第8章 溅射镀膜

用此离子束轰击置于高真空室中的靶，将溅射出的原子（或 分子）进行镀膜。
➢ 前面所述各种溅射方法都是利用辉光放电产生的离子进行 溅射，基片置于等离子体中。存在如下问题：
• 基片受电子轰击； • 溅射条件下，气体压力、放电电流等参数不能独立控制； • 工艺重复性差。
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溅射镀膜方式
离子束溅射
放出大量电子，促进气体分子电离
整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射 离子都来源于气体放电。例如：
直流二极溅射——直流辉光放电 三 极 溅 射——热阴极辉光放电 射 频 溅 射——射频辉光放电 磁 控 溅 射——环状磁场控制下的辉光放电
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溅射镀膜概述
溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：
任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、低蒸气压 元素和化合物；
溅射薄膜与衬底的附着性好 (溅射原子的能量比蒸发 原子高1~2个数量级)；
溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高； 膜层厚度可控性和重复性好 (控制把电流和放电电流)。 可在较大的面积上获得厚度均匀的薄膜。
溅射镀膜的缺点：
溅射设备复杂，需要高压装置； 成膜速率较低0.01-0.5m/min (真空镀膜淀积速率0.1-5
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溅射镀膜方式
磁控溅射
磁控靶
➢ 溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并
不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作旋轮线运动。
➢ 高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，使气
体分子电离。
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溅射镀膜方式
磁控溅射
➢ 特点： • 工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性； • 维持放电所需的靶电压低； • 电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉 积温度； • 容易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。
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溅射镀膜方式
离子束溅射
福建师范大学物理与能源学院
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习题
1. 溅射镀膜与真空镀膜相比，有何特点？ 2. 溅射的概念及溅射参数。 3. 溅射镀膜的机理。 4. 二极直流溅射、磁控溅射、离子束溅射系统的
结构和原理。
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➢ 溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能量（0.1eV）大1-2个 数量级。
➢ 重元素靶材溅射出来的原子有较高的能量；而轻元素靶材则有 较高的速度。
1.2keV Kr+
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离子溅射参数
➢ 不同靶材具有不同的原子逸出能量，而溅射率高的靶材，通常具 有较低的平均逸出能量。
➢ 平均逸出能量随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量超过 1 keV时，平均逸出能量趋于恒定。
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离子溅射参数
溅射阈 值能量 单位：
eV
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离子溅射参数
2、溅射产额
定义：溅射产额是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子
能从阴极上打出的原子数，溅射产额又称为溅射率。
溅射率与入射离子种类、能量、角度及 靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热 大小等因素有关。
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离子溅射参数
溅射产额的影响因素：(1) 入射离子能量
第八章 溅射镀膜
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溅射镀膜
扫描电镜实验室常用小型离子溅射镀膜仪，可镀C、Au、Pt等
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溅射镀膜概述
定义：溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作
用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸 出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要 的薄膜。
原理：溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，
均能向基片迁移
➢ 溅射粒子的成膜过程 淀积速率：是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内 淀积到基片上的薄膜厚度。
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离子溅射参数
1、溅射阈值
定义：溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必
须的最小能量。 ➢ 溅射阈值的大小与离子质量之间无明显关系，主要取决
于靶材料。 ➢ 绝大多数金属靶材的溅射阈值为10~30 eV。
m/min)。射频溅射和磁控溅射已克服此缺点。 4
离子溅射过程
荷能离子与表面的相互作用
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离子溅射过程
荷能离子与表面的相互作用
入射到表面的离子和高能原子有如下作用：
溅射出表面的原子可能会出现如下情况：
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离子溅射过程
溅射粒子的迁移过程
▪ 正离子：不能到达基片
溅射粒子： ▪ 中性原子或分子 ▪ 其余粒子
