第三章-薄膜的物理气相沉积(Ⅱ).ppt
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1,第三章薄膜的物理气相沉积()-溅射法及其他PVD法,溅射的含义:
在某一温度下,如果固体或液体受到适当的高能粒子(通常为离子)的轰击,固体或液体中的原子通过碰撞有可能获得足够的能量从表面逃逸。
这种将原子从表面发射出去的方式称为溅射。
2,第一节、基本概念,溅射镀膜的定义:
高能离子在电场作用下高速轰击阴极(靶),经过能量交换与转移,靶材粒子飞离出来,淀积在基板上形成薄膜。
溅,射,3,溅射法的发展,1852年,Grove在研究辉光放电时首次发现;Thomson形象的把这一现象类比为水滴从高处落在水面引起的水花飞溅现象,称其为“Spluttering”;后在印刷时将“l”漏掉错印为“Sputtering”。
后来,“Sputtering”一词便被用作科学术语“溅射”。
溅射法成膜发展晚,但是在近代特别是现代,这一技术却得到了广泛应用。
4,5,离子轰击固体表面所引起的各种效应,刻蚀,清洗,等离子体,6,7,8,9,10,溅射的基本原理,利用在电场中加速后具有一定动能的高能量离子轰击固体或液体(靶),在离子能量合适的情况下,入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将其溅射出来,这些被溅射出来的原子带有一定的动能,并且会沿着一定的方向射向衬底,实现薄膜沉积。
11,溅射沉积装置示意图,原理:
抽真空、充惰性气体(0.1-10Pa)、气体电离、氩离子撞击阴极靶、能量转移、溅射、沉积,12,溅射法的特征,溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向;从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向;溅射率(平均每个入射粒子能从靶材中打出的原子数)不仅取决于入射粒子的能量,而且也取决于入射粒子的质量;溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均速率要高得多。
13,主要内容,一、气体放电现象与等离子体二、物质的溅射现象三、溅射沉积装置四、离子束和离子镀五、外延膜沉积技术,14,辉光放电,3.1气体放电和等离子体,15,AB段:
无光放电区。
在两极加上电压,系统中的气体仍处于中性状态,只有极少量的游离离子和电子,数量有限,因此形成的电流非常微弱;,16,BC段:
汤生放电区(Townsenddischarge)。
随着两极间电压的升高,带电粒子获得足够能量运动速度加快,并与系统中的气体分子发生碰撞并使其电离从而使电流持续增加。
在此区域,电流可在电压不变的情况下增大,当电流增大到一定值时(C点),会发生“雪崩”现象。
17,CD段:
过渡区。
此时,由于离子开始轰击阴极,产生二次电子,二次电子与中性气体分子发生碰撞,产生更多离子,离子再轰击阴极,阴极又产生更多的二次电子,大量的离子和电子产生后,放电达到自持。
气体开始起辉,电子剧增,电压迅速下降,放电呈负阻特性。
18,DE段:
正常辉光放电区。
在D点以后,电流平稳增加,电压维持不变。
随着电流的增加,轰击阴极的区域扩大,到达E点后,粒子轰击覆盖整个阴极表面。
此时再增加电源功率,两极间的电流随着电压的增大而增大,这一区域EF为“异常辉光放电区”。
19,FG段:
弧光放电区。
在F点以后,随着电流的继续增加,放电电压大幅下降,电流强度伴随有剧烈增加。
这表明等离子体的导电能力再一次迅速提高。
在此区间,电流几乎由外电阻所控制,电流越大,电压越小。
20,辉光放电区域的划分阴极辉光;阴极暗区(大部分电压降);负辉光区(辉光最强区);法拉第暗区;阳极柱;阳极暗区;阳极辉光暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区,辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
3.1辉光放电和等离子体,21,帕邢(Paschen)曲线,帕邢定律:
气体放电击穿所需要的击穿电压是随气体压力变化的。
变化曲线如图3.3所示。
P,d分别为气体压力和电极间的间距。
例如,在电极间距为3cm时,最容易发生气体击穿的压力是在30Pa左右。
为什么压力过低或过高导致击穿电压升高?
