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1、第三章、溅射镀膜第三章、溅射镀膜本章重点本章重点1.溅射的定义及原理溅射的定义及原理2.溅射的特性及机理溅射的特性及机理3.溅射与蒸发的比较溅射与蒸发的比较4.溅射技术性问题溅射技术性问题第一节、基本概念第一节、基本概念1、溅射镀膜的定义：溅射镀膜的定义：高能离子在电场作高能离子在电场作用下高速轰击阴极用下高速轰击阴极（靶），经过能量（靶），经过能量交换与转移，靶材交换与转移，靶材粒子飞离出来，粒子飞离出来，淀积在基板上形成淀积在基板上形成薄膜。薄膜。溅溅射射离子轰击固体表曲所引起的各种效应离子轰击固体表曲所引起的各种效应镀膜镀膜SIMS分析分析刻蚀，清洗刻蚀，清洗占靶产物的占靶产物的85-9
2、0等离子体等离子体2、什么是等离子体、什么是等离子体当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离子体状态。子体状态。也被称作物质的第四态，可看作部分电离的气体也被称作物质的第四态，可看作部分电离的气体等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（离等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（离子），而不是其结合体，异类带
3、电粒子之间是子），而不是其结合体，异类带电粒子之间是相互相互“自由自由”和独立的。等离子体粒子之间的和独立的。等离子体粒子之间的相互作用力是电磁力相互作用力是电磁力等等离离子子空空间间第二节、溅射的基本原理第二节、溅射的基本原理1、溅射时入射粒子的来源：气体放电、溅射时入射粒子的来源：气体放电所谓气体放电是指电流通过气体的现所谓气体放电是指电流通过气体的现象，气体放电将产生等离子体。一般是利象，气体放电将产生等离子体。一般是利用辉光放电，根据所加电场的不同，又分用辉光放电，根据所加电场的不同，又分为直流辉光放电、射频辉光放电，而其他为直流辉光放电、射频辉光放电，而其他如三极溅射、磁控溅射时的辉
4、光放电都是如三极溅射、磁控溅射时的辉光放电都是在此基础上的改进。在此基础上的改进。2、为什么用氩等惰性气体？3、辉光放电过程、辉光放电过程定义：是指在低气压（定义：是指在低气压（110Pa）的稀薄气体中，在的稀薄气体中，在两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。l1）为什么会产生辉光放电为什么会产生辉光放电l空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使更多的分子电离。之所以需要低气压，使因为在较更多的分子电离。之所以需要
5、低气压，使因为在较高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量使离子被加速。使离子被加速。2）辉光放电的）辉光放电的IV特性特性直流辉光放电的伏安特性曲线直流辉光放电的伏安特性曲线被激导电及被激导电及非自持暗放电非自持暗放电自持暗放电自持暗放电AB段段：电电压压增增加加，而而电电流流密密度度增增加加很很小小，说说明明电电压压不够。不够。BC段段：电电压压不不变变，电电流流密密度度增增加加很很快快。说说明明电电离离已已经产生，但电源的阻抗很大。经产生，但电源的阻抗很大。C点：击穿电压点：击穿电压VBCD段：段：“雪崩区雪崩区”、离子轰击靶、释放出二次电
6、子，、离子轰击靶、释放出二次电子，二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增，电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增，电压剧减。电阻呈负阻特征。电压剧减。电阻呈负阻特征。DE段段：电电流流与与电电压压无无关关，增增大大功功率率时时，电电压压不不变变，电电流流增增加加。放放电电能能自自动动调调节节轰轰击击阴阴极极的的面面积积，起起初初集集中中在在阴阴极极边边缘缘或或表表面面不不规规则则处处，随随功功率率密密度度的的增增
