镀膜工艺简介
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20
镀膜溅射系数或溅射产额（率）
溅射系数或溅射产额（率）：影响参数 ⑥合金和化合物溅射与单原子固体溅射相比差异很大。单原子固体变为多原子固体之
后，同一构成原子的溅射率总要发生显著的变化。由于构成固体的元素彼此之间 的溅射率不同，因此存在选择溅射问题。按碰撞级联理论，组成原子的溅射率之 比与其质量比的指数成反比，与其升华能比成反比。由于靶表面形成交换层，薄 膜的成分一般与靶的成分很接近。 ⑦靶材温度：下图是用45keV的Xe+对几种靶材进行轰击时，其溅射率与靶材温度的关 系曲线。在溅射时，控制靶材温度，防止因溅射急剧增加而导致溅射速率不稳定 现象也是重要的。
- 常用此方法调节稳定气压, - 抽速S能够通过控制门阀的开关来调节。 - 压力计可以提供反馈结果。根据反馈结果再进一步进行调节。
5
真空
• 为什么需要真空？=>更少的颗粒。更长的分子运动自由程，更少 的碰撞次数。
如下图所示，1E-9托真空状态下分子密度只有3.3E7个/立方厘米。远 远少于大气压下的2.5E19个/立方厘米。
Coil (primary)
I
high rf current in
primary coil induced
rf
rf B field in plasma
- no high energy bombardment. - suitable for high density plasma.
Leabharlann Baidu
13
等离子体
• Electron-molecule collisions an energetic electron strikes a neutral gas molecule will cause:
17
镀膜
磁控溅射的特点： ①高沉积速率。很高的沉积速率得益于离子电流所占的高比例。 ②功率效率高。靶发热、辐射和二次电子发射等“无用”功在总输入功率中所 占比例很小。 ③对基体的损伤小。阴极电压低，等离子体被磁场束缚在阴极附近，抑制了高 能带电离子对基体的轰击。 ④基体温度低。因为入射基体的电子的数量减少，避免了基体温度的过度升 高。 ⑤对靶的不均匀刻蚀。这是不均匀磁场造成的。
导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都 可以作为靶材。由于溅射氧化物等绝缘材料和合金时，几乎不发生分解和分 馏，所以可用于制备与靶材料组分相近的薄膜和组分均匀的合金膜，乃至成 分复杂的超导薄膜。此外，采用反应溅射法还可制得与靶材完全不同的化合 物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等. 2.溅射膜与基体之间的附着性好。由于溅射原子的能量比蒸发原子能量高l~2个数 量级，因此，高能粒子沉积在基体上进行能量转换，产生较高的热能，增强了 溅射原子与基体的附着力。加之，一部分高能量的溅射原子将产生不同程度 的注入现象，在基体上形成一层溅射原子与基体材料原子相互“混溶”的所谓 伪扩散层。此外，在溅射粒子的轰击过程中，基体始终处于等离子区中被清洗 和激活，清除了附着不牢的沉积原子，净化且活化基体表面。因此，使得溅射 膜层与基体的附着力大大增强。 3.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在 真空蒸镀时无法避免的坩埚污染现象。 4.膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时的放电电流和靶电流可分别控制，通过 控制靶电流则可控制膜厚。所以，溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚 再现性好，能够有效地镀制预定厚度的薄膜。此外，溅射镀膜还可以在较大面 积上获得厚度均匀的薄膜
GND
- large voltage, high energy bombardment. - normally for low density plasma.
(current or ‘transformer’ coupling)
RIE, ashing, etc.
Plasma chamber
B
Plasma serve as secondary coil
12
等离子体
How to Apply an rf Power ?
Capacitive Coupling
Inductive Coupling (ICP)
(voltage coupling)
RF sputter, RF SPE, etc. Plasma chamber
~ rf
dielectric plate
• 什么是等离子体? - 除了气态，液态，固态以外的物质的第四种状态 - 等离子体中正离子，负离子是等量的，加上中性离子，整体对外 显示电中性。
- 工艺中的等离子体一般描述为“辉光放电”。 - 当气体进行导通电流时产生等离子体.
8
等离子体
• 电子流动性 - 电子远比离子轻。=>所以流动性远高于离子, - 电子在表面的运动速度远高于其他地方。.
