第四章薄膜的物理气相沉积Ⅱ溅射法.pptx

n4.1 辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体n4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象n4.3 溅射沉积技术溅射沉积技术 第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法n溅射法溅射法n利用带电离子在电磁场的作用下获得足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。射向衬底，在衬底上形成薄膜。n溅射法的分类溅射法的分类n直流溅射直流溅射 射频溅射射频溅射n磁控溅射磁控溅射 反应溅射反应溅射n偏压溅射偏压溅射 第四章第四章 薄膜制备技术薄膜制备技术-溅射法溅射法n溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点（1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实 现溅射现溅射（2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好）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）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）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获 得厚度均匀的薄膜得厚度均匀的薄膜n靶材是需要被溅射的物质，作为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，阴极，相对阳极加数千伏电压，在在真真空空室室内内充充入入Ar气气，在在电电极极间间形成辉光放电。形成辉光放电。n辉辉光光放放电电过过程程中中，将将产产生生Ar离离子子，阴阴极极材材料料原原子子，二二次次电电子子，光光子子等。等。4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体一、辉光放电的物理基础一、辉光放电的物理基础n等离子体等离子体 等等离离子子体体是是一一种种中中性性、高高能能量量、离离子子化化的的气气体体，包包含含中中性性原原子子或或分分子子、原原子子团团、带带电电离离子子和和自自由由电电子。子。n作用：作用：1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属、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辉光放电和等离子体 产生辉光放电产生辉光放电 通通过过混混合合气气体体中中加加直直流流电电压压、或或射射频频电电压压，混混合合气气体体中中的的电电子子被被电电场场加加速速，穿穿过过混混合合气气体体，与与气气体体原原子子或或分分子子碰碰撞撞并并激激发发他他们们，受受激激的的原原子子、或或离离子子返返回回其其最最低低能能级级时时，以以发发射射光光（或或声声子子）的形式将能量释放出来。的形式将能量释放出来。不同气体对应不同的发光颜色。不同气体对应不同的发光颜色。4.1 辉光放电和等离子体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辉光放电和等离子体CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine(neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体n直直流流电电源源E,提提供供电电压压V和和电电流流I则则 V=E-IR。1、辉光放电过程包括、辉光放电过程包括n初始阶段初始阶段AB：I=0 无光放电区无光放电区n汤生放电区汤生放电区BC：I迅速增大迅速增大n过过渡渡区区CD：离离子子开开始始轰轰击击阴阴极极，产产生生二二次次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子电子，又与气体分子碰撞产生更多离子n辉光放电区辉光放电区DE：I增大，增大，V恒定恒定n异常辉光放电区异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区：溅射所选择的工作区n弧光放电：弧光放电：I增大，增大，V减小减小n弧弧光光放放电电区区FG：增增加加电电源源功功率率，电电流流迅迅速速增加增加4.1 辉光放电和等离子体辉光放电和等离子体ABCDEFG 2、辉光放电区域的划分辉光放电区域的划分n阴极辉光；阴极辉光；阴极暗区；阴极暗区；负辉光区；法拉第暗区；负辉光区；法拉第暗区；n阳极柱；阳极暗区；阳极辉光阳极柱；阳极暗区；阳极辉光n暗暗区区是是离离子子和和电电子子从从电电场场中中获获取取能能量量的的加加速速区区，辉辉光光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。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辉光放电和等离子体4.2 物质的溅射现象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。程的相对重要性取决于入射离子的能量。一、溅射的产额：一、溅射的产额：被被溅溅射射出出来来的的原原子子个个数数与与入入射射离离子子数数之之比比。它它与与入入射射能能量量，入入射射离离子子种种类类，溅溅射射物物质质种种类类及及入入射射离离子子的入射角度有关。的入射角度有关。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象图3.7n入射离子能量的影响入射离子能量的影响n只只有有入入射射离离子子能能量量超超过过一一定定阈阈值值以以后后，才才能能从从被被溅溅射射物物质质表表面面溅溅射射出出离离子子，阈阈值值能能量量与与入入射射离离子子的的种种类类关关系系不不大大，与与被被溅溅射射物物质质的的升升华华热热有一定比例关系有一定比例关系n随随入入射射离离子子能能量量的的增增加加，溅溅射射产产额额先先增增加加，然然后后处处于于平平缓缓（10Kev)，离离子子能能量量继继续续增增加加，溅溅射产额反而下降射产额反而下降 4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象n2 入射离子的种类和被溅射物质的种类入射离子的种类和被溅射物质的种类 通通常常采采用用惰惰性性气气体体离离子子来来溅溅射射，由由图图3.7知知，重重离离子子的的溅溅射射产产额额比比轻轻离离子子高高，但但考考虑虑价价格格因因素，通常使用氩气作为溅射气体。