電子科大薄膜物理(趙曉輝)第三章濺射

1、1什么是濺射什么是濺射? ?1 1、定義：、定義：所謂濺射是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），所謂濺射是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。用帶有幾十電子伏特以上動(dòng)能的粒子束照射用帶有幾十電子伏特以上動(dòng)能的粒子束照射固體表面，使靠近固體表面的原子獲得能量固體表面，使靠近固體表面的原子獲得能量而從表面射出的現(xiàn)象。而從表面射出的現(xiàn)象。 2荷能粒子為荷能粒子為 幾十個(gè)電子伏特的粒子幾十個(gè)電子伏特的粒子 說明入射粒子的能量范圍說明入射粒子的能量范圍入射粒子或粒子束入射粒子或粒子束，一般意義上的濺射，一般意義上的濺射就是指離子濺射。就是指

2、離子濺射。出射原子靠近表面出射原子靠近表面 32.2.定義比較定義比較4鍍膜鍍膜SIMS分析分析刻蝕，清洗刻蝕，清洗占靶產(chǎn)物的占靶產(chǎn)物的85-903.3.離子轟擊固體表面的效應(yīng)離子轟擊固體表面的效應(yīng)3.1 3.1 等離子體濺射如何發(fā)生等離子體濺射如何發(fā)生? ?1. 什么是等離子體什么是等離子體? 物質(zhì)的物質(zhì)的“第四態(tài)第四態(tài)” 部分電離的氣體部分電離的氣體5冰，此時(shí)其微觀基本組元（分子）的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能小于組冰，此時(shí)其微觀基本組元（分子）的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能小于組元之間的相互作用勢(shì)能，因而相互束縛，在空間的相對(duì)元之間的相互作用勢(shì)能，因而相互束縛，在空間的相對(duì)位置固定，是位置固定，是固體狀態(tài)固體狀態(tài)水，分子熱

3、運(yùn)動(dòng)能與分子間相互作用勢(shì)能相當(dāng)。分子可水，分子熱運(yùn)動(dòng)能與分子間相互作用勢(shì)能相當(dāng)。分子可以自由地移動(dòng)，但在邊界面上大多數(shù)分子還不能可以克以自由地移動(dòng)，但在邊界面上大多數(shù)分子還不能可以克服表面束縛能，因而存在一個(gè)明顯的表面，是服表面束縛能，因而存在一個(gè)明顯的表面，是液體狀態(tài)液體狀態(tài)水的四種狀態(tài)水的四種狀態(tài)6蒸汽，分子熱運(yùn)動(dòng)能克服分子間的相互作用勢(shì)壘，包括蒸汽，分子熱運(yùn)動(dòng)能克服分子間的相互作用勢(shì)壘，包括表面的束縛能，分子因此變成彼此自由的個(gè)體，它們將表面的束縛能，分子因此變成彼此自由的個(gè)體，它們將占據(jù)最大可能占據(jù)的空間，是占據(jù)最大可能占據(jù)的空間，是氣體狀態(tài)氣體狀態(tài).當(dāng)溫度增高到使原子（分子）間的熱運(yùn)

4、動(dòng)動(dòng)能與電離能當(dāng)溫度增高到使原子（分子）間的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與電離能相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，變成（部分）電離氣體，系統(tǒng)的基本組元相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，變成（部分）電離氣體，系統(tǒng)的基本組元變成了離子和電子（可以包含大量的原子和分子）。電變成了離子和電子（可以包含大量的原子和分子）。電磁力開始作用，這就是磁力開始作用，這就是等離子體狀態(tài)等離子體狀態(tài)。7等離子體空間等離子體空間2. 如何生成等離子體如何生成等離子體? ? 從中性的氣體分子或原子開始從中性的氣體分子或原子開始 存在少量的自由電子存在少量的自由電子熱能可生成更多的自由電子熱能可生成更多的自由電子8 需要采用以下方式對(duì)氣體施加能量需要采用以下方式對(duì)氣體施加能量: :

5、n熱熱: : 溫度溫度4000 n輻射輻射n電場(chǎng)電場(chǎng)n磁場(chǎng)磁場(chǎng) 等離子體的形成等離子體的形成: :引入電場(chǎng)加速自由電子引入電場(chǎng)加速自由電子加速的自由電子與氣體分子發(fā)生碰撞加速的自由電子與氣體分子發(fā)生碰撞碰撞后，會(huì)發(fā)生碰撞后，會(huì)發(fā)生:a. dissociation/解離解離b. Ionization/電離電離c. Excitation/激發(fā)激發(fā)93. 等離子體的電價(jià)等離子體的電價(jià)實(shí)際上，作為氣態(tài)介質(zhì)的等離子體實(shí)際上，作為氣態(tài)介質(zhì)的等離子體包含有包含有:中性氣體原子或分子中性氣體原子或分子離子離子自由的激發(fā)態(tài)電子自由的激發(fā)態(tài)電子光子光子凈電荷為零凈電荷為零帶電離子相對(duì)很少：帶電離子相對(duì)很少： 1,

