材料的溅射与薄膜生长

⎯溅射的碰撞机制：
• 单原子碰撞机制(Single Knock-on)：当入射离子的能量比 较低(<1keV)时，表面原子的溅射以单原子碰撞机制为主； • 线性级联碰撞机制：当入射离子的能量相对较高时(1keV∼ 几十keV)时，表面原子的溅射以线性级联碰撞机制为主； • 热峰机制(spike)：高能离子与物质相互作用机制；
清洁
氧化
0.35 0.045 0.007 0.16 0.05 0.4 0.58 0.02
×102
1.0 0.7 0.13 0.1 0.12 0.06 0.02 0.007 0.009
×102
0.15 0.06 0.03 0.02 0.06 0.065 0.84 0.44
wenku.baidu.com Cu-42%Ni
溅射的物理过程
等离子体中的电场
• 等离子体Debye长度：点电荷在等离子体中被电子云屏蔽 的量度： kT e Te ( K o ) = 6 . 93 λD = n e ( cm − 3 ) 4 π ne 2
气体放电与等离子体
等离子体的性质
⎯等离子体鞘层：
• 由于电子和离子的质量、速度的差异使得浸没在等离子体 的中的悬浮电极相对于等离子体而言处于负电位，因此阴 极和阳极表面的悬浮电位低于等离子体电位，从而在阴极 和阳极表面形成鞘层； • 等离子体电势：V (d ) = e exp(− d ) = Vo exp(− d ) 4πε o d λD λD • 阴极鞘层电势：Vs = kTe ln( me ) 2e 2.3mi • 阴极鞘层电流：
⎯离子束溅射沉积的结构:
• 溅射离子源：会聚式宽束离子源；
– Ar离子, 离子能量：3∼10keV，束流密度：∼1mA/ cm2，直流
• 溅射靶：可成型金属、非金属板或粉末烧结靶； • 工作真空： 0.1 ∼ 10-3 Pa
⎯离子束溅射沉积的特点:
• 对溅射靶材料的要求比较低、 • 成分可控性比较好 • 沉积原子的能量比较高； • 薄膜均匀性比较差、镀膜效率比较低；
等离子体的性质
⎯等离子体中带电粒子的运动：
dn J • 电子流：e = − n e µ e E − D e e J = J = J ( D i − D e ) dn i dx e ⇒ E= • 离子流： dn n ( µ e + µ i ) dx J i = − ni µ i E − Di i ne = ni = n dx • 等离子体振荡频率：ω = 4πne e 2 = 18,000πn1/ 2 Hz p e me – 等离子体的振荡频率与等离子体密度有关！ – ne ~ 1010 cm-3， ωp = 9 x 108 Hz > 13.56 MHz
溅射的物理过程
溅射产额
⎯材料特性对溅射产额的影响：
• 溅射产额与元素的升华热具有一定的联系； • 不同的晶体取向，溅射产额不同；
⎯溅射产额的角度分布：
• 满足余弦分布；与入射离子的能量有关；
溅射的物理过程
溅射产额
⎯溅射原子的的能量分布：
• 最可几能量为几个eV；与入射离子的质量和能量有关； • 与被溅射原子的质量有关；
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溅射的物理过程
溅射现象
⎯载能粒子与物质的相互作用：
溅射的物理过程
溅射现象
⎯溅射与溅射产额：
• 碰撞的动量转移：当载能离子与固体表面相互作用的过程 中，将发生载能离子的能量和动量向固体表面原子转移； • 表面原子的溅射：当表面原子获得足够大的动能而脱离基 体表面，从而产生表面原子的溅射； • 溅射产额：S=被溅射的原子数量/入射离子数量
⇒
b s CA YA CA = b s CB YBCB
气体放电与等离子体
electron atom
放电等离子体
⎯气体的电离：
V A
• 气体的电离：当具有一定能量的电子与气体分子碰撞过程 中，将可能使得气体分子的外层电子丢失形成离子； • 气体放电：气体在电场的作用下发生电离的过程； • Townsend放电：在电极两端施加一定的直流高压而导致气 电极间距 体电离；
