溅射镀膜类型教学提纲.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,*,*,*,*,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,溅射镀膜类型,溅射镀膜的方式很多，,从,电,极,结构,上可分为二极溅射、三或四极溅射和磁控溅射,。,直流溅射,系统一般只能用于靶材为良导体的溅射；,射频溅射,适用于绝缘体、导体、半导体等任何一类靶材的溅射；,反应溅射,可制备化合物薄膜；,为了提高薄膜纯度而分别研究出,偏压溅射、非对称交流溅射,和,吸气溅射,等；,对向靶溅射,可以进行磁性薄膜的高速低温制备。,各种溅射镀膜类型的比较,一二极溅射,阴极,靶由镀膜材料制成,成膜的基板及其固定架作为,阳极，,构成了溅射装置的两个极。,使用直流电源则称为,直流二极溅射,，因为溅射过程发生在阴极，故又称为,阴极溅射,。,使用射频电源时称为,射频二极溅射,。,靶和基板固定架都是平板状的称为,平面二极溅射,。,若二者是同轴圆柱状布置就称为,同轴二极溅射,。,二级溅射结构原理图,基片,直流二极溅射原理,先将真空室预抽到,高真空,（如,10,-3,Pa,），然后，通入惰性气体（通常为,氩气）,，使真空室内压力维持在,1,10Pa,；,接通电源（,直流负高压,），,电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与Ar原子发生碰撞，,电离出大量的,Ar+,和电子，电子飞向基片，在此过程中不断和Ar原子碰撞，产生更多的Ar+和电子,，,Ar+离子,经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生,二次电子,，二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子,更多的离子轰击靶又释放更多的电子，从而使,辉光放电达到自持,；,从靶面飞溅出来的粒子以足够的,动能,飞向阳极并沉积在,基材,表面，形成镀层,。,靶材,基片,V(0),E,+,Ar,Ar,+,-,e,-,e,-,e,+,Ar,+,溅射过程,中涉及到复杂的,散射过程,和多种能量传递过程：首先，入射粒子与靶材原子发生,弹性碰撞,，入射粒子的一部分动能会传给靶材原子，某些靶材原子的动能超过由其周围存在的其它原子所形成的势垒(对于金属是5-10eV)，从而从晶格点阵中被碰撞出来，产生,离位原子,，并进一步和附近的原子依次,反复碰撞,，产生,碰撞级联,。当这种碰撞级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能大于表面结合能(对于金属是1-6eV)，这些原子就会从靶材表面,脱离,从而进入真空。,直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。因此，,在溅射镀膜过程中，溅射效应是手段，沉积效应是目的，电离效应是条件。,为了提高淀积速率，在不影响辉光放电前提下，基片应尽量靠近阴极靶。但基片接近阴极时，甚至在未达到阴极暗区之前，就会产生,放电电流急剧变小,而使溅射速率下降的现象。,这时，从基片上膜厚分布来看,，,在阴极遮蔽最强的中心区膜最薄。,因此，有关资料指出：,阴极靶与基片间的距离以大于阴极暗区的34倍,较为适宜。,直流二极溅射的,工作参数,为溅射功率、放电电压、气体压力和电极间距。溅射时主要监视功率、电压和气压参数。当电压一定时，放电电流与气体压强的关系如图3-32所示。,气体压力不低于lPa，阴极靶电流密度为0.15 1.5MA/CM,。,优点,：,结构简单,，可获得大面积,膜厚均匀,的薄膜。,缺点,：,（,1,）溅射,参数不易独立控制,，放电电流易随电压和气压变化，,工艺重复性差,；2,）,气体压力较高,（,10Pa,左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污染及提高溅射效率，使,薄膜纯度较差,，,成膜速度慢,；,（,3,）,电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在基片上,速度快,，导致,基片温度升高,；,（,4,）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，,靶材必须是导体,。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的,正电荷,传递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子,电荷无法中和,，这将导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，,两极间的离子加速,与,电离的机会将变小，甚至不能电离导致不能连续放电甚至放电停止，溅射停止,。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射法。）,二,、偏压溅射,直流偏压溅射的原理示意如图所示。它与直流二极溅射的区别在于,基片上施加一固定直流偏压。,特点：,（1）,若施加的是,负偏压,，则在薄膜淀积过程中，,基片表面都将受到气体离子的稳定轰击,，随时清除可能进入薄膜表面的气体，有利于,提高薄膜的纯度,。并且也,可除掉粘附力弱的淀积粒子,，加之在淀积之前可对基片进行,轰击清洗,，使,表面净化,，从而,提高了薄膜的附着力。,直流偏压溅射的原理示意图,（2）,偏压溅射还可,改变淀积薄膜的结构,。图3-34示出了基片加不同偏压时钽膜电阻率的变化。偏压在-100V至100V范围，膜层电阻率较高，属,-Ta即,四方晶结构,。当负偏压大于100V时，电阻率迅速下降，这时钽膜已相变为,正常体心立方结构,。