素，通常使用氩气作为溅射气体。用用相相同同能能量量的的离离子子溅溅射射不不同同的的物物质质，溅溅射射产产额额也也是是不不同同的的，Cu,Ag,Au产产额额高高，而而Ti,W,Mo等产额低。等产额低。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象3、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响倾倾斜斜入入射射有有利利于于提提高高产产额额，但但当当入入射射角角接接近近80 时时，产产额额迅迅速速下降下降n合金的溅射和沉积：合金的溅射和沉积：溅溅射射法法的的优优点点所所制制备备的的薄薄膜膜的的化化学学成成分分与与靶靶材材基基本一致。本一致。n自自动动补补偿偿效效应应：溅溅射射产产额额高高的的物物质质已已经经贫贫化化，溅溅射射速速率率下下降降，而而溅溅射射产产额额低低的的物物质质得得到到富富集集，溅溅射射速速率上升。率上升。4.2 物质的溅射现象物质的溅射现象4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）气体离子气体离子靶材离子靶材离子二次电子二次电子一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性n溅射气压溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。，太低和太高都不利于薄膜的形成。n阴阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍倍n溅射电压溅射电压1-5KV。n靶材必须为金属。靶材必须为金属。n为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。倍。一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性n工作原理：工作原理：n当当加加上上直直流流电电压压后后，辉辉光光放放电电开开始始，正正离离子子打打击击靶靶面面，靶靶材材表表面面的的中中性性原原子子溅溅射射出出，这这些些原原子子沉沉积积在在衬衬底底上上形形成成薄薄膜。膜。n在在离离子子轰轰击击靶靶材材的的同同时时，也也有有大大量量二二次次电电子子从从阴阴极极靶靶发发射射出出来来，被被电电场场加加速速向向衬衬底底运运动动，在在运运动动过过程程中中，与与气气体体原原子子碰碰撞撞又又产产生生更更多多的的离离子子，更更多多的的离离子子轰轰击击靶靶材材又又释释放放出出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。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一、直流溅射装置及特性n气气体体压压强强太太低低或或阴阴-阳阳极极距距离离太太短短，二二次次电电子子达达到到阳阳极极之之前前不不能能有有足足够够多多的的离离化化碰碰撞撞发发生生。反反之之所所产产生生的的离离子子会会因因非非弹弹性性碰碰撞撞而而减减速速，打打击击靶靶材材时时不不会会产产生生足足够够的的二二次次电电子子。另另外外溅溅射射出出来来的的靶靶材材原原子子在在飞飞向向衬衬底底的的过过程程中中将将会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。n直直流流溅溅射射若若要要保保持持一一定定的的溅溅射射速速率率，就就必必须须一一定定的的工工作作电电流流，要要求求靶靶材材为为金金属属靶靶。若若是是导导电电性性差差的的靶靶材材，在在离离子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。三极溅射三极溅射在低压下，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。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直流溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性n射频电源的频率射频电源的频率13.56MHzn射频溅射电压射频溅射电压1-2KVn射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网。n在在射射频频溅溅射射系系统统中中，衬衬底底接接地地，以以避避免免不不希希望望的的射射频频电电压在衬底表面出现。压在衬底表面出现。n靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性n工作原理工作原理n在在射射频频溅溅射射系系统统中中，射射频频电电势势加加在在位位于于绝绝缘缘靶靶下下面面的的金金属属电电极极上上，在在射射频频电电场场作作用用下下，在在两两电电极极间间振振荡荡运运动动的的电电子子具具有有足足够够高高的的能能量量产产生生离离化化碰碰撞撞，从从而而使使放放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要。n由由于于电电子子比比离离子子具具有有较较高高的的迁迁移移率率，相相对对于于负负半半周周期期，正正半半周周期期内内将将有有更更多多的的电电子子到到达达绝绝缘缘靶靶表表面面，而而靶靶变变成成负负的的自自偏偏压压。它它将将在在表表面面附附近近排排斥斥电电子子，吸吸引引正正离离子，使离子轰击靶，产生溅射。子，使离子轰击靶，产生溅射。二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性n电电源源与与电电极极间间有有电电容容存存在在，隔隔绝绝电电荷荷流流通通的的路路径径，自自发发产产生生负负的的自自偏偏压压的的过过程程与与靶靶材材是是绝绝缘缘体体和和金金属无关。