22,气体压力过低或者电极间距过小时,电子很容易跨越电极间的空间而没有发生与气体分子的碰撞;压力过高时,电子与气体分子的碰撞又过于频繁,此时电子获得的能量较低,不足以引起气体分子的电离。
因此,只有当气体压力与电极间距的乘积pd为某一数值时,气体最容易发生放电击穿。
描述这一规律的曲线即图3.3,称为帕邢曲线,而相应的实验规律称为帕邢定律。
23,等离子体:
等离子体又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质,它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。
等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间,空间物理,地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。
24,在等离子体中,带电粒子之间的库仑力是长程力,库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果,等离子体中的带电粒子运动时,能引起正电荷或负电荷局部集中,产生电场;电荷定向运动引起电流,产生磁场。
电场和磁场要影响其他带电粒子的运动,并伴随着极强的热辐射和热传导;等离子体能被磁场约束作回旋运动。
等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。
25,等离子体鞘层,电离度不同:
等离子体包括低温等离子体(轻度电离,离子温度远低于电子温度)和高温等离子体(高度电离,离子温度和电子温度均很高)。
等离子体中粒子能量不同(温度不同)导致速度不同:
Te23000K,Ti=300-500K。
离子质量大,其运动速度远低于电子:
平均速度:
Vi500m/sVe9.5105m/s电子优先到达固体表面!
导致。
26,等离子体鞘层形成机理:
等离子体附近物体受等离子体内部高能粒子轰击,电子速度快,优先到物体表面,累积负电荷(负电位),导致正离子累积(最终电荷平衡),形成充斥正离子的等离子体鞘层。
电压降主要分布于阴极鞘层中。
27,等离子体鞘层在薄膜制备中的意义:
任何等离子体附近的物体(如衬底基片)均自动处于负电位。
穿过鞘层到达基片的离子降受到加速,轰击基片,电子受到减速,需大的能量方能到达基片。
鞘层厚度b:
与电子密度及温度有关,典型值100微米。
直流辉光放电的电位分布和等离子体鞘层示意图,阳极接地,处于零电位,28,(三)辉光放电过程中的电子碰撞,电子不仅是等离子体导电过程中的主要载流子,而且在粒子相互碰撞、电离的过程中也起着极为重要的作用。
等离子体中高能电子与其他粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制!
电子与其他离子的碰撞有两类:
29,1.弹性碰撞参加碰撞的粒子的总动能和总能量保持不变,粒子内能不变化,即没有粒子的激发、电离或复合过程。
以粒子1高速撞击粒子2为例:
据经典力学,弹性碰撞过程中E1与E2的关系:
碰撞前粒子1的运动方向与碰撞后粒子2的运动方向间的夹角,30,2.非弹性碰撞部分电子的动能转化为粒子2的内能增加U,31,在电子能量低于2eV(等离子体中电子的平均动能)时,电子与其他粒子的碰撞多为弹性碰撞。
当电子能量较高时,发生非弹性碰撞的几率就非常高。
比较有代表性的非弹性碰撞过程如下:
(1)电离过程(反之为复合),如e-+ArAr+2e-
(2)激发过程,如e-+O2O2*+e-(3)分解反应,如e-+CF4CF3*+F*+e-其他碰撞(原子、离子间)也在发生,但电子参与的碰撞在放电过程中最为重要。
32,二、物质的溅射现象,在离子轰击物体表面时,可能发生一系列的物理过程,溅射只是其中之一。
当离子入射到靶材表面时(鞘层电位加速,能量大幅提高),对于溅射过程来说有两个比较重要的现象:
一是物质的溅射;另一是二次电子的发射(阴极鞘层再加速)。
二次电子与气体分子的碰撞可以维持气体的辉光放电过程。
33,
(一)溅射参数,表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射产额、溅射粒子的速度和能量。
溅射阈值:
是指将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。
(1)入射离子能量低于溅射阈值时,不发生溅射。
(2)溅射阈值随着靶材原子序数增加而减小。
(3)对于大多数金属来说,溅射阈值为2040eV。
