薄膜工艺课件.ppt
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- 薄膜 工艺 课件
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1、 薄膜工艺薄膜工艺本章讨论的对象:什么是薄膜(Thin film)?本章的讨论对象是什么 ? 相对尺度:某一维尺寸 其余二维尺寸; 绝对尺度:在此维度上材料厚度 10!2)真空系统中气体运动特征的理论划分: 粘滞流(层流、Poiseuille流) 粘滞-分子流 分子流(自由分子流、Knudsen流) Kn 1 2、 真空区域的划分真空区域:指不同的真空度范围; 划分目的:为了研究真空和实际应用的便利; 划分依据:按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分; 划分准则:理论上,可依据Knudsen数的不同进行划分。 气体分子的平均自由程 流场特征尺寸(如:管径)3)理想气体状态方程: ,式中:
2、n 分子密度 (个/m3); k 玻尔兹曼常数,1.3810-23 J/K; P 气体压强 (Pa); T 气体温度 (K); V 气体体积 (m3); m 气体质量 (kg); M 气体分子量 (kg/mol); R 普适气体常数,R = NAk = 8.314 J/molK; NA Avogadro常数,6.021023 个/mol;4)气体分子的自由程():每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。 平均自由程( ):气体分子自由程的统计平均值。 式中: 分子直径(m); Avogadro定律: 一定温度、压力下,各种气体单位体积内含有的分子数相同。表明:1)与P成反比
3、,而与 T 成正比;2)在气体种类和温度一定的情况下: 5)真空区域的工程划分:空气在室温下满足 P (Pa)10510210-110-310-610-9 (m)6.66710-86.66710-56.66710-26.6676.6671036.667106尺度尺度数十数十nm不到不到1 mcm量级量级若干米若干米数数 km几千几千kmKn1气体分子气体分子流动特征流动特征粘滞流粘滞流过渡段过渡段分子流分子流气体分子气体分子运动特点运动特点大气状态大气状态热运动剧烈热运动剧烈碰撞频繁碰撞频繁粘滞流粘滞流分子流分子流分子分子-分子分子与分子与分子-器壁器壁碰撞几率相当碰撞几率相当器壁碰撞为主器壁
4、碰撞为主粒子直线飞行粒子直线飞行分子数更少分子数更少分子间无碰撞分子间无碰撞器壁碰撞几率也低器壁碰撞几率也低真空区域真空区域工程划分工程划分 粗真空粗真空 低真空低真空 高真空高真空 超高真空超高真空 极高极高 真空真空3、气体的吸附及脱附 真空下,气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的!一、基本概念 气体吸附:固体表面捕获气体分子的现象 气体脱附:逆过程 气体从固体表面释出二、为什么需要关注(意义?) 1)气体在固体表面的吸附/脱附常常影响真空的实现和保持; 2)吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。三、吸附的主要机制: 物理吸附:分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附 化学吸
5、附:仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附四、可能的影响因素:P气、T固、气、表面光洁度、清洁度等,如:T固 易脱附!1.2 真空的获得真空的获得:就是所谓的“抽真空”! 利用各种真空泵把容器内的空气抽出,使其内部压强保持在 1 atm的特定压强范围!获得真空的主要工具 各种真空泵(Pump)!真空泵的分类真空泵的分类及常用工作压强范围说明:从大气压力开始抽气,没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-11 Pa的工作范围 真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 实现以更高的抽气效率达到所需的高真空!气气体体输输运运泵泵旋片式机械泵(旋片式机械泵(Rotary Pump)单级:单级
6、:1051 Pa 双级:双级:10510-2 Pa罗茨泵(罗茨泵(Booster Pump / Roots Pump)10310-1 Pa 油扩散泵(油扩散泵(Diffusion Pump)110-6 Pa 涡轮分子泵(涡轮分子泵(Turbomolecular Pump)110-8 Pa 。气气体体捕捕获获泵泵溅射离子泵(溅射离子泵(Ion Pump)10-310-11 Pa 钛升华泵(钛升华泵(Titanium Sublimation Pump)10-310-11 Pa 低温冷凝泵(低温冷凝泵(Cyro Pump)10-410-11 Pa 吸附泵(吸附泵(Sorption Pump)1021
