第四章 濺射工藝

1、微電微電0801-0803 專業(yè)選修課專業(yè)選修課 主要講授內容 第第2 2章章 真空技術基礎真空技術基礎 第第3 3章章 薄膜生長與薄膜結構薄膜生長與薄膜結構 第第4 4章章 薄膜制備的基本工藝薄膜制備的基本工藝 濺射鍍膜濺射鍍膜 第第1 1章章 薄膜技術簡介薄膜技術簡介 離子束沉積離子束沉積 化學氣相沉積化學氣相沉積 第第6 6章章 薄膜材料的應用薄膜材料的應用 第第5 5章薄膜材料的評價表證及物性測量章薄膜材料的評價表證及物性測量 表征、性質表征、性質 和應用和應用 薄膜制備方法的原理介紹薄膜制備方法的原理介紹 ， 典型薄膜材料的制備工藝介紹典型薄膜材料的制備工藝介紹 真空蒸鍍真空蒸鍍 薄

2、膜的形核、生長理論薄膜的形核、生長理論 ， 薄膜的形成與典型成長機制薄膜的形成與典型成長機制 WhatWhats the thin films?s the thin films? 真空的表征及獲得真空的表征及獲得 4-2 濺射工藝 二、濺射的基本原理 輝光放電、濺射特性、濺射鍍膜過程、濺射機理 三、濺射鍍膜的類型 二極濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射 、磁控濺射、對向靶濺射、反應濺射、離子束濺射 一、濺射鍍膜的特點 濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下高 速轟擊陰極靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀積到 被鍍襯底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。 概念： 濺射鍍膜廣泛用于

3、制備金屬、合金、半導體、氧化物、 絕緣介質，以及化合物半導體、碳化物、氮化物等薄膜。 應用： 一、濺射鍍膜的特點一、濺射鍍膜的特點 濺射鍍膜的特點： 濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點： 任何物質都可以濺射，尤其是高熔點金屬、低蒸 氣壓元素和化合物； 濺射薄膜與襯底的附著性好； 濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高； 膜層厚度可控性和重復性好。 濺射鍍膜的缺點： 濺射設備復雜，需要高壓裝置； 成膜速率較低（0.01-0.50.01-0.5mm）。 一、濺射鍍膜的特點一、濺射鍍膜的特點 輝光放電 直流輝光放電 輝光放電是在真空度約1010-1 -1PaPa的稀薄氣 體中，兩個電極之間在一定電壓下

4、產(chǎn)生的 一種氣體放電現(xiàn)象。 氣體放電時，兩電極之間的電壓和電流 的關系復雜，不能用歐姆定律描述。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 直流輝光放電 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 無光放電 由于宇宙射線產(chǎn)生的游離離子和電子在直流電壓作 用下運動形成電流，1010-16 -16-10 -10-14 -14A A。 自然游離的離子和電子是有限的，所以隨電壓增加， 電流變化很小。 湯森放電區(qū) 隨電壓升高，電子運動速度逐漸加快，由于碰撞使氣體 分子開始產(chǎn)生電離。于是在伏- -安特性曲線出現(xiàn)湯森放電區(qū)。 上述兩種情況都以自然電離源為前提，且導電而不 發(fā)光。因此

5、，稱為非自持放電。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 輝光放電 當放電容器兩端電壓進一步增大時，進入輝光放電區(qū)。 氣體擊穿 自持放電（電流密度范圍2-32-3個數(shù)量級） 電流與電壓無關（與輝光覆蓋面積有關） 電流密度恒定 電流密度與陰極材料、氣體壓強和種類有關 電流密度不高（濺射選擇非正常放電區(qū)） 此稱為正常輝光放電 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 非正常輝光放電區(qū) 當轟擊覆蓋住整個陰極表面之后，進一步增加功率， 放電電壓和電流同時增加，進入非正常輝光放電。 特點：電流增大時，放電電極間電壓升高，且陰極電 壓降與電流密度和氣體壓強有關。 陰極表面情

6、況：此時輝光布滿整個陰極，離子層已無 法向四周擴散，正離子層向陰極靠攏，距離縮短。 此時若想提高電流密度，必須增加陰極壓降，結果更多 的正離子轟擊陰極，更多的二次電子從陰極產(chǎn)生。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 弧光放電區(qū) 異常輝光放電時，常有可能轉變?yōu)榛」夥烹姷奈ｋU。 極間電壓陡降，電流突然增大，相當于極間短路； 放電集中在陰極局部，常使陰極燒毀； 損害電源。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 正常輝光與異常輝光放電 在正常輝光放電區(qū)，陰極有效放電面積隨電流增加 而增大，從而使有效區(qū)內電流密度保持恒定。 當整個陰極均成為有效放電區(qū)域后，只有增加陰