属无关。n射射频频电电压压周周期期性性地地改改变变每每个个电电极极的的电电位位，因因而而每每个个电电极极都都可可能能因因自自偏偏压压效效应应而而受受到到离离子子轰轰击击。实实际际解解决决的的办办法法将将样样品品台台和和真真空空室室接接地地，形形成成一一个个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。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三、磁控溅射装置及特性4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置1直流电源直流电源 2出水口出水口 3进水口进水口 4进气口进气口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏压基片偏压三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性n磁磁场场的的作作用用使使电电子子不不再再做做平平行行直直线线运运动动，而而是是围围绕绕磁磁力力线线做做螺螺旋旋运运动动，这这就就意意味味着着电电子子的的运运动动路路径径由由于于磁磁场场的的作作用用而而大大幅幅度度地地增增加加，从从而而有有效效地地提提高高了了气气体体的的离离化化效效率率和和薄薄膜的沉积速率。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：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、磁场中电子的电离效率提高 2、在较低气压下（、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小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，从而提高薄膜提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 的质量。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三三、磁磁控控溅溅射射装装置置及及特特性性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性 在在存存在在反反应应气气体体的的情情况况下下，溅溅射射靶靶材材时时，靶靶材材料料与与反反应应气气体体反反应应形形成成化化合合物物，这这种种在在沉沉积积的的同同时时形形成成化化合合物物的的溅溅射射称为反应溅射。称为反应溅射。利利用用化化合合物物直直接接作作为为靶靶材材溅溅射射生生长长薄薄膜膜时时，可可能能薄薄膜膜与与靶靶材材的的成成分分偏偏离离，如如制制备备氧氧化化物物薄薄膜膜时时，会会造造成成氧氧含含量量偏偏低低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。这时可在溅射气体中通入适量的氧气。4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置四、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：薄膜。如：氧化物：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2，In2O3，SnO2等等(反应气体反应气体O2）碳化物：碳化物：SiC，WC，TiC等等(反应气体反应气体CH4）氮化物：氮化物：BN，FeN TiN，AlN，Si3N4等等(反应气体反应气体N2）硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反应气体反应气体H2S）化合物：化合物：Ti-Si-N,Fe-B-Si,YBa2Cu3O7五、偏压溅射装置及特性五、偏压溅射装置及特性 偏偏压压溅溅射射是是在在一一般般溅溅射射的的基基础础上上，在在衬衬底底与与靶靶材材间间加加一一定定的的偏偏压压，以以改改变变入入射射离离子子能能量量和和离离子子数数，达达到到改改善善薄膜的结构和性能。薄膜的结构和性能。如如图图所所示示，改改变变偏偏压压可可改改变变Ta薄膜的电阻率。薄膜的电阻率。溅射制备的溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化薄膜的电阻率随偏压的变化4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置六、离子束溅射六、离子束溅射在在离离子子束束溅溅射射沉沉积积中中，由由离离子子源源产产生生的的离离子子束束通通过过引引出出电电极极引引入入真真空空室室，打打到到靶靶材材上上溅溅射射，实现薄膜沉积。实现薄膜沉积。六、离子束溅射六、离子束溅射六、离子束溅射六、离子束溅射4.3 溅射沉积装置溅射沉积装置作业1.描述溅射产额？描述溅射产额？2.解释溅射的物理过程解释溅射的物理过程3.列出并解释溅射过程的列出并解释溅射过程的6个步骤？个步骤？4.溅射沉积的优点是什么？溅射适合于合金沉积吗？溅射沉积的优点是什么？溅射适合于合金沉积吗？5.描述描述RF溅射系统？什么是它的主要限制？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？讨论磁控溅射系统是怎样提高沉积速率的？n1解释下列名词：互连、接触、通控和填充塞解释下列名词：互连、接触、通控和填充塞n2列出并描述金属用于硅片制造的列出并描述金属用于硅片制造的7种要求种要求n3列出用于半导体制造业的金属和合金的种类列出用于半导体制造业的金属和合金的种类n4讨论电迁徙是怎样影响稳定性的讨论电迁徙是怎样影响稳定性的n5列出并讨论引入铜金属化的五大优点？列出并讨论引入铜金属化的五大优点？n6互连金属转向铜时所面临的三大主要挑战是什么？互连金属转向铜时所面临的三大主要挑战是什么？n7什么是阻挡层金属，阻挡层材料的基本特性是什什么是阻挡层金属，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？么？那种金属常被用作阻挡层金属？n8定义硅化物，并解释难溶金属硅化物在硅片制造业定义硅化物，并解释难溶金属硅化物在硅片制造业 中重要的原因？中重要的原因？