溅射薄膜沉积
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解决方法（1）：阻塞气体法（图）
缺点：（a）需要经常拆洗删网；（b）颗粒污染 ----微波等离子体溅射
解决方法（wk.baidu.com）脉冲进气法：
通过控制压电阀的通断来控制反应气体的注入： 在靶面发生不可逆 转的中毒之前, 切断反应气体的注入, 并保证在关闭时段内能溅射去除掉 靶面上形成的化合物层。因此靶的工作状态是不断地在金属溅射模式和反应 溅射模式之间来回切换, 即工作在迟滞回线的拐点区域。
13.56MHz 55%
---中频：104～104 ---装置构成：
进气 质量流量计
压电阀
中频电源
基片架
屏蔽
均流环
靶
中频磁控溅射沉积装置示意图
---装置性能：研究实验表明，沉积薄膜性能优良。 ----问题：（1）靶面状态控制 （金属、氧化、过渡）
金属态：沉积速度高，薄膜贫氧 氧化态：沉积速率低，薄膜富氧 过渡态：中间态----〉沉积速率较高，薄膜质量好-------Æ沉积工艺区
阀关断
阀进气
脉冲进气控制沉积的示意图
----问题：（2）反应溅射中的靶“中毒”与打火 ---“中毒”：表面沉积绝缘物（氧化物）---〉绝缘层分压--->阴极压 降降低---->放电熄灭 ---打火：靶绝缘层积累电荷--->绝缘层两端电压增加--->局部绝缘层 击穿----> --->靶电流急剧增加----->局部弧放电（电源内阻小时）
等离子体密度↗---〉放电电压↘---薄膜损伤↘
优点： 沉积速率高 薄膜损伤低 基片温升低（？）—〉低温沉积---〉光电子、超晶格结构。 薄膜致密度高（？）ion pumpimg effect
缺点： 沉积均匀性（？见图） 靶材利用率低（？） 基片附近的等离子体密度仍然较低---〉沉积速率有待提高 不能进行绝缘沉积（阳极消失、弧放电、基片打火）
金属态---〉氧化态过渡说明： 氧气流量增加---〉 靶面上形成氧化物---〉 ① 溅射产额降低（？）---〉沉积速率降低 ② 二次电子发射系数增加---〉能量消耗于二次电子加速 ---〉 入射离子能量降低---〉溅射产额降低---〉沉积速率降低
期望的工艺：靶面---金属态-- -〉 氧气少 基片处---氧化充分---氧气足够 矛盾？
提高靶材利用率的方法：（1）改善磁场位形---〉提高靶面水平磁场 的均匀性；（2）运动靶、智能调节磁场 ---软铁垫片，改变磁场位形 ---电磁线圈智能调节磁场---扫描磁场 ---旋转靶材（图） ---旋转磁铁（图）
法拉第屏蔽
旋转靶
基片 圆柱形旋转靶示意图
旋转靶 法拉第屏蔽
基片 旋转磁铁
圆柱形旋转磁铁溅射靶示意图
应用程度：广泛商用---金属膜。
----射频等离子体溅射
靶位形：基本同直流磁控溅射----〉 新问题：射频绝缘更为困难---〉 屏蔽。
优点：等离子体电离率高---〉薄膜致密性好 可沉积绝缘薄膜
缺点：磁控放电的一般缺点 装置结构相对复杂 放电控制相对困难 电源成本高
应用程度：广泛商用---〉绝缘膜。
因此SiO2绝缘膜上正电荷释放的频率必须大于10 kHz。 ----〉中频电源频率大于10 kHz， 考虑到溅射率随频率的关系：选 10-80KHz.