11
等离子体
• 低密度等离子体，Low Density Plasma (LDP)
- 通常为电容性耦合，normally capacitive coupled, - 等离子体密度为，plasma density: 109 to 1010 cm-3, - 正离子流量为，positive ion flux: < 1.0 ma/cm2. • 高密度等离子体，High Density Plasma (HDP) - 通常为感应耦合，或者电容耦合加上电磁耦合。normally inductively coupled, or capacitive couple plus magnetron, - 等离子体密度为，plasma density: 1011 to 1013 cm-3, -正离子流量为， positive ion flux: 1.0 ~ 100 ma/cm2. • 为什么需要高密度等离子体，Why Need High Density Plasmas? - 一是因为需要降低离子轰击能量，来避免物理损伤。to lower ion bombardment energies to avoid physical damages, - 二是为了提高工艺选择性。to improve process selectivities.
-通常工艺等离子体密度 是109 到 1013 ，typical density for processing plasma from 109 to 1013,
• 电子温度，Electron temperature
-跟常温相比，通常在1到10电子伏特之间， typically between 1 and 10 eV, compare to room temperature (273K): kBT = 27meV,
l (cm)
HIB:
0.5 mTorr
10
GMR:
5.0 mTorr
1.0
RIE:
500 mTorr
0.01
碰撞后飞离 5 cm <1
5 500
3
真空
• 真空等式
Gas in
气压P, 体 Q (流量) 积V
真空系统 S (抽速)
V(dP/dt) = Q – SP;
V: 体积(升), P: 压力 (托), Q: 流量 (托-升/秒), S: 抽速(升/秒)
• 浮动电势 - 相对于等离子体，绝缘体表面会带负电荷。.
• 等离子体电势 - 等离子体电势，浮动电势的相反意义。
• 自偏压 - 当RF电压通过一系列的阻塞电容加电压到一个表面，这个表面
会产生一个负电势。这个叫做自偏压
9
等离子体
• 为什么我们关心等离子体电势
- 离子轰击晶圆或者靶材表面的能量，energy of ion bombardment on wafer or target surface,
• 德拜长度，Debye length l0
- in a plasma, charged species are coherent with each other, - Debye length can be considered as a screening distance over which charged particles are unaware of each other, - typical processing plasma l0 between 1.0 and 10-4 cm.
- 离子轰击其他表面的能量，energy of ion bombardment on other
surfaces (contamination).
- 它能决定薄膜的质量和特性。It may decide film properties and
quality.
10
等离子体
• 等离子体密度 (ne in cm-3)
e + O2 = O2+ + 2e 4. 激化效应，Excitation: short lifetime: 10-6 to 10-9 sec
e + Ar = Ar* + e ; and shortly after Ar* = Ar + hv
14
干法分类
干法的分类
15
镀膜
镀膜的分类
16
镀膜
溅射镀膜与真空蒸发镀膜比较，有如下特点： 1.任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不论是金属、半
真空镀膜工艺简介
多维科技有限公司-生产部 2012年2月
目录
• 真空 • 等离子体 • 镀膜
2
真空
•气压单位和换算
• 分子密度
1 Torr = 3.2 x1016 molecules/cm3 • 平均自由程
l (cm) ~ 5/P (mTorr), 依赖于气体种类.