溅射的物理过程
溅射产额
⎯入射离子对溅射产额的影响：
• 离子能量的影响：当入射离子能量在几十 keV时，溅射产额最大; • 离子入射角度的影响：入射方向与样品法 向的夹角为 60o~ 70o时，溅射产额最大； • 入射离子的原子序数 的影响：溅射产额随入 射原子序数的增加而周 期性增加；
惰性气体原子
溅射产额
⎯合金化对溅射产额的影响：
• 溅射将导致合金表面的成分发生偏析： • 质量守恒律：合金在稳定溅射时的各元素的溅射产额比例 与体合金材料的成分比例一致； • 稳定溅射时的合金表面成分：
b s b s YA CA CA YA CA CA b = b ⇒ = b = CA b s s s YBCB CB YA CA + YBCB CA + CB s s s b YA CA = (YA CA + YBCB )CA b YA CA C = b b YA CA + YBCB b YBCB s CB = b b YA CA + YBCB s A b b s s CA + CB = 1 CA + CB = 1
离子束溅射沉积
离子源
⎯高频放电型离子源:
• 高频放电型高于源的结构与原理：
– 采用高频感应耦合放电，振荡频率为13.56 ∼ 25MHz； – 高频振荡器通过高频电场来加速自由电子，使其与气体原子 (或分予)进行碰撞而引起电离，形成等离子体。 – 高频离子源的引出系统为直接引出方式； – 可用气态、液态或固态物质当气源；
等离子体溅射沉积
直流溅射
⎯二极管溅射:
• 放电电流与气压和偏压的关系：
– i∼K(P) Vm； K(P)随气压的增加而增加，m≈5或更大； – 离子平均能量随气压的增加而下降，溅射产额降低； – 沉积率在100mTorr(0.1Pa)附近最大；
• 电子振荡型离子源的特点
– 结构简单，束流调节方便； – 不仅可以产生带一个电荷的正离子，而且可以通过碰撞产生 带两个或多个电荷的正离子；
离子束溅射沉积
离子源
⎯双等离子体型离于源:
• 双等离子体型离于源的结构与原理：
– 三电极低气压放电系统：电子从灯丝(棚极)发射，先经阴极 区加速，与原子碰担形成等离子体；电子进入中间电极区后， 磁场对等离子体进行第一次压缩。压缩后的等离子体进入阳 极区域，由于锥形的中间电极和细小阳极孔使得等离子体密 度更高，实现第二次压缩。 – 引出系统为间接引出方式；
⎯产生等离子体的其它方法：
• • • • • • • 交流放电：低频放电、中频放电、射频放电； 脉冲放电：恒流、恒压； 微波放电：微波及电子回旋共振(ECR)； 射频感应耦合等离子体； 介质阻挡放电等离子体； 大气压放电等离子体； ………
气体放电与等离子体
等离子体的性质
⎯等离子体的粒子种类：
• 中性粒子：原子、分子：基态、约0.025eV；激发态：平 动、振动、转动; • 正电粒子：原子离子、分子离子; 约0.04eV ； • 负电粒子：电子，1-10 eV, 平均能量约2eV；尘埃；
气体放电与等离子体
放电等离子体
⎯直流气体放电的结构：
• • • • Aston暗区：低能电子和高能离子； 阴极辉光区：离子的退激发发光； 阴极暗区：电子和离子的加速区； 负辉光区：二次电子与中性粒子相 互作用； • 法拉第暗区： • 正柱区：正辉光区 • 阳极暗区：
气体放电与等离子体
放电等离子体
4 E0 2 q 3 / 2 js = 2 ( )V 9d s mi
气体放电与等离子体
等离子体的性质
⎯等离子体密度及其应用领域：
• 薄膜沉积 • 等离子体刻蚀：
– 集成电路、光电子器件 – 清洗、消毒
• 离子源
– 离子溅射、离子注入 – 离子束分析 – 核反应！
离子束溅射沉积
离子源
⎯离子源的基本结构
• 双等离子体型离于源的特点
– 发散度低、亮度高、引出束流大、电离效率高；
离子束溅射沉积
离子源
⎯其它类型的离子源
• • • • • • Kaufman离子源； 空心阴极离子源； 热灯丝离子源； Freeman离子源； 微波放电离子源； 金属弧蒸汽离子源(MEVVA)；
• ………
