第四章_薄膜的物理氣相沉積-_濺射法ppt課件

1、n4.1 輝光放電與等離子體輝光放電與等離子體n4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象n4.3 濺射沉積技術(shù)濺射沉積技術(shù) 第四章第四章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法第四章第四章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法n濺射法濺射法n利用帶電離子在電磁場的作用下獲得足夠利用帶電離子在電磁場的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體靶物質(zhì)，從靶材表的能量，轟擊固體靶物質(zhì)，從靶材表面被濺射出來的原子以一定的動(dòng)能射向襯面被濺射出來的原子以一定的動(dòng)能射向襯底，在襯底上形成薄膜。底，在襯底上形成薄膜。n濺射法的分類濺射法的分類n直流濺射直流濺射 射頻濺射射頻濺射n磁控濺射磁控濺射 反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射n偏壓濺射

2、偏壓濺射 第四章第四章 薄膜制備技術(shù)薄膜制備技術(shù)-濺射法濺射法n濺射鍍膜的特點(diǎn)濺射鍍膜的特點(diǎn)n（1對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)實(shí) n 現(xiàn)濺射現(xiàn)濺射n（2濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好n（3濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好n（4濺射工藝可重復(fù)性好，可以在大面積襯底上濺射工藝可重復(fù)性好，可以在大面積襯底上獲獲 n 得厚度均勻的薄膜得厚度均勻的薄膜n靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為n 陰極，相對(duì)陽極加數(shù)千伏電壓，陰極，相對(duì)陽極加數(shù)千伏電壓，n 在真空室內(nèi)充入在真空室

3、內(nèi)充入Ar氣，在電極氣，在電極間形成輝光放電。間形成輝光放電。n輝光放電過程中，將產(chǎn)生輝光放電過程中，將產(chǎn)生Ar離子，離子，陰極材料原子，二次電子，光子陰極材料原子，二次電子，光子等。等。4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體一、輝光放電的物理基礎(chǔ)一、輝光放電的物理基礎(chǔ)n等離子體等離子體n 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。電子。n作用：作用：n 1、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大n 部分能量部分能量

4、n 2、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬、通過等離子刻蝕選擇性地去處金屬n 4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體 產(chǎn)生輝光放電產(chǎn)生輝光放電 通過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混通過混合氣體中加直流電壓、或射頻電壓，混合氣體中的電子被電場加速，穿過混合氣體，與合氣體中的電子被電場加速，穿過混合氣體，與氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、氣體原子或分子碰撞并激發(fā)他們，受激的原子、或離子返回其最低能級(jí)時(shí)，以發(fā)射光或聲子或離子返回其最低能級(jí)時(shí)，以發(fā)射光或聲子的形式將能量釋放出來。的形式將能量釋放出來。 不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。不同氣體對(duì)應(yīng)不同的發(fā)光顏色。 4.1 輝光放電和等離子體

5、輝光放電和等離子體真空室電極高真空泵等離子體RF 發(fā)生器匹配部件4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體CHF2 radicalHigh-energy electronFluorine (neutral)CHF3 moleculeFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineFluorineFluorineHydrogenCarbonFluorineElectronCollision results in dissociation of molecule.High-energy electron collides with molecule.4.1 輝光放電和

6、等離子體輝光放電和等離子體n直流電源直流電源E, 提供電壓提供電壓V和電流和電流I則則 V = E - IR。n1、輝光放電過程包括、輝光放電過程包括n初始階段初始階段AB：I=0 無光放電區(qū)無光放電區(qū)n湯生放電區(qū)湯生放電區(qū)BC：I迅速增大迅速增大n過渡區(qū)過渡區(qū)CD：離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生：離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多二次電子，又與氣體分子碰撞產(chǎn)生更多離子離子n輝光放電區(qū)輝光放電區(qū)DE：I增大，增大，V恒定恒定n異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)EF：濺射所選擇的工：濺射所選擇的工作區(qū)作區(qū)n弧光放電：弧光放電：I增大，增大，V減小減小n弧光放電區(qū)弧光放電區(qū)FG：增加電源功