Example:
Pressure
18
镀膜溅射系数或溅射产额（率）
溅射系数或溅射产额（率）： 平均一个入射正离子所发射的靶原子数定义为溅射系数或溅射产额（率），以 η表示. 溅射产额（率）与入射离子的种类、能量、入射角和靶材料、靶材温度等有关。
19
镀膜溅射系数或溅射产额（率）
溅射系数或溅射产额（率）：影响参数
②入射离子的能量：当离子能量增加到某值时，才发生溅射现象，该值称为溅射 阈值（阈能），Ar+正离子溅射几种常见材料的阈值见表17.2。图17.4是轰击离子能 量与溅射率之间的典型曲线，整个曲线分三部分。第一部分是当入射离子能量低 于溅射阈值时，不产生溅射。第二部分为当离子能量低于150eV时，溅射率与离子 能量的平方成正比；在150eV～l0keV范围内，溅射率与能量成正比；这一部分是 溅射率随电压而增大区域，大多数薄膜沉积研究工作所集中的区域包括在这一部 分。第三部分是继续增大入射离子能量，溅射率呈下降的区域，这是由于轰击离 子此时将深入到晶格内，把大部分能量损失在靶材体内，而不是损失在表面的缘 故，轰击离子愈重，出现这种下降的能量就愈高。 ③入射离子入射角：对相同的靶材和入射离子，溅射率η随离子入射角增大而增大， 当角度增大到70°~80°时，溅射率η最大。继续增大溅射角，溅射率η急剧减小， 90°时η值为零。见图17.5溅射率与离子入射角的关系曲线。 ④靶材料：随靶材原子d壳层电子填满程度的增加，溅射率η增大，呈周期性变化， 即Cu、Ag、Au等最大，Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等最小。表17.3所示为各种靶材 的溅射率η值。 ⑤对单晶材料来说，当入射方向平行于低密度的晶体指数面时，溅射率比多晶材 料低；当入射方向平行于高密度的晶体指数面时，溅射率比多晶材料高。
1. 吸附效应，Attachment: gain energy after capturing an electron
e + SF6 = SF62. 分解效应，Dissociation: allows chemical reaction at room temp
e + O2 = O + O + e 3. 电离效应，Ionization: critical to maintain plasma
• 分类
真空关闭: V(dP/dt) = Q（S=0) 无气体进入: S = - (V/P)(dP/dt)（Q=0）
P
P
Pump off
t
Gas off
t
4
真空
• 稳定状态 (dP/dt = 0): P = Q/S
• 几种达到稳定气压的方法： 1. 保持抽速S恒定，调节流量Q:
- 此方法不容易，因为抽速也是流量Q的函数。 2. 保持流量Q恒定，调节抽速S:
6
真空
真空下气体分子的特性: 1.第一个特点是气体分子数目的减少，即气体单位体积中所具有的分
子数目的减少。（见上图 表1-4） 2.第二个特点是伴随着分子数目的减少，分子之间，分子与器壁之间
相互碰撞次数也逐渐地减少下来。（见下图）
3.第三个特点是气体分子热运动自由行程的增大（见上图 表1-6）
7
等离子体
镀膜溅射系数或溅射产额（率）
溅射系数或溅射产额（率）：影响参数 ⑥合金和化合物溅射与单原子固体溅射相比差异很大。单原子固体变为多原子固体之
后，同一构成原子的溅射率总要发生显著的变化。由于构成固体的元素彼此之间 的溅射率不同，因此存在选择溅射问题。按碰撞级联理论，组成原子的溅射率之 比与其质量比的指数成反比，与其升华能比成反比。由于靶表面形成交换层，薄 膜的成分一般与靶的成分很接近。 ⑦靶材温度：下图是用45keV的Xe+对几种靶材进行轰击时，其溅射率与靶材温度的关 系曲线。在溅射时，控制靶材温度，防止因溅射急剧增加而导致溅射速率不稳定 现象也是重要的。
- 常用此方法调节稳定气压, - 抽速S能够通过控制门阀的开关来调节。 - 压力计可以提供反馈结果。根据反馈结果再进一步进行调节。
5
真空
• 为什么需要真空？=>更少的颗粒。更长的分子运动自由程，更少 的碰撞次数。
如下图所示，1E-9托真空状态下分子密度只有3.3E7个/立方厘米。远 远少于大气压下的2.5E19个/立方厘米。
Coil (primary)
I
high rf current in
primary coil induced
rf
rf B field in plasma
- no high energy bombardment. - suitable for high density plasma.