6、000,000 個(gè)中性原子中可能有一個(gè)中性原子中可能有一個(gè)帶電（離子）個(gè)帶電（離子）1011電離度由薩哈（電離度由薩哈（Saha）方程給出，）方程給出，ni、no:離子與原子的密度，離子與原子的密度，T為溫度、為溫度、Ei為電離能為電離能溫度單位電子伏特與開爾文（溫度單位電子伏特與開爾文（K）的換算關(guān)系為）的換算關(guān)系為:1 eV = 11600 K （根據(jù)波爾茲曼常數(shù)換算）（根據(jù)波爾茲曼常數(shù)換算）取取no=31025/m-3，T0.03eV， Ei14.5eV（氮?dú)猓?，（氮?dú)猓?，則則ni/no約為約為10122電離度電離度3/21503 10exp(/)iiinTETnn 124. 等離子體鞘

7、層等離子體鞘層對(duì)于對(duì)于1Pa左右的輝光放電：左右的輝光放電：原子、電子、正離子的總密度：原子、電子、正離子的總密度：3 1014個(gè)個(gè)/cm3；其中其中10-4的比例為電子和離子。的比例為電子和離子。產(chǎn)生的是產(chǎn)生的是冷等離子體冷等離子體：電子和原子及正離子溫度不等：電子和原子及正離子溫度不等Te23000K，Ti=300-500K。離子的能量低，加上質(zhì)量大，離子的能量低，加上質(zhì)量大，所以其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子：所以其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子：平均速度：平均速度：Ve9.5 105m/s， Vi500m/s。 等離子體鞘層：等離子體鞘層：13任何與等離子體接觸的表面自動(dòng)處于一個(gè)負(fù)電位，任何與等離子體接

8、觸的表面自動(dòng)處于一個(gè)負(fù)電位，并在其表面伴隨有正電荷的積累。并在其表面伴隨有正電荷的積累。1421)3 . 2ln(eepmmekTV鞘層電壓：鞘層電壓：典型值：典型值：10V，并變化不大。，并變化不大。在薄膜制備中的意義：離子受到加速，轟擊基片，在薄膜制備中的意義：離子受到加速，轟擊基片， 電子受到減速，需大的能量方能到達(dá)基片。電子受到減速，需大的能量方能到達(dá)基片。鞘層厚度鞘層厚度d：與電子密度、溫度、壓降有關(guān)；：與電子密度、溫度、壓降有關(guān)；（V Vp p-V-V）2/32/33/43/4直流輝光放電直流輝光放電的電位分布和的電位分布和等離子體鞘層等離子體鞘層氣體分子分解為更小的氣體分子分解為

9、更小的“自由基自由基”：M + e- = M1 + M2 + e- 自由基是高能量的化學(xué)物質(zhì)。自由基是高能量的化學(xué)物質(zhì)。盡管成電中性，但是并不穩(wěn)定。盡管成電中性，但是并不穩(wěn)定。容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。155. 等離子體化學(xué)等離子體化學(xué) 如圖所示如圖所示，Cl自由基生成。穩(wěn)定態(tài)為自由基生成。穩(wěn)定態(tài)為 Cl2.單個(gè)單個(gè) Cl 不穩(wěn)定，易與不穩(wěn)定，易與Al反應(yīng)反應(yīng)Al(s) + 3Cl(g) AlCl3 (g) 這就是這就是Al刻蝕工藝?？涛g工藝。16 Dissociation/ Dissociation/解離解離 Dissociation Rec

10、ombination 如果化學(xué)反應(yīng)中有剩余自由基的話，他們會(huì)自動(dòng)復(fù)合形成穩(wěn)定態(tài)：如果化學(xué)反應(yīng)中有剩余自由基的話，他們會(huì)自動(dòng)復(fù)合形成穩(wěn)定態(tài)：CCl3 + Cl CCl4 等離子體中自由基可以用于：等離子體中自由基可以用于： Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)/等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)生成 固體固體 Plasma Etching and Plasma Cleaning/等離子體刻蝕和等離子體刻蝕和等離子體清潔等離子體清潔化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)生成 蒸汽蒸汽17逆反應(yīng)逆反應(yīng) Recombinat

11、ion/復(fù)合復(fù)合 電子被從中性原子和分子上敲下來電子被從中性原子和分子上敲下來M + e- = M+ + 2e- 生成帶正電的顆粒稱為生成帶正電的顆粒稱為“離子離子”。因?yàn)閹щ?，所以可用電?chǎng)操控。因?yàn)閹щ?，所以可用電?chǎng)操控。18Ionization/Ionization/電離電離n 每次碰撞后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)自由電子每次碰撞后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)自由電子; 因此用于電離的自由電子加倍因此用于電離的自由電子加倍; 這個(gè)不斷的倍增過程稱為這個(gè)不斷的倍增過程稱為“impact ionization/碰撞電離碰撞電離” 19Impact Ionization/Impact Ionization/碰撞電離碰撞電離: :