7、加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。EF段：增大功率，呈正电阻特性。段：增大功率，呈正电阻特性。溅射一般工作在此区。溅射一般工作在此区。E、F：常数，与电极材料、常数，与电极材料、尺寸和气体种类有关。尺寸和气体种类有关。F点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小。点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小。在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气压及电极距离的乘积相关。压及电极距离的乘积相关。3）巴刑（）巴刑（paschen）定律定律 pd太小太小二次电子在碰撞阳极前不能进行二次电子在碰撞阳极前不能进行足够数量的电离碰撞
8、。足够数量的电离碰撞。pd太大太大气体中产生的离子，由于非弹性气体中产生的离子，由于非弹性碰撞被慢化、减速，到达阴极时无足够能量来碰撞被慢化、减速，到达阴极时无足够能量来产生二次电子产生二次电子 大多数辉光放电，大多数辉光放电，pd乘积在最小电压值右侧乘积在最小电压值右侧p有一定值，有一定值，n较多；较多；d有一定值，溅射效有一定值，溅射效率较高，特别是成膜区可以扩大。率较高，特别是成膜区可以扩大。起辉电压存在最小值：起辉电压存在最小值：4）等离子体鞘层）等离子体鞘层对于对于1 1PaPa左右的辉光放电：左右的辉光放电：原子、电子、离子总密度：原子、电子、离子总密度：3 3 10 101414
9、个个/cmcm3 3；其中其中1010-4-4的比例为电子和离子。的比例为电子和离子。产生的是产生的是冷等离子体冷等离子体：电子和原子及离子温度不等：电子和原子及离子温度不等 T Te e23000K23000K，T Ti i=300-500K=300-500K。离子质量大，其运动速度远低于电子：离子质量大，其运动速度远低于电子：平均速度：平均速度：V Vi i500m/s500m/s V Ve e9.5 9.5 10105 5m/sm/s 电子优先到达固体表面！电子优先到达固体表面！结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一个负电位，并在其表面处伴随有正
10、电荷的积累。个负电位，并在其表面处伴随有正电荷的积累。形成等离子体鞘层。形成等离子体鞘层。鞘层电压：鞘层电压：典型值：典型值：-10V，并变化不大。并变化不大。在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，电子受到减速，需大的能量方能到达基片。电子受到减速，需大的能量方能到达基片。鞘层厚度鞘层厚度b：与电子密度及温度有关，典型值与电子密度及温度有关，典型值100微米。微米。直流辉光放电直流辉光放电的电位分布和的电位分布和等离子体鞘层等离子体鞘层5）辉光放电的空间分布）辉光放电的空间分布阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能量小阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能
11、量小（1ev），不足以电离中性分子。不足以电离中性分子。阴极辉光区：阴极辉光区：电子获得足够能量，碰撞气体分子使其电子获得足够能量，碰撞气体分子使其激发，退激发而发光。激发，退激发而发光。少数电子和正离子复合发光。少数电子和正离子复合发光。克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。电离产生低速电子。电离产生低速电子。负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与电子复合发光。该区是正的空间电荷区，电子复合发光。该区是正的空间电荷区，也是主要的压降区。也是主要的压降区。法拉第暗区：少数电子
