第四章薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法

1、辉光放电过程包括
初始阶段AB：I=0 无光放电区
汤生放电区BC：I迅速增大
过渡区CD：离子开始轰击阴极，产生二次
电子，又与气体分子碰撞产生更多离子 辉光放电区DE：I增大，V恒定
B
C D
异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区 A
弧光放电：I增大，V减小
弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速 增加
一、直流溅射装置及特性
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 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，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，与气体原 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。
一、辉光放电的物理基础
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， 在真空室内充入Ar气，在电极间 形成辉光放电。
辉光放电过程中，将产生Ar离子， 阴极材料原子，二次电子，光子 等。
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， 包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由 电子。
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，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： 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基 本一致。
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，溅 射速率上升。
4.3 溅射沉积装置
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
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，混 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、 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。 不同气体对应不同的发光颜色。
一、直流溅射装置及特性
气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之 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，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 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，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，在离 子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。
一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
二次电子
气体离子 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。 阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍 溅射电压1-5KV。 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2倍。
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.
Carbon
Hydrogen
Collision results in dissociation of molecule.
4.2 物质的溅射现象
一、溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。它与入 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。
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，才能从
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 有一定比例关系 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然 后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅 射产额反而下降
Carbon
Hydrogen
Electron
wenku.baidu.com
Fluorine
Fluorine
High-energy electron
Fluorine CHF3 molecule
Fluorine
Fluorine
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I则 V = E - IR。
射频溅射
磁控溅射
反应溅射
偏压溅射
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
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 （4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获
得厚度均匀的薄膜
4.1 辉光放电和等离子体
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
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（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。
溅射法的分类
直流溅射
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，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。
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 射频溅射电压1-2KV 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
F E
G
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； 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，辉光
区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
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，每种过 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
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3.7知， 重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因 素，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，溅射 产额也是不同的，Cu, Ag, Au产额高，而Ti, W, Mo等产额低。
4.2 物质的溅射现象