12、電子碰撞后，分子保持完整，但吸收能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)；電子碰撞后，分子保持完整，但吸收能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)；價(jià)電子被激發(fā)到更高的能級(jí)（殼層）；價(jià)電子被激發(fā)到更高的能級(jí)（殼層）；幾納秒后，激發(fā)態(tài)電子回落到價(jià)帶，稱為幾納秒后，激發(fā)態(tài)電子回落到價(jià)帶，稱為 “Relaxation/弛豫弛豫”；多余能量轉(zhuǎn)化為光子，通過發(fā)光釋放。多余能量轉(zhuǎn)化為光子，通過發(fā)光釋放。因此等離子體會(huì)發(fā)光。因此等離子體會(huì)發(fā)光。20Excitation & Relaxation/Excitation & Relaxation/激發(fā)與馳豫激發(fā)與馳豫不同氣體被激發(fā)后發(fā)出不同顏色的光：不同氣體被激發(fā)后發(fā)出不同顏色的光：Nitroge

13、n/氮?dú)獾獨(dú)? Helium/氦氣氦氣, Sodium/鈉鈉, Boron/硼硼, Neon/氖氣氖氣顏色（或波長(zhǎng)）與弛豫時(shí)失去的能量有關(guān)：顏色（或波長(zhǎng)）與弛豫時(shí)失去的能量有關(guān)：E = hv這個(gè)特性使得分析產(chǎn)生等離子體的氣體成為可能。這個(gè)特性使得分析產(chǎn)生等離子體的氣體成為可能。例如例如: 等離子體刻蝕時(shí)的等離子體刻蝕時(shí)的 Endpoint detection/終點(diǎn)探測(cè)終點(diǎn)探測(cè)21 Glow Discharge Color/ Glow Discharge Color/輝光放電顏色輝光放電顏色6.6. 等離子體的應(yīng)用等離子體的應(yīng)用 Etching/刻蝕刻蝕 濕法刻蝕濕法刻蝕 精度精度 3 micr

14、on Isotropic/各項(xiàng)同性各項(xiàng)同性 (傾斜壁傾斜壁) 更多污染更多污染 greater resist lifting (undercut) 環(huán)境因素環(huán)境因素 干法刻蝕干法刻蝕 亞微米精度亞微米精度 Anisotropic/各項(xiàng)異性各項(xiàng)異性(豎直阱豎直阱) 污染少污染少 less resist lifting (undercut) 環(huán)境污染少環(huán)境污染少 可以進(jìn)行可以進(jìn)行endpoint detection22 低壓低壓 CVD vs. 等離子體增強(qiáng)等離子體增強(qiáng)CVDn反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度 高高 低低n沉積速率沉積速率 慢慢 快快n有害氣體有害氣體 多多 少少n器壁沉積器壁沉積 多多 少少23

15、 CVD CVD 蒸發(fā)蒸發(fā) vs. 濺射濺射n源類型源類型 點(diǎn)源點(diǎn)源 平面源平面源n合金制備合金制備 難難 易易n晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 小小/多多 大大/少少n電子遷移電子遷移 難難 易易n 附著力附著力 差差 好好24 PVD PVD3.2 Glow discharge/輝光放電輝光放電25濺射系統(tǒng)濺射系統(tǒng)26被激導(dǎo)電及被激導(dǎo)電及非自持暗放電非自持暗放電自持暗放電自持暗放電1. 1. 直流輝光放電的直流輝光放電的I-VI-V曲線曲線 電弧電弧不是不是輝光放電；輝光放電； 電弧是兩電極之間介電空間的低阻擊穿；電弧是兩電極之間介電空間的低阻擊穿； 在高壓強(qiáng)和高電壓下發(fā)生；在高壓強(qiáng)和高電壓下發(fā)生； 電

16、極表面部分氣化，金屬蒸汽成為導(dǎo)體。電極表面部分氣化，金屬蒸汽成為導(dǎo)體。 電弧會(huì)把輝光放電產(chǎn)生的電流導(dǎo)走，使等離子體失效；電弧會(huì)把輝光放電產(chǎn)生的電流導(dǎo)走，使等離子體失效； 一旦發(fā)現(xiàn)電弧產(chǎn)生，必須立刻一旦發(fā)現(xiàn)電弧產(chǎn)生，必須立刻關(guān)閉系統(tǒng)關(guān)閉系統(tǒng)! 電弧發(fā)光的主要應(yīng)用：鈉蒸汽和水銀蒸汽燈。電弧發(fā)光的主要應(yīng)用：鈉蒸汽和水銀蒸汽燈。27等離子體的電弧等離子體的電弧282. 2. 輝光放電的空間分布輝光放電的空間分布o(jì)直流電壓加載于平行平板之間（陰極直流電壓加載于平行平板之間（陰極/cathode和陽和陽極極/anodeo在陰極和陽極之間，輝光放電可以劃分為以下區(qū)域在陰極和陽極之間，輝光放電可以劃分為以下區(qū)