7、極電流 密度，才能增大電流，形成均勻而穩(wěn)定的“異常輝光放電”， 并均勻覆蓋基片，這個放電區(qū)就是濺射區(qū)域濺射區(qū)域。 在濺射區(qū)：濺射電壓V，電流密度j和氣體壓強p遵守以下關 系： 式中， E和F是取決于電極材料、尺寸和氣體種類的常數(shù)。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 正常輝光與異常輝光放電 進入異常輝光放電區(qū)后，繼續(xù)增加電壓，有： 更多的正離子轟擊陰極產(chǎn)生大量的電子發(fā)射 陰極暗區(qū)收縮 式中， d為暗區(qū)寬度， A、B為常數(shù) 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 阿斯頓暗區(qū) 冷陰極發(fā)射的電子約1eV1eV左右， 很少發(fā)生電離，所以在陰極附近形 成阿斯頓暗區(qū)。

8、陰極輝光區(qū) 加速電子與氣體分子碰撞后，激發(fā) 態(tài)分子衰變以及進入該區(qū)的離子復合 形成中性原子，形成陰極輝光。 穿過陰極輝光區(qū)的電子，不易與 正離子復合，形成又一個暗區(qū)。 克魯克斯暗區(qū) 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 負輝光區(qū) 電子在高濃度正離子積聚區(qū)經(jīng) 過碰撞速度降低，復合幾率增加， 形成明亮的負輝光區(qū)。 正離子移動速度慢，產(chǎn)生積聚， 電位升高；與陰極之間的電位差成 為陰極壓降。 隨著電子速度增大，很快獲得 了足以引起電離的能量，于是離開 陰極暗區(qū)后使大量氣體電離，產(chǎn)生 大量的正離子。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 法拉第暗區(qū) 此區(qū)域電壓降很小，

9、類似一個 良導體。 法拉第暗區(qū)過后，少數(shù)電子逐漸 加速，并使氣體電離；由于電子較 少，產(chǎn)生的正離子不會形成密集的 空間電荷。 少數(shù)電子穿過負輝光區(qū)，形 成暗區(qū)。 正離子柱 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 輝光放電陰極附近的分子狀態(tài) 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 與濺射現(xiàn)象有關的重要問題： 在克魯克斯暗區(qū)周圍形成的正離子沖擊陰極； 電壓不變而改變電極間距時，主要發(fā)生變化的是 陽極光柱的長度，而從陰極到負輝光區(qū)的距離幾乎 不變。 濺射鍍膜裝置中，陰極和陽極之間距離至少要大于 陰極于負輝光區(qū)的距離。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光

10、放電 低頻輝光放電 在低于50kHz50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的 時間在每個半周期內，在各個電極上建立直流輝光 放電，稱為低頻直流輝光放電。 基本原理與特性與直流輝光放電相同。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 射頻輝光放電 電壓變化周期小于電離或消電離所需時間。離 子濃度來不及變化，電子在場內作振蕩運動。 特點： 在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量， 足以產(chǎn)生碰撞電離； 由于減少了放電對二次電子的依賴，降低了擊穿 電壓； 射頻電壓可以通過各種阻抗偶合，所以電極可以 是非金屬材料。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 耦合特性：電極

11、表面電位自動偏置為負極性 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 輝光放電 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 輝光放電 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 輝光放電 輝光放電空間與靶和接地電極之間的電壓存在如下 關系： 式中， Ac和Ad 分別為容性耦合電極（靶）和直接耦合電 極（接地電極）的面積。 由于Ad Ac ，所以Vc Vd 。在射頻輝光放電時，等 離子體對接地的基片（襯底）只有極微小的轟擊，而對 濺射靶進行強烈轟擊使之產(chǎn)生濺射。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射閾值 所謂濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離

12、子 所必須具有的最小能量。 濺射閾值的測定非常困難，目前已能測出低于10-5 原子/離子的濺射率。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射閾值 對絕 大多 數(shù)金 屬來 說， 濺射 閾值 為 103 0eV 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射閾值 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射率 濺射率是指正離子轟擊陰極靶時，平均每個正離子能 從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)：S 。 濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、 晶格結構、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特

13、性濺射率 1. 1. 靶材料 濺射率與靶材料種類的關系可用周期律來說明。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射率 2.2.入射離子能量 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射率 3.3.入射離 子種類 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射率 4.4.入射離子的入射角 入射離子的入射角是指離子入射方 向與濺射靶材表面法線之間的夾角。 0-600-60之間服從1/ cos規(guī)律 60-8060-80時，濺射率最大 9090時，濺射率為零 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射率 4.4.入射離子的入射角 二、濺射鍍膜

