第3章--溅射法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 薄膜的物理气相沉积,溅射法,被溅射出来的原子,E,0,M,1,Z,1,本专题主要内容：,3.1,溅射物理的发展史,3.2,气体放电现象,3.3,物质的溅射现象,3.4,溅射沉积装置及各种溅射镀膜方法,3.1,溅射物理的发展史,1852,年英国物理学家格罗夫（,William Robert,Grove,）,发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因,。,1902,年，,Goldstein,才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。,20,世纪,30,年代，人们开始利用溅射现象在试验中制取薄膜。但由于早年用的直流溅射有许多缺陷，故长期未能得到应有的发展。直到,20,世纪,50,年代中期，溅射工艺才得到不断的发展和改进。,到了,1960,年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。,60,年代初,，,Bell,实验室和,Western Electric,公司利用溅射制取了集成电路用的,Ta,膜。,1965,年,，,IBM,公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。,1969,年,，,Sigmund,在总结了大量的实验工作的基础上，对,Thompson,的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。,1974,年,，,H.H.Andersen,和,H.L.Bay,研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为“热钉扎”,(thermalized spike),效应。,1974,年,，,J Chapin,发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射镀膜成为现实。,3.2,气体放电现象,在讨论气体放电现象之前，我们先考思一下直流电场作用下物质的溅射现象。如图所示真空系统，在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向,阴极,靶材料,，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。,气体放电与等离子体,气体放电：气体在电场作用下发生电离的过程。,等离子体：带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的粒子集合体。,与常态的物质相比，等离子体处于高温、高能量、高活性状态。,薄膜技术中所用的等离子体，一般都是通过气体放电形成的。,3.3,物质的溅射现象,在离子轰击条件下，固体表面可能发生的一系列的物理过程，溅射仅是其一。当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个，其一是物质的溅射，其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。物质原子的溅射是制膜的基础。,溅射的基本原理,溅射：,是利用气体辉光放电过程中产生的荷能粒子（正离子）轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射，把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的沉积。,溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。,1,溅射产额,（,1,）溅射产额的定义,靶材释放出来的各种粒子中，主要是溅射出来的单个原子，另外还有少量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有,1%-10%,。,溅射过程可以用,溅射产额,这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即,溅射产额,同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，,溅射产额依赖于靶材料的,结构,、,成份,及,表面形貌,，同时还与入射离子的,能量,、,电荷态,和,种类,有关。,（,2,）,溅射产额的影响因素,a,、入射离子能量,入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响。,（,a),各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在,10,40eV,，,只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。如下表：,溅射阀值：,将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。,与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。,(b),随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到,10keV,左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。如下图,图,3.9,b,、入射离子种类和被溅射物质种类,入射离子种类,和,被溅射物质种类,对物质的溅射产额也有很大的影响。,图是在,45kV,加速电压条件下各种入射离子轰击,Ag,表面时得到的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均采用,Ar,离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。,溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。,图是加速电压为,400V,、,Ar,离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的变化情况。可以看出，元素的溅射产额呈现明显的周期性，即随着元素外层,d,电子数的增加，其溅射产额提高，因而,Cu,、,Ag,、,Au,等元素的溅射产额明显高于,Ti,、,Zr,、,Nb,、,Mo,、,W,等元素。,c,、离子入射角度对溅射产额的影响,图,3.11,随着离子入射方向与靶面法线间夹角,的增加，溅射产额先呈现,1/cos,规律的增加，即倾斜入射有利于提高溅射产额。当入射角,接近,80,度角时，产额迅速下降。离子入射角对溅射产额的影响如图,3.11,。,d,、靶材温度对溅射产额的影响,在一定的温度范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。,但是，当温度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。,原因可能与温度升高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阀值减小有关。