溅射镀膜类型课件.ppt

1、溅射镀膜类型溅射镀膜类型溅射镀膜类型溅射镀膜的方式很多，溅射镀膜的方式很多，从从电电极极结构结构上可分为二极上可分为二极溅射、三或四极溅射和磁控溅射溅射、三或四极溅射和磁控溅射。直流溅射直流溅射系统一般只能用于靶材为良导体的溅射；系统一般只能用于靶材为良导体的溅射；射频溅射射频溅射适用于绝缘体、导体、半导体等任何一适用于绝缘体、导体、半导体等任何一类靶材的溅射；类靶材的溅射；反应溅射反应溅射可制备化合物薄膜；可制备化合物薄膜；为了提高薄膜纯度而分别研究出为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对偏压溅射、非对称交流溅射称交流溅射和和吸气溅射吸气溅射等；等；对向靶溅射对向靶溅射可以进行磁性薄膜的

2、高速低温制备。可以进行磁性薄膜的高速低温制备。各种溅射镀膜类型的比较各种溅射镀膜类型的比较一二极溅射一二极溅射 阴极阴极靶由镀膜材料制成靶由镀膜材料制成,成膜的基板及其固定架作为成膜的基板及其固定架作为阳极，阳极，构成了溅射装置的两个极构成了溅射装置的两个极 。使用直流电源则称为使用直流电源则称为直流二极溅射直流二极溅射，因为溅射过程发生在，因为溅射过程发生在阴极，故又称为阴极，故又称为阴极溅射阴极溅射。使用射频电源时称为使用射频电源时称为射频二极溅射射频二极溅射。靶和基板固定架都是平板状的称为靶和基板固定架都是平板状的称为平面二极溅射平面二极溅射。若二者是同轴圆柱状布置就称为若二者是同轴圆柱

3、状布置就称为同轴二极溅射同轴二极溅射。二级溅射结构原理图二级溅射结构原理图 基片直流二极溅射原理直流二极溅射原理先将真空室预抽到先将真空室预抽到高真空高真空（如（如1010-3-3PaPa），然后，通入惰性气体（通常），然后，通入惰性气体（通常为为氩气）氩气），使真空室内压力维持在，使真空室内压力维持在1 110Pa10Pa；接通电源（接通电源（直流负高压直流负高压），），电子在电场的作用下加速飞向基片的过程电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与中与ArAr原子发生碰撞，原子发生碰撞，电离出大量的电离出大量的Ar+Ar+和电子，电子飞向基片，在和电子，电子飞向基片，在此过程中不断和此过程中不

4、断和ArAr原子碰撞，产生更多的原子碰撞，产生更多的Ar+Ar+和电子和电子，Ar+Ar+离子离子经电场经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电二次电子子，二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子，二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子,更多的离子更多的离子轰击靶又释放更多的电子，从而使轰击靶又释放更多的电子，从而使辉光放电达到自持辉光放电达到自持；从靶面飞溅出来的粒子以足够的从靶面飞溅出来的粒子以足够的动能动能飞向阳极并沉积在飞向阳极并沉积在基材基材表面，形表面，形成镀层成镀层。靶材靶材基片基片V(0)

5、E+ArAr+-e-e-e+Ar+溅射过程溅射过程中涉及到复杂的中涉及到复杂的散射过程散射过程和多种能量传递过程：和多种能量传递过程：首先，入射粒子与靶材原子发生首先，入射粒子与靶材原子发生弹性碰撞弹性碰撞，入射粒子的一，入射粒子的一部分动能会传给靶材原子，某些靶材原子的动能超过由其部分动能会传给靶材原子，某些靶材原子的动能超过由其周围存在的其它原子所形成的势垒周围存在的其它原子所形成的势垒(对于金属是对于金属是5-10eV)5-10eV)，从而从晶格点阵中被碰撞出来，产生从而从晶格点阵中被碰撞出来，产生离位原子离位原子，并进一步，并进一步和附近的原子依次和附近的原子依次反复碰撞反复碰撞，产生

6、，产生碰撞级联碰撞级联。当这种碰撞。当这种碰撞级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能大级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能大于表面结合能于表面结合能(对于金属是对于金属是1-6eV)1-6eV)，这些原子就会从靶材，这些原子就会从靶材表面表面脱离脱离从而进入真空。从而进入真空。直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依靠正离子轰击阴极阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依靠正离子轰击阴极所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来