➢ 随入射角的增大溅射率逐 渐增大。在0~60间相对溅
射率基本服从1/cosθ 规律;
➢ 60~80溅射率最大; ➢ 90时，溅射率为零。
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离子溅射参数
溅射产额的影响因素：(4) 靶材原子序数
➢ 溅射率随靶材料元素的原子序数呈周期性变化。 ➢ 同一周期元素内，溅射率随靶材原子的d层原子填满程度增加而
➢ 当入射离子的能量高于溅射阈值时，才会发生溅射。 ➢ 入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域，
指数上升区S∝E 2 (E<150eV） 线性增大区S∝E (E>数百eV） 下降区S∝E1/2 (E=10-100keV
➢ 一般当入射离子能量为 1~10 keV时，溅射率可 达到最大值。
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离子溅射参数
• 基片温度升高，淀积速率低； • 靶材必须是良导体。
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溅射镀膜方式
三极和四极直流溅射
三极溅射中的第三电 极：发射热电子，强 化等离子体放电，增 加入射离子密度
四极溅射：又称等离 子体弧柱溅射。在二 极、三极溅射基础上， 更有效的热电子强化 放电形式。
负电位
四极溅射装置图
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溅射镀膜方式
三极和四极直流溅射 ➢ 特点： • 靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点； • 靶电压低 (可低至102伏)，溅射损伤小； • 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制； • 提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。 ➢ 缺点： • 不能抑制电子轰击对基片的影响 (温度升高)； • 灯丝污染问题； • 不适合反应溅射等。
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离子溅射机理
动量转移理论
该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面 溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原 子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。 当靠近表面原子的能量大于表面结合能 (对于金属是1~6 eV) 时，这些原子就会从表面溅射出来。
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溅射镀膜方式
二极直流溅射 阴极接负高压1~3kV，阳极通常接地。阴阳极间构成冷
阴极辉光放电结构。根据电极形状，可分为平板型二极溅 射和同轴型二极溅射。
Ar
基片
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溅射镀膜方式
二极直流溅射
➢ 特点：结构简单，可以获得大面积均匀薄膜。 ➢ 缺点：
• 溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压 变化，工艺重复性差；
• 真空系统压强通常高于1Pa，排气速度小，残留 气体对膜层污染较严重，纯度较差；
➢ 缺点： • 对靶材的溅射不均匀，利用效率低（30%）； • 靶材为绝缘材料时，会使基板升温； • 不适合铁磁材料的溅射，如果是强磁材料，则少有漏磁， 等离子体内无磁力线通过。
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溅射镀膜方式
磁控溅射
磁控溅射仪 （JGP-560）
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溅射镀膜方式
离子束溅射 定义：用离子源发出离子，经引出、加速、聚焦，使其成为束状，
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溅射镀膜方式
射频溅射
即把二极溅射装 置的直流电源换
成射频电源
可制备从导体 到绝缘体任意
材料的薄膜
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溅射镀膜方式ห้องสมุดไป่ตู้
射频溅射 ➢ 特点： • 电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压和 放电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级； • 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料； • 溅射过程不需要次级电子来维持放电。 ➢ 缺点： 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能 电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。
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溅射镀膜方式
离子束溅射
➢ 特点 • 高真空下成膜，纯度高； • 淀积在无场区进行，基片不是电路的一部分，不会产生电 子轰击引起的基片温升； • 可以对工艺参数独立地严格控制，重复性好； • 适合于制备多组分的多层薄膜； • 可制备几乎所有材料的薄膜。
➢ 缺点 • 装置复杂，薄膜的沉积速率较低，设备运行成本较高。
变大。Cu、Ag、Au等产额最高。
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离子溅射参数
溅射产额的影响因素：(5) 靶材温度
➢ 与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。低于此温度时，溅射 率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。
除此之外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌等因素有关。
45keV Xe+
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离子溅射参数
3、溅射原子的能量与速度
溅射产额的影响因素：(2) 入射离子种类
➢ 溅射率依赖于入射离子的种类，靶材中不同成分的溅射率不一样； ➢ 溅射率随入射离子的周期性变化: 同一周期中惰性气体的溅射率
最高。
惰性气体离子对靶材的溅射产额有峰值
Xe Kr Ar Ne
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离子溅射参数
溅射产额的影响因素：(3) 入射离子的入射角
➢ 入射角：离子入射方向与 被溅射靶材表面法线间的 夹角;