(8)物理氣相淀積

1、第第8章章 物理氣相淀積物理氣相淀積（Physical Vapor Deposition） 微電子工藝微電子工藝(8)-薄膜技術(shù)薄膜技術(shù)v8.1 PVD概述v8.2 真空系統(tǒng)及真空的獲得v8.3真空蒸鍍v8.4濺射v8.5 PVD金屬及化合物薄膜v物理氣相淀積（物理氣相淀積（Physical vapor deposition，PVD）是利用某種物理過是利用某種物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由（靶）源氣相轉(zhuǎn)移到襯底表面形成薄（靶）源氣相轉(zhuǎn)移到襯底表面形成薄膜的過程。膜的過程。v真空真空蒸發(fā)蒸發(fā)和和濺射濺射方法方法蒸發(fā)必須在蒸發(fā)必須在高真空度下高真空度下進(jìn)行。進(jìn)行

2、。濺射是在氣體輝濺射是在氣體輝光放電的等離子光放電的等離子狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。nPVD常用來制備金屬薄膜常用來制備金屬薄膜:如如Al, Au, Pt, Cu，合金及多層金屬。，合金及多層金屬。8.1 PVD8.1 PVD概述概述真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理v真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)即利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具即利用蒸發(fā)材料在高溫時(shí)所具有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。有的飽和蒸汽壓進(jìn)行薄膜制備。v在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或或分子從蒸發(fā)源表面逸出分子從蒸發(fā)源表面逸出，形成蒸汽流并，形成蒸汽流并入射到硅片襯底表面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。入射到硅片襯底表

3、面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。v制備的一般是制備的一般是多晶金屬薄膜多晶金屬薄膜。8.2真空系統(tǒng)及真空的獲得真空系統(tǒng)及真空的獲得 v低真空：低真空：1760Torr，102105Pav中真空：中真空：10-31Torr，10-1102Pav高真空：高真空：10-710-3Torr，10-510-1Pav超高真空：超高真空：10-7Torr， 10-5Pa 1atm=760Torr 1atm=760Torr ， 1Torr=133.3Pa1Torr=133.3Pa 半導(dǎo)體工藝設(shè)備一般工作在低、中真空度。而在通入工作氣半導(dǎo)體工藝設(shè)備一般工作在低、中真空度。而在通入工作氣體之前，設(shè)備先抽至高、超高真空度。體之

4、前，設(shè)備先抽至高、超高真空度。氣體流動(dòng)及導(dǎo)率氣體流動(dòng)及導(dǎo)率-氣體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)v氣流用標(biāo)準(zhǔn)體積來測量，指相同氣體氣流用標(biāo)準(zhǔn)體積來測量，指相同氣體,在在0和和1atm下所占的體積。下所占的體積。閥門()mdGd Vqdtdtn質(zhì)量流速質(zhì)量流速qm (g/s)：mpQqg氣體流量氣體流量Q (Latm/min)：G-在體積V內(nèi)氣體的質(zhì)量-質(zhì)量密度vC與電導(dǎo)率一樣并聯(lián)相加；串聯(lián)時(shí)倒數(shù)相加與電導(dǎo)率一樣并聯(lián)相加；串聯(lián)時(shí)倒數(shù)相加v若大量氣體流過真空系統(tǒng)，要保持腔體壓若大量氣體流過真空系統(tǒng)，要保持腔體壓力接近泵的壓力，就要求真空系統(tǒng)有大的力接近泵的壓力，就要求真空系統(tǒng)有大的傳導(dǎo)率傳導(dǎo)率-管道直徑；泵放置位