,因此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及,溅射靶材的温升,。,2,合金的溅射与沉积,（,1,）合金的溅射,与蒸发法相比，,合金的溅射法最大的优点就是：易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。,原因：,a,、不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压相差太大；,b,、更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流，从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应：溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射速率上升。最终的结果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物质的成分却与靶材的原始成分相同。,例如，对于成分为,80%Ni-20%Fe,的合金靶，,1keV,的,Ar+,离子溅射，溅射产额分别为：,S(Ni)=2.2,，,S(Fe)=1.3,。经过一段时间的,预溅射,之后，靶材表面的成分比将逐渐变为,Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36,，即,70.2%Ni-29.8%Fe,。在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。,（,2,）溅射法的主要特点,与蒸发法相比，合金的溅射法最大的,主要特点,有：,a,、在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因此溅射出的原子将从中获得很大的能量，在沉积时，高能量的原子对衬底的撞击提高了原子自身在薄膜表面的扩散能力，使薄膜的组织更致密、附着力也得到明显改善。当然这也会引起衬底温度的升高。,b,、制备合金薄膜时，成分的控制性能好。,c,、溅射靶材可以是极难熔的材料。因此，溅射法可以方便地用于高熔点物质的溅射和薄膜的制备。,d,、可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。,e,、有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度。,表,3.2,是从沉积原理方面对溅射和蒸发这两种薄膜制备方法进行的总结与比较,3.4,溅射沉积装置,及各种溅射镀膜方法,多功能磁控溅射设备,溅射靶,靶材：,纯金属、合金,通过冶炼或粉末冶金法制备，纯度,及致密性较好。,化合物,粉末热压法制备，纯度及致密性较差。,靶材生产厂家：北京有研总院靶材中心、北京蒙泰有研技术开发中心、北京泛德辰公司、合肥科晶、深圳宏瑞兴、惠州天亿等。,主要溅射法：,直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、离子束溅射,1,直流溅射,直流溅射,又称阴极溅射或二极溅射，适用于,导电性较好,的各类合金薄膜。,（,1,）直流溅射设备,(,如右图）,（,2,）,直流溅射的基本原理：,在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极,靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。,（,3,）溅射条件：,工作气压,10Pa,，溅射电压,1000V,，靶电流密度,0.5mA/cm,2,薄膜沉积率低于,0.1m/min,。,（,4,）工作气压对溅射速率的影响,气压低，电子自由程较长，通过碰撞而引起的气体分子电离的几率较低，同时离子在阳极上溅射时发出二次电子的几率也相对较小。这些导致溅射速率很低；,图,3.16,随气压升高，溅射速率提高；,气压过高时，溅射出来的原子在飞向衬底的过程中受过多的散射，部分溅射原子甚至被散射回靶材表面沉积下来，因此溅射速率反而下降。,（,5,）工作气压对薄膜质量的影响,溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密度。,溅射气压的提高使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化。,（,6,）直流溅射装置的缺点,不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流以及溅射气压；,使用的气压较高（,10Pa,左右），溅射速率低，薄膜质量（致密度、纯度）差。,（,7,）直流溅射装置的改进,如图所示。,在直流二极溅射的基础上，增加一个,发射电子的热阴极,和一个,辅助阳极,，构成三极（或称四极）溅射装置。,特点：由于热阴极发射电子的能力较强，因而,放电气压可以维持在较低水平上,，这对于提高沉积速率、减少气体污染等都是有利的。此时提高辅助阳极的电流密度即可提高等离子体的密度和薄膜的沉积速率，而轰击靶材的离子流又可以得到独立的调节。,缺点：难于获得大面积且分布均匀的等离子体，且在提高薄膜沉积速率方面的能力有限。,2,射频溅射,适用于,各种金属,和,非金属材料,的一种溅射沉积方法。,（,1,）射频溅射设备,（如图）,（,2,）,射频溅射的基本原理,两极间接上射频（,5,30MHz,，,国际上多采用美国联邦通讯委员会（,FCC,）建议的,13.56MHz,）电源后，两极间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（,10Pa,左右）产生二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压（,1Pa,左右）下进行，沉积速率也因气体散射少而较二极溅射为高；高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导体；由于射频方法可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射，而在衬底上自偏压效应很小，气体离子对其产生的轰击和溅射可以忽略，将主要是沉积过程。,如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？,由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说，等离子体近旁的任何部位都处于负电位。,设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它既可作为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极将接受大量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。经过这样几个周期后，电极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位。（此负电位对电子产生排斥作用，使电极此后接受的正负电荷数目相等）,设等离子电位为,Vp,（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（电位为,0,）对等离子的电位差为,-Vp,，设靶电极的电位为,Vc,（是一个负值），则靶电极相对于等离子体的电位差为,Vc-Vp,。