第三章-溅射镀膜

1第三章溅射镀膜§3-1溅射镀膜的特点§3-2溅射的基本原理§3-3溅射镀膜类型2“溅射”:指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。溅射原子：射出的粒子，大多呈原子状态。荷能粒子：轰击靶材，可以是电子、离子或中性粒子。因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子，这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或淀积。23直流溅射沉积装置4§3-1溅射镀膜的特点与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：（1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。（2）溅射膜与基板之间的附着性好。（3）溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。（4）膜层可控性和重复性好。缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.1～5μm/min，而溅射速率为0.01～0.5μm/min；（3）基板温升较高和易受杂质气体影响。45§3-2溅射的基本原理溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。气体放电是离子溅射过程的基础。一、气体放电现象考虑直流电场作用。56直流气体放电体系V=E-IR1、气体放电过程7（1）无光放电(AB区域)当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和电子是很有限的（这些少量的正离子和电子在电场下运动，形成电流），开始时电流非常小，仅有10-16～10-14安培左右。此区是导电而不发光，无光放电区。78（2）汤森放电区（BC区）随着电压升高，带电离子和电子获得了足够能量，运动速度逐渐加快，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流平稳增加，但电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈一常数。上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。——非自持放电。（3）过渡区（CD区域）离子轰击阴极，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的更多的二次电子。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，发生“雪崩点火”，气体开始起辉，两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。10（4）正常辉光放电区（DE区域）当电流增至C点时，极板两端电压突然降低，电流突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压VB称为击穿电压。在D点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压维持不变，而电流平稳增加。11正常辉光放电的特点：（1）电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电也将继续下去。（2）维持辉光放电的电压较低，且不变。（3）电流的增大与电压无关，只与阴极板上产生辉光的表面积有关。（4）正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有关。气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小也有影响。电流密度随气体压强增加而增大。凹面形阴极的正常辉光放电电流密度，要比平板形阴极大数十倍左右。1112（5）非正常辉光放电区（EF区域）E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，会使两极间的电流随着电压的增大而增大，进入非正常辉光放电状态。1213特点：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。原因：此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，一般薄膜溅射选择在非正常辉光放电区工作，有利于提供大面积的均匀溅射和薄膜沉积。（6）弧光放电区（FG区域）两极间电压降至很小的数值，电流大小几乎是由外电阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。14危害：（1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；（2）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁；（3）骤然增大的电流有损坏电源的危险。152、辉光放电的条件在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体压强P和电极距离d的乘积有关——巴邢定律。☆讨论：（1）P过低,d过小——电子很容易跨越电极之间的空间而没有发生与气体分子的碰撞;（2）P过高,d过大——电子与气体分子的碰撞又过于频繁,此时，电子获得的能量较低，不足以引起气体分子的电离。☆实际情况：在大多数辉光放电溅射过程中，要求气体压强低，P*d一般都在最小值的右边，故需要相当高的起辉电压。在极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体压强以启动放电。3、辉光放电区域分布辉光放电时，有明显的辉光产生，根据其发光强度不同，从阴极到阳极，整个放电区域可划分为几个区域。18(1)阿斯顿暗区-靠近阴极的一层极薄区域，由于从阴极发射的电子能量只有1eV左右，不能发生激发和电离。(2)阴极辉光区-紧靠阿斯顿暗区，辉光是在加速电子碰撞气体分子后，由于激发态的气体分子衰变和进入该区的离子复合而形成中性原子所造成的。(3)克鲁克斯暗区-电子被加速后，动能较大，不易与正离子复合，故形成暗区，宽度与电子平均自由程有关，随着电子继续加速，很快获得了足以引起气体电离的能量，在此空间产生大量的正离子和低速电子。(4)负辉光区-正离子的质量较大，向阴极的运动速度较慢，故由正离子组成了空间电荷并在该处聚集。正离子浓度很大，而电子碰撞后速度减慢，与正离子的复合几率增多，同时低速电子使气体分子激发产生明亮的辉光。进入负辉区的电子可分为两类：快电子（数量少，能量大）和慢电子（数量多，能量小）。慢电子形成负空间电荷区，形成负电位梯度。在负辉区产生激发碰撞，电子与正离子复合几率增多。(5)法拉第暗区-大部分电子已在负辉光区中经历多次碰撞损失了能量，慢电子不足以引起电离和激发。(6)阳极光柱-在负辉光区与阳极之间，几乎没有电压降。是少数电子逐渐加速并在空间与气体分子碰撞而产生电离，形成电子与正离子密度相等的区域，空间电荷作用不存在，电压降较小，类似一个良导体。唯一的作用是连接负辉光区和阳极。