5、置管道直徑；泵放置位置 泵入口壓力泵入口壓力12QCPP氣體傳導(dǎo)率氣體傳導(dǎo)率CpppdQSPdt泵的抽速泵的抽速Sp-體積置換率體積置換率8.2.2真空的獲得方法初、中初、中真空真空度度的獲得的獲得v用活塞用活塞/葉片葉片/柱塞柱塞/隔膜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將隔膜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將氣體正向移位氣體正向移位v有三步驟：捕捉氣有三步驟：捕捉氣體體-壓縮氣體壓縮氣體-排出排出氣體氣體v壓縮比壓縮比旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)葉片真空泵真空泵羅茨泵羅茨泵真空泵真空泵v旋片泵旋片泵 旋片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、定蓋、彈簧等零件組成。v其結(jié)構(gòu)是利用偏心地裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動(dòng)的借助彈簧張力和離心力緊貼在定子內(nèi)壁的兩塊旋片。

6、旋片泵工作原理圖旋片泵工作原理圖 1-泵體;2-旋片;3-轉(zhuǎn)子;4 -彈簧;5-排氣閥 兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個(gè)部分，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。v在泵腔內(nèi)，有二個(gè)在泵腔內(nèi)，有二個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子相互字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對(duì)平垂直地安裝在一對(duì)平行軸上，由傳動(dòng)比為行軸上，由傳動(dòng)比為1的一對(duì)齒輪帶動(dòng)作的一對(duì)齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。v壓縮比30：1n羅茨泵在0位置時(shí)下轉(zhuǎn)子從泵入口封入v0體積的氣體。 當(dāng)轉(zhuǎn)到45位置時(shí)該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強(qiáng)較高，引起一部分氣體返沖過來。 當(dāng)轉(zhuǎn)到90

7、位置時(shí),下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時(shí)，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。 當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135時(shí)，上轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復(fù)上述過程。 180位置和0位置是一樣的。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個(gè)v0體積的氣體。 高、超高真空度的獲得高、超高真空度的獲得在微電子加工領(lǐng)域，高真空泵分為兩類：在微電子加工領(lǐng)域，高真空泵分為兩類： （1）轉(zhuǎn)移動(dòng)量給氣態(tài)分子而抽吸氣體）轉(zhuǎn)移動(dòng)量給氣態(tài)分子而抽吸氣體 （2）俘獲氣體分子）俘獲氣體分子抽吸腐蝕性、有毒、抽吸腐蝕性、有毒、大流量氣體大流量氣體-擴(kuò)散泵、分子泵擴(kuò)散泵、分子泵抽吸通入的小流抽吸通入的小流量氣體或工藝前量氣體或工藝前抽吸腔

8、室抽吸腔室-低溫泵低溫泵擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵v靠高速蒸汽射流來攜帶氣體以達(dá)到抽氣的目的 v適用于高真空,但入口真空也要求較高,一般前要接機(jī)械泵 v壓縮比可達(dá)108n油擴(kuò)散泵主要由泵體、擴(kuò)散噴嘴、蒸氣導(dǎo)管、油鍋、加熱器、擴(kuò)散器、冷卻系統(tǒng)和噴射噴嘴等部分組成。渦輪分子泵渦輪分子泵 v1958年，聯(lián)邦德國的W.貝克首次提出有實(shí)用價(jià)值的渦輪分子泵v利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。 v動(dòng)葉輪外緣的線速度高達(dá)氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的速度（一般為150400米秒）。具有這樣的高速度才能使氣體分子與動(dòng)葉片相碰撞后改變隨機(jī)散射的特性而作定向運(yùn)動(dòng)。v壓縮比可達(dá)109 渦輪分子泵渦輪分子泵

9、主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子（即動(dòng)葉輪）、靜葉輪和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。低溫泵低溫泵Cryopump（cold pump | cryogenic pump | cryovacuum pump | low temperature pump）v利用低溫表面冷凝氣體真空泵，又稱冷凝泵。v抽氣原理抽氣原理 在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機(jī)冷卻到極低溫度的冷板。它使氣體凝結(jié)，并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達(dá)到抽氣作用。8.2.3 真空度的測量v電容式壓力計(jì)電容式壓力計(jì)v熱偶規(guī)熱偶規(guī)v電離規(guī)電離規(guī)v復(fù)合真空計(jì)復(fù)合真空計(jì)vBA規(guī)(熱陰極電離規(guī)) 蒸鍍過程蒸鍍過程v源受熱源受熱蒸發(fā)蒸發(fā)；v氣化原子或分子氣化原