Leabharlann Baidu
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等离子体
• Electron-molecule collisions an energetic electron strikes a neutral gas molecule will cause:
17
镀膜
磁控溅射的特点： ①高沉积速率。很高的沉积速率得益于离子电流所占的高比例。 ②功率效率高。靶发热、辐射和二次电子发射等“无用”功在总输入功率中所 占比例很小。 ③对基体的损伤小。阴极电压低，等离子体被磁场束缚在阴极附近，抑制了高 能带电离子对基体的轰击。 ④基体温度低。因为入射基体的电子的数量减少，避免了基体温度的过度升 高。 ⑤对靶的不均匀刻蚀。这是不均匀磁场造成的。
导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都 可以作为靶材。由于溅射氧化物等绝缘材料和合金时，几乎不发生分解和分 馏，所以可用于制备与靶材料组分相近的薄膜和组分均匀的合金膜，乃至成 分复杂的超导薄膜。此外，采用反应溅射法还可制得与靶材完全不同的化合 物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等. 2.溅射膜与基体之间的附着性好。由于溅射原子的能量比蒸发原子能量高l~2个数 量级，因此，高能粒子沉积在基体上进行能量转换，产生较高的热能，增强了 溅射原子与基体的附着力。加之，一部分高能量的溅射原子将产生不同程度 的注入现象，在基体上形成一层溅射原子与基体材料原子相互“混溶”的所谓 伪扩散层。此外，在溅射粒子的轰击过程中，基体始终处于等离子区中被清洗 和激活，清除了附着不牢的沉积原子，净化且活化基体表面。因此，使得溅射 膜层与基体的附着力大大增强。 3.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在 真空蒸镀时无法避免的坩埚污染现象。 4.膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时的放电电流和靶电流可分别控制，通过 控制靶电流则可控制膜厚。所以，溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚 再现性好，能够有效地镀制预定厚度的薄膜。此外，溅射镀膜还可以在较大面 积上获得厚度均匀的薄膜
GND
- large voltage, high energy bombardment. - normally for low density plasma.
(current or ‘transformer’ coupling)
RIE, ashing, etc.
Plasma chamber
B
Plasma serve as secondary coil
12
等离子体
How to Apply an rf Power ?
Capacitive Coupling
Inductive Coupling (ICP)
(voltage coupling)
RF sputter, RF SPE, etc. Plasma chamber
~ rf
dielectric plate
• 什么是等离子体? - 除了气态，液态，固态以外的物质的第四种状态 - 等离子体中正离子，负离子是等量的，加上中性离子，整体对外 显示电中性。
- 工艺中的等离子体一般描述为“辉光放电”。 - 当气体进行导通电流时产生等离子体.
8
等离子体
• 电子流动性 - 电子远比离子轻。=>所以流动性远高于离子, - 电子在表面的运动速度远高于其他地方。.
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等离子体
• 低密度等离子体，Low Density Plasma (LDP)
- 通常为电容性耦合，normally capacitive coupled, - 等离子体密度为，plasma density: 109 to 1010 cm-3, - 正离子流量为，positive ion flux: < 1.0 ma/cm2. • 高密度等离子体，High Density Plasma (HDP) - 通常为感应耦合，或者电容耦合加上电磁耦合。normally inductively coupled, or capacitive couple plus magnetron, - 等离子体密度为，plasma density: 1011 to 1013 cm-3, -正离子流量为， positive ion flux: 1.0 ~ 100 ma/cm2. • 为什么需要高密度等离子体，Why Need High Density Plasmas? - 一是因为需要降低离子轰击能量，来避免物理损伤。to lower ion bombardment energies to avoid physical damages, - 二是为了提高工艺选择性。to improve process selectivities.
-通常工艺等离子体密度 是109 到 1013 ，typical density for processing plasma from 109 to 1013,
• 电子温度，Electron temperature
-跟常温相比，通常在1到10电子伏特之间， typically between 1 and 10 eV, compare to room temperature (273K): kBT = 27meV,
l (cm)
HIB:
0.5 mTorr
10
GMR:
5.0 mTorr
1.0
RIE:
500 mTorr
0.01
碰撞后飞离 5 cm <1
5 500
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真空
• 真空等式
Gas in
气压P, 体 Q (流量) 积V
真空系统 S (抽速)
V(dP/dt) = Q – SP;
V: 体积(升), P: 压力 (托), Q: 流量 (托-升/秒), S: 抽速(升/秒)
• 浮动电势 - 相对于等离子体，绝缘体表面会带负电荷。.
• 等离子体电势 - 等离子体电势，浮动电势的相反意义。
• 自偏压 - 当RF电压通过一系列的阻塞电容加电压到一个表面，这个表面
会产生一个负电势。这个叫做自偏压
9
等离子体
• 为什么我们关心等离子体电势
- 离子轰击晶圆或者靶材表面的能量，energy of ion bombardment on wafer or target surface,
• 德拜长度，Debye length l0
- in a plasma, charged species are coherent with each other, - Debye length can be considered as a screening distance over which charged particles are unaware of each other, - typical processing plasma l0 between 1.0 and 10-4 cm.
