第四讲_薄膜的物理气相沉积-溅射沉积

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不能独立控制各个工艺参量:电压、电流 及溅射气压
气体压力较高(10Pa左右),溅射速率较 低(0.5m/hr)。这不利于减少杂质污染 及提高溅射效率
在二极溅射的基础上, 增加一个发射电子的热阴 极,即构成了三极溅射装置。它有助于克服上 述两个问题
三极、四极溅射装置的示意图
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第四极wenku.baidu.com
溅射产额随离子入 射角度的变化
(参见溅射产额的欠余弦分布)
物质溅射产额与靶材温度的关系
溅射产额随的温度变化也有对应的阈值
原子溅射方向的欠余弦分布
不同于热蒸发时的余弦分布
溅射粒子能量分布随入射离子能量的变化
平均能量?

溅射粒子的能量
溅射过程中的能量传递使溅射出来的原子 将具有很大的动能,一般分布在5 20eV之 间,其平均能量约为10eV
靶电极获得的这一负电位,即是靶电极上产生的 自偏压
射频激励下系统的等效电路
系统可被描述为一个由电容、电阻、二极管组 成的体系;二极管描述了其单向导电的特性,电阻 描述其能量耗散特性
射频电极的电流电压特性与自偏压
电子-离子运动的速度 差异使电极的电流-电 压特性就象一只二极管
电流的波形 负偏压 电压的波形
表达式
XY+eXY+e (使气体分子的动能增加)
XY+eXY*+e XY+eX+Y+e XY+e XY++2e (使气体分子的内能增加)
高能量的电子与其他粒子间的相互碰撞是等离子体 从外界获得能量的方式
电子持有的高速度导致产生鞘层电位
电子与离子具有不同速度的一个直接后果是产 生等离子体鞘层以及鞘层电位:
“电容耦合”指两电极间形成了一等效电容,将能量耦合至体 系
射频、直流放电过程的差别
与直流时相比,射频放电过程有两个显著的变化:
高频电场已可经其他阻抗形式(电容C)耦合 到靶上,而不必要求靶材是导体。电极在前半 周期内积累的电荷将会在下半周期内得到释放
在射频频率下,惰性较大的离子已跟不上电场 的高速变化,而只能感受到平均的电位分布; 而惰性较小的电子,可以紧跟电场的周期变化 在两极间振荡运动,从电场中获得能量,使气 体分子电离和轰击电极产生二次电子
在两极之间存在电位差时,气体分子将因电离过程而分 解为电子和离子。离子轰击阴极将引发二次电子发射。阴极 发射出来的电子在获得能量以后将会与等离子体中的分子碰 撞,造成后者的激发和离化,形成新的电子与离子,使放电 过程得以持续进行。
气体放电的伏安特性曲线
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放电曲线分为: 汤生放电段(气体分子开始出现电离) 辉光放电段(产生大面积辉光等离子体) 弧光放电段(产生高密度弧光等离子体)
这是溅射过程区别于热蒸发过程的显著特 点之一。热蒸发时,原子的平均动能只有 0.1eV
合金的溅射产额
溅射法易于保证所制备的薄膜的化学成分与靶 材的成分相一致,这是它与蒸发法的另一区别 。其原因有二:
与不同元素在平衡蒸气压方面的巨大差异相比, 元素溅射产额间的差别较小,只有0.1-10
自偏压产生后,电极维持于一个负电位,以排斥电子 的涌入;电极在正半周内接受的电子与负半周内接受 的离子数相等,使平均电流为零
射频电极上自偏压的大小
两极及其间的等离 子体还可以被看成 是两个串联的电容 ,其中 “靶电极 电容” 因靶面积 小而较小,而 “ 地电极电容” 因 电极面积大而较大 。电容电压降V 与 电极面积A 成反比 ,即:
Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系
最佳溅射能量区间

