：具备了一定导电能力的气体。
薄膜的物理气相沉积
90°
24
（4）靶材温度
薄膜的物理气相沉积
25
3.2.2 合金的溅射和沉积
溅射法易于保证薄膜的化学成分与靶材基本一致。 原因： (1)不同元素平衡蒸气压差别很大，而溅射产额差别 不大。 (2) 蒸发法：被蒸发物质多处于熔融状态，本身将发 生 扩散、对流，表现出很强的自发均匀化的倾向。
薄膜的物理气相沉积
14
非弹性碰撞的典型过程： （1）电离过程
e- + Ar → Ar+ + 2e（2）激发过程
e-+ O2 → O2* + e（3）分解过程
e-+ CF4 → CF3* + F* +e-
薄膜的物理气相沉积
15
3.2 物质的溅射现象
★ ★
离子轰击固体表面时发生的各种物理过程
薄膜的物理气相沉积
16
Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系
薄膜的物理气相沉积
17
3.2.1 溅射产额
溅射：是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中 发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子 激发出来的复杂过程。 溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。 （衡量溅射过程效率的参数） 影响因素： （1）入射离子能量 （2）入射离子种类和被溅射物质种类 （3）离子入射角度 （4）靶材温度
溅射法
电弧蒸发
极少量电 离粒子
非自持放电
自持放电
无光放电
薄膜的物理气相沉积
5
3.1.2 辉光放电现象及等离子体鞘层
p —— 气体的压力
薄膜的物理气相沉积 d —— 电极之间的间距
6
等离子体：由离子、电子以及中性原子和原子团 组成，宏观上对外呈现出电中性。
电子由于极易在电场中加速而获得能量，因而 平均速度比较快。
离子能量及平均速度均远远低于电子。
等离子体鞘层，即相对于等离子体来说，任何位于 等离子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负 电位，并且在其表面外将伴随有正电荷的积累。
薄膜的物理气相沉积
7
薄膜的物理气相沉积
鞘层电位
8
鞘层电位
△V kTe ln(
m
1
)2
p e 2.3m
e
鞘层电位的存在意味着任何跨越鞘层而到达衬底 的离子均将受到鞘层电位的加速作用，而获得一 ห้องสมุดไป่ตู้的能量，并对薄膜表面产生轰击效应；电子则 会感受到鞘层电位的排斥作用，因而只有一些能 量较高的电子才能克服鞘层电位的阻碍，轰击薄 膜表面。
辉光放电：高速运动的电子与低速运动的原子、 分子或离子的碰撞。 （M1 << M2 ）
每次碰撞能量转移极少；
重粒子能量远小于电子能量。
薄膜的物理气相沉积
13
非弹性碰撞：部分电子动能转化为粒子内能。 内能增加的最大值
非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移给其他 质量较大的粒子，引起其激发或电离。 ★电子与其他粒子的非弹性碰撞是维持自持放电 过程的主要机制。
薄膜的物理气相沉积
18
（1）入射离子能量
只有当入射离子 能量超过一定的阈 值以后，才会出现 被溅射物质表面原 子的溅射。
薄膜的物理气相沉积
19
薄膜的物理气相沉积
溅射阈值与 入射离子的种 类关系不大， 但与被溅射物 质的升华热有 一定的比例关 系。
20
（2）入射离子种类和被溅射物质种类
随着元素外层d 电子数增加， 溅射产额提高。
预溅射之后，靶材表面的成分比将逐渐变为 Ni/Fe=80×1.3/20×2.2=2.36，即70.2％Ni-29.8％Fe。 在这之后，溅射的成分将能够保证沉积出合适成 分的薄膜。
薄膜的物理气相沉积
28
在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的 能量传递。溅射原子将从溅射过程中获得很大 的动能，可达5～20eV。
薄膜的物理气相沉积
21
薄膜的物理气相沉积
溅射产额随入射 离子的原子序数 周期性变化。
惰性气体作为入 射离子，溅射产 额较高。
22
（3）离子入射角度
随着θ增加，溅射产额 呈1/cos θ 的规律增加， 即倾斜入射角有利于提 高溅射产额； 当θ接近80°时，产额 迅速下降。
薄膜的物理气相沉积
23
溅射产额随粒子运动方向的变化：
薄膜的物理气相沉积
1
溅射法：带有电荷的离子被电场加速后具有一 定动能，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离 子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原 子的碰撞过程中将后者溅射出来。溅射原子带 有一定动能，且沿一定方向射向衬底，实现衬 底上薄膜的沉积。
合金靶材预溅射: 要使合金靶材表面成分达到溅射动态平衡对应的
成分，需要经过一定的溅射时间。可以将靶材预先 溅射一段时间，使其表面成分达到平衡后，再开始 正式溅射过程。预溅射层的深度一般需要达到几百 个原子层左右。
薄膜的物理气相沉积
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例如，合金靶材成分为80％Ni-20％Fe， Ar+离子 能量lkeV，元素溅射产额：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。
溅射法：靶物质的扩散能力弱。由于溅射产额 差 别 造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面 成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中 实现一种成分的自动补偿效应。
薄膜的物理气相沉积
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溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降； 而溅射产额低的元素得到了富集，溅射速率上升。 结果：尽管靶材表面的化学成分已经改变，但溅射 出来的物质成分却与靶材的原始成分相同。