20直流辉光放电过程的电位分布电压降主要发生在克鲁克斯暗区，阳极位置较自由。214．辉光放电阴极附近的分子状态225、射频辉光放电在一定气压下，当阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电。两个特征:1）在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离，减少了放电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。2）射频电压能够通过任何一种类型的阻抗藕合进去，所以电极并不需要是导体。溅射频率：5~30MHz；溅射气压：10-1~10-2Pa23二．溅射特性表征溅射特性的参量主要有溅射阈值、溅射率以及溅射粒子的速度和能量等。1．溅射阈值溅射阀值指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。绝大多数金属的溅射阈值为10~30eV,相当于升华热的4倍2324入射离子不同时溅射阀值变化很小，而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显，即溅射阈值主要取决于靶材料，与入射离子质量无明显依赖关系。同周期元素，溅射阈值随着原子序数增加而减小。25262．溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。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，单晶靶材还与表面取向有关。（1）靶材料(表3-2、图3-9)a.溅射率S随靶材元素原子序数增加而增大。b.晶格结构不同，S不同，六方晶格〉面心立方。c.与表面清洁度有关，清洁度高，S大。d.升华热大，S小。26272728（2）入射离子能量（图3-10、3-11）对溅射率影响显著，高于溅射阈值才发生溅射。28溅射率与入射离子能量的关系Ar粒子轰击铜时溅射率与入射离子能量的关系2929Ar离子溅射不同靶材不同离子溅射W靶材30（3）入射离子种类（图3-12）入射离子的原子量越大，溅射率越高；溅射率也与入射离子的原子序数呈现周期性变化的关系。30惰性气体的溅射率最高，一般采用惰性气体作为入射离子31（4）入射离子的入射角入射角是指离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角。0~60°，1/cosθ60°~80°，溅射率最大3232不同入射角θ的溅射率值S(θ)，和垂直入射时的溅射率值S(0)，对于不同靶材和入射离子的种类，有以下结果：a.对于轻元素靶材，S(θ)/S(0)的比值变化显著；b.重离子入射时，S(θ)/S(0)的比值变化显著；c.随着入射离子能量增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐渐增大，但是S(θ)/S(0)的最大值在入射离子的加速电压超过2kV时，急剧减小。解释：1、级联碰撞；2、入射离子弹性反射（5）靶材温度溅射率与靶材温度的依赖关系，主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关，在低于此温度时，溅射率几乎不变。超过此温度时，溅射率将急剧增大。33溅射时，严格控制温度，防止溅射率急剧增加！343．溅射原子的能量和速度（1）溅射原子的能量比蒸发原子的能量大：一般由蒸发源蒸发出来的原子的能量为0.1ev左右。溅射中，由于溅射原子是与高能量（几百-几千ev）入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，溅射原子具有较大的能量。一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子能量大1-2个数量级，约5-10ev。（2）影响溅射原子的能量的因素：溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类和能量以及溅射原子的方向性有关。343535能量服从麦克斯韦分布3636近似的能量分布规律，能量值的分布范围不同373738同一离子轰击不同材料时，溅射原子平均逸出能量和平均逸出速度如图3－19和图3－20所示。原子序数Z＞20时，各元素的平均逸出能量差别增大，而平均速度差别较小。38393940由图3－21可见，不同方向逸出原子的能量分布不相同的。4041溅射原子的能量和速度具有以下几个特点：(1)重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而轻元素靶材则有高的原子逸出速度；(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,溅射率高的靶材料，通常有较低的平均原子逸出能量；(3)在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，约为10ev，而重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大，平均达到30－40ev，与溅射率的情形相类似；4142（4）溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量达到1kev以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值；（5）在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这符合溅射的碰撞过程遵循动量和能量守恒定律。此外，实验结果表明，靶材的结晶取向与晶体结构对逸出能量影响不大。溅射率高的靶材料通常具有较低的平均逸出能量。42434．溅射原子的角度分布早期的溅射理论（溅射的热峰蒸发理论）认为：溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了局部高温区，从而导致靶材料的蒸发，逸出原子呈现余弦分布规律，并且与入射离子的方向性无关（图中虚线部分）。434444实际研究：（1）用低能离子轰击时，逸出原子的分布并不服从余弦分布定律。垂直于靶表面方向逸出的原子数明显地少于按余弦分布时应有的逸出原子数；（2）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同；钼铁4545（3）改变轰击离子的入射角时，逸出原子数在入射的正反射方向显著增加。（4）溅射原子的逸出主要方向与晶体结构有关。46三．溅射过程溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移和在基板上成膜的过程。1．靶材的溅射过程当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子发生溅射。——主要发生的一个过程。实际溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体表面时，会产生许多效应。464747镀膜492．溅射粒子的迁移过程靶材受到轰击所逸出的粒子中，正离子由于反向电场的作用不能到达基片表面，其余的粒子均会向基片迁移。溅射粒子的平均自由程溅射镀膜的气体压力为101～10-1Pa,此时溅射粒子的平均自由程为1