7、所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。因此，维持的。因此，在溅射镀膜过程中，溅射效应是手段，沉积效应是目在溅射镀膜过程中，溅射效应是手段，沉积效应是目的，电离效应是条件。的，电离效应是条件。为了提高淀积速率，在不影响为了提高淀积速率，在不影响辉光放电前提下，基片应尽量辉光放电前提下，基片应尽量靠近阴极靶。但基片接近阴极靠近阴极靶。但基片接近阴极时，甚至在未达到阴极暗区之时，甚至在未达到阴极暗区之前，就会产生前，就会产生放电电流急剧变放电电流急剧变小小而使溅射速率下降的现象。而使溅射速率下降的现象。这时，从基片上膜厚分布来看这时，从基片上膜厚分布来看，在阴极遮蔽最强

8、的中心区膜最在阴极遮蔽最强的中心区膜最薄。薄。因此，有关资料指出：因此，有关资料指出：阴阴极靶与基片间的距离以大于阴极靶与基片间的距离以大于阴极暗区的极暗区的3434倍倍较为适宜。较为适宜。直流二极溅射的直流二极溅射的工作参数工作参数为溅为溅射功率、放电电压、气体压力射功率、放电电压、气体压力和电极间距。溅射时主要监视和电极间距。溅射时主要监视功率、电压和气压参数。当电功率、电压和气压参数。当电压一定时，放电电流与气体压压一定时，放电电流与气体压强的关系如图强的关系如图3-323-32所示。所示。气体气体压力不低于压力不低于lPalPa，阴极靶电流，阴极靶电流密度为密度为0.15 0.15 1

9、.5MA/CM1.5MA/CM。优点优点：结构简单结构简单，可获得大面积，可获得大面积膜厚均匀膜厚均匀的薄膜。的薄膜。缺点缺点：（1 1）溅射）溅射参数不易独立控制参数不易独立控制，放电电流易随电压和气压变化，放电电流易随电压和气压变化，工艺重复工艺重复性差性差；（2 2）气体压力较高气体压力较高（10Pa10Pa左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污染及提高溅射效率，使染及提高溅射效率，使薄膜纯度较差薄膜纯度较差，成膜速度慢成膜速度慢；（3 3）电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径

10、短，轰击在基片上基片上速度快速度快，导致，导致基片温度升高基片温度升高；（4 4）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导靶材必须是导体体。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷正电荷传传递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和电荷无法中和，这将导致靶，这将导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，面电

11、位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速两极间的离子加速与与电离的电离的机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射停止停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射法。）法。）二二、偏压溅射、偏压溅射 直流偏压溅射的原理示意如图直流偏压溅射的原理示意如图所示。它与直流二极溅射的区别所示。它与直流二极溅射的区别在于在于基片上施加一固定直流偏压。基片上施加一固定直流偏压。特点：特点：（1 1）若施加的是若施加的是负偏压负偏压，则在，则在薄膜淀积过程

12、中，薄膜淀积过程中，基片表面都将基片表面都将受到气体离子的稳定轰击受到气体离子的稳定轰击，随时，随时清除可能进入薄膜表面的气体，清除可能进入薄膜表面的气体，有利于有利于提高薄膜的纯度提高薄膜的纯度。并且也。并且也可除掉粘附力弱的淀积粒子可除掉粘附力弱的淀积粒子，加，加之在淀积之前可对基片进行之在淀积之前可对基片进行轰击轰击清洗清洗，使，使表面净化表面净化，从而，从而提高了提高了薄膜的附着力。薄膜的附着力。直流偏压溅射的原理示意图直流偏压溅射的原理示意图（2 2）偏压溅射还可偏压溅射还可改变淀积薄膜的结构改变淀积薄膜的结构。图。图3-343-34示出了基片加不同偏示出了基片加不同偏压时钽膜电阻率

13、的变化。偏压在压时钽膜电阻率的变化。偏压在-100V-100V至至100V100V范围，膜层电阻率较高，属范围，膜层电阻率较高，属-Ta-Ta即即四方晶结构四方晶结构。当负偏压大于。当负偏压大于100V100V时，电阻率迅速下降，这时钽膜时，电阻率迅速下降，这时钽膜已相变为已相变为正常体心立方结构正常体心立方结构。这种情况很可能是因为。这种情况很可能是因为基片加上正偏压后，基片加上正偏压后，成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。图图3-34 3-34 钽膜电阻率与基片偏压关系钽膜电阻率与基片偏压关系三三、三极或四极溅射、三极或四极溅