7、率，電流：增加電源功率，電流迅速增加迅速增加4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體ABCDEFG 2、輝光放電區(qū)域的劃分、輝光放電區(qū)域的劃分陰極輝光；陰極輝光； 陰極暗區(qū)；陰極暗區(qū)； 負(fù)輝光區(qū)；法拉第暗區(qū)；負(fù)輝光區(qū)；法拉第暗區(qū)；陽極柱；陽極暗區(qū)；陽極輝光陽極柱；陽極暗區(qū)；陽極輝光暗區(qū)是離子和電子從電場中獲取能量的加速區(qū)，輝暗區(qū)是離子和電子從電場中獲取能量的加速區(qū)，輝光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。域。4.1 輝光放電和等離子體輝光放電和等離子體4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象離子轟擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種過離子轟

8、擊固體表面可能發(fā)生一系列的物理過程，每種過程的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。程的相對(duì)重要性取決于入射離子的能量。一、濺射的產(chǎn)額：一、濺射的產(chǎn)額： 被濺射出來的原子個(gè)被濺射出來的原子個(gè)數(shù)與入射離子數(shù)之比。數(shù)與入射離子數(shù)之比。它與入射能量，入射它與入射能量，入射離子種類，濺射物質(zhì)離子種類，濺射物質(zhì)種類及入射離子的入種類及入射離子的入射角度有關(guān)。射角度有關(guān)。4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象圖3.7n入射離子能量的影響入射離子能量的影響n只有入射離子能量超過一定閾值以后，才能從只有入射離子能量超過一定閾值以后，才能從被濺射物質(zhì)表面濺射出離子，閾值能量與入射被濺射物質(zhì)表面濺射出離子，閾值能量與入射

9、離子的種類關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的升華熱離子的種類關(guān)系不大，與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定比例關(guān)系有一定比例關(guān)系n隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然隨入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先增加，然后處于平緩后處于平緩10Kev)，離子能量繼續(xù)增加，濺，離子能量繼續(xù)增加，濺射產(chǎn)額反而下降射產(chǎn)額反而下降 4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象n2 入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類入射離子的種類和被濺射物質(zhì)的種類n 通常采用惰性氣體離子來濺射，由通常采用惰性氣體離子來濺射，由圖圖3.7知，重離子的濺射產(chǎn)額比輕離子高，知，重離子的濺射產(chǎn)額比輕離子高，但考慮價(jià)格因素，通常使用氬氣作為濺但考慮價(jià)格因素，通常使用氬

10、氣作為濺射氣體。射氣體。n 用相同能量的離子濺射不同的物用相同能量的離子濺射不同的物質(zhì)，濺射產(chǎn)額也是不同的，質(zhì)，濺射產(chǎn)額也是不同的，Cu, Ag, Au產(chǎn)產(chǎn)額高，而額高，而Ti, W, Mo等產(chǎn)額低。等產(chǎn)額低。4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象3、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響、離子入射角度對(duì)濺射產(chǎn)額的影響傾斜入射有利于提高傾斜入射有利于提高產(chǎn)額，但當(dāng)入射角接產(chǎn)額，但當(dāng)入射角接近近80時(shí)，產(chǎn)額迅速時(shí)，產(chǎn)額迅速下降下降n合金的濺射和沉積：合金的濺射和沉積：n 濺射法的優(yōu)點(diǎn)所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶材濺射法的優(yōu)點(diǎn)所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶材基本一致?；疽恢隆

11、自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率下降，而濺射產(chǎn)額低的物質(zhì)得到富集，濺射速率上升。射速率上升。4.2 物質(zhì)的濺射現(xiàn)象物質(zhì)的濺射現(xiàn)象4.3 濺射沉積裝置濺射沉積裝置一、直流濺射裝置及特性只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）一、直流濺射裝置及特性只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）氣體離子氣體離子靶材離子靶材離子二次電子二次電子一、直流濺射裝置及特性一、直流濺射裝置及特性n濺射氣壓濺射氣壓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陰陰-陽極距離適中，大約為陰極暗區(qū)的陽極距離適中