7、0-3 Pa 。1、旋片式机械泵(Rotary Pump)(a)外观(b)内部结构机 械 泵:利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。分 类:旋片式(最常见)、定片式、滑阀式运转模式:吸气 压缩 排气 (不断循环)1、扩张(吸气)、扩张(吸气)2、容积最大、容积最大3、压缩、压缩4、排气、排气(c)工作原理基本特点:需加真空油(密封用);可从大气压开始工作;真空度要求低 可单独使用;真空度要求高 作为 前级泵 使用工作区间:单级:1051 Pa;双级:10510-2 Pa优点:结构简单、工作可靠;缺点:有油污染的问题。2、油扩散泵(Diffusion Pump)(a)外观(b)内
8、部结构工作原理:1)将真空油加热到高温蒸发状态(约200);2)让油蒸汽分多级向下定向高速喷出;3)大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子;4)气体分子向排气口方向运动,并在动压作用下排出泵体;5)油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁,被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。真空油历经循环:蒸发 喷射 碰撞 冷凝 回流工作区间: 110-6 Pa(因此需要前级机械泵提供1 Pa的出口压力)优 点: 1)造价较低的高真空泵方案; 2)没有机械运动部件。缺 点: 油蒸汽回流有可能污染真空系统(不宜在分析仪器和超高真空场合使用)。(d)典型高真空系统组合前级:罗茨泵 + 机械泵 后级:油扩散泵3、涡轮分子
9、泵(Turbomolecular Pump)(a)外观(b)内部结构(c)工作原理工作原理:1)泵内交错布置转向不同的多级转子和定子;2)转子叶片以20k60k r/min的高速旋转;3)叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子;4)气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。工作区间: 110-8 Pa 也需前级泵提供1 Pa的出口压力,但可提供更高真空度优 点:无油、抽速较高。缺 点:1)抽取低原子序数气体能力较差; 2)造价高; 3)不易维护。4、低温吸附泵(Cyropump)(a)外观(b)内部结构工作原理:利用20K以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。 1)初级冷头(外侧温度 = 5080
10、 K):吸附 水气、CO2 等; 2)多级深冷头(T 20 K):外侧光滑金属表面 吸附 N2、O2、Ar; 内侧活性炭表面 吸附 H2、He、Ne多级深冷头示意图工作区间:10-410-11 Pa优 点:可实现目前最高的极限真空度:10-11 Pa。缺 点:1)属于捕获泵的一种,使用要求高,需要外加冷源(液氮、液氦或制冷机);2)需要“再生”处理。1.3 真空的测量概念:采用特定的仪器装置,对某一特定空间内的真空度(即:气压)进行测定。 这些仪器常被称为 真空计(Manometer)或 真空规(Vacuum Gauge)原理原理特点特点按按测测量量原原理理不不同同分分为为绝绝对对真真空空计计
11、U型气压计型气压计压缩式气压计压缩式气压计薄膜真空计薄膜真空计。直接测定气压值的大小直接测定气压值的大小气压值测量结果与气体成分无关气压值测量结果与气体成分无关测量准确测量准确高真空下难以实现测量高真空下难以实现测量相相对对真真空空计计热偶真空计热偶真空计Pirani真空计真空计电离真空计电离真空计。测量与气压相关的其它物理量,测量与气压相关的其它物理量,并与绝对真空计测量值比较,并与绝对真空计测量值比较,换算得到气压换算得到气压测得的气压值与气体成分相关测得的气压值与气体成分相关精度略差精度略差易于实现测量易于实现测量分类:因此:P 时,气体稀薄化 气体导热能力 Qg 相同灯丝电流下 Ql
12、热电偶温度 T 电压表上测得的热电势 V 特定气压范围内(10210-1 Pa 间),成立: ! 工作原理:利用一个灯丝持续加热,灯丝旁有一热电偶,灯丝放热总量(Qt)等于辐射热损失(Qr)、热电偶-灯丝间热传导(Ql)及气体分子与灯丝碰撞携带走的热量(Qg)之和:1、热偶真空计(ThermoCouple Gauge)热偶真空计的工作原理示意图工作范围: 10210-1 Pa 之间;应用场合: 大量用于真空度较低、精度要求不高的场合;特 点: 1)结构简单、使用方便; 2)对不同气体测量结果不同,需要校正; 3)不能测量过高或过低的气压; 4)热惯性较大,易发生零点漂移现象。1、热偶真空计(T
