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1、12.3 溅射（溅射（Sputtering）2.3.1 溅射的基本原理溅射的基本原理 荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射荷能粒子：离子（易于在电磁场中加速或偏转）伴随着离子轰击固体表面的各种现象（右图）：1）大部分中性粒子（成膜）2）二次电子（辉光放电）3）少部分二次离子4）气体解吸、加热等其他现象95%的离子能量作为热量损耗掉5%的能量传递给二次发射的粒子溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：12直流辉光放电过程的形成VB：击穿电压3溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电”当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，
2、可同时提高放电区的电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系：气体辉光放电气体辉光放电E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数4弧光放电区：U阴极强电场暗区收缩dc：暗区厚度A、B为常数j0.1A/cm2,Uj（弧光放电）气压P太低，两极间距太小：没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭气压P太高：二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电5溅射过程的机理解释：溅射过程的机理解释：（1）离子轰击局部瞬时加热而蒸发 （因与实验观察不符而被否定）（2）动量理论(级联碰撞理论)离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能大于升华热，那
3、么它就脱离点阵而射出。（研究溅射的基础）62.3.2 溅射阈和溅射率溅射阈和溅射率 溅射阈：入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量 溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系主要取决于靶材料周期中随着原子序数增加而减小 对大多数金属来说：溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热7一些金属的溅射阈（eV）8溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数影响因素影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热等单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高E：入射粒子能量E0：升华热（eV）mI：入射粒子质量mA：
4、靶材原子的质量r：mA/mI函数 4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传递的贡献当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子9溅射率与入射离子能量的关系溅射率与离子入射角的典型关系溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关104eV：下降（注入增加）060o：单调增加7080o：最大90o：010溅射率与靶材原子序数的关系同周期元素：溅射率随原子序数增大而增加Ag、Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小11Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系温度低时：几乎不变化超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大）不同能量的AR+
5、对几种化合物的溅射率12溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射率值来确定，存在较大的差异性。132.3.3 溅射粒子的速度和能量溅射粒子的速度和能量溅射Cu原子速度分布图He+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eVAr+：平均速度=36105 cm/s 平均能量 E=3040 eV轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV2.3.4 溅射速率和淀积速率溅射速率和淀积速率14（1）溅射速率：N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率，M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。（2）扩散速率：D：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度，
6、P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。（3）淀积速率：1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。（1 1）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射152.3.5 溅射的种类溅射的种类阴极溅射原理图三极（四极）溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射（2 2）射频（高频）溅射）射频（高频）溅射16射频溅射原理图可溅射绝缘体。高频范围：530MHz（一般rf13.56MHz）17（3 3）磁控溅射磁控溅射 磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中电子的运动轨迹，改进溅射的工艺电子在正交电磁场中的作用力：采用正交电磁场能够
7、提高离化率离化率：0.30.5%56%电子在正交电磁场中的运动轨迹磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪衬底：“近冷”态18磁控溅射电极类型2.3.6 反应溅射反应溅射19应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：高频溅射 反应溅射，特别是磁控反应溅射例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物 在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等反应物之间产生反应的必要条件：反应物分子必须有足够高的能量以克服分子间的势垒20势垒与能量关系为：Ea=NAEa为反应活化能，NA为阿佛伽德罗常数。根据过渡态模型理论，两种反应物的分
8、子进行反应时，首先经过过渡态以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能x：反应物初态能量W：终态能量T：活化络合物能量E：反应物与生成物能量之差热蒸发粒子的平均能量只有0.10.2EV，而溅射粒子可达1020EV，比热蒸发高出二个数量级。21蒸发与溅射粒子的能量分布图22其中能量大于反应活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为：假设只有能量大于Ea的粒子能参与反应，那么，溅射粒子的反应度必然远远大于蒸发粒子。由于平均能量，因此溅射分子或原子的能量大于Ea的分数同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数式中
9、 和 分别为溅射和蒸发粒子的平均动能由图可以看出，能量EEa的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数：23 若两种反应物处在同一能量状态，则Ti、Zn和O2的反应活化能Ea大约分别为0.2eV和0.17eV，但常温基板表面的氧分子完全处于钝化态（可能有百分之几的离子氧），因此，膜料粒子最小的反应能阈值至少增加一倍，即Ti、Zn与O2反应至少要有0.4和0.34eV的能量。设溅射原子的平均动能为15eV，由式(2-1)和(2-2)，则大约有98%的溅射Ti原子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只有10%和0.5%左右。举例来说，Ti和Zn与氧反应，反应方程式是24若用平均动能代替温度T，则参加反应的高能粒子越多，反应速度越快反应速度与活化能Ea的关系为是反应速度常数R是气体常数C是有效碰撞的频率因子，故溅射的反应速度要比热蒸发快得多