第四章 薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)- 溅射法

4.2 物质的溅射现象
3、离子入射角度对溅射产额的影响 、 倾斜入射有利于提高 产额， 产额 ， 但当入射角接 近80°时，产额迅速下 ° 降
4.2 物质的溅射现象
合金的溅射和沉积： 合金的溅射和沉积： 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基 本一致。 本一致。 自动补偿效应： 溅射产额高的物质已经贫化， 自动补偿效应 ： 溅射产额高的物质已经贫化 ， 溅 射速率下降， 而溅射产额低的物质得到富集， 射速率下降 ， 而溅射产额低的物质得到富集 ， 溅 射速率上升。 射速率上升。
4.1 辉光放电和等离子体
电极 等离子体 真空室
匹配部件
RF 发生器
高真空泵
4.1 辉光放电和等离子体
High-energy electron collides with molecule. Hydrogen Carbon Carbon Collision results in dissociation of molecule. Hydrogen
图3.7
4.2 物质的溅射现象
入射离子能量的影响 只有入射离子能量超过一定阈值以后， 只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从 被溅射物质表面溅射出离子， 被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射 离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热 离子的种类关系不大， 有一定比例关系 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加， 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然 后处于平缓（ 后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅 ，离子能量继续增加， 射产额反而下降
薄膜制备技术-溅射法 第四章 薄膜制备技术 溅射法
溅射镀膜的特点 （1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实 ）对于任何待镀材料，只要能作成靶材， 现溅射 （2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好 ） （3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好 ）溅射所获得的薄膜纯度高， （4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获 ）溅射工艺可重复性好， 得厚度均匀的薄膜
一、直流溅射装置及特性
工作原理： 工作原理：
当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶 当加上直流电压后， 辉光放电开始， 正离子打击靶面， 材表面的中性原子溅射出， 材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄 膜。 在离子轰击靶材的同时， 在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射 出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中， 出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原 子碰撞又产生更多的离子， 子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
Electron
Fluorine
Fluorine
Fluorine
Fluorine
Fluorine High-energy electron CHF3 molecule
Fluorine CHF2 radical Fluorine (neutral)
4.1 辉光放电和等离子体
直流电源E, 提供电压V和电流 和电流I则 直流电源 提供电压 和电流 则 V = E - IR。 。 1、辉光放电过程包括 、 初始阶段AB： 初始阶段 ：I=0 无光放电区 汤生放电区BC：I迅速增大 汤生放电区 ： 迅速增大 过渡区CD：离子开始轰击阴极， 过渡区 ：离子开始轰击阴极，产生二次 电子， 电子，又与气体分子碰撞产生更多离子 辉光放电区DE： 增大 增大， 恒定 辉光放电区 ：I增大，V恒定 异常辉光放电区EF： 异常辉光放电区 ：溅射所选择的工作区 A 弧光放电： 增大 增大， 减小 弧光放电：I增大，V减小 弧光放电区FG：增加电源功率， 弧光放电区 ：增加电源功率，电流迅速 增加
薄膜制备技术-溅射法 第四章 薄膜制备技术 溅射法
4.1 辉光放电与等离子体 4.2 物质的溅射现象 4.3 溅射沉积技术
薄膜制备技术-溅射法 第四章 薄膜制备技术 溅射法
溅射法 利用带电离子在电磁场的作用下获得足 够的能量，轰击固体（ 物质， 够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶 材表面被溅射出来的原子以一定的动能 射向衬底，在衬底上形成薄膜。 射向衬底，在衬底上形成薄膜。 溅射法的分类 直流溅射 磁控溅射 偏压溅射 射频溅射 反应溅射
一、直流溅射装置及特性
气体压强太低或阴-阳极距离太短， 气体压强太低或阴 阳极距离太短，二次电子达到阳极之 阳极距离太短 前不能有足够多的离化碰撞发生。 前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会 因非弹性碰撞而减速， 因非弹性碰撞而减速， 打击靶材时不会产生足够的二次 电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将 电子。 会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。 会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。 直流溅射若要保持一定的溅射速率， 直流溅射若要保持一定的溅射速率， 就必须一定的工作 电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材， 电流 ， 要求靶材为金属靶。 若是导电性差的靶材， 在离 子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。 子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。
4.1 辉光放电和等离子体
一、辉光放电的物理基础
靶材是需要被溅射的物质， 靶材是需要被溅射的物质，作为 阴极，相对阳极加数千伏电压， 阴极，相对阳极加数千伏电压， 在真空室内充入Ar气 在真空室内充入 气，在电极间 形成辉光放电。 形成辉光放电。 辉光放电过程中，将产生Ar离子， 辉光放电过程中， 将产生 离子， 离子 阴极材料原子， 二次电子， 阴极材料原子 ， 二次电子 ， 光子 等。
4.2 物质的溅射现象
离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程， 离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过 程的相对重要性取决于入射离子的能量。 程的相对重要性取决于入射离子的能量。
4.2 物质的溅射现象
一、溅射的产额： 溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。 入射离子数之比。它与入 射能量，入射离子种类， 射能量，入射离子种类， 溅射物质种类及入射离子 的入射角度有关。 的入射角度有关。
B
C D
F E G
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4.1 辉光放电和等离子体
2、辉光放电区域的划分 、
阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区； 阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区； 阳极柱；阳极暗区； 阳极柱；阳极暗区；阳极辉光 暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区， 暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区 ， 辉光 区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。 区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