14、的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射率 4.4.入射離子的入射角 S() 和S(0)對于不同靶材和入射離子種類有如下規(guī)律： 對于輕元素靶材， 的比值變化顯著 對于重離子入射時， 的比值變化顯著； 隨著入射離子能量的增加， 呈最大值的度逐漸增 大， 的最大值在入射離子能量超過2keV2keV時，急劇 減小。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性濺射率 5.5.靶材溫度 靶材存在與升華相關的某一 溫度。低于此溫度時， 濺射 率幾乎不變； 高于此溫度時， 濺射率急劇增加。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射原子的能量和速度 濺射原子的能量（ 5

15、- 1 0 5 - 1 0 eVeV） 比熱蒸發(fā)原子 能量（0.1eV0.1eV）大1-21-2個數(shù)量級。 濺射原子的能量與靶材、入射離子種類和能 量、濺射原子的方向等有關。 幾組實驗數(shù)據(jù)曲線: 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性- 濺射原子的能量和速度 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射原子的能量和速度 重元素靶材濺射出來的原子有較高的能量；而輕元素靶材 則有較高的速度； 不同靶材具有不同的原子逸出能量，而濺射率高的靶材， 通常具有較低的平均逸出能量； 在入射離子能量相同時，原子逸出能量隨入射離子質量線 性增加；入射離子質量小，原子逸出能量低；反

16、之亦然。 平均逸出能量隨入射離子能量增加而增大，當入射離子能 量超過1keV1keV時，平均逸出能量趨于恒定； 傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量（守恒定律) 濺射原子的能量與速度有如下特點： 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射原子的角度分布 l 早期的熱蒸發(fā)理論 濺射原子的角度分布 符合KnudsenKnudsen余弦定 律，并且與入射離子 的方向無關（局部高 溫蒸發(fā)）。 實際逸出原子分布并不 遵從余弦定律。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射原子的角度分布 l 實際分布 在垂直于靶面方向明顯少于余弦分布時應有的逸出原子數(shù)。 二、濺射鍍膜

17、的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射原子的角度分布 l與晶體結構方向的關系 逸出原子與原子排列密度有關。主要逸出方向為 110110，其次為100100、111111。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射原子的角度分布 l 與靶材結構（晶態(tài) 和非晶態(tài)）的關系 單晶靶可觀察到 濺射原子明顯的擇優(yōu) 取向；多晶靶濺射原 子近似余弦分布。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射率的表達式 通過離子與固體相互作用的物理過程，可以得到如 下表達式： （1 1）離子能量小于1keV1keV，在垂直入射時，濺射率為 式中， Tm為最大傳遞能量， V0

18、靶材元素的勢壘高度， a是與 靶材原子質量和入射離子質量之比相關的常數(shù)。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 濺射率的表達式 通過離子與固體相互作用的物理過程，可以得到如 下表達式： （2 2）離子能量大于1keV1keV，在垂直入射時，濺射率為 （3 3）一般情況下，濺射率的計算可由下式處理 式中， W為靶材的損失量， m原子量， I為離子電流， t為濺射時間。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射鍍膜過程 靶材濺射過程 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射鍍膜過程 靶材濺射過程 10-100eV10-100eV能 量的ArAr+ +離 子對某

19、些金 屬表面進行 轟擊時，平 均每個入射 離子所產(chǎn)生 的各種效應 及其發(fā)生幾 率。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射鍍膜過程 濺射粒子的遷移過程 濺射粒子： 正離子：不能到達基 片 中性原子或分子 其余粒子 均能向基片遷移 中性粒子的平均自由程可以用下式表示： 式中， C1是濺射粒子的平均速度， V11是濺射粒子相互作用的平均 碰撞次數(shù)， V12是濺射粒子與工作氣體分子的平均碰撞次數(shù)。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射鍍膜過程 濺射粒子的遷移過程 一般情況下，濺射粒子密度遠小于工作氣體的分子密度，則: V11M1） 或0時（M2 M1時，有 電子不能產(chǎn)生濺射

