磁控溅射原理详细介绍ppt课件
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(1)物理吸附 物质都是由原子、分子所组成，原子中带正电的原子核和带负电的电子之间的静电力以及电子在运
动过程中某些特定的相互联系是分子力产生的原因，因此分子力永远存在于任何相同或不同分子之间。 分子力的作用是使分子聚集在一起，在空间上形成某种规则的有序排列。分子无规则的热运动又将破坏 这种有序排列而使分子分散开来。
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
靶材粒子入射到基片上，在沉积成膜的过程中有几个问题必须考虑。 (1)沉积速率 沉积速率Q是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内沉积到基片上的厚度，该速率与溅射率S 成正比，即有:
式中，C为与溅射装置有关的特征常数;I为离子流;S为溅射率。
上式表明，对于一定的溅射装置(即C为确定值)和一定的工作气体，提高沉积速率的有效办法是提高 离子流工。但是，如前所述，在不增高电压的条件下，增加丁值就只有增高丁作气体的压力。图2.4示出 了气体压力与溅射率的关系曲线。由图可知，当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。这是由 于靶材粒子的背反射和散射增大所引起的。事实上，在大约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中， 只有10%左右才能够穿越阴极暗区，所以由溅射率来考虑气压的最佳值是比较适当的。当然，应注意气压 升高对薄膜质量的影响。
被吸附的气体分子停留在表面上的时间，可通过平均吸附时间(即从吸附到表面至从表面解吸所 需的时间的平均值)来确定。由于与镀膜技术有关的一些金属材料的解吸激活能Ed值均较大，故膜材在
基片上停留时间是较长的。
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
薄膜在基片上的成长过程可以通过电子显微镜来观察。当入射的膜材蒸汽在基片上凝结时，最初出 现大量晶核。例如在300度时向岩盐上蒸镀金，每平方厘米面积上可以产生大约10的11次方个晶核，核的 大小约为2nm，而且这些晶核在基片表面上随机分布，它们之间的距离为30nm。然后，晶核继续长大，但 数量并不显著增多，入射原子在表面上的自由移动，并把已有的晶核连接起来，并反射或吸解掉成核位置 以外的撞击原子。当晶核生长到相互ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ触时，即开始合并，这时几何形状和方位迅速发生变化。此时如果 切断入射的膜材蒸汽，合并现象就会停止，但是己经合并的晶核，其合并过程仍会继续进行。 一个晶核的再结晶过程对于确定最终的薄膜结构非常重要。再结晶的程度和消失的晶向，一定程度取决于 有关晶核的大小。一般来说是较大的晶核吃掉较小的晶核。
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第一部分 真空镀膜基础
1.2 吸附几率和吸附时间
向表面碰撞的分子，失去动能被表面所吸附或反射回到空间中去，被吸附的分子同固体之间或在 其自身的内部通过能量的再分配，最后稳定于某一水平面上。被吸附的分子在表面停留期间有时会得到 解吸活化能而从表面上脱附，再回至lJ空间去，其解吸的几率可以根据物理吸附和化学吸附分别予以考 虑。产生物理吸附的几率称为冷凝系数，产生化学吸附的几率称为粘着几率。就气体而言，冷凝系数介 于0.1和1之间;就蒸发金属而言，可近似考虑为1;清洁金属表面的粘着几率在0.1和1的范围内。而且温 度越高，粘着几率越小。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
(b)在溅射气压下，扩散泵抽气效力很低，扩散泵油的回流现象十分严重。由于阻尼器各板间的距 离相当于此压强下平均自由程的若干倍，故仅靠阻尼器将不足以阻止这些气体进入真空室。因此，通常 需要在放电区与阻尼器之间进行某种形式的气体调节，例如在系统中利用高真空阀门作为节气阀，即可 轻易地解决这一问题。另外，如果将阻尼器与涡轮分子泵结合起来，代替扩散泵，将会消除这种污染。
当结晶不断接合时，就构成了一种网膜，网膜上分布着不规则的形状开口。当膜的平均厚度进一步 增加时，网膜就发展成为连续的薄膜。这时入射膜材的原子即开始撞击同类原子，其结合能即可提高，因 此反射或解吸现象明显减少。膜的生长在蒸发与溅射两种不同工艺中是不同的。一般来说，就最初所成的 孤立的晶核结构而言，溅射法晶核形状小，数目多，密度大。
图1 溅射率与Ar气压强的关系
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
(2)沉积薄膜的纯度 为了提高沉积薄膜的纯度，必须尽量减少沉积到基片上的杂质的量。这里所说的杂质主要是指真
空室的残余气体。因为通常有约百分之几的溅射气体分子注入沉积薄膜中，特别是在基片加偏压时。欲 降低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氢量这两项有效措施。 (3)沉积过程中的污染
(2)化学吸附 化学吸附的力是价键力，包括离子键力、共价键力和金属键力。价键力的作用是使原子、原子团、
离子或分子在空间作周期性排列。固体表面的分子与内部分子处于不同状态，有剩余空悬键即剩余价键 力存在。它的作用距离较分子力作用距离更小，约为0.1-0.3nm，并且有方向性和饱和性。当气相分子进 入剩余价键力的作用距离且该力尚未饱和时，气相分子就会被吸附在固体(基片)的表面上，这就是化学 吸附现象。
众所周知，在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真空区内是很有必要的，因此原有 工作气体的分压极低。即便如此，仍可存在许多污染源:
(a)真空室壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体，如水蒸气和二氧化碳等。由于辉光放电中 电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在沉积过程中 适当冷却，以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡。