4.3 溅射沉积装置
一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射） 直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
气体离子
二次电子
靶材离子
一、直流溅射装置及特性
溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。 ，太低和太高都不利于薄膜的形成。 溅射气压 阳极距离适中， 阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的 倍 阳极距离适中 大约为阴极暗区的2倍 溅射电压1-5KV。 。 溅射电压 靶材必须为金属。 靶材必须为金属。 为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的 倍 为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。
4.3 溅射沉积装置
三、磁控溅射装置及特性
1直流电源 2出水口 3进水口 4进气口 靶材 6真空泵 7 基片架 8基片偏压 直流电源 出水口 进水口 进气口 进气口5 真空泵 基片偏压
三、磁控溅射装置及特性
磁场的作用使电子不再做平行直线运动， 磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线 做螺旋运动， 做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用 而大幅度地增加， 而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄 膜的沉积速率。 膜的沉积速率。 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因： 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因： 1、磁场中电子的电离效率提高 、 2、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小 、在较低气压下（ 溅射原子被散射的几率减小 提高了入射到衬底上的原子的能量， 提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 的质量。 的质量。
二、射频溅射装置及特性
工作原理
在射频溅射系统中， 在射频溅射系统中 ， 射频电势加在位于绝缘靶下面的 金属电极上，在射频电场作用下， 金属电极上 ， 在射频电场作用下 ， 在两电极间振荡运 动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放 动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞， 电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。 电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。 由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期， 由于电子比离子具有较高的迁移率 ， 相对于负半周期， 正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面， 正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面 ， 而靶变 成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子， 成负的自偏压 。 它将在表面附近排斥电子 ， 吸引正离 子，使离子轰击靶，产生溅射。 使离子轰击靶，产生溅射。
直流溅射装置及特性
三极溅射 在低压下，为增加离化率并保证放电自持， 在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是 提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。 提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。
阳极电位高于基片
4.3 溅射沉积装置
二、射频溅射装置及特性
二、射频溅射装置及特性
射频电源的频率13.56MHz 射频电源的频率 射频溅射电压1-2KV 射频溅射电压 射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。 射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。 在射频溅射系统中，衬底接地， 以避免不希望的射频电 在射频溅射系统中 ， 衬底接地， 压在衬底表面出现。 压在衬底表面出现。 靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。 靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。
4.2 物质的溅射现象
2 入射离子的种类和被溅射物质的种类
通常采用惰性气体离子来溅射，由图 知 通常采用惰性气体离子来溅射，由图3.7知， 重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因 重离子的溅射产额比轻离子高， 素，通常使用氩气作为溅射气体。 通常使用氩气作为溅射气体。 用相同能量的离子溅射不同的物质， 用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射 产额也是不同的， 产额高， 产额也是不同的，Cu, Ag, Au产额高，而Ti, W, 产额高 Mo等产额低。 等产额低。 等产额低
二、射频溅射装置及特性
电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径， 电源与电极间有电容存在， 隔绝电荷流通的路径， 自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金 属无关。 属无关。 射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每 射频电压周期性地改变每个电极的电位， 个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。 个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击 。 实 际解决的办法将样品台和真空室接地， 际解决的办法将样品台和真空室接地 ， 形成一个 面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。 面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。
4.1 辉光放电和等离子体
♦产生辉光放电 通过混合气体中加直流电压、 或射频电压， 通过混合气体中加直流电压 、 或射频电压 ， 混 合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体， 合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与 气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、 气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、 或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子） 或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子） 的形式将能量释放出来。 的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。 不同气体对应不同的发光颜色。
4.1 辉光放电和等离子体
等离子体 等离子体是一种中性、 高能量、 离子化的气体， 等离子体是一种中性 、 高能量 、 离子化的气体 ， 包含中性原子或分子、 原子团、 带电离子和自由 包含中性原子或分子 、 原子团 、 电子。 电子。 作用： 作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 、 部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属 、