12、穿过负辉光区，电子动能小。法拉第暗区：少数电子穿过负辉光区，电子动能小。正光柱区：正光柱区：上述少数电子加速，产生电离。上述少数电子加速，产生电离。负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似一良导体。一良导体。两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间。因此，当两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间。因此，当极间电压不变而长度改变时，阴极到负辉光区的距离不极间电压不变而长度改变时，阴极到负辉光区的距离不变，而是正光柱区变化。变，而是正光柱区变化。产生的正离子冲击阴极产生溅射产生的正离子冲击阴极产生溅射阴极鞘层阴极鞘层阳极鞘层阳极鞘层阴极阴极阳极
13、阳极电位电位0Vp6)辉光放电的主要形式（用于溅射）辉光放电的主要形式（用于溅射）直流辉直流辉光放电光放电射频辉射频辉光放电光放电第三节、溅射特性第三节、溅射特性1.溅射率（产额）溅射率（产额）1.1与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系存在溅射阈值，存在溅射阈值，通常金属通常金属10-30ev。（2Kev时，时，opt解释：解释：Ar1.5与靶材的晶体结构有关与靶材的晶体结构有关单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性现象：对应于低指数晶面的溅现象：对应于低指数晶面的溅射率低，而高指数晶面的溅射射率低，而高指数晶面的溅射率略高于多晶靶材。率略
14、高于多晶靶材。解释：沟道效应，即原子排列解释：沟道效应，即原子排列密度最大的方向上溅射率越大。密度最大的方向上溅射率越大。1.6与靶材温度的关系与靶材温度的关系现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。温度，溅射率急剧增加。解释：溅射与热蒸发解释：溅射与热蒸发 二者的复合作二者的复合作 用。用。2.溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布2.1与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系现象：入射离子能现象：入射离子能量越高，角分布越量越高，角分
15、布越趋向于余弦分布，趋向于余弦分布，但在低能状态下但在低能状态下（几千（几千ev）并非如并非如此。此。欠余弦分布欠余弦分布。蒸发原子的角分蒸发原子的角分布为余弦分布。布为余弦分布。2.2与入射离子的角度的关系与入射离子的角度的关系轻离子入射，与入射角轻离子入射，与入射角的关系很大。的关系很大。重离子入射，基本为重离子入射，基本为余弦分布，与入射角余弦分布，与入射角无关。无关。第四节、溅射机理第四节、溅射机理1.热蒸发理论热蒸发理论认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生认为溅射是一个能量传递过程，靶表面被碰撞处产生局域高温，发生熔化而蒸发。局域高温，发生熔化而蒸发。该理论可解释的现象：该
16、理论可解释的现象：a)溅射率与靶材蒸发热的关系；溅射率与靶材蒸发热的关系；b)溅射率与入射离子能量的关系；溅射率与入射离子能量的关系；c)溅射原子的余弦分布律。溅射原子的余弦分布律。该理论不能解释的现象：该理论不能解释的现象：溅溅射射原原子子的的角角分分布布并并不不象象热热蒸蒸发发原原子子那那样样符符合合余余弦弦规规律律，从从单单晶晶靶靶溅溅射射出出的的原原子子趋趋向向于于集集中中在在晶晶体体原原子子密排方向；密排方向；溅溅射射产产额额不不仅仅取取决决于于轰轰击击离离子子能能量量，同同时时也也取取决决于于其质量与靶原子质量之比；其质量与靶原子质量之比；溅溅射射产产额额取取决决于于轰轰击击离离子
17、子的的入入射射角角，当当入入射射角角不不同同时，溅射原子的角分布也不相同；时，溅射原子的角分布也不相同；离子能量很高时，溅射产额会减少；离子能量很高时，溅射产额会减少；溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高溅射原子的能量比热蒸发原子的能量高100倍。倍。电电子子质质量量小小，即即使使用用高高能能电电子子轰轰击击靶靶材材，也也不不会会产产生溅射。生溅射。2.级联碰撞理论级联碰撞理论溅射是一个动量传递过程，而不是能量传递过程。溅射是一个动量传递过程，而不是能量传递过程。入射离子与靶原子发生二体弹性碰撞，入射离子与靶原子发生二体弹性碰撞，一部分能量传递给靶原子。一部分能量传递给靶原子。当后者获得的能量超