14、射二极直流溅射二极直流溅射只能在较高气压下进行，因为它是依赖离子只能在较高气压下进行，因为它是依赖离子轰击阴极所发射的轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电次级电子来维持辉光放电。如果气压降。如果气压降到到1.32.7Pa1.32.7Pa（1020mTorr1020mTorr）时，）时，则阴极暗区扩大，电子则阴极暗区扩大，电子自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电便无法维持自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电便无法维持。在低压下，为了在低压下，为了增加离化率并保持放电自持增加离化率并保持放电自持，一个可供选，一个可供选择的方法就是择的方法就是提供一个额外的电子源提供一个额外的电子源（额外电子

15、源提供具（额外电子源提供具有合适能量的额外电子有合适能量的额外电子,保持高离化效率），而不是从靶保持高离化效率），而不是从靶阴极获得电子。阴极获得电子。三极溅射三极溅射克服了二极溅射的缺点，它在克服了二极溅射的缺点，它在真空室内附加一个真空室内附加一个独立的电子源独立的电子源热阴极热阴极（热阴极通常是一加热的钨丝，（热阴极通常是一加热的钨丝，他可以承受长时间的离子轰击），它他可以承受长时间的离子轰击），它通过热离子辐射形式通过热离子辐射形式发散电子并和阳极产生等离子体发散电子并和阳极产生等离子体，同时使靶相对于该等离，同时使靶相对于该等离子体为负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅子体为

16、负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅射。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四电射。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四电极极稳定化电极稳定化电极，即称为，即称为四极溅射。四极溅射。原理：原理：等离子区由热阴极等离子区由热阴极和一个与靶无关的阳极和一个与靶无关的阳极来维持，并通过外部线来维持，并通过外部线圈所提供的磁场，将等圈所提供的磁场，将等离子体限域在阳极和灯离子体限域在阳极和灯丝阴极之间。而靶偏压丝阴极之间。而靶偏压是独立的，这就大大降是独立的，这就大大降低了靶偏压。低了靶偏压。当在靶上施加一相当在靶上施加一相对于阳极的负高压，溅对于阳极的负高压，溅射就会出现，如同在二

17、射就会出现，如同在二级辉光放电那样，离子级辉光放电那样，离子轰击靶，靶材便沉积在轰击靶，靶材便沉积在基片上。基片上。负电位负电位但是，若对稳定性电极但是，若对稳定性电极加加+300V+300V电压时电压时，只要稍微，只要稍微提提高一高一点气压（由点气压（由G G至至T T），放电即可重新开始。即），放电即可重新开始。即稳定性电极的稳定性电极的作用使稳定放电的范围从作用使稳定放电的范围从D D点扩大到点扩大到T T点，使放电气压提高点，使放电气压提高一个数量级一个数量级。因此，四极溅射的主阀几乎可在全开状态下。因此，四极溅射的主阀几乎可在全开状态下进行溅射。靶电流主要决定于阳极电流，而不随靶电压

18、而进行溅射。靶电流主要决定于阳极电流，而不随靶电压而变，因此，变，因此，靶电流和靶电压可独立调节靶电流和靶电压可独立调节，从而克服了二极，从而克服了二极溅射的相应缺点。溅射的相应缺点。稳定电极的作用稳定电极的作用在于使放电在于使放电趋于稳定。趋于稳定。如如图图3-373-37所所示阳示阳极电流与气体压力的关系，极电流与气体压力的关系，从图看出，若从从图看出，若从E E点降低气压，点降低气压，放电电流逐渐减小，到放电电流逐渐减小，到F-GF-G点点放电停止，为使放电重新开放电停止，为使放电重新开始，要提高气体压力。若稳始，要提高气体压力。若稳定性电极为定性电极为自由电位自由电位时，必时，必须将气

19、压由须将气压由G G点提高到点提高到D D点才点才能再行放电。能再行放电。稳定电极电位优点：优点：1 1、克服了二极直流溅射只能在较高气压下进行的缺点；、克服了二极直流溅射只能在较高气压下进行的缺点；2 2、由于靶电压低，对基片的、由于靶电压低，对基片的溅射损伤小溅射损伤小，适宜用来制作半，适宜用来制作半导体器件和集成电路，并已取得良好效果；导体器件和集成电路，并已取得良好效果；3 3、三极溅射的进行不再依赖于阴极所发射的二次电子，溅、三极溅射的进行不再依赖于阴极所发射的二次电子，溅射速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的射速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的可控性可控性