10、子或分子在蒸發(fā)源與基片在蒸發(fā)源與基片之間的之間的輸運(yùn)輸運(yùn)；v被蒸發(fā)的原子或被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面分子在襯底表面的的淀積淀積：凝結(jié)：凝結(jié)成核成核 生長生長成成膜膜8.3 真空蒸鍍真空蒸鍍v設(shè)備簡單，操作容易v所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快v生長機(jī)理簡單真空蒸鍍法主要缺點(diǎn)真空蒸鍍法主要缺點(diǎn)所形成的薄膜與襯底附著力較小工藝重復(fù)性不夠理想臺(tái)階覆蓋能力差已為濺射法和化學(xué)氣相淀積法所代替真空蒸鍍法優(yōu)點(diǎn)真空蒸鍍法優(yōu)點(diǎn)蒸鍍過程基本參數(shù)蒸鍍過程基本參數(shù)v汽化熱汽化熱H 被蒸發(fā)的原子或分子需克服固相或液被蒸發(fā)的原子或分子需克服固相或液相的原子間束縛，而蒸發(fā)到真空中并形成具有一相的原子間束縛

11、，而蒸發(fā)到真空中并形成具有一定動(dòng)能的氣相原子或分子所需的能量。定動(dòng)能的氣相原子或分子所需的能量。 常用金屬材料汽化熱常用金屬材料汽化熱 /原子（分子）原子（分子） 在蒸發(fā)溫度下的動(dòng)能在蒸發(fā)溫度下的動(dòng)能 /原子（分子）原子（分子）4HeV30.22EkTeV什么是飽和蒸汽壓什么是飽和蒸汽壓v蒸汽壓蒸汽壓指在液（固）表面指在液（固）表面存在該物質(zhì)的蒸汽，這蒸存在該物質(zhì)的蒸汽，這蒸汽對(duì)液（固）表面產(chǎn)生的汽對(duì)液（固）表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是該液體的蒸汽壓。壓強(qiáng)就是該液體的蒸汽壓。 v平衡平衡(飽和飽和)蒸汽壓蒸汽壓指一定指一定的溫度下，與同種物質(zhì)的的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)液態(tài)(或固態(tài)或固態(tài))處于平衡狀處于

12、平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫飽和蒸汽壓。飽和蒸汽壓。v蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度 在平衡蒸汽壓在平衡蒸汽壓為為1.333Pa時(shí)所對(duì)應(yīng)的物時(shí)所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)溫度質(zhì)溫度蒸汽壓蒸汽壓v蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率 蒸發(fā)速率和溫度、蒸發(fā)面積、表面蒸發(fā)速率和溫度、蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式有關(guān)，工程上將源物的清潔程度、加熱方式有關(guān)，工程上將源物質(zhì)、蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)速率之間關(guān)系繪成為質(zhì)、蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)速率之間關(guān)系繪成為諾諾漠圖。漠圖。 22kTd P分子平均自由程分子平均自由程 粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離真空蒸鍍氣相輸運(yùn)過程基本參數(shù)真空蒸鍍氣相輸運(yùn)過程基本參數(shù)真空蒸鍍成

13、膜過程基本參數(shù)真空蒸鍍成膜過程基本參數(shù)8.3.2設(shè)備與方法設(shè)備與方法v設(shè)備由三部分組成：設(shè)備由三部分組成：真空室真空室抽氣系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)測試部分測試部分v蒸發(fā)方法：蒸發(fā)方法：單組份、多組份蒸發(fā)；單組份、多組份蒸發(fā)；襯底是否加熱，冷蒸或襯底是否加熱，冷蒸或熱蒸；熱蒸；按加熱器分類。按加熱器分類。Simple EvaporatorRoughingpumpHi-Vac valveHi-Vac pumpProcess chamber(bell jar)CrucibleEvaporating metalWafer carrierFigure 12.15 8.3.2蒸鍍設(shè)備主要采用的加熱器類型及性能蒸鍍設(shè)備