18、过势垒高度后（金属当后者获得的能量超过势垒高度后（金属5-10ev），），原子原子离位原子，并进一步和附近的原子碰撞，产生离位原子，并进一步和附近的原子碰撞，产生碰撞级联。碰撞级联。当碰撞到达样品表面时，当碰撞到达样品表面时，若表面原子获得的动能超若表面原子获得的动能超过表面结合能（金属过表面结合能（金属1-6ev），靶原子从表面逸出。靶原子从表面逸出。二体弹性碰撞二体弹性碰撞动量守恒：动量守恒：能量守恒：能量守恒：能量转移函数能量转移函数 m2m10uv2v1sin m1m2 v1碰撞前碰撞前碰撞后碰撞后当当m1=m2，=0时，时，1，为最大值，完全能量转移为最大值，完全能量转移当当m1m2
19、时，重离子入射轻靶，时，重离子入射轻靶，此时，此时，v2=2v1v2v1溅射率的表达式溅射率的表达式前提：线形级联碰撞理论；非晶靶模型；二体碰撞近似；前提：线形级联碰撞理论；非晶靶模型；二体碰撞近似；原子作用势为原子作用势为Thomas-Fermi势势平均表面势垒；垂直入射平均表面势垒；垂直入射1969年，年，Sigmund给出，当离子能量给出，当离子能量1keV：表面势垒，表面势垒，一般取升华能一般取升华能碰撞阻止能碰撞阻止能若考虑原子的相互作用：若考虑原子的相互作用：第五节、溅射的特点第五节、溅射的特点一、优点：一、优点：一、优点：一、优点：l任何物质均可以溅射任何物质均可以溅射 尤其是高
20、熔点、低蒸气压元素和化合物尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物 不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材l溅射膜与基板之间的附着性好溅射膜与基板之间的附着性好 溅射原子的能量溅射原子的能量10ev，蒸发蒸发0.1ev 表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层l溅射镀膜膜密度高，溅射镀膜膜密度高，针孔少，针孔少，且膜层的纯度较高且膜层的纯度较高 溅射镀膜中，不存在坩埚污染现象溅射镀膜中，不存在坩埚污染现象l膜厚可控性和重复性好膜厚可控性和重复性好二、缺点（二、缺点（针对二极溅射）针对二极溅射）溅射设备复杂、需要高压装置；溅射设备复杂、需要
21、高压装置；溅射淀积的成膜速度低，溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀：真空蒸镀：0.15m/min，溅射：溅射：0.010.5m/min。基板温升较高和易受杂质气体影响等。基板温升较高和易受杂质气体影响等。第六节、蒸发与溅射的比较第六节、蒸发与溅射的比较1、淀积粒子的过程、淀积粒子的过程蒸发：热交换过程，气化过程，蒸发粒子能量蒸发：热交换过程，气化过程，蒸发粒子能量低、附着力低；低、附着力低；溅射：动量交换过程，能量交换率高，溅射粒溅射：动量交换过程，能量交换率高，溅射粒子能量高，附着力好。子能量高，附着力好。2、淀积粒子的角分布、淀积粒子的角分布蒸发：余弦分布，膜厚分布不均；蒸发：余弦分布，膜厚分
22、布不均；溅射：轴平面对称性分布，状态与入射粒子动溅射：轴平面对称性分布，状态与入射粒子动能有关。能有关。3、逸出粒子性质、逸出粒子性质蒸发：不带电，极少热电子发射；蒸发：不带电，极少热电子发射；溅射：离子种类多，性质各异，中性原子、正溅射：离子种类多，性质各异，中性原子、正负离子、高能电子、光子、低能原子或离子团、负离子、高能电子、光子、低能原子或离子团、气体分子、解吸附原子分子、入射离子。气体分子、解吸附原子分子、入射离子。4、合金的蒸发、溅射不同、合金的蒸发、溅射不同（1）粒子的产生过程）粒子的产生过程蒸发：要出现分馏，膜成分偏离源组分，各元素的蒸蒸发：要出现分馏，膜成分偏离源组分，各元素