13、hermoCouple Gauge)工作原理:1)由两组灯丝组成,一组灯丝置于密封定压空间内作为参考,另一组与待测压腔体相通。2)两组灯丝同时被视为两个电阻组成Wheatstone电桥。3)两组灯丝同时被通电加热,若其所处环境压力不同(空气稀薄程度不同)导致热耗散速度也不同,因而灯丝电阻会因温度不同而产生差异,流过之电流随之改变。4)因参考端气压固定,因而温度、电阻、流过电流不变,借助其补偿作用可比对求出待测腔体内的气体压力。2、皮拉尼真空计(Pirani Gauge) 热偶真空计的改进形式!皮拉尼真空计的工作原理工作范围: 10210-1 Pa 之间(与热偶真空计相当);应用场合: 大量用于
14、真空度较低、精度要求不高的场合;特 点: 1)响应速度比热偶真空计快得多; 2)一定程度上解决了零点漂移的问题。2、皮拉尼真空计(Pirani Gauge) 热偶真空计的改进形式!3、电离真空计(Ionization Gauge)(a)内部结构(b)工作原理示意图工作原理:利用气体分子与振荡电子的碰撞电离作用测得气压 ! 1)电子的振荡与捕获:热电子发射 加速飞向栅极 部分被捕获 漏网飞离栅极 反向减速掉头后再加速飞回栅极 再捕获 漏网逃离栅极 再次减速并掉头加速 重复以后过程 (在劫难逃!)2)气体分子碰撞电离:电子往复振荡与气体分子不断碰撞使之发生电离,电离产生的二次电子继续加入振荡-捕获
15、过程,而气体离子则飞向离子收集极形成回路电流,且满足 Ie 灯丝电流;S 常数。3)获得相对气压测值:灯丝电流 Ie 一定时,就可由离子电流 I+ 的大小测得气压 P。 1)工作范围: 普通三极型:10-610-1 Pa; B-A型:10-810-1 Pa(高真空适用); S-P型:10-210 Pa(低真空适用)2)优点: 可快速、连续测量; 3)缺点: 不适于低真空测量(改进的S-P型也要求 P Pei 凝聚; Pi 0)2、怎样实现蒸发条件? 升温 T Pei 真空 系统总压 P 目标物质分压Pi 也随之 充入其它气体 P = Pi 总压不变、目标物质分压 Pi T /RTHeieeaP
16、3、材料分类(基于蒸发特性) 易升华材料 (Cr、Ti、Si等) T 0.1 Pa) 升华 难升华材料 (石墨) 无 Tm,升华温度 (Ts) 又很高 往往需借助电弧等高温放电热源才能蒸发! 液态蒸发材料 (大多数金属) TTm时, Pe 仍较低 (Pe 0.1 Pa), 但可以继续T 获得高的Pe ! 需加热到Tm以上一定温度才能实现蒸发!四、蒸发速率1、Knudsen公式:式中: -单位面积上元素的净蒸发速率; -蒸发因子 (01); M 气体的原子/分子量;2、Langmuir公式:可知: =1,Pi = 0 时,蒸发速率最大; 由于 T时 Pei T 是 的主要影响因素!RTHeiee
17、aP五、沉积厚度及沉积速率:1、影响沉积速率的因素: 蒸发源尺寸; 源-基片距离; 凝聚系数。2、物理学表述 (Knudsen余弦定律): 点源: 小平面源: 式中:d0 距蒸发源最近位置(中心处)的膜厚; d 距该中心距离为 l 处的膜厚; 沉积角度;r 沉积半径。3、规律: 距蒸发源近:则膜厚不均匀程度增加、但沉积速率提高; 距蒸发源远:则膜厚均匀程度好、但沉积速率降低。Knudsen余弦定律 实现蒸发:实现蒸发: 源材料源材料气相粒子气相粒子蒸发蒸发Pi Pei2 2 真空蒸发沉积的条件真空蒸发沉积的条件 (二)真空(二)真空蒸发源蒸发源基片基片气相粒子的输运气相粒子的输运2 2 真空蒸
18、发沉积的条件真空蒸发沉积的条件 (二)真空(二)真空蒸发源蒸发源基片基片 实现蒸发:实现蒸发: 源材料源材料气相粒子气相粒子蒸发蒸发Pi Pei气相粒子的输运气相粒子的输运2 2 真空蒸发沉积的条件真空蒸发沉积的条件 (二)真空(二)真空真空!真空!蒸发源蒸发源基片基片 实现蒸发:实现蒸发: 源材料源材料气相粒子气相粒子蒸发蒸发Pi 10-1 Pa) 1 p真空度真空度 (P 10-2 Pa) 0 真空!真空!蒸发源蒸发源基片基片气相粒子的输运气相粒子的输运(P 450真空:真空:10-4 Pa3.2 溅射沉积技术3.2.1 溅射的基本概念及原理一、溅射与溅射镀膜概述:1、溅射 (Sputte
19、ring): 一定温度下,固体或液体受到高能离子轰击时,其中的原子有可能通过与高能入射离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸,这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。!发现:1852年首次在对辉光放电的研究中发现。2、基本过程: 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气体 Ar气) 碰撞,使之失去外层电子而电离,并释放出Ar+和 自由电子 Ar+受到电场加速飞向置于阴极的靶材,撞击出靶材原子,以及二次电子,使自由电子数 电子在飞行过程中,还可能与Ar+相撞,使之恢复中性状态,但此过程中电子由激发态回到基态,需要放出能量,这部分能量以发射光子形式释放。因有大量光子释出,放电形成的