这种情况很可能是因为,基片加上正偏压后，成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。,图3-34 钽膜电阻率与基片偏压关系,三,、三极或四极溅射,二极直流溅射,只能在较高气压下进行，因为它是依赖离子轰击阴极所发射的,次级电子来维持辉光放电,。如果气压降到1.32.7Pa（1020mTorr）时，,则阴极暗区扩大，电子自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电便无法维持,。,在低压下，为了,增加离化率并保持放电自持,，一个可供选择的方法就是,提供一个额外的电子源,（额外电子源提供具有合适能量的额外电子,保持高离化效率），而不是从靶阴极获得电子。,三极溅射,克服了二极溅射的缺点，它在,真空室内附加一个独立的电子源热阴极,（热阴极通常是一加热的钨丝，他可以承受长时间的离子轰击），它,通过热离子辐射形式发散电子并和阳极产生等离子体,，同时使靶相对于该等离子体为负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅射。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四电极,稳定化电极,，即称为,四极溅射。,原理：,等离子区由热阴极和一个与靶无关的阳极来维持，并通过外部线圈所提供的磁场，将等离子体限域在阳极和灯丝阴极之间。而靶偏压是独立的，这就大大降低了靶偏压。,当在靶上施加一相对于阳极的负高压，溅射就会出现，如同在二级辉光放电那样，离子轰击靶，靶材便沉积在基片上。,负电位,但是，若对稳定性电极,加+300V电压时,，只要稍微,提,高一点气压（由G至T），放电即可重新开始。即,稳定性电极的作用使稳定放电的范围从D点扩大到T点，使放电气压提高一个数量级,。因此，四极溅射的主阀几乎可在全开状态下进行溅射。靶电流主要决定于阳极电流，而不随靶电压而变，因此，,靶电流和靶电压可独立调节,，从而克服了二极溅射的相应缺点。,稳定电极的作用,在于使放电趋于稳定。,如,图,3-37所,示阳极电流与气体压力的关系，从图看出，若从E点降低气压，放电电流逐渐减小，到F-G点放电停止，为使放电重新开始，要提高气体压力。若稳定性电极为,自由电位,时，必须将气压由G点提高到D点才能再行放电。,稳定电极电位,优点：,1、克服了二极直流溅射只能在较高气压下进行的缺点；,2、由于靶电压低，对基片的,溅射损伤小,，适宜用来制作半导体器件和集成电路，并已取得良好效果；,3、三极溅射的进行不再依赖于阴极所发射的二次电子，溅射速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的,可控性,和,工艺重复性；,4、四极溅射的稳定电极使放电趋于,稳定,。,缺点：,1、三（四）极溅射还不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的,温升较高,；,2、灯丝,寿命短,也还存在灯丝的不纯物使膜层,沾污,等问题；,3、这种溅射方式并,不适用于反应溅射,，特别在用氧作反应气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。,四、射频溅射,直流溅射装置只能溅射导体材料,，由于放电不能持续而不能溅射绝缘物质。于是出现了射频溅射。,射频溅射装置如图所示：相当于直流溅射装置中的直流电源部分改由,射频发生器、匹配网络和电源,所代替，利用,射频辉光放电,产生溅射所需正离子。,机理：,(1),射频电源对绝缘靶之所以能进行溅射镀膜，主要是因为在绝缘靶表面上建立起,负偏压,的缘故。在靶上施加,射频电压,，,由于交流电源的正负性发生周期交替,当溅射靶处于正,半周期,时，由于,电子,的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高仅用很短时间就可以飞向靶面，,中和其表面积累的正电荷，,并且在靶面又迅速,积累大量的电子,，,使其表面呈现,负偏压,，导致在射频电压的负半周时吸引正离子轰击靶材，从而在正、负半周中，均可实现对绝缘材料的溅射。,（2）射频溅射的机理和特性可以用,射频辉光放电,解释。在射频溅射装置中，,等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡,，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离的几率非常大，故使得,击穿电压和放电电压显著降低,。,如射频电场强度为,式中，,，f为射频频率。在真空中的自由电子，由于射频电场的作用，所受到的力为,电子速度,速度比电场滞后90。,电子运动方程为式中，,为电子运动的振幅。,即,真空中的自由电子在交变电场作用下，以振幅为A作简谐运动,。由于在溅射条件下有气体分子存在，,电子在振荡过程中与气体分,子碰撞的几率增加,，其运动方向也从简谐运动变为,无规则的杂乱运动,。因为电子能从电场,不断吸收能量,，因此，在,不断碰撞中有足够的能量来使气体分子离化,，即使在电场较弱时，电子也能积累足够能量来进行离化，所以,射频溅射可比直流溅射在更低的电压下维护放电,。,优点：,（1）克服了直流溅射只能溅射导体材料的缺点，射频溅射能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的,几乎所有材料；,（2）减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压。,缺点：,当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能电子轰击基片，导致,基片发热、带电并损害镀膜的质量,。,谢谢！,