17、域多重電離多重電離/復(fù)合和激發(fā)復(fù)合和激發(fā)/弛豫導(dǎo)致發(fā)光弛豫導(dǎo)致發(fā)光光的顏色與所用氣體有關(guān)光的顏色與所用氣體有關(guān)注注: 發(fā)光區(qū)基本不做任何事情發(fā)光區(qū)基本不做任何事情(例如：刻蝕例如：刻蝕/etching)。29 發(fā)光區(qū)域發(fā)光區(qū)域30 暗區(qū)暗區(qū)o較大的電壓降導(dǎo)致離子加速；較大的電壓降導(dǎo)致離子加速；o復(fù)合很少發(fā)生，因此不發(fā)光；復(fù)合很少發(fā)生，因此不發(fā)光；o絕大多數(shù)工作在此區(qū)間完成；絕大多數(shù)工作在此區(qū)間完成；o陽極和陰極發(fā)光區(qū)一般強(qiáng)度很弱，因此直流陽極和陰極發(fā)光區(qū)一般強(qiáng)度很弱，因此直流等離子體像是由暗等離子體像是由暗/ /明明/ /暗三個(gè)區(qū)間構(gòu)成。暗三個(gè)區(qū)間構(gòu)成。31輝光放電空間特性輝光放電空間特性 3

18、. 3. 帕邢曲線帕邢曲線Paschen Curve等離子體激發(fā)等離子體激發(fā)/Plasma Ignition:32Sweet Spot帕邢曲線和擊穿電壓帕邢曲線和擊穿電壓氣體成分和電極材料一定時(shí)，擊穿電壓只與氣壓氣體成分和電極材料一定時(shí)，擊穿電壓只與氣壓及電極距離的乘積相關(guān)。及電極距離的乘積相關(guān)。 一般情況下，起輝放電的最低氣壓一般情況下，起輝放電的最低氣壓 P Pminmin=l=le e /d/d，l le e為自由程，為自由程，d d為極間距。為極間距。對(duì)于對(duì)于ArAr來說，來說，1Torr1Torr壓力下，壓力下， l le e221010-3-3m m 極間距極間距 d10d10-1

19、-1m.m. 此時(shí)，此時(shí)，P Pminmin221010-2-2TorrTorr 輝光放電的電流強(qiáng)度一般為輝光放電的電流強(qiáng)度一般為1010-1-110102 2mA/cmmA/cm2 2 3334 p太小，太小，d太小太小二次電子在碰撞陽極前不能進(jìn)行二次電子在碰撞陽極前不能進(jìn)行足夠數(shù)量的電離碰撞。足夠數(shù)量的電離碰撞。 p太大，太大，d太大太大則氣體中產(chǎn)生的離子，會(huì)由于非則氣體中產(chǎn)生的離子，會(huì)由于非彈性碰撞被慢化、減速，以致到達(dá)陰極時(shí)已無足夠的彈性碰撞被慢化、減速，以致到達(dá)陰極時(shí)已無足夠的能量來產(chǎn)生二次電子能量來產(chǎn)生二次電子 大多數(shù)的輝光放電，大多數(shù)的輝光放電，pd乘積應(yīng)在最小值的右側(cè)乘積應(yīng)在最

20、小值的右側(cè)p有一定值，有一定值，n較多；較多；d有一定值，濺射效率較高，特有一定值，濺射效率較高，特別是成膜區(qū)可以擴(kuò)大。別是成膜區(qū)可以擴(kuò)大。起輝電壓存在最小值起輝電壓存在最小值35幾種氣體的電離幾率幾種氣體的電離幾率通常采用通常采用Ar氣，原因：氣，原因：電離率高，容易起輝電離率高，容易起輝惰性氣體，不反應(yīng)惰性氣體，不反應(yīng)1. 價(jià)格便宜價(jià)格便宜363.3 Sputtering Characteristics/濺射特性濺射特性1. Threshold voltage/閾值電壓閾值電壓 對(duì)于大多數(shù)金屬而言，閾值電壓是升華熱對(duì)于大多數(shù)金屬而言，閾值電壓是升華熱的數(shù)倍，大約為的數(shù)倍，大約為10 to

21、30 eV 因不同材料而不同。因不同材料而不同。Tab.3137382. Sputter Yield/濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額 S 濺射出的原子或分子對(duì)濺射效率的衡量入射離子S =0.01 4 隨金屬的質(zhì)量和濺射氣體的能量增加隨金屬的質(zhì)量和濺射氣體的能量增加 定義定義 影響因素影響因素材料材料 離子能量和質(zhì)量離子能量和質(zhì)量入射角入射角 靶材溫度靶材溫度39a. 入射離子能量入射離子能量離子注入離子注入存在濺射閾值：存在濺射閾值：通常金屬通常金屬10-30ev。 （150ev） （1 1501000ev） （10005000ev）能量大于數(shù)萬能量大于數(shù)萬ev，離子注入，濺射率下降離子注入，濺射率下降 2