动过程中某些特定的相互联系是分子力产生的原因，因此分子力永远存在于任何相同或不同分子之间。 分子力的作用是使分子聚集在一起，在空间上形成某种规则的有序排列。分子无规则的热运动又将破坏 这种有序排列而使分子分散开来。
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
靶材粒子入射到基片上，在沉积成膜的过程中有几个问题必须考虑。 (1)沉积速率 沉积速率Q是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内沉积到基片上的厚度，该速率与溅射率S 成正比，即有:
式中，C为与溅射装置有关的特征常数;I为离子流;S为溅射率。
上式表明，对于一定的溅射装置(即C为确定值)和一定的工作气体，提高沉积速率的有效办法是提高 离子流工。但是，如前所述，在不增高电压的条件下，增加丁值就只有增高丁作气体的压力。图2.4示出 了气体压力与溅射率的关系曲线。由图可知，当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。这是由 于靶材粒子的背反射和散射增大所引起的。事实上，在大约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中， 只有10%左右才能够穿越阴极暗区，所以由溅射率来考虑气压的最佳值是比较适当的。当然，应注意气压 升高对薄膜质量的影响。
被吸附的气体分子停留在表面上的时间，可通过平均吸附时间(即从吸附到表面至从表面解吸所 需的时间的平均值)来确定。由于与镀膜技术有关的一些金属材料的解吸激活能Ed值均较大，故膜材在
基片上停留时间是较长的。
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
薄膜在基片上的成长过程可以通过电子显微镜来观察。当入射的膜材蒸汽在基片上凝结时，最初出 现大量晶核。例如在300度时向岩盐上蒸镀金，每平方厘米面积上可以产生大约10的11次方个晶核，核的 大小约为2nm，而且这些晶核在基片表面上随机分布，它们之间的距离为30nm。然后，晶核继续长大，但 数量并不显著增多，入射原子在表面上的自由移动，并把已有的晶核连接起来，并反射或吸解掉成核位置 以外的撞击原子。当晶核生长到相互ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ触时，即开始合并，这时几何形状和方位迅速发生变化。此时如果 切断入射的膜材蒸汽，合并现象就会停止，但是己经合并的晶核，其合并过程仍会继续进行。 一个晶核的再结晶过程对于确定最终的薄膜结构非常重要。再结晶的程度和消失的晶向，一定程度取决于 有关晶核的大小。一般来说是较大的晶核吃掉较小的晶核。
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第一部分 真空镀膜基础
1.2 吸附几率和吸附时间
向表面碰撞的分子，失去动能被表面所吸附或反射回到空间中去，被吸附的分子同固体之间或在 其自身的内部通过能量的再分配，最后稳定于某一水平面上。被吸附的分子在表面停留期间有时会得到 解吸活化能而从表面上脱附，再回至lJ空间去，其解吸的几率可以根据物理吸附和化学吸附分别予以考 虑。产生物理吸附的几率称为冷凝系数，产生化学吸附的几率称为粘着几率。就气体而言，冷凝系数介 于0.1和1之间;就蒸发金属而言，可近似考虑为1;清洁金属表面的粘着几率在0.1和1的范围内。而且温 度越高，粘着几率越小。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
(b)在溅射气压下，扩散泵抽气效力很低，扩散泵油的回流现象十分严重。由于阻尼器各板间的距 离相当于此压强下平均自由程的若干倍，故仅靠阻尼器将不足以阻止这些气体进入真空室。因此，通常 需要在放电区与阻尼器之间进行某种形式的气体调节，例如在系统中利用高真空阀门作为节气阀，即可 轻易地解决这一问题。另外，如果将阻尼器与涡轮分子泵结合起来，代替扩散泵，将会消除这种污染。
当结晶不断接合时，就构成了一种网膜，网膜上分布着不规则的形状开口。当膜的平均厚度进一步 增加时，网膜就发展成为连续的薄膜。这时入射膜材的原子即开始撞击同类原子，其结合能即可提高，因 此反射或解吸现象明显减少。膜的生长在蒸发与溅射两种不同工艺中是不同的。一般来说，就最初所成的 孤立的晶核结构而言，溅射法晶核形状小，数目多，密度大。
图1 溅射率与Ar气压强的关系
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
(2)沉积薄膜的纯度 为了提高沉积薄膜的纯度，必须尽量减少沉积到基片上的杂质的量。这里所说的杂质主要是指真
空室的残余气体。因为通常有约百分之几的溅射气体分子注入沉积薄膜中，特别是在基片加偏压时。欲 降低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氢量这两项有效措施。 (3)沉积过程中的污染
(2)化学吸附 化学吸附的力是价键力，包括离子键力、共价键力和金属键力。价键力的作用是使原子、原子团、
离子或分子在空间作周期性排列。固体表面的分子与内部分子处于不同状态，有剩余空悬键即剩余价键 力存在。它的作用距离较分子力作用距离更小，约为0.1-0.3nm，并且有方向性和饱和性。当气相分子进 入剩余价键力的作用距离且该力尚未饱和时，气相分子就会被吸附在固体(基片)的表面上，这就是化学 吸附现象。
众所周知，在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真空区内是很有必要的，因此原有 工作气体的分压极低。即便如此，仍可存在许多污染源:
(a)真空室壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体，如水蒸气和二氧化碳等。由于辉光放电中 电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在沉积过程中 适当冷却，以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡。