薄膜的物理氣相沉積

1、1會計學(xué)薄膜的物理氣相沉積薄膜的物理氣相沉積23隨著退火溫度升高4 第一節(jié) 氣體放電現(xiàn)象與等離子體 第二節(jié) 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象 第三節(jié) 濺射沉積裝置 第四節(jié) 其他PVD方法56濺射氣體至真空泵陽極襯底濺射靶絕緣輝光放電區(qū)V（DC）789 其中M為相應(yīng)粒子的質(zhì)量，E為粒子在碰撞后的動能，為碰撞前粒子1與運動方向與碰撞瞬間兩粒子中心連線的夾角。221221124cos()EM MEMM10輝光放電等離子體中大多數(shù)碰撞：高速電子與低速原子和離子的彈性碰撞由于M1M2，(電子質(zhì)量遠小于原子和離子質(zhì)量)221124cos1EMEM表明：氣體分子和離子從高速運動的電子處獲得的能量較小，或者說每次碰撞發(fā)生能量大

2、轉(zhuǎn)移是極小的，不會造成氣體分子的電離。11 由于M2/（M1+M2）近似等于1，而（1/2）M1v12正是碰撞前電子的動能，因此非彈性碰撞可以使電子將大部分能量轉(zhuǎn)移給其他質(zhì)量較大的粒子，如離子或原子引起其激發(fā)或電離。因此電子與其它粒子的非彈性碰撞過程是維持濺射自持放電過程的主要機制。221 1212cos2()M v MUMM12（2）激發(fā)過程： 其中的星號表示相應(yīng)的粒子已處于能量較高的激發(fā)態(tài)。（1）電離過程： 這一過程使得電子數(shù)目增加，從而使得放電過程得以繼續(xù)，上式的反過程被稱為復(fù)合。2eArAre*22eOOe*43eCFCFFe13141、開始時：電極之間幾乎沒有電流通過，只有極少量的電

3、離粒子在電場作用下定向運動，在宏觀上表現(xiàn)出很微弱的電流。2、隨著電壓的逐漸升高：電離粒子達到飽和，電流達到一個飽和值，它取決于氣體中原來已經(jīng)電離原子數(shù)。放電過程的五個階段：1516關(guān)于電暈：在110kV以上的變電所和線路 上，時常能聽到“咝咝”的放電聲和淡藍色的光環(huán)，這就是電暈。電暈的產(chǎn)生是因為不平滑的導(dǎo)體產(chǎn)生不均勻的電場，在不均勻的電場周圍曲率半徑小的電極附近當(dāng)電壓升高到一定值時，由于空氣游離就會發(fā)生放電，形成電暈。 在湯生放電的后期，放電開始進入電暈(corona)放電階段。這時，在電場強度較高的電極尖端部位開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑，因此， 這一階段被稱為電暈放電。174、輝光放電（gl

4、ow discharge）（1）正常輝光放電 湯生放電之后，氣體突然發(fā)生放電擊穿（breakdown）現(xiàn)象。電路的電流大幅度增加，同時放電電壓顯著下降。這是由于這時的氣體已被擊穿，因而氣體電阻將隨著電離度的增加而顯著下降，放電區(qū)由原來只集中于陰極的邊緣和不規(guī)則處變成向整個電極上擴展。在這一階段，導(dǎo)電粒子的數(shù)目大大增加，在碰撞過程中的能量也足夠高，因此會產(chǎn)生明顯的輝光。181920假設(shè)真空放電室中安置兩個電極，通入壓強為0.1-10Pa的Ar，當(dāng)外加直流高壓超過著火電壓時，氣體就由絕緣體變成導(dǎo)體，電流突然上升，兩極間電壓突然下降，此時兩極間就會出現(xiàn)明暗相間的光層，這就是輝光放電。三、輝光放電現(xiàn)象

5、及等離子體鞘層21輝光放電區(qū)域劃分從陰極至陽極依次為：阿斯頓暗區(qū)，陰極輝光區(qū)，克魯克斯陰極暗區(qū)，負輝光區(qū)，法拉第暗區(qū)，正輝光區(qū)，陽極暗區(qū)和陽極輝光區(qū)共八個發(fā)光強度不同的區(qū)域。2223等離子體（plasma）24等離子體的獲得方法：1）熱致電離產(chǎn)生等離子體：任何物質(zhì)加熱到足夠高的溫度后都能產(chǎn)生電離。當(dāng)粒子所具有的動能，在粒子間的碰撞中足以引起相碰粒子中的一個粒子產(chǎn)生電離時，才能得到等離子體。2）氣體放電產(chǎn)生等離子體：在工程上和實驗室廣泛采用的是氣體放電方法產(chǎn)生等離子體。性質(zhì)：1、各種帶電粒子之間存在著靜電相互作用，對外顯示出整體連續(xù)性。 2、質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團的能量遠遠

6、低于電子的能量，處于非熱平衡狀態(tài)。2526氣體放電有自持放電和非自持放電兩種。非自持放電：靠外界電離因素（如火焰、紫外線、倫琴射線或放射性等）的作用，使氣體電離而產(chǎn)生導(dǎo)電的。當(dāng)消除外界因素后，則放電就停止。自持放電：不依賴外界電離條件僅由外施電壓作用即可維持的一種氣體放電。利用氣體放電產(chǎn)生等離子體時，普遍采用氣體自持放電過程，如火花放電、電弧放電和輝光放電等。四、非自持放電與自持放電27氣體放電條件 只有當(dāng)氣體壓力和電極間距的乘積pd為某一數(shù)值時，氣體最容易發(fā)生放電擊穿。描述這一規(guī)律的曲線叫帕邢（Paschen）曲線。相應(yīng)的規(guī)律叫帕邢規(guī)律。28ln1lnbBpdUApd29BpEApe它代表一

7、個電子沿著電場方向行經(jīng)1 cm長度上，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。3031323334一、簡 介35濺射氣體至真空泵陽極襯底濺射靶絕緣輝光放電區(qū)V（DC）3637正向大角散射碰撞和通道效應(yīng)引起的離子注入多級碰撞散射表面多原子散射表面吸附雜質(zhì)的去除和表面活化表面原子濺射位移濺射和原子位移誘發(fā)空位吸附雜質(zhì)注入薄膜物質(zhì)原子的自注入表面擴散和濺射引起的空位填充抑制島狀組織生長3839發(fā)生哪種物理過程取決于入射離子的種類和能量。濺射對應(yīng)的離子能量區(qū)域為幾十幾萬eV。40對于濺射過程來說發(fā)生的重要現(xiàn)象：1）物質(zhì)的濺射；2）二次電子的發(fā)射。（離子轟擊引起二次電子發(fā)射，這些電子在電場作用下獲得能量進而參與氣體分子

8、的碰撞，并維持氣體的輝光放電過程。）41濺射產(chǎn)額=被濺射出來的原子數(shù)入射離子數(shù)濺射產(chǎn)額衡量濺射過程效率的一個參數(shù)。42431、入射離子能量4445相同入射離子，不同被濺射物質(zhì)。結(jié)論：元素的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性，即隨著元素外層d電子數(shù)的增加，其濺射產(chǎn)額提高。46結(jié)論： （1）使用惰性氣體作為入射離子時，濺射 產(chǎn)額較高； （2）重離子的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子； （3）由于經(jīng)濟上的原因，多數(shù)情況下使用Ar離子作為濺射沉積時的入射離子。相同被濺射物質(zhì)，不同入射離子47結(jié)論：（1）隨著離子入射方向與靶面法線間夾角的增加，濺射產(chǎn)額是呈1/cos規(guī)律的增加； （2）當(dāng)接近80時，產(chǎn)額迅速下降。48 在濺

9、射過程中，濺射原子的運動方向呈現(xiàn)如圖所示的角度分布。與蒸發(fā)條件下被蒸發(fā)原子運動方向的角分布形式稍有不同，濺射原子方向呈現(xiàn)欠余弦分布，即在表面法線方向上濺射產(chǎn)額稍低。 元素的濺射產(chǎn)額多處于0.01-4之間。49結(jié)論：在一定的溫度范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系不大，但當(dāng)溫度上升到一定水平后濺射產(chǎn)額會急劇上升。5051521. 沉積原子的能量高，薄膜的組織更致密、附著力更強；2. 制備合金薄膜時，成分的控制性好；3. 濺射的靶材可以是極其難熔的材料，可以制備高熔點物質(zhì)的薄膜；4. 利用反應(yīng)濺射技術(shù)從金屬元素制備化合物薄膜；5. 被沉積的原子攜帶能量，有助于改進復(fù)雜形狀表面的覆蓋能力，降低薄膜表面粗

10、糙度。與蒸發(fā)法相比，濺射法的主要特點：5354一、直流濺射濺射氣體至真空泵陽極襯底濺射靶絕緣輝光放電區(qū)V（DC）典型濺射條件：工作氣壓10Pa，濺射電壓3kV，靶電流密度0.5mA/cm2，薄膜沉積速度0.1um/min。555657585960適用范圍：沉積金屬材料和非金屬材料6162原因：設(shè)想一個電極上開始并沒有任何電荷積累。在射頻電壓的驅(qū)動下，它既可以作為陽極接受電子，又可以作為陰極接受離子（Ar+）。在第一個正半周中，電極跟隨電源電位變化將接受大量的電子，并使其本身帶負電。在緊接著的負半周中，它又將接受少量帶正電荷但運動較慢的離子，使其所帶的負電荷被中和扣掉一部分。經(jīng)過幾個周期之后，電

11、極上將帶有一定數(shù)量的負電荷而對于等離子體呈現(xiàn)出一定的負電位。（此負電位對電子產(chǎn)生排斥作用，使電極在以后電位變化的時候所接受的正負電荷的數(shù)目趨于相等。） 上述電極自發(fā)產(chǎn)生負偏壓的過程與所用的靶材是否是導(dǎo)體或絕緣體無關(guān)。63濺射法特點：可以將能量直接耦合給等離子體中的電子，故其工作氣壓和靶電壓較低。典型工作條件：工作氣壓1.0Pa，濺射電壓1kV，靶電流密度1.0mA/cm2，薄膜沉積速度0.5um/min。64直流濺射和射頻濺射的缺點：1. 薄膜的沉積速度較低；2. 濺射所需要的工作氣壓較高，否則電 子的平均自由程太長，放電現(xiàn)象不易維持。后果：氣體分子對薄膜產(chǎn)生污染的可能性比較高。656667原

12、理：在被濺射的靶 (陰極)與陽極之間加一個正交磁場和電場，在高真空室中充入所需要的惰性氣體，在靶材表面形成一定強度的磁場，同高壓電場組成正交電磁場。在電場的作用下，Ar氣電離成正離子和電子，靶上加有一定的負高壓，從靶極發(fā)出的電子受磁場的作用與工作氣體的電離幾率增大，在陰極附近形成高密度的等離子體，Ar離子在洛侖茲力的作用下加速飛向靶面，以很高的速度轟擊靶面，使靶上被濺射出來的原子遵循動量轉(zhuǎn)換原理以較高的動能脫離靶面飛向襯底淀積成膜。681、沉積速度比其他濺射方法高出一個數(shù)量級。 原因：(1) 磁場中電子的電離效率提高 (2) 在較低氣壓條件下濺射原子被散射的幾率減小。優(yōu)點：2、工作氣壓明顯降低

13、，可由1Pa降低至10-1Pa。 結(jié)果: (1) 降低了薄膜污染的傾向； (2) 提高入射到襯底表面原子的能量。因此可在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。69磁控濺射特點：沉積速率高、維持放電所需電壓低、電子對襯底的轟擊能量小、容易實現(xiàn)低溫沉積。缺點：對靶材的濺射不均勻、不適合鐵磁性材料的濺射。70磁控濺射一般包括兩種：直流濺射和射頻濺射，其中直流濺射在濺射金屬時速率很快。而射頻濺射的使用范圍更為廣泛，除可濺射導(dǎo)電材料外，也可濺射非導(dǎo)電的材料，同時還可進行反應(yīng)濺射制備氧化物、氮化物和碳化物等化合物材料。717273靶中毒現(xiàn)象：隨著活性氣體壓力和濺射功率的增加，靶材表面也可能形成一層相應(yīng)的化合物，此時入

14、射離子不是在對靶材進行濺射而是在對不斷形成的表層化合物進行濺射，即濺射模式發(fā)生了變化，這就是靶中毒。這可能會降低材料的濺射和沉積速率。反應(yīng)濺射種類：直流反應(yīng)濺射和射頻反應(yīng)濺射7475五、中頻濺射與脈沖濺射直流反應(yīng)濺射遇到的問題：1. 靶中毒2. 陽極消失3. 靶面與電極打火問題根源：靶材與陽極表面的電荷積累76解決辦法：采用對濺射靶施加交變電場的方法釋放靶電荷，即采用交流濺射法。交流濺射法分類：1. 中頻濺射法：采用正弦波電源2. 脈沖濺射法：采用矩形脈沖波電源77中頻濺射原理：在靶材上加數(shù)十千赫的交變電壓，對地來說，靶材周期地處于高電位和低電位。當(dāng)靶材處于低電位時吸引離子而排斥電子，靶物質(zhì)被

15、濺射而離子電荷在靶材表面積累下來；當(dāng)靶材處于高電位時吸引電子而排斥離子。電子的流入將中和掉靶材表面的電荷積累，從而抑制靶材表面的打火現(xiàn)象。中頻濺射靶常用孿生靶。78中頻濺射法優(yōu)點：1. 制備的化合物薄膜的缺陷密度大為降低；2. 濺射功率高，薄膜的沉積速率高；3. 不需要復(fù)雜的阻抗匹配電路。7980偏壓類型：直流偏壓和射頻偏壓81828384858687離子束濺射特點：1. 氣體雜質(zhì)的污染小，容易提高薄膜的純度；2. 離子束濺射時襯底附近沒有等離子體，不會產(chǎn)生等離子體轟擊導(dǎo)致襯底溫度上升、電子和離子轟擊等問題；3. 可以精確控制離子束能量、束流的大小和束流的方向，濺射的原子不經(jīng)碰撞直接沉積。缺點

16、：裝置過于復(fù)雜，薄膜沉積速率低，設(shè) 備運行成本高8889909192沉積前對襯底表面進行濺射是為了對襯底表面進行清潔處理，清除其表面的污染物。沉積中對薄膜表面進行濺射的目的？沉積原子可以從與離子的碰撞中獲得能量，加上離子本身對薄膜的轟擊，這樣使沉積在襯底的原子具有更高的動能和遷移能力，使薄膜結(jié)構(gòu)致密。9394離子鍍的形式及特點：1. 空心陰極離子鍍（HCD）：所蒸發(fā)的金屬原子的離化率高于直流放電離子鍍的方法。2. 真空陰極電弧離子鍍（VAD）：工作的真空度高，薄膜的沉積速率高，蒸發(fā)粒子的離化率高，離子的能量高。3. 多弧離子鍍：環(huán)境真空度高，氣體雜質(zhì)污染少；裝置簡單，薄膜沉積速度高，襯底溫度低

17、，粒子離化率高，適用于制備厚膜。95離子鍍?nèi)秉c：制備的薄膜中含有弧光放電過程所產(chǎn)生的顯微噴濺顆粒。改進方法：磁場過濾技術(shù)后果：降低薄膜沉積速率，提高運行成本96蒸發(fā)、濺射和離子鍍沉積方法特點比較：1. 離子鍍技術(shù)結(jié)合了蒸發(fā)和濺射兩種方法的特點；2. 離子鍍沉積速率和蒸發(fā)沉積速率相當(dāng)；3. 離子鍍制備的薄膜質(zhì)量優(yōu)于濺射法制備的薄膜。97 原理： 使用電子束來實現(xiàn)金屬的蒸發(fā)，而在蒸發(fā)源與襯底之間喂入反應(yīng)活性氣體并使之發(fā)生電離。在這種被稱之為活化反應(yīng)蒸發(fā)（ARE）沉積法的技術(shù)中，襯底可以接地或處于浮動電位，也可以是處于正偏壓或負偏壓下。二、反應(yīng)蒸發(fā)沉積定義：使金屬蒸氣通過活性氣氛后，沉積并反應(yīng)生成相

18、應(yīng)的化合物。98 讓金屬蒸氣通過處于蒸發(fā)源和襯底之間的活性氣體等離子區(qū)。在這個區(qū)域中，活性氣體和金屬原子均處于離化的狀態(tài)，從而增加了兩者的反應(yīng)活性，促進反應(yīng)粒子越過反應(yīng)的能量勢壘，使其在襯底上形成相應(yīng)成分的化合物薄膜。99100三、離子束輔助沉積 (Ion beam assisted deposition-IBAD)離子束輔助沉積的提出：為解決偏壓濺射過程中等離子體放電過程不易控制因而入射離子的方向、能量、密度等條件很難綜合優(yōu)化的問題而提出的。101102離子束輔助沉積技術(shù)的關(guān)鍵部分是離子源。離子源種類：考夫曼離子源、霍爾效應(yīng)離子源和電子回旋共振等離子體離子源考夫曼離子源是一種可以被用來產(chǎn)生寬

19、束、強離子流的離子源。103104優(yōu)點：1. 結(jié)合了高速蒸發(fā)沉積和偏壓濺射離子轟擊的特點；2. 具有離子束的能量、方向可調(diào)的優(yōu)點；3. 可以提供高強度、能量可變、能量一致性好方向發(fā)散角小的離子束；4. 減少薄膜的污染。105霍爾效應(yīng)離子源106107與其他沉積技術(shù)區(qū)別在于它是利用具有一定能量的離化原子團實現(xiàn)薄膜的沉積。這種離化后的原子團包括幾百甚至上千個原子，在與襯底接觸的瞬間，原子團發(fā)生破裂，原子分散開來并沉積在襯底表面。108109110111112113局限性：能夠被同時用于等離子體產(chǎn)生和薄膜沉積的氣體種類較少，能沉積的薄膜種類有限。114115116利用準(zhǔn)分子脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生高溫及熔蝕，并進一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，這種等離子體定向沉積于基體而局域形成薄膜。117過程：一束激光經(jīng)透鏡聚集后投射到靶上，使