第四章-薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)--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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一、辉光放电的物理基础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。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。4.1辉光放电和等离子体真空室电极高真空泵等离子体RF发生器匹配部件4.1辉光放电和等离子体CHF2radicalHigh-energyelectronFluorine(neutral)CHF3moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollisionresultsindissociationofmolecule.High-energyelectroncollideswithmolecule.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。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异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区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4.1辉光放电和等离子体ABCDEFG2、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。4.1辉光放电和等离子体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。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。4.2物质的溅射现象图3.7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4.2物质的溅射现象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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。4.2物质的溅射现象4.3溅射沉积装置一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）气体离子靶材离子二次电子一、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。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、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。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。阳极电位高于基片直流溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性4.3溅射沉积装置二、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压在衬底表面出现。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。二、射频溅射装置及特性工作原理在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。二、射频溅射装置及特性电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。三、磁控溅射装置及特性4.3溅射沉积装置1直流电源2出水口3进水口4进气口5靶材6真空泵7基片架8基片偏压三、磁控溅射装置及特性磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄膜的沉积速率。磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：1、磁场中电子的电离效率提高2、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜的质量。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。利用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。4.3溅射沉积装置四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。如：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2，In2O3，SnO2等(反应气体O2）碳化物：SiC，WC，TiC等(反应气体CH4）氮化物：BN，FeNTiN，AlN，Si3N4等(反应气体N2）硫化物：CdS，ZnS，CuS等(反应气体H2S）化合物：Ti-Si-N,Fe-B-Si,YBa2Cu3O7五、偏压溅射装置及特性偏压溅射是在一般溅射的基础上，在衬底与靶材间加一定的偏压，以改变入射离子能量和离子数，达到改善薄膜的结构和性能。如图所示，改变偏压可改变Ta薄膜的电阻率。溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化4.3溅射沉积装置六、离子束溅射在离子束溅射沉积中，由离子源产生的离子束通过引出电极引入真空室，打到靶材上溅射，实现薄膜沉积。六、离子束溅射六、离子束溅射4.3溅射沉积装置作业1.描述溅射产额？2.解释溅射的物理过程3.列出并解释溅射过程的6个步骤？4.溅射沉积的优点是什么？溅射适合于合金沉积吗？5.描述RF溅射系统？什么是它的主要限制？6.讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？1．解释下列名词：互连、接触、通控和填充塞2．列出并描述金属用于硅片制造的7种要求3．列出用于半导体制造业的金属和合金的种类4．讨论电迁徙是怎样影响稳定性的5．列出并讨论引入铜金属化的五大优点？6．互连金属转向铜时所面临的三大主要挑战是什么？7．什么是阻挡层金属，阻挡层材料的基本特性是什么？那种金属常被用作阻挡层金属？8．定义硅化物，并解释难溶金属硅化物在硅片制造业中重要的原因？