22、ES ES 5 . 0ES b. 靶材原子序數(shù)靶材原子序數(shù)40 說明與外電子說明與外電子d殼層殼層的填滿程度有關(guān)。的填滿程度有關(guān)。另外，升華熱小的金另外，升華熱小的金屬屬S大；表面清潔的大；表面清潔的S大。大。濺射率呈現(xiàn)周期性；濺射率呈現(xiàn)周期性；同一周期中，濺射率基本隨同一周期中，濺射率基本隨Z增大。增大。c. 入射原子序數(shù)入射原子序數(shù)41濺射率呈現(xiàn)周期性，總趨勢(shì)隨濺射率呈現(xiàn)周期性，總趨勢(shì)隨Z增大而增大；增大而增大；同一周期中，惰性元素的濺射率最高，而中部同一周期中，惰性元素的濺射率最高，而中部 元素濺射率最小。元素濺射率最小。d. 入射角入射角42Arsec)0()(SS(060)對(duì)于輕元素

23、靶材，和重對(duì)于輕元素靶材，和重 離子入射，隨角度的變離子入射，隨角度的變 化明顯?；黠@。隨入射離子能量的增加，隨入射離子能量的增加， opt逐漸增加，逐漸增加，43e. 靶材的晶體結(jié)構(gòu)靶材的晶體結(jié)構(gòu)單晶靶濺射率與入射角的關(guān)系不同于多晶靶單晶靶濺射率與入射角的關(guān)系不同于多晶靶現(xiàn)象：對(duì)應(yīng)于低指數(shù)現(xiàn)象：對(duì)應(yīng)于低指數(shù)晶面的濺射率低，而晶面的濺射率低，而高指數(shù)晶面的濺射率高指數(shù)晶面的濺射率略高于多晶靶材。略高于多晶靶材。解釋：溝道效應(yīng)。解釋：溝道效應(yīng)。44單晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶單晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶現(xiàn)象：在密排方向現(xiàn)象：在密排方向?yàn)R射率大。濺射率大。解釋：溝道效應(yīng)。解釋：溝道效

24、應(yīng)。45f. 靶材溫度靶材溫度現(xiàn)象：主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)?，F(xiàn)象：主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)。 在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；而高于此在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；而高于此 溫度，濺射率急劇增加。溫度，濺射率急劇增加。濺射與熱蒸發(fā)濺射與熱蒸發(fā)二者的復(fù)合作用。二者的復(fù)合作用。463. 濺射原子的能量和速度分布濺射原子的能量和速度分布n 與入射離子能量的關(guān)系與入射離子能量的關(guān)系平均逸出能量在平均逸出能量在10ev左右左右隨入射離子能量的增加隨入射離子能量的增加濺射率增加，而平均逸出能量濺射率增加，而平均逸出能量略微增大略微增大當(dāng)入射離子能量達(dá)到當(dāng)入射離子能量達(dá)到

25、1keV以以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值。恒定值。47n與靶材原子序數(shù)的關(guān)系與靶材原子序數(shù)的關(guān)系平均能量：熱蒸發(fā)原子平均能量：熱蒸發(fā)原子 0.1ev，濺射原子，濺射原子 5-40ev重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量濺射率高的靶材，通常有較低的濺射率高的靶材，通常有較低的平均原子逸出能量。平均原子逸出能量。48Z20的平均逸出速度差別不大。的平均逸出速度差別不大。在相同轟擊能量下，輕入射離子濺射出的原于其逸出能量較低，約為在相同轟擊能量下，輕入射離子濺射出的原于其逸出能量較低，約為l0ev，而重入射離子濺射出的原于

26、其逸出能量較大，平均達(dá)到而重入射離子濺射出的原于其逸出能量較大，平均達(dá)到30-40ev。4. 濺射原子的角度分布濺射原子的角度分布 遵循余弦或亞余弦定理遵循余弦或亞余弦定理 隨入射離子角度變化，用隨入射離子角度變化，用sinn2 描述描述 晶體結(jié)構(gòu)變化影響晶體結(jié)構(gòu)變化影響 原子序數(shù)變化影響原子序數(shù)變化影響4950n與入射離子能量的關(guān)系與入射離子能量的關(guān)系現(xiàn)象：入射離子能現(xiàn)象：入射離子能量越高，角分布越量越高，角分布越趨向于余弦分布，趨向于余弦分布，但在低能狀態(tài)下并但在低能狀態(tài)下并非如此。非如此。51n與入射離子的角度的關(guān)系與入射離子的角度的關(guān)系輕離子入射，與入射角輕離子入射，與入射角的關(guān)系很大