14、主要采用的加熱器類型及性能 v電阻加熱蒸鍍電阻加熱蒸鍍v電子束電子束(EB)蒸鍍蒸鍍v激光蒸鍍激光蒸鍍v高頻感應(yīng)蒸鍍高頻感應(yīng)蒸鍍 電阻加熱器電阻加熱器v出現(xiàn)最早，工藝簡出現(xiàn)最早，工藝簡單；但有加熱器污單；但有加熱器污染，薄膜臺(tái)階覆蓋染，薄膜臺(tái)階覆蓋差，難鍍高熔點(diǎn)金差，難鍍高熔點(diǎn)金屬問題。屬問題。v對(duì)電阻加熱材料要對(duì)電阻加熱材料要求：熔點(diǎn)要高；飽求：熔點(diǎn)要高；飽和蒸氣壓要低；化和蒸氣壓要低；化學(xué)穩(wěn)定性好；被蒸學(xué)穩(wěn)定性好；被蒸發(fā)材料與加熱材料發(fā)材料與加熱材料間應(yīng)有間應(yīng)有潤濕性潤濕性。電子束電子束(EB)加熱加熱vEB蒸鍍基于電子在電蒸鍍基于電子在電場作用下，獲得動(dòng)能場作用下，獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的

15、蒸發(fā)轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使其加熱汽化。材料，使其加熱汽化。vEB蒸鍍相對(duì)于電阻加蒸鍍相對(duì)于電阻加熱蒸鍍熱蒸鍍雜質(zhì)少雜質(zhì)少，去除，去除了加熱器帶來的玷污；了加熱器帶來的玷污；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)金屬；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)金屬；熱效率高熱效率高；vEB蒸鍍薄膜有輻射損蒸鍍薄膜有輻射損傷，即薄膜電子由高傷，即薄膜電子由高激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)回到基態(tài)產(chǎn)生的；也有設(shè)備復(fù)雜，的；也有設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。電子束加熱器電子束加熱器激光蒸鍍激光蒸鍍v利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱，稱為對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱，稱為激光束加熱蒸激光束加熱蒸發(fā)法。

16、發(fā)法。v激光束加熱的特點(diǎn)是激光束加熱的特點(diǎn)是加熱溫度高加熱溫度高，可避免，可避免坩堝的污染，坩堝的污染，材料蒸發(fā)速率高材料蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過程，蒸發(fā)過程容易控制。容易控制。v激光加熱法特別激光加熱法特別適應(yīng)于適應(yīng)于蒸發(fā)蒸發(fā)成份比較復(fù)雜成份比較復(fù)雜的合金的合金或或化合物材料化合物材料。高頻感應(yīng)蒸發(fā)高頻感應(yīng)蒸發(fā)v高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是通高頻感應(yīng)蒸發(fā)源是通過高頻感應(yīng)對(duì)裝有蒸過高頻感應(yīng)對(duì)裝有蒸發(fā)源的坩堝進(jìn)行加熱，發(fā)源的坩堝進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯大的渦流損失和磁滯損失損失(對(duì)鐵磁體對(duì)鐵磁體)，致，致使蒸發(fā)材料升溫使蒸發(fā)材料升溫,直至

17、直至汽化蒸發(fā)。汽化蒸發(fā)。多組分薄膜的蒸鍍方法多組分薄膜的蒸鍍方法(a)單源蒸發(fā)法單源蒸發(fā)法(b)多源同時(shí)蒸發(fā)法多源同時(shí)蒸發(fā)法8.3.3 蒸鍍工藝蒸鍍工藝8.3.2蒸鍍薄膜的質(zhì)量及控制v真空度真空度v臺(tái)階覆蓋特性臺(tái)階覆蓋特性v蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率 蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩日翦優(yōu)槭裁匆蟾哒婵斩葀蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運(yùn)應(yīng)為直線，真空蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運(yùn)應(yīng)為直線，真空度過低，輸運(yùn)過程被氣體分子多次碰撞散射，度過低，輸運(yùn)過程被氣體分子多次碰撞散射，方向改變，動(dòng)量降低，難以淀積到襯底上。方向改變，動(dòng)量降低，難以淀積到襯底上。v真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子真空度過低，氣體中的氧和水汽，使金