溅射能量有其 阈值
溅射产额随原子序数的变化趋势
(a) 400eV-Ar+对各种元素的溅射 (b) 45keV的不同离子对Ag的溅射
C的溅射

Ar+的溅射

元素的溅射产额呈现周期性的变化
惰性气体的溅射产额较高;从经济性方面考虑, 多使用 Ar 作为溅射气体
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辉光放电等离子体的密度、电子速度与温度
典型辉光放电等离子体的粒子密度 1014/cm3, 即气体中,只有约 10-4 比例的电子和离子
电子质量小,其电场中的加速快,电子的平均动 能Ee 2eV,相当于电子温度Te =Ee/k 23000K
电子、离子质量差别大,导致离子及中性原子处 于低能态,如 300500K
效果
根据电极面积比、电 源连接方式 (经电容 C) 的不同,可以有
不同的偏压效果
射频电极上自偏压的大小
射频极
射频极

平均电位

平均电位
等离子体鞘层:任何处于等离子体中或其附近的 物体的外侧都将伴随有正电荷的积累
鞘层电位:相对于等离子体来讲,任何处于等离 子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电 位
鞘层电位可由电子能量分布为 麦克斯韦分布的假设求出:
V p

k Te e
ln(
m 2.3me
1
)2
等离子体鞘层及相应的电位分布
二极溅射装 置的示意图
———
阴极是要溅射的靶材, 阳极即是真空室 Ar 压力 10Pa 电压上千伏
二极溅射时,沉积速率与气压间的关系
放电电流
沉积的效率
低压时等离子体密度低,溅射速率低 高压时气体分子对溅射粒子的散射严重,溅射速率低
二极溅射法的缺点和三极溅射法
二极溅射有两个缺点:
溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理 现象之一,其相对的重要性取决于入射离 子的种类与能量。几十至几十千eV是物质 溅射所对应的离子能量范围
Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系
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物质溅射的微观过程
不同微观过程所导致的溅射效率是不一样的
a) Single knock-on b) Linear cascade c) High energy spike
鞘层

Vp的变化范围不大,约等于电子温度Te的4-6倍,10V
整个直流辉光放电系统中电位的分布
阴极鞘层

两极间的电压降几乎全部集中在阴极鞘层中:因为负电极力图吸 引的是正离子,但后者的质量大,被加速的能力弱,加速较难
物质的溅射效应
阴极鞘层电位的建立使到达阴极的Ar+离 子均要经过相应的加速而获得相应的能量 (102 eV 数量级),即轰击阴极的离子具有 很高的能量,它使阴极物质发生溅射现象
第三极
其优点是: 可独立调节参数,降低气体压力,提高溅射效率
射频溅射方法
上述的直流溅射方法要求靶材具有好的导电性,否 则靶上电荷积累,会造成靶电流过小,靶电压过高
射频溅射是适用于导体、非导体靶材的溅射方法