---- 脉冲溅射：
-----中频反应溅射大规模应用一例
显示管屏表面镀覆抗静电减反膜
----非平衡磁控溅射技术
传统平衡磁控溅射的缺点：
电子被约束在溅射靶附近，基片表面的等离子体密度低
---中频磁控溅射
--开发原因：(1)绝缘膜的重要应用---->SiO2,Al2O3,TiO2,MgO,ZrO (2)射频磁控溅射存在缺点： （a） 射频溅射对设备要求严格；(屏蔽、匹配) （b） 电源成本较高。(元件) （c） 相同功率下，溅射率随频率增加而降低
频率： 溅射率
60 kHz 80kHz 500kHz 100% 85%、 70%
---Æ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<Ei<10keV）---溅射率随离 子能量增加而迅速增加
--->(a)不能沉积期望的薄膜（TiN/TiNb）
（b）薄膜沉积速率低
(c)离子轰击强度低，薄膜致密度仍然低，膜基结合力弱
解决思路：
将溅射靶附近的等离子体推向基片
解决方法：非平衡磁控溅射 j
1985 年B.Window开发； 将磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱 ------>磁场分布的非平衡 ---->水平磁场分量电子，维持稳定的磁控溅射放电，同时电子沿着强
(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，
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
Ag Pt Zr
12000VKr 原子轰击不同靶材逸出原子的能量分布
----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。
----造成的危害： （a） 颗粒污染（局部高温蒸发）； （b） 靶使用寿命降低； （c） 沉积稳定性：保护性切断后，系统不能恢复到原态（ 迟滞效应）
----抑制弧放电（打火）的方法：---->降低电荷积累
Tb
= εε 0
Eb Ji
沉积SiO2 薄膜的典型值： Ji= 1mA/cm 2,ε= 3.7, Eb= 3×105 Vˆcm Tb < 100 μs
⊙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
Be AI TI V Cr Fe Co Ni Cu Ge Zr Nb
He+ Ar+ K+ Xe+
12 15 15 15 13 13 15 18 22 20 27 28 21 23 25 28 22 22 18 20 22 20 25 23 20 25 22 22 23 21 25 20 17 17 16 15 23 25 22 18 23 22 18 25 27 25 26 32
入射原子 靶材
Mo Rh Pd Ag Ta W Re Pt Au Th U
He+ Ar+ K+ Xe+
24 24 28 27 25 24 25 25 20 20 20 15 12 15 15 17 25 26 30 30 35 33 30 30 35 35 25 30 27 25 22 22 20 20 20 18 20 24 25 25 20 23 25 22
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，
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。
磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，向基片运动。 ---->基片附近等离子体密度增加（磁推动电子+新增电离电子） ---->薄膜沉积速率增加，离子轰击增强---->薄膜致密度、膜基结合
力提高 应用：已推出商业机--- 四靶闭合磁场的非平衡磁控溅射装置
----等离子体增强磁控溅射 增强原因：磁控溅射放电的电离率仍然偏低，需要另加放电增强 电离。 增强原则：高电离等离子体放电---〉ECR,ICP,Helicon ???
⊙溅射原子的角向分布
结论：近似余弦分布-----Æ垂直方向，凹陷--Æ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--Æ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；
⊙溅射沉积的功率效率
功率效率= A min
W / cm2
功率效率
溅射产额低
102
103
104
离子能量（溅射电压）
金属膜：最佳沉积电压区 约 600V.