18、屬原子或分子在輸運(yùn)過程中氧化，同時(shí)也使加熱襯底或分子在輸運(yùn)過程中氧化，同時(shí)也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。表面發(fā)生氧化。v系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會(huì)淀積在襯底系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會(huì)淀積在襯底上，影響淀積薄膜質(zhì)量。上，影響淀積薄膜質(zhì)量。臺(tái)階覆蓋特性臺(tái)階覆蓋特性在有深寬比為在有深寬比為1的微結(jié)構(gòu)襯底上蒸鍍薄膜的臺(tái)階覆蓋的微結(jié)構(gòu)襯底上蒸鍍薄膜的臺(tái)階覆蓋8.4 濺射濺射v濺射濺射 具有一定能量的入射離子在對(duì)固體具有一定能量的入射離子在對(duì)固體表面進(jìn)行轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面表面進(jìn)行轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動(dòng)量能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移，并可能將固

19、體表面的原子濺射出來。移，并可能將固體表面的原子濺射出來。v熱蒸發(fā)本質(zhì)熱蒸發(fā)本質(zhì) 能量的轉(zhuǎn)化能量的轉(zhuǎn)化 濺射本質(zhì)濺射本質(zhì) 能量和動(dòng)量，原子具有方向性能量和動(dòng)量，原子具有方向性v濺射過程建立在輝光放電的基礎(chǔ)上；濺射過程建立在輝光放電的基礎(chǔ)上；v微電子工藝中的濺射，是指利用氣體輝光微電子工藝中的濺射，是指利用氣體輝光放電時(shí)，離子對(duì)陰極轟擊，使陰極物質(zhì)飛放電時(shí)，離子對(duì)陰極轟擊，使陰極物質(zhì)飛濺出來淀積到基片上形成薄膜的工藝方法。濺出來淀積到基片上形成薄膜的工藝方法。8.4.1 工藝機(jī)理工藝機(jī)理v在初、中真空度下，真空室通入少在初、中真空度下，真空室通入少量氬或其它惰性氣體，加高壓或高量氬或其它惰性氣體

20、，加高壓或高頻電場，使氬等惰性氣體電離，正頻電場，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場作用下撞擊靶，靶原子離子在電場作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達(dá)襯底淀積成膜。受碰撞濺射，到達(dá)襯底淀積成膜。Dislodging Metal Atoms from Surface of Sputtering Target+0High-energy Ar+ ionSputtered metal atomMetal atomsCathode (-)Rebounding argon ion recombines with free electron to form a neutral atom.Figure 12.1

21、7 入射離子濺射分析入射離子濺射分析濺射出的原子，濺射出的原子，獲得很大動(dòng)能，獲得很大動(dòng)能，約約10-50eV。和。和蒸鍍相比（約蒸鍍相比（約0.2eV）濺射原）濺射原子在基片表面上子在基片表面上的遷移能力強(qiáng)，的遷移能力強(qiáng)，改善了臺(tái)階覆蓋改善了臺(tái)階覆蓋性，以及與襯底性，以及與襯底的附著力。的附著力。8.4.2 濺射特性濺射特性v濺射閾值：濺射閾值：使陰極靶材原子飛逸表面所需使陰極靶材原子飛逸表面所需的入射離子的最小能量（的入射離子的最小能量（20 20 40ev 40ev）v每一種靶材，都存在一個(gè)能量閾值，低于這個(gè)每一種靶材，都存在一個(gè)能量閾值，低于這個(gè)值就不會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。值就不會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)