27、。的關(guān)系很大。重離子入射，基本為重離子入射，基本為余弦分布，與入射角余弦分布，與入射角無關(guān)。無關(guān)。3.4 濺射機(jī)理濺射機(jī)理1.熱蒸發(fā)理論熱蒸發(fā)理論認(rèn)為濺射是一個(gè)能量傳遞過程，靶表面被碰撞處認(rèn)為濺射是一個(gè)能量傳遞過程，靶表面被碰撞處產(chǎn)生局域高溫，發(fā)生熔化而蒸發(fā)。產(chǎn)生局域高溫，發(fā)生熔化而蒸發(fā)。該理論可解釋的現(xiàn)象：該理論可解釋的現(xiàn)象：a)a)濺射率與靶材蒸發(fā)熱的關(guān)系；濺射率與靶材蒸發(fā)熱的關(guān)系；b)b)濺射率與入射離子能量的關(guān)系；濺射率與入射離子能量的關(guān)系；c)c)濺射原子的余弦分布律。濺射原子的余弦分布律。5253該理論不能解釋的現(xiàn)象：該理論不能解釋的現(xiàn)象：a.濺射原子角分布并不象熱蒸發(fā)原子那樣符合

28、余弦規(guī)律，濺射原子角分布并不象熱蒸發(fā)原子那樣符合余弦規(guī)律，從單晶靶濺射出的原子趨向于集中在晶體原子密排方向從單晶靶濺射出的原子趨向于集中在晶體原子密排方向b.濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子能量，同時(shí)也取決于其質(zhì)濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子能量，同時(shí)也取決于其質(zhì)量與靶原子質(zhì)量之比量與靶原子質(zhì)量之比c.濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子的入射角，而且當(dāng)入射角濺射產(chǎn)額不僅取決于轟擊離子的入射角，而且當(dāng)入射角不同時(shí)，濺射原子的角分布也不相同不同時(shí)，濺射原子的角分布也不相同d.離子能量很高時(shí)，濺射產(chǎn)額會(huì)減少離子能量很高時(shí)，濺射產(chǎn)額會(huì)減少e.濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子的能量高濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子的能量高100倍倍

29、f.電子質(zhì)量小，使用高能電子轟擊靶材，也不會(huì)產(chǎn)生濺射電子質(zhì)量小，使用高能電子轟擊靶材，也不會(huì)產(chǎn)生濺射2. 級(jí)聯(lián)碰撞理論級(jí)聯(lián)碰撞理論54濺射是一個(gè)動(dòng)量傳遞過程濺射是一個(gè)動(dòng)量傳遞過程而不是能量傳遞過程而不是能量傳遞過程 入射離子與靶原子發(fā)生二體彈性碰撞，一部分能量傳入射離子與靶原子發(fā)生二體彈性碰撞，一部分能量傳遞給靶原子。當(dāng)后者獲得的能量超過勢(shì)壘高度后（金屬遞給靶原子。當(dāng)后者獲得的能量超過勢(shì)壘高度后（金屬5-10ev），原子離位，并和附近的原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞。），原子離位，并和附近的原子碰撞，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞。當(dāng)碰撞到達(dá)表面原子，當(dāng)碰撞到達(dá)表面原子，若獲得的動(dòng)能超過結(jié)合能若獲得的動(dòng)能超過結(jié)合能（金

30、屬（金屬1-6ev），靶原子），靶原子從表面逸出，濺射實(shí)現(xiàn)。從表面逸出，濺射實(shí)現(xiàn)。二體彈性碰撞二體彈性碰撞55動(dòng)量守恒：動(dòng)量守恒：22111cosvmumvm能量守恒：能量守恒：222221 11122111(sin)222mvm uvm vcos212112vmmmv22212112cos)(4mmmmEE能量轉(zhuǎn)移函數(shù)能量轉(zhuǎn)移函數(shù) 56當(dāng)當(dāng)m1=m2時(shí)，時(shí)， 1 1，為最大值，完全能量轉(zhuǎn)移，為最大值，完全能量轉(zhuǎn)移當(dāng)當(dāng)m1 m2時(shí)，重離子入射輕靶，時(shí)，重離子入射輕靶，1412mm此時(shí)，此時(shí)，122112221242121mmvmvmEEV2= 2V13. 濺射率的表達(dá)式濺射率的表達(dá)式57前提：

31、線形級(jí)聯(lián)碰撞理論；非晶靶模型；二體碰撞近似；前提：線形級(jí)聯(lián)碰撞理論；非晶靶模型；二體碰撞近似； 原子作用勢(shì)為原子作用勢(shì)為Thomas-Fermi勢(shì)勢(shì) 平表面勢(shì)壘；垂直入射平表面勢(shì)壘；垂直入射nrrv1)(012)()/(042. 0UESmmSn1969年，年，Sigmund給出：給出：Sn(E)：彈性碰撞阻止截面：彈性碰撞阻止截面42. 014. 0)1ln(5 . 0)(2122120mmeZZmEa約化能量：約化能量：表面勢(shì)壘，表面勢(shì)壘，一般取升華能一般取升華能58121213. 015. 0)/(mmmm3/223/214683. 0ZZaThomas-Fermi 屏蔽半徑：屏蔽半徑：

