溅射20100408资料讲解.ppt

溅射 Sputtering,溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程概 述 在电极间加一高电压，电极间隙内为低气压的气体，可激发产生等离子体，一旦等离子体形成，等离子体内的离子将被加速向带负电的阴极运动，它们轰击表面，释放出二次电子，这些电子被加速，离开阴极在从阴极向阳极运动的过程中，电子会与中性粒子碰撞，如果传递的能量足够高，原子将被离化，并且产生的离子将加速移向阴极，将带有电荷的离子在电场中加速后与靶材料表面的原子碰撞使后者溅射出来并沿一定的方向射向衬底，从而实现薄膜沉积溅射产额： 被溅射出来的原子数与入射离子数之比，是衡量溅射效率的参数 影响因素： 入射离子能量 有一阈值，提高平缓下降离子注入 入射离子种类和被溅射物质种类 一般采用Ar离子作为入射离子 离子入射角度,溅射工作原理直流溅射,特点：可以淀积多种合金和化合物，化学成份容易控制，沉积层对衬底的附着力较好并有较好的台阶覆盖性，辐射缺陷少纯度比蒸发法低 应用：广泛应用在硅工艺中溅射腔,靶材,,溅射工作原理离子束溅射,a、b正向和大角度直接碰撞散射；c、d碰撞和通道效应引起的离子注入； e多级碰撞散射；f表面多原子散射；g表面吸附杂质的去除和表面活化； h表面原子溅射位移；i、j溅射和原子位移诱发空位；k吸附杂质的注入； l薄膜物质原子的自注入；m、n表面扩散和溅射引起的空位填充； o抑制岛状组织生长,,台阶覆盖,溅射具有良好的台阶覆盖能力是由于： 1.有较高的压力和较高的淀积原子的入射能量 2.进行衬底加热，增强表面扩散，可以更显著改 善台阶覆盖。

准直溅射,溅射镀膜的基本原理：,溅射是轰击粒子与靶原子之间动量传递的结果,溅射：荷能粒子轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射直流辉光放电区域可分为8个发光强度不同的区域实际镀膜过程采用异常辉光放电入射离子的产生：,（）溅射主要参数：,溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值与入射离子的种类关系不大、与靶材有关入射离子轰击靶材时，平均每个正离子能从靶材打出的原子数入射离子能量影响：150eV，平方关系；150eV-10keV，变化不大；10keV，下降溅射产额：,离子入射角度的影响：,材料（靶材）特性的影响：,靶材温度的影响： 表面氧化的影响： 合金化的影响：,溅射产额（0.01-4）之间,Sputtering Yield for argon ion bombardment at 600 eV,,,能量呈麦克斯韦分布，平均在10eV左右溅射原子能量与靶材、入射离子种类和能量有关Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加 溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高值时，平均能量趋于恒定。

溅射原子能量和速度：,溅射沉积方法：,溅射方法根据特征可分为：直流溅射、射频溅射、磁控溅射和反应溅射I-V characteristics of three different methods used for sputtering, 传统溅射方法缺点：,垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高电子与气体分子的碰撞几率和电离过程磁控溅射：,沉积速率低； 工作气压高； 气体分子对薄膜污染高, 磁控溅射原理：, 磁控溅射靶材：,永磁体磁控溅射靶： Nd-Fe-B永磁体（简单经济、铁磁性材料溅射效率低） 励磁磁控溅射靶： 励磁线圈、结构复杂、可溅射铁磁材料,平面靶和圆柱形靶,通过减小或增大靶中心的磁体体积，使部分磁力线发散到距靶较远的衬底附近，使等离子体扩展到衬底附近且部分等离子体起轰击衬底作用 拓展等离子体区域； 增加离子比例； 增加沉积能量 非平衡磁控溅射：,帕邢（Paschen）曲线,降低工作气压，可到0.5Pa左右； 电离效率高，提高了靶电流密度和溅射效率，降低靶电压； 离子电流密度高，是射频溅射的10-100倍； 不能实现强磁性材料的低温高速溅射； 靶材溅射不均匀、靶材利用率低。

磁控溅射特征：,（）反应溅射：,在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体形成化合物（氮化物、碳化物、氧化物）靶中毒：反应气体与靶反应，在靶表面形成化合物； 沉积膜的成分不同于靶材； 化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体； 调整氩气和反应气体分压，可控制化合物薄膜的组成、沉积速率和薄膜性能 反应溅射特征：, 靶中毒现象：,取决于金属与反应气体的结合特性及形成化合物表层的性质 降低薄膜沉积速率，化合物的溅射产额低于金属的溅射产额 降低靶中毒措施：,将反应气体输入位置远离靶材靠近衬底 提高靶材溅射速率，降低活性气体的吸附 采用中频或脉冲溅射反应溅射的回线图, 反应溅射应用：,ZnO薄膜,氧气,（）反应磁控溅射：,有机结合反应溅射和磁控溅射特征,Zn靶,氧化锌薄膜制备方法：,,反应磁控溅射,实例溅射法制备ZnO薄膜：,（）结构：,闪锌矿结构,纤锌矿结构,ZnO晶胞含有四个原子，其中两个Zn占据(0, 0, 0)和(1/3, 2/3, 1/2)位置；而氧占据(0, 0, 3/8)和(1/3, 2/3, 7/8)位置；晶格常数a=0.324 nm，c=0.519 nm。

具有较大的耦合系数而作为一种压电材料； 响应时间快、感应能力强而应用于光学传感器； 经Al或Ga元素掺杂后，同时具有良好的可见光透过性和类金属的电导率而用做透明导电薄膜； 用Li或Mg掺杂的ZnO可作为铁电材料； ZnO与Mn元素合金化后是一种具有磁性的半导体材料； 大面积高质量的单晶ZnO可以作为蓝色光和紫外光的激光发射器性能与应用：,方法和步骤,（1）超声波清洗器清洗玻璃基片 （2）安装Zn靶 （3）玻璃基片放入沉积室里面的样品台上 （4）检查水源、气源和电源，打开冷却循环水5）抽真空与测量真空度 机械泵分子泵抽真空； 热偶真空计电离真空计 （6）关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始通入Ar和O2气体7）沉积ZnO薄膜 设定工艺参数：功率（400-500W）、靶电压（300-400V）、靶基距70mm，基片温度室温 （8）磁控溅射镀膜进行约10分钟，然后结束镀膜关闭靶电源、氩气和氧气9）待冷却后，关机械泵，取出薄膜观察 （10）合上真空室门，将真空室内抽到一定真空后，然后关掉机械泵，关掉总电源，切断冷却水。