20、等离子体出现了发光现象,这就是所谓的“辉光”放电 。3、溅射与蒸发的根本区别 复习:PVD 实现薄膜沉积的三阶段 比较: 蒸发:依靠源材料的晶格振动能 克服 逸出功 形成沉积粒子的热发射, 即:外加能量 (电阻/电子束/激光/电弧/射频) 加热 晶格振动能 克服逸出功 气态逸出 溅射:高能离子输入动能 弹性碰撞传递能量 更高动能粒子逸出 (碰撞发射!)证据: 溅射产物粒子以一定空间角发射,且与入射离子的方向有关; 单个入射离子轰击出的产物粒子数与入射离子的能量/质量都有关; 均可用弹性碰撞理论解释! 溅射产物粒子的平均速度 蒸发出的粒子。4、离子轰击固体表面的各种物理过程:1)入射离子弹出;
21、2)入射离子注入;3)二次电子、溅射原子/分子/离子、光子从固体表面释出;4)轰击 固体表面刻蚀、温升、结构损伤;5)表面吸附气体分解、逸出; 6)部分溅射原子可能返回。离子轰击固体表面的各种物理现象轰击后的物理现象主要取决于入射离子的能量 (Ei):由于:轰击离子的能量/产率 离子的产生过程 气体放电/等离子体的产生过程,因此:气体放电/等离子体的产生是溅射的基础 需首先予以关注和澄清! 取决于 取决于4、溅射镀膜何以实现? 气体放电 等离子体 带电离子 电场作用 离子加速 高能离子 撞击靶材 溅射 发射靶材原子 飞向基板 形成沉积 获得薄膜!溅射镀膜的实现过程二、放电系统的构成与放电条件:
22、1、系统构成:2、放电条件: 真空环境: P = 10-1102 Pa ! 放电气体: 需要充入惰性气体 (一般为Ar气)! 外加电场: 在其作用下,电子被加速并与放电气体分子碰撞, 这种碰撞使放电气体被电离,形成阳离子 (Ar+) 和 自由电子 (e),并分别在电场作用下被加速,进而 飞向阴极(靶材)和阳极。直流放电体系模型最简单的二极直流辉光放电系统装置放电气体及其流量控制电极及高压电源真空室及真空泵3.2.2 溅射的主要工艺控制参数一、溅射阈值 (记为Et):1、概念 将靶材原子溅射出来,入射离子需要具备的最小能量水平。2、规律 Et 与入射离子的质量无明显相关性; Et 主要取决于靶材
23、:靶材的原子序数越大,则其 Et 值越小; 大多数金属的 Et 1040 eV,约为其升华热的数倍。二、溅射产额 (记为P):1、概念:平均每个正离子轰击靶材时,可从靶材中溅射出的原子个数。2、规律:与入射离子的种类、能量及角度,以及靶材种类及温度有关。 种类 (图1):周期性升高! 对应元素的原子序数 P 、且同周期内惰性气体离子的 P 最高; 能量 (图2):E Et 后,升饱和降! E 104 eV,P 入射角 (图3):缓升急升急降! =060o,P cos-1; =6080o,Pmax; =8090o,P0123 种类 (图4):也是周期性升高! 靶材的原子序数 P 、但有周期性“回
24、头”现象; 温度 (图5):高于临界温度后急剧升高! 临界温度以下:P 基本与温度无关; 高于临界温度:靶材原子键合减弱 T 则 P 因此:控制靶材的温升很重要,不能过高!54三、溅射原子的能量特征: 高于蒸发原子12个数量级,一般1-20 eV或更高; 原子序数,则能量越;反之,则逸出速度越; 入射离子能量不变时,其质量,则溅射原子的能量; 溅射原子的平均能量随入射离子能量 而 , 但当入射能量高到一定水平后,则趋于饱和而不再。3.2.3 溅射沉积技术的主要优、缺点一、优点 (与蒸发技术相比):1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料,特别是高熔点材料 (如:石墨、Ti、Ta、 W、Mo等);2、
25、由于沉积原子能量较高,薄膜组织均匀致密,与基片的结合力较高;3、制备合金薄膜时,成分控制容易保证;4、利用反应溅射技术,容易实现化合物薄膜沉积;5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确,工艺重复性好;6、沉积原子能量较高,还可以改善薄膜对复杂形状表面的覆盖能力,降低薄膜的表面粗糙度。二、主要缺点:1、沉积速率不高;2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用,不但可引起基片温升,而且可能形成内部缺陷。3.2.4 溅射沉积装置简介一、分类及主控工艺参数:1、分类: 按电极特性不同,可分为:射频溅射磁控溅射四极溅射三极传统二极溅射直流溅射/ 按靶材性质不同,可分为: 沉积物性质不同,可分为:体或半导体射频溅
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