34,溅射产额:
又称溅射率或溅射系数,它表示入射离子轰击靶阴极时,被溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比。
*溅射产额与入射离子的能量、种类、角度以及靶材的种类、结构等有关。
(1)入射离子能量:
入射离子能量越过一定的阈值后,随着入射离子能量的增加,才会出现物质表面原子的溅射。
在150eV以前,溅射率与入射离子能量的平方成正比;在150eV10keV范围内,溅射率变化不明显;入射能量再增加,溅射率将呈下降趋势(离子注入)。
35,
(2)入射离子和被溅射物质种类对溅射产额的影响A.随着被溅射物质元素外层d电子数的增加溅射产额提高;B.使用惰性气体作为入射离子时,溅射产额较高;而且重离子的溅射产额明显高于轻离子。
36,(3)离子入射角度对溅射产额的影响(入射离子方向与靶面法线夹角)如图3.11所示。
随着的增加,溅射产额先是呈1cos规律增加,即倾斜入射角有利于提高溅射产额;但当入射角接近于80度时,产额迅速下降。
37,(4)靶材温度对溅射产额的影响,一定温度内关系不大;超过一定温度,迅速增加:
高温导致靶材原子间键合力弱化,溅射阈值降低。
38,溅射原子的速度和能量具有以下特点:
(1)原子序数大的溅射原子溅射逸出时能量较高,而原子序数小的溅射原子溅射逸出的速度较高;
(2)在相同轰击能量下,溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线性增加;(3)溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大,但当入射离子能量达到某一较高值时,平均逸出能量趋于恒定。
39,
(二)溅射沉积法的主要特点:
1)易于保证薄膜的化学成分与靶材的成分基本一致(适合制备合金或化合物薄膜);2)薄膜纯度高,致密性好;3)任何待镀材料,只要能作为靶材,就可实现溅射。
例如,极难熔的材料。
4)薄膜与衬底(基片)结合较好(溅射原子高能量);5)可重复性好,膜厚可控制;可以在大面积基片上获得厚度均匀、高平整度(再溅射过程)的薄膜;,40,6)可利用反应溅射技术,从金属元素靶材制备化合物薄膜;7)入射离子与靶材之间有很大能量传递;8)溅射法存在的缺点:
沉积速率低,工作气压较高,基片(衬底)会受到等离子体的辐照等作用而产生升温。
41,引起衬底温度升高的能量来源:
(1)原子的凝聚能;
(2)沉积原子的平均动能;(3)等离子体中的其他粒子,如电子、中性原子等的轰击带来的能量。
42,三、溅射沉积装置,溅射沉积装置种类繁多,主要的溅射方法可以根据其特征分为以下几种:
*直流溅射*射频溅射*磁控溅射*反应溅射,43,
(一)直流溅射,*又称为阴极溅射或二极溅射*一般只能用于靶材为良导体的溅射.辉光放电直流溅射系统是最简单的溅射系统.如图3-21所示.,44,1.直流溅射典型的溅射条件:
Ar作为工作气体,工作压力10Pa,溅射电压3000V,靶电流密度0.5mA/cm2,薄膜沉积速率低于0.1um/min。
2.工作气压对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响.(低-电离少-二次电子少-溅射速率低;高-靶原子散射-溅射效率低),45,3.直流溅射法的缺点,
(1)不能独立地控制各个工艺参量,包括阴极电压、电流以及溅射气压。
(2)直流溅射的放电气压高(10Pa左右)导致溅射速率低,不利于减小气氛中的杂质对薄膜的污染以及溅射效率的提高。
所以,目前直流溅射方法已经较少采用。
46,4.三极溅射:
在直流二级溅射的基础上增加一个发射电子的热阴极和一个辅助阳极。
结构如图3.17所示。
热阴极接加热电源和050V负偏压电源。
热电子在加速电场吸引下,穿过靶与工件间的等离子区,增加了电子与氩气原子的碰撞概率,提高沉积速率,真空镀膜膜层组织细化。
47,典型的工作条件:
工作气压0.5Pa,溅射电压1500V,靶电流密度2.0mA/cm2,薄膜沉积速率0.3um/min。
缺点:
(1)难于获得大面积且分布均匀的等离子体,并且提高薄膜沉积速率的能力有限;
(2)放电过程难以控制,工艺重复性差。
48,用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统,由于常用的交流电源的频率在射频段,如13.5
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- 第三 薄膜 物理 沉积