12、，大約為陰極暗區(qū)的2倍倍n濺射電壓濺射電壓1-5KV。n靶材必須為金屬。靶材必須為金屬。n為保證薄膜的均勻性，陰極平面面積大約為襯底的為保證薄膜的均勻性，陰極平面面積大約為襯底的2倍。倍。一、直流濺射裝置及特性一、直流濺射裝置及特性n工作原理：工作原理：n當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開始，正離子打擊當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。積在襯底上形成薄膜。n在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來，被電場加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)極靶發(fā)射

13、出來，被電場加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更過程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。輝光放電達(dá)到自持。一、直流濺射裝置及特性一、直流濺射裝置及特性n氣體壓強(qiáng)太低或陰氣體壓強(qiáng)太低或陰-陽極距離太短，二次電子達(dá)到陽極之陽極距離太短，二次電子達(dá)到陽極之前不能有足夠多的離化碰撞發(fā)生。反之所產(chǎn)生的離子會(huì)前不能有足夠多的離化碰撞發(fā)生。反之所產(chǎn)生的離子會(huì)因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會(huì)產(chǎn)生足夠的二次因非彈性碰撞而減速，打擊靶材時(shí)不會(huì)產(chǎn)生足夠的二次電子。另外濺射出來的靶材原

14、子在飛向襯底的過程中將電子。另外濺射出來的靶材原子在飛向襯底的過程中將會(huì)受到過多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。會(huì)受到過多散射，在襯底上的沉積速率反而下降。n直流濺射若要保持一定的濺射速率，就必須一定的工作直流濺射若要保持一定的濺射速率，就必須一定的工作電流，要求靶材為金屬靶。若是導(dǎo)電性差的靶材，在離電流，要求靶材為金屬靶。若是導(dǎo)電性差的靶材，在離子轟擊過程中，正電荷便會(huì)積累在靶材表面。子轟擊過程中，正電荷便會(huì)積累在靶材表面。三極濺射三極濺射在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是在低壓下，為增加離化率并保證放電自持，方法之一是提供一個(gè)額外的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。提供一個(gè)額外

15、的電子源將電子注入到放電系統(tǒng)中。陽極電位高于基片直流濺射裝置及特性直流濺射裝置及特性二、射頻濺射裝置及特性二、射頻濺射裝置及特性4.3 濺射沉積裝置濺射沉積裝置二、射頻濺射裝置及特性二、射頻濺射裝置及特性n射頻電源的頻率射頻電源的頻率13.56MHzn射頻濺射電壓射頻濺射電壓1-2KVn射頻濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)。射頻濺射系統(tǒng)需要在電源與放電室間配備阻抗匹配網(wǎng)。n在射頻濺射系統(tǒng)中，襯底接地，以避免不希望的射頻電在射頻濺射系統(tǒng)中，襯底接地，以避免不希望的射頻電壓在襯底表面出現(xiàn)。壓在襯底表面出現(xiàn)。n靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。靶材可以是絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等。二、射頻濺射

16、裝置及特性二、射頻濺射裝置及特性n工作原理工作原理n在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于在射頻濺射系統(tǒng)中，射頻電勢加在位于絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場絕緣靶下面的金屬電極上，在射頻電場作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子具作用下，在兩電極間振蕩運(yùn)動(dòng)的電子具有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使有足夠高的能量產(chǎn)生離化碰撞，從而使放電達(dá)到自持，陰極濺射的二次電子不放電達(dá)到自持，陰極濺射的二次電子不再重要。再重要。n由于電子比離子具有較高的遷移率，相由于電子比離子具有較高的遷移率，相對(duì)于負(fù)半周期，正半周期內(nèi)將有更多的對(duì)于負(fù)半周期，正半周期內(nèi)將有更多的電子到達(dá)絕緣靶表面，而靶變成負(fù)的自電子到達(dá)絕緣靶表面，

