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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,4.1 辉光放电和等离子体,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,A,B,C,D,E,F,G,2、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,FeN TiN,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?,
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