20、和和工艺重复性；工艺重复性；4 4、四极溅射的稳定电极使放电趋于、四极溅射的稳定电极使放电趋于稳定稳定。缺点：缺点：1 1、三（四）极溅射还不能抑制由靶产生的高速电子对基板、三（四）极溅射还不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的温升较高温升较高；2 2、灯丝、灯丝寿命短寿命短，也还存在灯丝的不纯物使膜层，也还存在灯丝的不纯物使膜层沾污沾污等问题；等问题；3 3、这种溅射方式并、这种溅射方式并不适用于反应溅射不适用于反应溅射，特别在用氧作反应，特别在用氧作反应气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩

21、短。四、射频溅射四、射频溅射 直流溅射装置只能溅射导体材料直流溅射装置只能溅射导体材料，由于放电不能持续，由于放电不能持续而不能溅射绝缘物质。于是出现了射频溅射。而不能溅射绝缘物质。于是出现了射频溅射。射频溅射装置如图所示：相当于直流溅射装置中的直射频溅射装置如图所示：相当于直流溅射装置中的直流电源部分改由流电源部分改由射频发生器、匹配网络和电源射频发生器、匹配网络和电源所代替，利所代替，利用用射频辉光放电射频辉光放电产生溅射所需正离子。产生溅射所需正离子。机理：机理：(1)(1)射频电源对绝缘靶之所以能进行溅射镀膜，主要是因为射频电源对绝缘靶之所以能进行溅射镀膜，主要是因为在绝缘靶表面上建立

22、起在绝缘靶表面上建立起负偏压负偏压的缘故。在靶上施加的缘故。在靶上施加射频电射频电压压，由于交流电源的正负性发生周期交替由于交流电源的正负性发生周期交替,当溅射靶处于当溅射靶处于正正半周期半周期时，由于时，由于电子电子的质量比离子的质量小得多，故其的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高仅用很短时间就可以飞向靶面，迁移率很高仅用很短时间就可以飞向靶面，中和其表面积中和其表面积累的正电荷，累的正电荷，并且在靶面又迅速并且在靶面又迅速积累大量的电子积累大量的电子，使其表使其表面呈现面呈现负偏压负偏压，导致在射频电压的负半周时吸引正离子轰，导致在射频电压的负半周时吸引正离子轰击靶材，从而在正、负半周

23、中，均可实现对绝缘材料的溅击靶材，从而在正、负半周中，均可实现对绝缘材料的溅射。射。（2 2）射频溅射的机理和特性可以用）射频溅射的机理和特性可以用射频辉光放电射频辉光放电解释。在解释。在射频溅射装置中，射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离的几率非常大，故使得使之电离的几率非常大，故使得击穿电压和放电电压显著击穿电压和放电电压显著降低降低。如射频电场强度为如射频电场强度为 式中，式中，f f为射频频率。在真空中的自由电子，由于射频电场的为射

24、频频率。在真空中的自由电子，由于射频电场的作用，所受到的力为作用，所受到的力为电子速度电子速度 速度比电场滞后速度比电场滞后9090。电子运动方程为电子运动方程为 式中，式中，为电子运动的振幅。为电子运动的振幅。即即真空中的自由电子在交变电场作用下，以振幅为真空中的自由电子在交变电场作用下，以振幅为A A作简谐运动作简谐运动。由于在。由于在溅射条件下有气体分子存在，溅射条件下有气体分子存在，电子在振荡过程中与气体分电子在振荡过程中与气体分子碰撞的几率子碰撞的几率增加增加，其运动方向也从简谐运动变为，其运动方向也从简谐运动变为无规则的杂乱运动无规则的杂乱运动。因为电子能从。因为电子能从电场电场不

25、断吸收能量不断吸收能量，因此，在，因此，在不断碰撞中有足够的能量来使气体分子离不断碰撞中有足够的能量来使气体分子离化化，即使在电场较弱时，电子也能积累足够能量来进行离化，所以，即使在电场较弱时，电子也能积累足够能量来进行离化，所以射频射频溅射可比直流溅射在更低的电压下维护放电溅射可比直流溅射在更低的电压下维护放电。tEEmcos2/fteEdtxdmFmecos22tmeEdtdxemsintAtmeExemcoscos2)(2emmeEA优点：优点：（1 1）克服了直流溅射只能溅射导体材料的缺点，射频溅射）克服了直流溅射只能溅射导体材料的缺点，射频溅射能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；几乎所有材料；（2 2）减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压。）减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压。缺点：缺点：当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能电子轰击基片，导致能电子轰击基片，导致基片发热、带电并损害镀膜的质量基片发热、带电并损害镀膜的质量。