射频溅射多使用13.56MHz 频率的射频电源
电容耦合式的射频溅射装置
电容C 将射频能量耦合至靶电极,而地电极则包括了衬底和真 空室,即放电系统具有非对称的电极配置: 靶电极面积 地电极面积
气体放电现象是发生物质溅射过程的基础
气体的直流放电模型
在阴阳两极间,由电动势为E的直流电源提供靶 电压V 和靶电流 I,并以电阻R 作为限流电阻
气体的直流放电模型
A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609–658
溅射法与蒸发法一样, 也是一种重要的薄 膜 PVD 制备方法
溅射法制备薄膜的物理过程
利用带电荷的阳离子在电场中加速后具 有一定动能的特点,将离子引向欲被溅 射的物质制成的靶电极(阴极)
入射离子在与靶面原子的碰撞过程中, 通过动量的转移,将后者溅射出来
这些被溅射出来的原子将沿着一定的方 向射向衬底,从而实现物质的PVD沉积
一个问题: 化合物的溅射产额?
溅射法在应用于化合物溅射时,有两个重要的问 题:
许多化合物的导电性较差;如何实现其溅射过 程?
化合物在溅射过程中,其成分又是如何变化的 ?会不会发生化合物的分解?
关于这两点,我们在稍后一些介绍
薄膜溅射法的分类
直流溅射(即二极溅射) 三极、四极溅射 磁控溅射 射频溅射 偏压溅射 反应溅射 中频孪生靶溅射和脉冲溅射 离子束溅射
第四讲
薄膜材料的溅射沉积
Preparation of thin films by sputtering
提要
气体的放电现象与等离子体 物质的溅射效应和溅射产额 各种各样的溅射技术
物理气相沉积
物理气相沉积(PVD)是利用某种物理过 程 物质的热蒸发或在受到粒子轰击 时物质表面原子的溅射等,实现物质原子 从源物质到薄膜的物质的可控转移
物质的溅射产额
溅射产额是是衡量溅射过程效率的一个参数:
被溅射出来的物质总原子数 溅射产额 S = —————————————
入射离子数
靶材溅射过程释放出的各种粒子中,主要是单 个的原子,以及少量的原子团;离子所占的比 例只有1-10%
使物质发生溅射的能量存在一定的阈值E0;每 种物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热成比 例。金属的溅射能量阈值多在1040eV之间
自偏压(电容电压降)
在射频激励下,正半周内高速电子将迅速涌入,使电极 电位迅速降低;负半周内慢速离子少量涌入将使电位少 量回升
最终,电极将获得一个负电位,以抑制电子的持续涌入
射频电极自偏压 的产生原因
耦合电容C 使电极与电源间不能有实际的电流 流过;电容C 的负端和靶电极被充上负电荷后,使 其不再倾向于接受电子,即它将使靶电极调整到相 应的负电位,使其后它每个周期内吸纳的电子、离 子的数量趋于相抵
射频溅射法可以被用于物质溅射的原因
射频电源的采用使放电过程摆脱了对靶材导电性的 限制
但:靶物质如何在交变电场的作用下被溅射的呢?
使射频方法可被用来产生物质溅射效应的根本 原因是它可在靶上产生自偏压效应,即在射频激励 之下,靶电极会自动地处于一个负电位,它导致离 子受到吸引,对靶电极造成轰击和溅射
电子、离子间巨大的质量(速度)差异是自偏 压得以产生的根本原因;通过电容C 的能量耦合方 式和电极面积差是获得适当幅度自偏压的必要条件
电容耦合射频方波时电极上自偏压的产生
大电容,小电流
激励电压
A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part
B 57 (2002) 609–65射8 频极的 电位
电子是等离子体中主要的能量携带者
电子、离子具有极不相同的速度: 电子—— va=(8kTe/m)1/2 9.5105 m/s Ar+离子———— 约5102 m/s
等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程
微观过程
电子与气体分子的弹性碰撞
电子与气体分子的非弹性碰撞 激发 分解 电离
薄膜溅射沉 积装置的示 意图
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靶材是要溅射的材料,它作为阴极, 相对于真空室内其他部 分处于负电位。阳极可以是接地的,也可以是浮动的
气体的直流放电现象
以适当压力(10-110Pa)的惰性气体(一般均为 Ar)作为放电气体(与PVD的真空蒸发时不同)
在正负电极间外加电压的作用下,电极间的气体 原子将被雪崩式地电离,形成可以独立运动的 Ar+离子和电子。电子加速飞向阳极,而带正电 荷的Ar+离子则在电场的作用下加速飞向作为阴 极的靶材,并发生靶物质的溅射过程
各种气体发生辉光放电的帕邢曲线
d 10cm时,P 10Pa

只有当 Pd 取一定数值时,气体才最容易维持辉光放电
等离子体—— plasma
放电击穿后,气体即成为具有一定导 电能力的等离子体,它是一种由离子、电 子及中性原子、原子团组成,而宏观上对 外呈现电中性的物质存在形式。
相应于辉光和弧光放电,就有了辉光 放电等离子体和弧光放电等离子体。
溅射过程中靶物质处于固态,其扩散能力较弱; 溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离在随后 的溅射过程中会实现自动的补偿
如,对成分为80%Ni-20%Fe的合金靶来说, 1keV的Ar+离子溅射产额为:Ni:2.2,Fe:1.3 。但适当的预溅射后,其表面开始富Fe,即仍 能保证沉积出合适成分的合金薄膜
因此,面积较小的靶电极将拥有较高的自偏压
射频电极电压的变化曲线和自偏压
等离子体电位 地电位
O
直流时情况
离子电
流脉冲
自偏压 射频极的电位
Vc-Vp —— 射频极对等离子体的电位差 Vp-0——地电极对等离子体的电位差 即,溅射极产生的自偏压 Vb
射频电源的不 同连接方式与
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