17、而靶變成負(fù)的自偏壓。它將在表面附近排斥電子，吸引偏壓。它將在表面附近排斥電子，吸引正離子，使離子轟擊靶，產(chǎn)生濺射。正離子，使離子轟擊靶，產(chǎn)生濺射。二、射頻濺射裝置及特性二、射頻濺射裝置及特性n電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的路徑，電源與電極間有電容存在，隔絕電荷流通的路徑，自發(fā)產(chǎn)生負(fù)的自偏壓的過程與靶材是絕緣體和金自發(fā)產(chǎn)生負(fù)的自偏壓的過程與靶材是絕緣體和金屬無關(guān)。屬無關(guān)。n射頻電壓周期性地改變每個(gè)電極的電位，因而每射頻電壓周期性地改變每個(gè)電極的電位，因而每個(gè)電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。實(shí)個(gè)電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。實(shí)際解決的辦法將樣品臺(tái)和真空室接地，形成一個(gè)際解決的

18、辦法將樣品臺(tái)和真空室接地，形成一個(gè)面積很大的電極，降低該極的自偏壓鞘層電壓。面積很大的電極，降低該極的自偏壓鞘層電壓。三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性4.3 濺射沉積裝置濺射沉積裝置1直流電源直流電源 2出水口出水口 3進(jìn)水口進(jìn)水口 4進(jìn)氣口進(jìn)氣口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏壓基片偏壓三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性n磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線磁場的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場的作用做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場的作用而大幅度地增加，從而有效地提

19、高了氣體的離化效率和薄而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。膜的沉積速率。n 磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因：磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因：n 1、磁場中電子的電離效率提高、磁場中電子的電離效率提高n 2、在較低氣壓下、在較低氣壓下0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小濺射原子被散射的幾率減小n 提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜 n 的質(zhì)量。的質(zhì)量。三、磁控濺射裝置及特性三、磁控濺射裝置及特性四、反應(yīng)濺射裝置及特性四、反應(yīng)濺射裝置及特性 在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與

20、反應(yīng)在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材料與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物，這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射氣體反應(yīng)形成化合物，這種在沉積的同時(shí)形成化合物的濺射稱為反應(yīng)濺射。稱為反應(yīng)濺射。 利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時(shí)，可能薄膜與利用化合物直接作為靶材濺射生長薄膜時(shí)，可能薄膜與靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，靶材的成分偏離，如制備氧化物薄膜時(shí)，會(huì)造成氧含量偏低，這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。這時(shí)可在濺射氣體中通入適量的氧氣。4.3 濺射沉積裝置濺射沉積裝置四、反應(yīng)濺射裝置及特性四、反應(yīng)濺射裝置及特性 采用純金屬作為靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的采用純金屬作為

21、靶材，通入不同的反應(yīng)氣體，沉積不同的薄膜。如：薄膜。如：氧化物：氧化物：ZnO，Al2O3，SiO2， In2O3，SnO2等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體O2）碳化物：碳化物：SiC， WC，TiC等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體CH4）氮化物：氮化物：BN，F(xiàn)eN TiN，AlN，Si3N4等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體N2）硫化物：硫化物：CdS，ZnS，CuS等等(反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體H2S）化合物：化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBa2Cu3O7五、偏壓濺射裝置及特性五、偏壓濺射裝置及特性 偏壓濺射是在一般濺射的基礎(chǔ)偏壓濺射是在一般濺射的基礎(chǔ)上，在襯底與靶材間加一定的偏上，在襯底與靶材間加一定的偏壓，以改變?nèi)肷潆x子能量和離子壓，以改變?nèi)肷潆x子能量和離子數(shù)，達(dá)到改善薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。數(shù)，達(dá)到改善薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。如下圖，改變偏壓可改變?nèi)缦聢D，改變偏壓可改變Ta薄膜薄膜的電阻率。的電阻率。濺射制備的濺射制備的Ta薄膜的電阻率隨偏壓的變化薄膜的電阻率隨