23、的蒸发速率相差较大，膜成分随蒸发时间而变发速率相差较大，膜成分随蒸发时间而变溅射：膜成分与靶材接近，各元素间溅射速率差异小溅射：膜成分与靶材接近，各元素间溅射速率差异小（2）迁移过程）迁移过程蒸发：真空度蒸发：真空度10-510-6Torr，源源基距，淀积粒基距，淀积粒子几乎不发生碰撞，直线淀积，薄膜不均匀；子几乎不发生碰撞，直线淀积，薄膜不均匀；溅射：溅射：真空度真空度10-210-4Torr，源源基距，基距，（3）成膜过程）成膜过程a.溅射原子动能蒸发原子动能，有净化和粗化表溅射原子动能蒸发原子动能，有净化和粗化表面作用，促进吸附粒子迁移与核生长；面作用，促进吸附粒子迁移与核生长；b.溅射
24、离子入射可渗透到几个原子层厚度，产生缺溅射离子入射可渗透到几个原子层厚度，产生缺陷，使基板晶体结构畸变；陷，使基板晶体结构畸变；c.溅射入射离子可使成核小岛瞬间充电，有利于小溅射入射离子可使成核小岛瞬间充电，有利于小岛聚集，晶核密度大，晶粒尺寸小。岛聚集，晶核密度大，晶粒尺寸小。第七节、溅射类型第七节、溅射类型一、二极溅射：一、二极溅射：一、二极溅射：一、二极溅射：靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体靶为阴极，基片为阳极，由辉光放电产生等离子体工作气压：工作气压：1 11010PaPa缺点：缺点：1.溅射参数不易独立控制，工艺重复性差；溅射参数不易独立控制，工艺重复性差；2.2.真空度
25、低，真空度低，1-10Pa，方能维持放电。方能维持放电。3.3.残留气体对膜层的污染较严重。残留气体对膜层的污染较严重。4.4.淀积速率低，小于淀积速率低，小于10nm/min；5.5.基板的温升高，辐照损伤大；基板的温升高，辐照损伤大；6.6.靶材必须是良导体（直流）。靶材必须是良导体（直流）。二、偏压溅射二、偏压溅射二极溅射中：基片与阳极同电位二极溅射中：基片与阳极同电位偏压溅射：偏压溅射：基片与阳极分离，基片与阳极分离，在基片上加偏压。在基片上加偏压。1.1.若加负偏压（基片电位低于阳极电位）若加负偏压（基片电位低于阳极电位）可以提高薄膜的纯度和附着力。可以提高薄膜的纯度和附着力。除掉吸
26、附气体；除掉吸附气体；离子轰击基片离子轰击基片 除掉附着力差的淀积原子；除掉附着力差的淀积原子；清洗作用。清洗作用。2.2.偏压可改变薄膜的结构偏压可改变薄膜的结构 a a 偏压在（偏压在（-100-100+10+10V V）四方结构，电阻率高；四方结构，电阻率高；b b 偏压偏压-100-100V V，体心立方体心立方结构，电阻率低。结构，电阻率低。偏压的作用偏压的作用3.3.偏压可改变薄膜中杂质离子的浓度偏压可改变薄膜中杂质离子的浓度在负偏压大于在负偏压大于2020v v以上时，以上时，电阻率迅速上升，电阻率迅速上升，O O2 2已从钽已从钽膜中溅射出来。膜中溅射出来。当负偏压较高时，电阻
27、率逐当负偏压较高时，电阻率逐渐上升，渐上升，ArAr渗入薄膜。渗入薄膜。二极溅射二极溅射：放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持，：放电靠离子轰击阴极发射二次电子来维持，此需较高的工作气压。此需较高的工作气压。三极溅射三极溅射：由热阴极发射电子来维持放电，：由热阴极发射电子来维持放电，同时使靶电位低于等离子体电位，同时使靶电位低于等离子体电位，阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。阳极和基板支架分离，阴极和靶分离。四极溅射四极溅射：在三极溅射的基础上增加辅助阳极，：在三极溅射的基础上增加辅助阳极，作用是使放电更加稳定。作用是使放电更加稳定。阳极阳极线线圈圈靶靶基片基片热阴极热阴极等等离离子子三、四极
28、溅射示意图三、四极溅射示意图稳稳定定化化电电极极1.1.1.1.为什么直流溅射不能溅射绝缘靶为什么直流溅射不能溅射绝缘靶为什么直流溅射不能溅射绝缘靶为什么直流溅射不能溅射绝缘靶 溅射条件：靶电位溅射条件：靶电位 等离子体电位等离子体电位 正离子轰击靶，正离子轰击靶，9999以上注入，以上注入，使靶电位升高使靶电位升高2.2.2.2.射频溅射原理射频溅射原理射频溅射原理射频溅射原理三、射频溅射三、射频溅射48第一周期第一周期The disparity in electron&ion mobilitThe disparity in electron&ion mobility y positivel