32、5902112/322/312112)()/(56. 3UESmmmZZZZmmSn若考慮原子的相互作用：若考慮原子的相互作用：3.5 濺射過程濺射過程601. 靶材原子進(jìn)入氣態(tài)：靶材原子進(jìn)入氣態(tài)：靶材原子發(fā)射靶材原子發(fā)射 靶材原子靶材原子 (1 - 2 %) 發(fā)射電子發(fā)射電子 維持等離子體維持等離子體 Ar+ 變?yōu)樽優(yōu)锳r原子反射原子反射 Ar 埋入靶材埋入靶材 發(fā)射光子發(fā)射光子61我們對(duì)第一種最感興趣：靶材原子進(jìn)入氣態(tài)我們對(duì)第一種最感興趣：靶材原子進(jìn)入氣態(tài) 動(dòng)量傳遞過程動(dòng)量傳遞過程 包含表面包含表面10 硬質(zhì)小球碰撞模型硬質(zhì)小球碰撞模型 對(duì)能量對(duì)能量 冷卻靶材冷卻靶材 5 %入射能量被濺射

33、的靶材原子帶走入射能量被濺射的靶材原子帶走 能量一般為能量一般為5-100 eV 靶材原子的發(fā)射并非均勻分布靶材原子的發(fā)射并非均勻分布 更多的原子垂直于靶材表面更多的原子垂直于靶材表面 服從余弦分布服從余弦分布cosine distribution (象平面源象平面源) 63影響因素影響因素 參與濺射的原子層數(shù)參與濺射的原子層數(shù) 離子在靶材中的平均自由程離子在靶材中的平均自由程 一般為一般為2 層層 靶材原子的表面密度靶材原子的表面密度 離子與靶材原子的碰撞截面離子與靶材原子的碰撞截面64 2. 傳輸傳輸 靶材原子穿過靶材原子穿過Ar 氣和等離子體氣和等離子體 每每 10,000 Ar 中性原

34、子中含有中性原子中含有 1 Ar+ 離子離子 等離子體中電子與等離子體中電子與 Ar 原子碰撞產(chǎn)生離子和更多的電子原子碰撞產(chǎn)生離子和更多的電子 靶材原子靶材原子與與 Ar 原子、原子、Ar+ 離子和電子發(fā)生碰撞離子和電子發(fā)生碰撞 作為作為random walk “擴(kuò)散擴(kuò)散” 經(jīng)過氣體經(jīng)過氣體 靶材原子能量損失靶材原子能量損失(下降到下降到 1-10 eV) 化學(xué)反應(yīng)可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可能發(fā)生 并非射線發(fā)射過程（并非射線發(fā)射過程（ line of sight ） (低壓除外低壓除外) 因此可以在角落處鍍膜因此可以在角落處鍍膜65 (book) 靶材原子和離子注入靶材原子和離子注入 電子注入電子注入

35、 Ar 原子注入原子注入 Ar 氣壓氣壓 0.1 torr Ar 可能進(jìn)入薄膜可能進(jìn)入薄膜 能量離子可以改變生長(zhǎng)模式能量離子可以改變生長(zhǎng)模式663. 沉積沉積67Ar 氣壓氣壓 最佳沉積速率約最佳沉積速率約100 mTorr 權(quán)衡權(quán)衡 增加增加 Ar 離子數(shù)離子數(shù) 增加增加 Ar 離子與離子與Ar 原子的散射原子的散射 如果可以增加如果可以增加 Ar 離子數(shù)離子數(shù) 而不增加而不增加 Ar 原子，就可以在更低原子，就可以在更低的氣壓下進(jìn)行的氣壓下進(jìn)行4. 相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)6869- 薄膜沉積速率與濺射氣壓和電流變量有關(guān)薄膜沉積速率與濺射氣壓和電流變量有關(guān) P : 離子發(fā)射離靶材太遠(yuǎn)（損失）離子發(fā)

36、射離靶材太遠(yuǎn)（損失） 電子平均自由程電子平均自由程 電離效率低電離效率低 SB , 濺射更多的濺射更多的A 表面富表面富B . . BAB. B. BA. B . AB 表面富表面富B = 更多的更多的B被被濺射被被濺射. ABABBABABBAB 表面成分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)表面成分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) 表面富表面富B 濺射總體成分濺射總體成分 fASA / CA = fBSB / CB where f = 表面分?jǐn)?shù)表面分?jǐn)?shù) and C = 總體成分總體成分合金靶材需要預(yù)處理，在正式沉積之前濺射除掉幾百合金靶材需要預(yù)處理，在正式沉積之前濺射除掉幾百 74過程過程3. 7 濺射方法濺射方法Diode sput