,|,Vc-Vp,|,幅值要远大于,|,-Vp,|,。,因此，这一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。,工作频率,50Hz,或,60Hz,叫工频,在它以下的叫低频,;60Hz,至,20kHz,叫中频,;20kHz,以上叫高频。,（,3,）溅射条件：,工作气压,1.0Pa,，溅射电压,1000V,，靶电流密度,1.0mA/cm,2,薄膜沉积速率低于,0.5m/min,。,（）射频溅射法的特点,a,、能够,产生自偏压效应,，达到对靶材的轰击溅射，并沉积在衬底上；,b,、自发产生负偏压的过程与所用,靶材是否是导体无关,。但是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至靶材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏压；,c,、与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能量直接耦合给等离子体中的电子，因而其,工作气压和对应的靶电压较低,。,相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有的两个缺点：,a,、沉积速率较蒸发法低；,b,、所需工作气压较高，否则电子的平均自由程太长，放电现象不易维持。,从而导致薄膜被污染的可能性较高。,磁控溅射法则因为其沉积速率较高（比其他溅射法高出一个数量级），工作气体压力较低而具有独特的优越性。,磁控溅射,磁控溅射设备,磁控溅射仪（型号,JGP-560,）,磁控溅射装置示意图,实验样品,（,1,）磁控溅射的基本原理,当电子在正交电磁场中运动时，由于受到洛仑兹力的影响，电子的运动将由直线运动变成摆线运动，如图所示。电子将可以被约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率。这样，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以显著提高溅射效率和沉积速率。,磁控溅射原理,电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，并在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上,。,磁控溅射原理,Ar,离子在磁场的作用下加速撞击靶材，溅射出大量的靶材原子，,呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。,磁控溅射特点,电子运动路径变长，与,Ar,原子碰撞几率增加，提高溅射效率。,电子只有在其能量将耗尽时才会落得基片上，基片温度上升慢。,影响溅射效率的因素,磁场分布,工作气压,工作电压,溅射功率,靶基距,磁控溅射的分类,射频（,RF,）磁控溅射,直流（,DC,）磁控溅射,（,2,）磁控溅射设备,根据靶材形状不同，磁控溅射可以有许多形式，常用的主要有：平面磁控靶、圆柱磁控靶。,a,、平面磁控靶,b,、圆柱磁控靶,这里用的是电磁线圈，书中用的是永磁铁来提供磁场。,（）磁控溅射的特点,a,、工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；,b,、维持放电所需的靶电压低；,c,、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；,d,、容易实现在,塑料,等衬底上的薄膜低温沉积。,缺点：,a,、对靶材的溅射不均匀；,b,、,不适合铁磁材料的溅射,，如果铁磁,材料，则少有漏磁，等离子体内无磁力线通过；,（）磁控溅射法的改进,保持适度的离子对衬底的轰击效应，,以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。,a,、采用非平衡磁控溅射法，有意识,地增大（或减小）靶中心的磁体体积，造成,部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这,时等离子体的作用扩展到了衬底附近，而部,分电子被加速射向衬底，同时在此过程中造,成气体分子电离和部分离子轰击衬底，,如图,3.23,所示。,b,、为进一步提高离子的轰击效果，,还可以在衬底上有意地施加各种偏压。对衬底施加偏压时的磁控溅射法又叫,磁控溅射离子镀,。,引言 为何要使用离子束溅射,溅射系统的一个主要缺点就是工作压强较高，由此导致溅射膜中有气体分子的进入。而离子束溅射，除具有工作压强低，减小气体进入薄膜，溅射粒子输送过程中较少受到散射等优点外，还可以让基片远离离子发生过程。,离子束溅射的靶和基片与加速极不相干，因此，通常在传统溅射沉积中由于离子碰撞引起的损伤会降到极小。并且在外延生长薄膜领域，离子束溅射沉积变得非常有用。因为在高真空环境下，离子束溅射出来的凝聚粒子具有超过,10eV,的动能。即使在低基片温度下，也会得到较高的表面扩散率，对外延生长十分有利。,4,离子束溅射,（,1,）离子束溅射薄膜沉积装置示意图,（如图,3.29,）,（,2,）离子束溅射的基本原理,产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供一定的束流强度、一定能量的,Ar,离子流。离子束以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近，用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携带的电荷。,（,3,）特点,a,、气体杂质小，纯度高，因为溅射是在较高的真空度条件下进行的。,b,、由于在衬底附近没有等离子体的存在，因此也就不会产生等离子轰击导致衬底温度上升、电子和离子轰击损伤等一系列问题。,c,、由于可以用到精确地控制离子束的能量、束流大小与束流方向，而且溅射出的原子可以不经过碰撞过程而直接沉积薄膜，因而离子束溅射方法很适合于作为一种,薄膜,沉积的研究手段。,（,4,）缺点,装置过于复杂，薄膜的沉积速率较低，设备运行成本较高。,离子束辅助沉积,离子束溅射沉积,Rms,：表面光洁度,理想的薄膜应该具有光学性质稳定、无散射和吸收、机械性能强和化学性质稳定等特征，而离子束溅射技术正好提供了能够达到这些要求的技术平台，目前离子束溅射技术的应用领域不断地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、,射线等范围。离子束溅射技术在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域即将发挥其强大的作用。,应用,离子束溅射镀膜技术（,IBSD,）,磁性材料的溅射,采用高磁靶：,因磁性材料对磁场有一定的屏蔽作用，故要对磁性材料靶进行溅射镀膜时，要采用高磁靶，保证磁力线穿透靶材才能达到磁控溅射的效果，提高溅射效率。,本章的小结,1,、气体放电现象与等离子体；,2,、物质的溅射现象,包括溅射现象，溅射产额及影响因素（入射离子能量、种类、入射角度，被溅射物种类，温度），合金的溅射与沉积；,3,、溅射沉积装置,包括直流溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射。,第,3,章习题,何谓溅射法，请通过气体放电现象解释溅射法的工作原理。,试分析溅射产额的影响因素。,何谓磁控溅射法，磁控溅射装置及其工作原理如何？,