- 离子轰击其他表面的能量，energy of ion bombardment on other
surfaces (contamination).
- 它能决定薄膜的质量和特性。It may decide film properties and
quality.
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等离子体
• 等离子体密度 (ne in cm-3)
e + O2 = O2+ + 2e 4. 激化效应，Excitation: short lifetime: 10-6 to 10-9 sec
e + Ar = Ar* + e ; and shortly after Ar* = Ar + hv
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干法分类
干法的分类
15
镀膜
镀膜的分类
16
镀膜
溅射镀膜与真空蒸发镀膜比较，有如下特点： 1.任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不论是金属、半
真空镀膜工艺简介
多维科技有限公司-生产部 2012年2月
目录
• 真空 • 等离子体 • 镀膜
2
真空
•气压单位和换算
• 分子密度
1 Torr = 3.2 x1016 molecules/cm3 • 平均自由程
l (cm) ~ 5/P (mTorr), 依赖于气体种类.
Example:
Pressure
18
镀膜溅射系数或溅射产额（率）
溅射系数或溅射产额（率）： 平均一个入射正离子所发射的靶原子数定义为溅射系数或溅射产额（率），以 η表示. 溅射产额（率）与入射离子的种类、能量、入射角和靶材料、靶材温度等有关。
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镀膜溅射系数或溅射产额（率）
溅射系数或溅射产额（率）：影响参数
②入射离子的能量：当离子能量增加到某值时，才发生溅射现象，该值称为溅射 阈值（阈能），Ar+正离子溅射几种常见材料的阈值见表17.2。图17.4是轰击离子能 量与溅射率之间的典型曲线，整个曲线分三部分。第一部分是当入射离子能量低 于溅射阈值时，不产生溅射。第二部分为当离子能量低于150eV时，溅射率与离子 能量的平方成正比；在150eV～l0keV范围内，溅射率与能量成正比；这一部分是 溅射率随电压而增大区域，大多数薄膜沉积研究工作所集中的区域包括在这一部 分。第三部分是继续增大入射离子能量，溅射率呈下降的区域，这是由于轰击离 子此时将深入到晶格内，把大部分能量损失在靶材体内，而不是损失在表面的缘 故，轰击离子愈重，出现这种下降的能量就愈高。 ③入射离子入射角：对相同的靶材和入射离子，溅射率η随离子入射角增大而增大， 当角度增大到70°~80°时，溅射率η最大。继续增大溅射角，溅射率η急剧减小， 90°时η值为零。见图17.5溅射率与离子入射角的关系曲线。 ④靶材料：随靶材原子d壳层电子填满程度的增加，溅射率η增大，呈周期性变化， 即Cu、Ag、Au等最大，Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等最小。表17.3所示为各种靶材 的溅射率η值。 ⑤对单晶材料来说，当入射方向平行于低密度的晶体指数面时，溅射率比多晶材 料低；当入射方向平行于高密度的晶体指数面时，溅射率比多晶材料高。
1. 吸附效应，Attachment: gain energy after capturing an electron
e + SF6 = SF62. 分解效应，Dissociation: allows chemical reaction at room temp
e + O2 = O + O + e 3. 电离效应，Ionization: critical to maintain plasma
• 分类
真空关闭: V(dP/dt) = Q（S=0) 无气体进入: S = - (V/P)(dP/dt)（Q=0）
P
P
Pump off
t
Gas off
t
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真空
• 稳定状态 (dP/dt = 0): P = Q/S
• 几种达到稳定气压的方法： 1. 保持抽速S恒定，调节流量Q:
- 此方法不容易，因为抽速也是流量Q的函数。 2. 保持流量Q恒定，调节抽速S:
6
真空
真空下气体分子的特性: 1.第一个特点是气体分子数目的减少，即气体单位体积中所具有的分
子数目的减少。（见上图 表1-4） 2.第二个特点是伴随着分子数目的减少，分子之间，分子与器壁之间
相互碰撞次数也逐渐地减少下来。（见下图）
3.第三个特点是气体分子热运动自由行程的增大（见上图 表1-6）
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等离子体