“无功”损耗大： 光子、x 射线、二 次电子、靶加热
优点： 设备简单 沉积均匀 沉积温度低于蒸发镀 成分控制范围大 可沉积化合物、难熔金属 膜基结合力大于蒸发镀膜
缺点： 基片温度仍然较高（？） 沉积速率低 薄膜致密度低 不能沉积绝缘薄膜、或在绝缘基底上沉积薄膜。
应用： 较少
----等离子体磁控溅射
----磁控溅射设备结构：
----直流磁控溅射靶结构（平面、圆柱靶）： ---电子运动方式：
EXB 漂移---->沿封闭漂移轨道运动(图) 影响：电子约束↗---〉电子寿命↗---〉电离几率↗--->放电电流↗
缺点：（a）需要经常拆洗删网；（b）颗粒污染 ----微波等离子体溅射
解决方法（wk.baidu.com）脉冲进气法：
通过控制压电阀的通断来控制反应气体的注入： 在靶面发生不可逆 转的中毒之前, 切断反应气体的注入, 并保证在关闭时段内能溅射去除掉 靶面上形成的化合物层。因此靶的工作状态是不断地在金属溅射模式和反应 溅射模式之间来回切换, 即工作在迟滞回线的拐点区域。
13.56MHz 55%
---中频：104～104 ---装置构成：
进气 质量流量计
压电阀
中频电源
基片架
屏蔽
均流环
靶
中频磁控溅射沉积装置示意图
---装置性能：研究实验表明，沉积薄膜性能优良。 ----问题：（1）靶面状态控制 （金属、氧化、过渡）
金属态：沉积速度高，薄膜贫氧 氧化态：沉积速率低，薄膜富氧 过渡态：中间态----〉沉积速率较高，薄膜质量好-------Æ沉积工艺区
阀关断
阀进气
脉冲进气控制沉积的示意图
----问题：（2）反应溅射中的靶“中毒”与打火 ---“中毒”：表面沉积绝缘物（氧化物）---〉绝缘层分压--->阴极压 降降低---->放电熄灭 ---打火：靶绝缘层积累电荷--->绝缘层两端电压增加--->局部绝缘层 击穿----> --->靶电流急剧增加----->局部弧放电（电源内阻小时）
等离子体密度↗---〉放电电压↘---薄膜损伤↘
优点： 沉积速率高 薄膜损伤低 基片温升低（？）—〉低温沉积---〉光电子、超晶格结构。 薄膜致密度高（？）ion pumpimg effect
缺点： 沉积均匀性（？见图） 靶材利用率低（？） 基片附近的等离子体密度仍然较低---〉沉积速率有待提高 不能进行绝缘沉积（阳极消失、弧放电、基片打火）
金属态---〉氧化态过渡说明： 氧气流量增加---〉 靶面上形成氧化物---〉 ① 溅射产额降低（？）---〉沉积速率降低 ② 二次电子发射系数增加---〉能量消耗于二次电子加速 ---〉 入射离子能量降低---〉溅射产额降低---〉沉积速率降低
期望的工艺：靶面---金属态-- -〉 氧气少 基片处---氧化充分---氧气足够 矛盾？
提高靶材利用率的方法：（1）改善磁场位形---〉提高靶面水平磁场 的均匀性；（2）运动靶、智能调节磁场 ---软铁垫片，改变磁场位形 ---电磁线圈智能调节磁场---扫描磁场 ---旋转靶材（图） ---旋转磁铁（图）
法拉第屏蔽
旋转靶
基片 圆柱形旋转靶示意图
旋转靶 法拉第屏蔽
基片 旋转磁铁
圆柱形旋转磁铁溅射靶示意图
应用程度：广泛商用---金属膜。
----射频等离子体溅射
靶位形：基本同直流磁控溅射----〉 新问题：射频绝缘更为困难---〉 屏蔽。
优点：等离子体电离率高---〉薄膜致密性好 可沉积绝缘薄膜
缺点：磁控放电的一般缺点 装置结构相对复杂 放电控制相对困难 电源成本高
应用程度：广泛商用---〉绝缘膜。
因此SiO2绝缘膜上正电荷释放的频率必须大于10 kHz。 ----〉中频电源频率大于10 kHz， 考虑到溅射率随频率的关系：选 10-80KHz.