22、象。濺射閾值與入射離子濺射閾值與入射離子質(zhì)量無關(guān)，而主要質(zhì)量無關(guān)，而主要取決于靶取決于靶特性。特性。v濺射率濺射率S 又稱濺射產(chǎn)額又稱濺射產(chǎn)額 S=濺射出的靶濺射出的靶原子數(shù)入射離子數(shù)。原子數(shù)入射離子數(shù)。v濺射粒子的濺射粒子的速度和能量速度和能量靶材 入射離子束Ar (eV) Al13Ti20Fe20Cu17Mo24W33Au20v濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額：每一個(gè)轟擊離子所濺射出來的原子數(shù)。每一個(gè)轟擊離子所濺射出來的原子數(shù)。v逸出組元粒子狀態(tài)：大部分為原子、分子或原子逸出組元粒子狀態(tài)：大部分為原子、分子或原子團(tuán)，少量為離子。團(tuán)，少量為離子。v荷能離子與固體的交互作用荷能離子與固體的交互作用 表面清洗：

23、幾表面清洗：幾KeVKeV 表面輔助沉積：表面輔助沉積：1500eV1500eV 濺射鍍：濺射鍍：1Kev1Kev 10K eV 10K eV 離子注入：離子注入：20KeV20KeV 離子能量：離子能量：分子每個(gè)自由度的平均能量為分子每個(gè)自由度的平均能量為1/2kT1/2kT；1eV = 1.61eV = 1.61019J1019J；當(dāng)當(dāng)kT = 1evkT = 1ev，T = 11600KT = 11600K；一個(gè)慢電子的溫度為：一個(gè)慢電子的溫度為：2 2 8eV 8eV。濺射率的影響因素濺射率的影響因素vS與入射離子與入射離子能量的關(guān)系能量的關(guān)系濺射率的影響因素濺射率的影響因素S與入射離

24、與入射離子種類的關(guān)子種類的關(guān)系系：原子量：原子量;原子序數(shù)原子序數(shù)(周周期性期性);惰性氣惰性氣體的濺射率體的濺射率最高。最高。 S與靶的關(guān)與靶的關(guān)系系：隨靶原：隨靶原子序數(shù)增加子序數(shù)增加而增大。而增大。濺射率的影響因素濺射率的影響因素vS與離子入射與離子入射角的關(guān)系角的關(guān)系：vS還與靶溫、還與靶溫、靶晶格結(jié)構(gòu)，靶晶格結(jié)構(gòu)，靶的表面情況、靶的表面情況、濺射壓強(qiáng)、升濺射壓強(qiáng)、升華熱的大小等華熱的大小等因素有關(guān)。因素有關(guān)。被濺射出的粒子的速度和能量被濺射出的粒子的速度和能量v重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。重靶逸出能量高，輕靶逸出速度高。v不同靶逸出能不同，濺射率高的靶，逸出能較低。不同靶逸出能不

25、同，濺射率高的靶，逸出能較低。v相同轟擊能，逸出能隨入射離子質(zhì)量線性增加；相同轟擊能，逸出能隨入射離子質(zhì)量線性增加；輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約輕入射離子濺射出的靶逸出能量較低，約10eV；重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約重入射離子濺射出的靶逸出能量較大，約30-40eV。v靶的平均逸出能量，隨入射離子能量而增加，當(dāng)靶的平均逸出能量，隨入射離子能量而增加，當(dāng)入射離子能達(dá)入射離子能達(dá)1keV時(shí)，平均逸出能趨于恒定值。時(shí)，平均逸出能趨于恒定值。v在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。8.4.3 濺射方法（式）濺射方法（式）v直流濺射直流濺射v射

26、頻濺射射頻濺射v磁控濺射磁控濺射v反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射v離子束濺射離子束濺射v偏壓濺射偏壓濺射1直流濺射直流濺射v最早出現(xiàn)，是將靶作為陰極，最早出現(xiàn)，是將靶作為陰極，只能制備導(dǎo)電的金屬薄膜，只能制備導(dǎo)電的金屬薄膜，濺射速率很慢。濺射速率很慢。v工作氣壓是一個(gè)重要參數(shù)工作氣壓是一個(gè)重要參數(shù)氣壓和淀積速率的關(guān)系氣壓和淀積速率的關(guān)系Different Species Landing on SubstrateAnode (+)Cathode (-)Electric fieldMetal targetPhotons from plasma glowSputtered atomsSubstrateHigh e