29、y positively chargedcharged,electrode electrode draws moredraws more e e-current butcurrent but no charge transfer through capacitor no charge transfer through capacitor self-biasself-bias voltage(negative)at target electrode(capacitively voltage(negative)at target electrode(capacitively coupled ele
30、ctrode)coupled electrode)A.A.在正半周在正半周(靶电位靶电位为正为正)，绝缘体的，绝缘体的极化作用，靶表面极化作用，靶表面吸引电子，电位很吸引电子，电位很快降低至等离子体快降低至等离子体电位；电位；B.B.在负半周在负半周(靶电位为负靶电位为负)，吸引正离子，但由于正，吸引正离子，但由于正离子移动速度慢，所以靶电位上升慢。离子移动速度慢，所以靶电位上升慢。最终结果使得靶相对于等离子体而言处于负电位最终结果使得靶相对于等离子体而言处于负电位射频溅射时等离子鞘层和靶电位的变化曲线射频溅射时等离子鞘层和靶电位的变化曲线结果：在等离子鞘层与靶之间形成结果：在等离子鞘层与靶之
31、间形成Vd的直流偏压，的直流偏压，造成正离子对靶的持续溅射造成正离子对靶的持续溅射3.3.射频溅射的空间电位分布射频溅射的空间电位分布为什么在正半周不对基片进行溅射？为什么在正半周不对基片进行溅射？阴极鞘层阴极鞘层阳极鞘层阳极鞘层阴极阴极阳极阳极电位电位0VpC1C2VP-TVP-S基片基片靶靶阳极与等阳极与等离子形成离子形成的偏压小的偏压小6.6.射频溅射的特点射频溅射的特点优点：优点：A)A)可淀积导体、半导体、绝缘体在内的所有材料；可淀积导体、半导体、绝缘体在内的所有材料；B)B)击穿电压及维持放电电压均很低；工作气压低击穿电压及维持放电电压均很低；工作气压低电子作振荡运动，增加了碰撞几
32、率，便于吸收能量，电子作振荡运动，增加了碰撞几率，便于吸收能量，不需要二次电子来维持放电。不需要二次电子来维持放电。缺点：缺点：靶上发射的二次电子对基片的辐照损伤没有消除。靶上发射的二次电子对基片的辐照损伤没有消除。四、磁控溅射四、磁控溅射1.1.原理原理EE靶面，靶面，BB靶面靶面溅射产生二次电子和原子，对于溅射产生二次电子和原子，对于e e1 1电子电子近似认为：二次电子在阴极暗区只受磁场作用；近似认为：二次电子在阴极暗区只受磁场作用；在负辉光区只受磁场作用在负辉光区只受磁场作用在电磁场的作用下，二次电子作上下的振荡在电磁场的作用下，二次电子作上下的振荡 横向的漂移横向的漂移运动运动若电磁
33、场是闭合的，则二次电子的运动轨迹为若电磁场是闭合的，则二次电子的运动轨迹为一条圆滚线一条圆滚线。二次电子与气体分子碰撞以后，损失能量，其运动二次电子与气体分子碰撞以后，损失能量，其运动轨迹会稍微偏离阴极而靠近阳极（阴阳极间距的轨迹会稍微偏离阴极而靠近阳极（阴阳极间距的1/1001/100左右），这样必须经多次碰撞后二次电子才能到达阳极左右），这样必须经多次碰撞后二次电子才能到达阳极（基片）。（基片）。一方面增加了碰撞电离的几率，另一方面对一方面增加了碰撞电离的几率，另一方面对基片的损伤小基片的损伤小。e e2 2电子可直接到达阳极，但电子可直接到达阳极，但其比例很少。其比例很少。气体电离后的正
34、离子轰气体电离后的正离子轰击靶，击靶，打出新的打出新的e e1 1电子电子，重复上述过程。重复上述过程。1）高沉积速率，比二极溅射高）高沉积速率，比二极溅射高100倍；倍；离化率从离化率从0.3-0.55-6。2）基片温升低，只及）基片温升低，只及RF入射能量的入射能量的1/10。可对塑料。可对塑料基片、光刻胶等进行溅射。基片、光刻胶等进行溅射。3）基片的辐照损伤低。）基片的辐照损伤低。4）工作气压可下降）工作气压可下降2个数量级，个数量级，10Pa0.5Pa5）靶的平均电流密度高靶的平均电流密度高缺点：缺点：1）靶的不均匀刻蚀；）靶的不均匀刻蚀；2）强磁性材料困难）强磁性材料困难。2.特点特