37、tering/二級(jí)濺射二級(jí)濺射 DC/直流直流 DC+Bias/直流直流+偏壓偏壓 Asymmetric AC/非對(duì)稱交流非對(duì)稱交流 RF/射頻射頻 Absorption/吸收吸收75761.1. 濺射的特點(diǎn)濺射的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓固體任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓固體l濺射膜與基板之間的附著性好濺射膜與基板之間的附著性好 濺射原子的能量濺射原子的能量10ev，蒸發(fā)，蒸發(fā)0.1ev。 表面遷移強(qiáng)，濺射清洗作用，偽擴(kuò)散層。表面遷移強(qiáng)，濺射清洗作用，偽擴(kuò)散層。l濺射鍍膜膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高濺射鍍膜膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高不

38、存在真空鍍膜時(shí)無法避免的坩堝污染現(xiàn)象。不存在真空鍍膜時(shí)無法避免的坩堝污染現(xiàn)象。l膜厚可控性和重復(fù)性好膜厚可控性和重復(fù)性好 缺點(diǎn)（缺點(diǎn)（針對(duì)二極濺射）針對(duì)二極濺射）u 濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置u 濺射淀積的成膜速度低，濺射淀積的成膜速度低， 真空蒸鍍：真空蒸鍍：0.15m/min， 濺射：濺射：0.010.5m/min。u 基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響等基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響等 772.2. 濺射的類型濺射的類型78 二極濺射二極濺射靶為陰極，基片為陽極，由輝光放電產(chǎn)生等離子體靶為陰極，基片為陽極，由輝光放電產(chǎn)生等離子體工作氣壓：工作氣壓：110Pa缺點(diǎn)：缺

39、點(diǎn)：a. 濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，工藝重復(fù)性差；濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，工藝重復(fù)性差；798080b. 真空度低，真空度低，1-10Pa，方能維持放電。，方能維持放電。c. 殘留氣體對(duì)膜層的污染較嚴(yán)重。殘留氣體對(duì)膜層的污染較嚴(yán)重。d. 淀積速率低，小于淀積速率低，小于10nm/min；e. 基板的溫升高，輻照損傷大；基板的溫升高，輻照損傷大；f. 靶材必須是良導(dǎo)體。靶材必須是良導(dǎo)體。 偏壓濺射偏壓濺射81二極濺射中：基片與陽極同電位二極濺射中：基片與陽極同電位偏壓濺射：偏壓濺射：基片與陽極分離，基片與陽極分離，在基片上加偏壓。在基片上加偏壓。偏壓的作用偏壓的作用82a.若加負(fù)偏壓（基片電位低于陽極

40、電位）若加負(fù)偏壓（基片電位低于陽極電位） 可以提高薄膜的純度和附著力?？梢蕴岣弑∧さ募兌群透街?。 除掉吸附氣體；除掉吸附氣體；離子轟擊基片離子轟擊基片 除掉附著力差的淀積原子；除掉附著力差的淀積原子； 清洗作用。清洗作用。b. 偏壓可改變薄膜的結(jié)構(gòu)偏壓可改變薄膜的結(jié)構(gòu) 偏壓在（偏壓在（-100+10V） 四方結(jié)構(gòu)，電阻率高；四方結(jié)構(gòu)，電阻率高； 偏壓偏壓-100V， BCC結(jié)構(gòu)，電阻率低。結(jié)構(gòu)，電阻率低。c. 偏壓可改變薄膜中雜質(zhì)離子的濃度偏壓可改變薄膜中雜質(zhì)離子的濃度83在負(fù)偏壓大于在負(fù)偏壓大于20v以上時(shí)，以上時(shí)，電阻率迅速下降，電阻率迅速下降，O2已從已從鉭膜中濺射出來。鉭膜中濺射出來

41、。當(dāng)負(fù)偏壓較高時(shí)，電阻率當(dāng)負(fù)偏壓較高時(shí)，電阻率逐漸上升，逐漸上升，Ar滲入薄膜。滲入薄膜。 三極或四極濺射三極或四極濺射8485二極濺射：放電靠離子轟擊陰極發(fā)射二次電子來維持，二極濺射：放電靠離子轟擊陰極發(fā)射二次電子來維持， 因此需較高的工作氣壓。因此需較高的工作氣壓。三極濺射：由熱陰極發(fā)射電子來維持放電，三極濺射：由熱陰極發(fā)射電子來維持放電， 同時(shí)使靶電位低于等離子體電位，同時(shí)使靶電位低于等離子體電位， 陽極和基板支架分離，陰極和靶分離。陽極和基板支架分離，陰極和靶分離。熱陰極發(fā)射的電流密度熱陰極發(fā)射的電流密度四極濺射：在三極濺射的基礎(chǔ)上增加輔助陽極，四極濺射：在三極濺射的基礎(chǔ)上增加輔助陽極， 作用是使放電更加穩(wěn)定。作用是使放電更加穩(wěn)定。)exp(2kTeATj86優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：轟擊靶的離子電流和離子能量可獨(dú)立控制，轟擊靶的離子電流和離子能量可獨(dú)立控制，工藝重復(fù)性提高；工藝重復(fù)性提高；2. 在較低的氣壓下能維持放電（在較低