---- 脉冲溅射：
-----中频反应溅射大规模应用一例
显示管屏表面镀覆抗静电减反膜
----非平衡磁控溅射技术
传统平衡磁控溅射的缺点：
电子被约束在溅射靶附近，基片表面的等离子体密度低
---中频磁控溅射
--开发原因：(1)绝缘膜的重要应用---->SiO2,Al2O3,TiO2,MgO,ZrO (2)射频磁控溅射存在缺点： （a） 射频溅射对设备要求严格；(屏蔽、匹配) （b） 电源成本较高。(元件) （c） 相同功率下，溅射率随频率增加而降低
频率： 溅射率
60 kHz 80kHz 500kHz 100% 85%、 70%
---Æ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<Ei<10keV）---溅射率随离 子能量增加而迅速增加
--->(a)不能沉积期望的薄膜（TiN/TiNb）
（b）薄膜沉积速率低
(c)离子轰击强度低，薄膜致密度仍然低，膜基结合力弱
解决思路：
将溅射靶附近的等离子体推向基片
解决方法：非平衡磁控溅射 j
1985 年B.Window开发； 将磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱 ------>磁场分布的非平衡 ---->水平磁场分量电子，维持稳定的磁控溅射放电，同时电子沿着强
(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，
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
Ag Pt Zr
12000VKr 原子轰击不同靶材逸出原子的能量分布
----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。
----造成的危害： （a） 颗粒污染（局部高温蒸发）； （b） 靶使用寿命降低； （c） 沉积稳定性：保护性切断后，系统不能恢复到原态（ 迟滞效应）
----抑制弧放电（打火）的方法：---->降低电荷积累
Tb
= εε 0
Eb Ji
沉积SiO2 薄膜的典型值： Ji= 1mA/cm 2,ε= 3.7, Eb= 3×105 Vˆcm Tb < 100 μs
⊙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
Be AI TI V Cr Fe Co Ni Cu Ge Zr Nb
He+ Ar+ K+ Xe+
12 15 15 15 13 13 15 18 22 20 27 28 21 23 25 28 22 22 18 20 22 20 25 23 20 25 22 22 23 21 25 20 17 17 16 15 23 25 22 18 23 22 18 25 27 25 26 32
入射原子 靶材
Mo Rh Pd Ag Ta W Re Pt Au Th U
He+ Ar+ K+ Xe+
24 24 28 27 25 24 25 25 20 20 20 15 12 15 15 17 25 26 30 30 35 33 30 30 35 35 25 30 27 25 22 22 20 20 20 18 20 24 25 25 20 23 25 22
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，
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。
磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，向基片运动。 ---->基片附近等离子体密度增加（磁推动电子+新增电离电子） ---->薄膜沉积速率增加，离子轰击增强---->薄膜致密度、膜基结合
力提高 应用：已推出商业机--- 四靶闭合磁场的非平衡磁控溅射装置
----等离子体增强磁控溅射 增强原因：磁控溅射放电的电离率仍然偏低，需要另加放电增强 电离。 增强原则：高电离等离子体放电---〉ECR,ICP,Helicon ???
⊙溅射原子的角向分布
结论：近似余弦分布-----Æ垂直方向，凹陷--Æ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--Æ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；
⊙溅射沉积的功率效率
功率效率= A min
W / cm2
功率效率
溅射产额低
102
103
104
离子能量（溅射电压）
金属膜：最佳沉积电压区 约 600V.
“无功”损耗大： 光子、x 射线、二 次电子、靶加热
优点： 设备简单 沉积均匀 沉积温度低于蒸发镀 成分控制范围大 可沉积化合物、难熔金属 膜基结合力大于蒸发镀膜
缺点： 基片温度仍然较高（？） 沉积速率低 薄膜致密度低 不能沉积绝缘薄膜、或在绝缘基底上沉积薄膜。
应用： 较少
----等离子体磁控溅射
----磁控溅射设备结构：
----直流磁控溅射靶结构（平面、圆柱靶）： ---电子运动方式：
EXB 漂移---->沿封闭漂移轨道运动(图) 影响：电子约束↗---〉电子寿命↗---〉电离几率↗--->放电电流↗