35、点3.3.磁控溅射靶的类型磁控溅射靶的类型适合大面积适合大面积靶材利用率高，靶材利用率高，膜厚分布均匀膜厚分布均匀五、对向靶溅射五、对向靶溅射两靶对向放置，两靶对向放置，B B 靶面，靶面，阳极与靶垂直阳极与靶垂直在阴极暗区，在阴极暗区，EBEB，电子只受电场力作用。电子只受电场力作用。电子在离开阴极暗区电子在离开阴极暗区后，具有后，具有X X方向的速度方向的速度分量，受洛仑兹力偏转分量，受洛仑兹力偏转作回旋运动。作回旋运动。但但Y Y方向速度很大，作方向速度很大，作振荡运动。振荡运动。综合来看，作螺旋线综合来看，作螺旋线运动。运动。电子被束缚在两个靶之间，增加了碰撞电子被束缚在两个靶之间，增
36、加了碰撞电离的几率，所以具有磁控溅射同样的优点：电离的几率，所以具有磁控溅射同样的优点：1.1.高速高速2.2.低温低温3.3.低损伤低损伤突出的优点：可溅射磁性材料。突出的优点：可溅射磁性材料。六、反应溅射六、反应溅射1.1.定义定义 在溅射镀膜时，引入某些活性反应气体，来获得在溅射镀膜时，引入某些活性反应气体，来获得不同与靶材的新物质薄膜的方法。不同与靶材的新物质薄膜的方法。是除射频溅射外，另一种制备介质薄膜的方法。是除射频溅射外，另一种制备介质薄膜的方法。反应反应气体气体O2N2NH3O2+N2C2H2CH4CSi4HFCF4产物产物氧化氧化物物氮化氮化物物氮氧氮氧化物化物碳化碳化物物硅
37、化硅化物物氟化氟化物物2.2.反应溅射的机理反应溅射的机理反应发生在什么地方。气相中？靶上？基片上？反应发生在什么地方。气相中？靶上？基片上？反应气体的分压低，气相反应可忽略反应气体的分压低，气相反应可忽略靶中毒：靶中毒：靶上活性气体的吸附靶上活性气体的吸附速度大于其溅射速度，速度大于其溅射速度，靶材发生了反应。靶材发生了反应。靶中毒的表现：溅射速度急剧下降。靶中毒的表现：溅射速度急剧下降。1 1）化合物的溅射速度慢；）化合物的溅射速度慢；2 2）化合物的二次电子发射系数大，更多的能量用）化合物的二次电子发射系数大，更多的能量用于发射二次电子；于发射二次电子；3 3）活性气体的溅射率比）活性气
38、体的溅射率比ArAr低。低。3.3.例子例子七、离子束溅射七、离子束溅射上述的上述的7 7种溅射都是种溅射都是阴极溅射：阴极溅射：靶和基板都处于等离子体中，基片在成膜过程中靶和基板都处于等离子体中，基片在成膜过程中受到周围环境气体和带电离子的轰击（特别是受到周围环境气体和带电离子的轰击（特别是高速电子），因此膜的质量往往差异较大。高速电子），因此膜的质量往往差异较大。离子束溅射是将离子的产生区和靶的溅射区分开。离子束溅射是将离子的产生区和靶的溅射区分开。考夫曼离子源考夫曼离子源离子束溅射离子束溅射(IBS)：高能离子束轰击靶材，产生溅射高能离子束轰击靶材，产生溅射;离子束沉积离子束沉积(IBD
39、)：低能成膜离子入射到基片，形成薄膜低能成膜离子入射到基片，形成薄膜离子束辅助沉积离子束辅助沉积(IBAD)：低能非成膜离子入射基片，低能非成膜离子入射基片，提高成膜原子的能量。提高成膜原子的能量。问题：如何能实现用问题：如何能实现用离子源溅射绝缘靶？离子源溅射绝缘靶？特点：特点：(1)(1)薄膜沉积区的真空度高，薄膜沉积区的真空度高，1010-3-3-10-10-7-7PaPa，气体杂质气体杂质污染少，薄膜纯度高，附着力好。污染少，薄膜纯度高，附着力好。(2)(2)不产生辉光放电，没有等离子体的影响，各个溅不产生辉光放电，没有等离子体的影响，各个溅射参数可分别控制，工艺重复性好。射参数可分别
40、控制，工艺重复性好。(3)(3)淀积发生在无场区域，负离子不会轰击基板，温淀积发生在无场区域，负离子不会轰击基板，温升低。升低。(4)(4)适宜作溅射的基础研究工作。适宜作溅射的基础研究工作。微量搀杂，准直性好微量搀杂，准直性好缺点：设备复杂，淀积速率较低。缺点：设备复杂，淀积速率较低。作作 业业1.1.比较蒸发和溅射镀膜的异同比较蒸发和溅射镀膜的异同2.2.试说明磁控溅射的原理和特点。试说明磁控溅射的原理和特点。3.3.试说明射频溅射的原理，为什么在射频电试说明射频溅射的原理，为什么在射频电压的正半周不会对基片形成溅射？压的正半周不会对基片形成溅射？4.4.查阅有关反应溅射制备氧化物薄膜的资料，查阅有关反应溅射制备氧化物薄膜的资料，写约写约10001000字综述。字综述。