薄膜的物理气相沉积
9
正离子与二
电离区
次电子复合 加速区
薄膜的物理气相沉积
11
3.1.3 辉光放电的碰撞过程
等离子体中高速运动的电子与其他粒子的碰 撞是维持气体放电的主要微观机制。
电子与其他粒子的碰撞： 弹性碰撞（能量较低时） 非弹性碰撞（能量较高时）
薄膜的物理气相沉积
12
弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量 保持不变，并且不存在粒子内能的变化，即没 有粒子的激发、电离或复合过程发生。 两粒子弹性碰撞后：
①溅射原子具有很宽 的能量分布范围，平 均能量约为10eV； ②随着入射离子能量 增加，溅射离子的平 均能量也有上升趋势。
离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉 光放电过程密切相关。
薄膜的物理气相沉积
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3.1 气体放电与等离子体
直流溅射：
阴极
Ar 10-1~10Pa
薄膜的物理气相沉积
3
阳极
eAr
衬底
薄膜的物理气相沉积
4
3.1.1 气体放电现象描述
V=E-IR
碰撞产生新的 离子和电子
等离子体：具备了一定导电能力的气体。
薄膜的物理气相沉积
90°
24
（4）靶材温度
薄膜的物理气相沉积
25
3.2.2 合金的溅射和沉积
溅射法易于保证薄膜的化学成分与靶材基本一致。 原因： (1)不同元素平衡蒸气压差别很大，而溅射产额差别 不大。 (2) 蒸发法：被蒸发物质多处于熔融状态，本身将发 生 扩散、对流，表现出很强的自发均匀化的倾向。
薄膜的物理气相沉积
14
非弹性碰撞的典型过程： （1）电离过程
e- + Ar → Ar+ + 2e（2）激发过程
e-+ O2 → O2* + e（3）分解过程
e-+ CF4 → CF3* + F* +e-
薄膜的物理气相沉积
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3.2 物质的溅射现象
★ ★
离子轰击固体表面时发生的各种物理过程
薄膜的物理气相沉积
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Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系
薄膜的物理气相沉积
17
3.2.1 溅射产额
溅射：是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中 发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子 激发出来的复杂过程。 溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。 （衡量溅射过程效率的参数） 影响因素： （1）入射离子能量 （2）入射离子种类和被溅射物质种类 （3）离子入射角度 （4）靶材温度
溅射法
电弧蒸发
极少量电 离粒子
非自持放电
自持放电
无光放电
薄膜的物理气相沉积
5
3.1.2 辉光放电现象及等离子体鞘层
p —— 气体的压力
薄膜的物理气相沉积 d —— 电极之间的间距
6
等离子体：由离子、电子以及中性原子和原子团 组成，宏观上对外呈现出电中性。
电子由于极易在电场中加速而获得能量，因而 平均速度比较快。
离子能量及平均速度均远远低于电子。
等离子体鞘层，即相对于等离子体来说，任何位于 等离子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负 电位，并且在其表面外将伴随有正电荷的积累。
薄膜的物理气相沉积
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薄膜的物理气相沉积
鞘层电位
8
鞘层电位
△V kTe ln(
m
1
)2
p e 2.3m
e
鞘层电位的存在意味着任何跨越鞘层而到达衬底 的离子均将受到鞘层电位的加速作用，而获得一 ห้องสมุดไป่ตู้的能量，并对薄膜表面产生轰击效应；电子则 会感受到鞘层电位的排斥作用，因而只有一些能 量较高的电子才能克服鞘层电位的阻碍，轰击薄 膜表面。
辉光放电：高速运动的电子与低速运动的原子、 分子或离子的碰撞。 （M1 << M2 ）
每次碰撞能量转移极少；
重粒子能量远小于电子能量。
薄膜的物理气相沉积
13
非弹性碰撞：部分电子动能转化为粒子内能。 内能增加的最大值
非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移给其他 质量较大的粒子，引起其激发或电离。 ★电子与其他粒子的非弹性碰撞是维持自持放电 过程的主要机制。
薄膜的物理气相沉积
18
（1）入射离子能量
只有当入射离子 能量超过一定的阈 值以后，才会出现 被溅射物质表面原 子的溅射。
薄膜的物理气相沉积
19
薄膜的物理气相沉积
溅射阈值与 入射离子的种 类关系不大， 但与被溅射物 质的升华热有 一定的比例关 系。
20
（2）入射离子种类和被溅射物质种类
随着元素外层d 电子数增加， 溅射产额提高。
预溅射之后，靶材表面的成分比将逐渐变为 Ni/Fe=80×1.3/20×2.2=2.36，即70.2％Ni-29.8％Fe。 在这之后，溅射的成分将能够保证沉积出合适成 分的薄膜。
薄膜的物理气相沉积
28
在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的 能量传递。溅射原子将从溅射过程中获得很大 的动能，可达5～20eV。
薄膜的物理气相沉积
21
薄膜的物理气相沉积
溅射产额随入射 离子的原子序数 周期性变化。
惰性气体作为入 射离子，溅射产 额较高。
22
（3）离子入射角度
随着θ增加，溅射产额 呈1/cos θ 的规律增加， 即倾斜入射角有利于提 高溅射产额； 当θ接近80°时，产额 迅速下降。
薄膜的物理气相沉积
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溅射产额随粒子运动方向的变化：