27、nergy electronsNeutrals- Ions including impuritiesX-rays from target bombardment- Ionse-Figure 12.18 2射頻濺射射頻濺射v在射頻電場作用下，氣在射頻電場作用下，氣體電離為等離子體。靶體電離為等離子體。靶相對(duì)于等離子體而言是相對(duì)于等離子體而言是負(fù)極，被轟擊濺射；襯負(fù)極，被轟擊濺射；襯底放置電極與機(jī)殼相連，底放置電極與機(jī)殼相連，鞘層壓降很小，與等離鞘層壓降很小，與等離子體基本等電位。子體基本等電位。v可濺射介質(zhì)薄膜，如可濺射介質(zhì)薄膜，如SiO2等；等；v功率大，對(duì)人身防護(hù)成功率大，對(duì)人身防護(hù)成問題。

28、問題。13.56MHz4cddcAAVVRF Sputtering SystemArgonGas flow controllerTurbopumpRF generatorMatching networkMicrocontroller operator interfaceExhaustChuckElectrodeTargetSubstrateBlocking capacitorRoughingpumpPressure controllerGas panelFigure 12.19 3磁控濺射磁控濺射v在陰極靶面上建立一在陰極靶面上建立一個(gè)磁場，以控制二次個(gè)磁場，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，延長電電子的

29、運(yùn)動(dòng)，延長電子飛向陽極的行程，子飛向陽極的行程，使其盡可能多產(chǎn)生幾使其盡可能多產(chǎn)生幾次碰撞電離從而增加次碰撞電離從而增加了離子密度，提高濺了離子密度，提高濺射效率。射效率。v也只能制備金屬導(dǎo)電也只能制備金屬導(dǎo)電薄膜。薄膜。v濺射質(zhì)量和速率有了濺射質(zhì)量和速率有了很大提高。很大提高。Magnetron SputteringDC power supplyHeated wafer chuckMagnetArgon inletVacuum Pump Target CathodeFigure 12.20 4反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射v用用化合物作靶化合物作靶可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)多組分薄膜淀積多組分薄膜淀積，但得到，但得到的

30、薄膜往往與靶的化學(xué)組成有很大的差別?？傻谋∧ねc靶的化學(xué)組成有很大的差別?？刹扇〔扇》磻?yīng)濺射，反應(yīng)濺射，在濺射室通入反應(yīng)氣體，如：在濺射室通入反應(yīng)氣體，如：O2，N2，H2S，CH4，生成：，生成：氧化物：氧化物：Al2O3，SiO2，In2O3等等碳化物：碳化物：SiC，WC，TiC等等氮化物：氮化物：TiN，AlN，Si3N4等等硫化物：硫化物：CdS，ZnS等等各種復(fù)合化合物各種復(fù)合化合物8.4.4 設(shè)備設(shè)備v北京世華尖峰精儀（北京世華尖峰精儀（AJA）的）的ATC系列系列磁控濺射系統(tǒng)磁控濺射系統(tǒng)v均勻性均勻性:好于好于+/-2%；濺射室直徑；濺射室直徑13到到34英寸英寸.最多可安最多可安13只靶槍，可直流或射頻只靶槍，可直流或射頻濺射?；杉訜?、冷卻、濺射。基片可加熱、冷卻、RF偏壓、偏壓、B磁場。真空室可達(dá)磁場。真空室可達(dá)210-8Torr。v典型應(yīng)用領(lǐng)域典型應(yīng)用領(lǐng)域: CD/DVD 磁盤鍍膜磁盤鍍膜(例如例如: 反射反射,換相換相) 減反減反/硬度硬度/色彩色彩) 半導(dǎo)體薄膜半導(dǎo)體薄膜 透明導(dǎo)電薄膜透明導(dǎo)電薄膜(如如 ITO) 化學(xué)合成化學(xué)合成 薄膜傳感器薄膜傳感器 光電薄膜光電薄膜(太陽能電池太陽能電池) 接觸孔中薄膜的濺射淀積接觸