20、。 當M2 M1時，有 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 濺射特性 雙體彈性模型： 根據(jù)能量轉移關系，可以得出濺射產(chǎn)額正比于核阻止截面。 式中， 是核阻止截面， E0入射離子能量， a是原子相互作用屏蔽半徑， U0是 表面勢能。 二、濺射鍍膜的基本原理二、濺射鍍膜的基本原理 二極直流濺射 系統(tǒng)結構： 基片 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 二極直流濺射 特點： 結構簡單，可以獲得大面積均勻薄膜。 控制參數(shù)：功率、電壓、壓力、電極間距等。 缺點 a. a. 濺射參數(shù)不易獨立控制，放電電流隨電壓和氣 壓變化，工藝重復性差； b. b. 真空系統(tǒng)多采用擴散泵，殘留氣體對膜層污染 較嚴

21、重，純度較差； c. c. 基片溫度升高，淀積速率低； d. d. 靶材必須是良導體。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 偏壓濺射 模型： 結構：基片施加負偏壓。 特點： 1. 1. 提高薄膜純度； 2. 2. 提高附著力。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 三級或四級濺射 二極直流濺射只能在高氣 壓下進行，因為它是依賴離子 轟擊陰極所發(fā)射的次級電子來 維持輝光放電。 當氣壓下降（ 1 . 3 -2.7Pa1 . 3 -2.7Pa） 時， 陰極暗區(qū)擴大，電子自由程 增加，等離子體密度下降，輝光 放電將無法維持。 負電位 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 三級或四級濺射 穩(wěn)定電 極電

22、位 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 三級或四級濺射 特點： 缺點： 1. 1. 靶電流和靶電壓可獨立調節(jié)，克服了二極濺射的缺點； 2. 2. 靶電壓低（幾百伏），濺射損傷??； 3. 3. 濺射過程不依賴二次電子，由熱陰極發(fā)射電流控制，提 高了濺射參數(shù)的可控性和工藝重復性； 不能抑制電子轟擊對基片的影響（溫度升高）；燈絲污染 問題；不適合反應濺射等。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 射頻濺射 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 射頻濺射 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 射頻濺射 特點： 缺點： 1. 1. 電子與工作氣體分子碰撞電離幾率非常大，擊穿電壓和放 電電壓顯著降低，比

23、直流濺射小一個數(shù)量級； 2. 2. 能淀積包括導體、半導體、絕緣體在內的幾乎所有材料； 3. 3. 濺射過程不需要次級電子來維持放電。 當離子能量高時，次級電子數(shù)量增大，有可能成為 高能電子轟擊基片，導致發(fā)熱，影響薄膜質量。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 磁控濺射是7070年代發(fā)展 起來的一種高速濺射技術。 磁控濺射可以使淀積速率 提高。氣體電離從0.3-0.5%0.3-0.5% 提高到5-6%5-6%。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射工作原理 磁 控 濺 射 技 術 中 使 用 了 磁 控 靶 磁控靶 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 在陰極靶

24、的表面上形成一個正交的電磁場。 濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內被加速 成為高能電子，但是它并不直接飛向陽極，而在 電場和磁場的作用下作擺線運動。 高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā) 生碰撞，傳遞能量，并成為低能電子。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 E = 0 B along y-axis v0 along z-axis E = 0 B along y-axis v0 along yz-plane 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 E along x-axis B along y-axis v0 along yz-plane E along x-axis B

25、 along y-axis v0 in z-direction E/B=0.02 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 E along x-axis B along y-axis v0 in z-direction E/B=0.1 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 特點： 1. 1. 在陰極靶的表面形成一個正交的電磁場； 2. 2. 電離效率高（電子一般經(jīng)過大約上百米的飛 行才能到達陽極，碰撞頻率約為10-7 s-1 10-7 s-1 ）； 3. 3. 可以在低真空（10-1Pa10-1Pa，濺射電壓數(shù)百伏，靶 流可達到幾

26、十毫安/m2/m2）實現(xiàn)高速濺射； 4. 4. 低溫、高速。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射源類型 圓柱狀磁控濺射源 平面磁控濺射源 S S 槍（ 錐型磁控濺 射源） 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 平面磁控濺射源 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 磁控濺射靶的最基本要求是：在陰極表面形成環(huán) 形磁場，對靶面發(fā)射的二次電子進行有效控制。 環(huán)行磁場區(qū)域一般稱為跑道，磁力線從跑道外環(huán)指 向內環(huán)（或由內環(huán)指向外環(huán)），橫貫跑道。 二次電子在跑道內作擺線運動。由于磁場強度分布 不均勻造成了離子密度的不均勻，進而形成靶面不均 勻濺射。 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 磁控濺射 三、濺射鍍膜的類型三、濺射鍍膜的類型 對向靶濺射 對于磁性材料，要實現(xiàn)低溫、 高速濺射鍍膜，由于靶的磁阻很 低，磁場幾乎完全從靶中通過， 不可