溅射薄膜沉积06剖析

溅射薄膜沉积

⊙薄膜

在基片上形成的厚度从单原子层到约5μm的物质。 ----特点：具有不同于固体块材的表面效应。

⊙各种沉积薄膜的技术

⊙溅射产生背景：辉光放电，异常辉光放电中，放电装置壁沉积导电薄膜。

⊙定义：荷能粒子轰击固体材料，使材料以原子状态从表面逸出的现象。

荷能粒子：离子、原子或分子（电子？）

表面作用：溅射---->唯一?

⊙溅射历史

●1853年：法拉第气体放电实验，发现沉积现象，

但没有引起重视。

●1902年：证实膜是正离子轰击阴极的溅射产物

●1960：Bell实验室溅射沉积IC中Ta膜

●1965年：IBM采用 rf溅射沉积绝缘膜

●1969年：三级溅射

●1974年：平面磁控溅射

⊙溅射产生条件：被轰击物质-----任何物质

入射粒子阈能---克服结合力，结合能⊙溅射产生过程：入射离子---->碰撞靶原子---->原子离位---->级连碰撞---->到达表面---->离开表面

溅射阈能：引起靶材原子发生位移的入射粒子的最小能

量

入射原子靶材He+ Ar+ K+ Xe+

入射原子

靶材

He+ Ar+ K+ Xe+

Be 12 15 15 15 Mo 24 24 28 27

AI 13 13 15 18 Rh 25 24 25 25

TI 22 20 27 28 Pd 20 20 20 15

V 21 23 25 28 Ag 12 15 15 17

Cr 22 22 18 20 Ta 25 26 30 30

Fe 22 20 25 23 W 35 33 30 30

Co 20 25 22 22 Re 35 35 25 30

Ni 23 21 25 20 Pt 27 25 22 22

Cu 17 17 16 15 Au 20 20 20 18

Ge 23 25 22 18 Th 20 24 25 25

Zr 23 22 18 25 U 20 23 25 22

Nb 27 25 26 32

⊙溅射阈能特点：与靶材、入射有关。主要决定于靶材。

⊙溅射产额（溅射率）

---为一个入射离子所溅射出材料原于的数目。

---影响溅射产额的因素：

（1）离子能量

----能量可分三个区域：

(a)低能区（<低于溅射阈能）---没有或很少溅射。

(b)中等能量区（溅射阈能

i

<10keV）---溅射率随离

子能量增加而迅速增加

(c)高能区----溅射产额缓慢增加，而后降低（？）

（2）轰击离子的入射角---入射离子与靶材法线的夹角

〖问题〗--在实际应用中如何提高利用最佳入射角提高溅射率？

--离子束

--等离子体鞘层

除Pt外，随角度变化存在最大值----最佳入射角。

(3)入射离子种类的影响

特点：---溅射产额随离子的原子序数发生周期性变化

----随原子序数的增加而增大

原因：在元素周期表的每一排中，电子壳层填满的元素，它的离子引起的材料溅射产额最大，而居中部位的元素，例

如AI、Ti、Zr相Hf,离子溅射产额较小。

惰性气体离子:

较大的溅射产额

避免与靶材发生化学反应

(4)靶材

特点：相量的离子轰击不同靶材，溅射产额随靶材原子序数也呈周期性变化。

原因：与靶元素原子电子壳层的填充程度等情况有密切关系。

溅射产额与被溅射原子有关造成的结果--->选择溅射对于多原子固体靶，溅射前后固体表面的组分发生变化----->所薄膜的成分与靶材有偏差。

⊙溅射粒子的状态：

中性：≥90%

离子：≤10%

⊙溅射原子的能量

关心原因：决定溅射沉积薄膜的性质。

----能量分布

----结论：

(1)在相同能量相同元素离子的轰击下，溅射原子的平均逸出能随

靶材的原子序数增加。

（2）溅射产额低的靶材具有较低的平均逸出能量。

(3) 平均逸出能随入射离子的原子序数增加。

(4) 平均逸出能量随入射离子能量的变化：

小于1keV---平均逸出能量近似随入射离子能量线性增加；

大于1keV---溅射原子的平均逸出能逐渐趋向稳定。

⊙溅射原子的角向分布

结论：近似余弦分布-----→垂直方向，凹陷--→不满足蒸发溅射模型出射方向与晶体结构有关，原子排列紧密的方向是逸出粒子的主

要方向

⊙溅射机理

---热蒸发机制：离子轰击在靶表面产生局部高温--→靶物质原子蒸发。

矛盾：溅射粒子角度分布非余弦性；

溅射率与入射离子质量有关；

溅射率与入射离子角度变化；

---→动量传递模型：入射离子将动能传递给原子。

⊙各种溅射沉积装置

---直流二极溅射设备

--位形（图）

--->工作区域：异常辉光（？） --->气体：氩气（氦气？） --->气压：l---20Pa 。

--->溅射靶：做阴极，加负电压。

--->基片电极：做阳极，接地。可加热。

--->靶与基片之间的距离：大于阴极暗区厚度（依据？）

⊙溅射沉积的功率效率

功率效率=

2

/min cm

W A

金属膜：最佳沉积电压区 约600V.

103 102 离子能量（溅射电压） 功率效率

104 “无功”损耗大： 光子、x 射线、二次电子、靶加热

溅射产额低