离子束溅射沉积
离子束溅射沉积装置
• 高频放电型离子源的特点
– 结构简单，寿命长，可工作数百小时至1500小时左右； – 功耗小，约在100—500W左右； – 离子束中原子型离于占的比例大，可达80％∼90%
离子束溅射沉积
离子源
⎯电子振荡型离子源 (Penning离子源):
• 电子振荡型离子源的结构与原理：
– 在放电室的阴极、阳极之间有轴向磁场，增加电离率； – 引出系统为直接引出方式； – 可用气态、液态或固态物质当气源；
dE ∆E = lim ∆x →∞ ∆x – 能量损失：粒子在单位行程中能量的减少； dx 1 dE S stop = = S n + Se – 阻止本领： ρ dx
4 M 1M 2 E 4π ( M 1 + M 2 ) 2 U S
( E < 1keV ) ( E > 1keV )
– 高能溅射产额： S = 0.042αS n ( E ) / U S
• 离子源由产生高密度等离子体的腔体和引出系统组成；
– 气体离于源靠腔体中气体放电形成等离于体而引出正离子； – 金属离于源是将金属气化电离而引出正离子；
• 引出系统：
– 直接引出系统由带孔(孔径很小/mm)的阳极和阴极构成； – 间接引出系统在阳极和引出极间插入另一阳极，在两阳极间 形成一个离于体密度较低的等离子体，形成双等离子体。 – 引出系统要求能引出分散性小的强束流，并具有大的气阻 (因放电区处于低真空状态，束流加速区处于高真空状态， 若气流过大，会给高真空的获得和加速带来困难)
– Townsend放电方程： i = i0 – Townsend电离系数： α = – 气体击穿电压：
exp(αd ) 1 − γ e (expαd − 1) ⎛ V ⎞ exp⎜ − i ⎟ ⎜ qEλ ⎟ λ ⎠ ⎝ APd VB = ln( Pd ) + B 1
离化势
气体放电与等离子体
放电等离子体
⎯氧化与溅射产额：
•表面轻微氧化导致 溅射产额显著增加： •表面严重氧化，形 成比较厚的氧化层 将大大降低溅射产 额；
金 属
Mg Al Ti V Cr Mn Ba Ta W
清洁
氧化
0.9 0.7 0.4 0.3 1.2 0.3 0.03 0.02 0.035
金 属
Fe Ni Cu Sr Nb Mo Si Ge
溅射的物理过程
溅射产额
⎯线性级联碰撞理论：
• 能量阻止本领：
• 溅射产额：表面原子的溅射产额与入射离子的能量沉积有 关；对于线性级联碰撞过程，离子的能量转移主要是核原 子核碰撞的贡献； S = ΛFD ( E ) = α ( M 2 / M 1 ,θ ) NS n ( E )
– 低能溅射产额： S = 3α 2
⎯等离子体参数：
• • • • 电离率：fi=ne/(ne+n0)；辉光放电：10-4-10-2 等离子体温度：电子的平均能量； 电子和离子的电流及迁移率： j=nvq/4, µ=|q|/mv D µ + De µ i 电子和离子的扩散系数: D；双极扩散系数： Da = i e
µe + µi
气体放电与等离子体
⎯气体的放电类型：
• Townsend放电：气体击穿的初期，放电电压比较高，且随 输入功率的增加变化很小；放电电流随输入功率的增加而 增加，但比较小； • 正常辉光放电：当放电达到一定值以后，足够多的电子和 离子使得放电可以自持，气体放电转化为正常辉光放电， 此时的气体电导率比较大，极板间电压下降； • 反常辉光放电：当电离度达到比较高以后，电流随功率增 加变缓，但电压迅速增加； • 弧光放电：进一步增加功率导致电弧出现，从而放电转化 为弧光放电，气体电导率再次增加，极板间电压再次下降；
生长篇 材料的溅射与薄膜生长
Sputtering and Thin-film Processes
Qing-Yu Zhang
State Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams Dalian University of Technology, Dalian 116024, China