半导体薄膜技术与物理ppt课件.ppt

2.3 溅射〔溅射〔Sputtering〕〕2.3.1 溅射的根本原理溅射的根本原理 荷能粒子轰击固体外表〔靶材〕，固体原子或荷能粒子轰击固体外表〔靶材〕，固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体外表射出分子获得入射粒子的部分能量，而从固体外表射出的景象称为溅射的景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外表的各种景象〔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、加热等其他景象95%的离子能量作为热量损耗掉5%的能量传送给二次发射的粒子溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1直流辉光放电过程的构成VB： 击穿电压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外表后，继续添加电源功率，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取决于电极资料，是几何尺寸和气体成分的常数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j>0.1A/cm2, U↓→j↑〔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溅射过程的机了解释：溅射过程的机了解释： 〔〔1〕离子轰击部分瞬时加热而蒸发〕离子轰击部分瞬时加热而蒸发 〔因与实验察看不符而被否认〕〔因与实验察看不符而被否认〕 〔〔2〕动量实际〕动量实际(级联碰撞实际级联碰撞实际) 离子撞击在靶上，把一部分动量传送给靶原子，假离子撞击在靶上，把一部分动量传送给靶原子，假设原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射设原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。

出〔研讨溅射的根底〕〔研讨溅射的根底〕2.3.2 溅射阈和溅射率溅射阈和溅射率 溅射阈：溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量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资料主要取决于靶资料周期中随着原子序数添加而减小周期中随着原子序数添加而减小 对大多数金属来说：对大多数金属来说： 溅射阈为溅射阈为10-40eV，约为，约为4-5倍升华热倍升华热一些金属的溅射阈〔eV〕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要素：入射粒子的类型〔离化气体〕、能量、角度、靶材的类型、晶格构造、外表形状、升华热等单晶资料的溅射率还与外表晶向有关，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：靶材原子的质量r：~mA/mI函数 4mImA/(mI+mA)2称为传送系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传送的奉献当mI=mA时，传送系数为1，入射能量全部传送给靶原子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<150eV：平方关系150~1000eV：正比关系103~104eV：趋于饱和>104eV：下降〔注入添加〕0~60o：单调添加70~80o：最大90o：0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添加Ag、 Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系温度低时：几乎不变化超越一定温度时：急剧添加〔高温，靶原子本身热动能大〕不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率溅射合金和化合物时，溅射率普通不能直接从组成金属的溅射率值来确定，存在较大的差别性。

2.3.3 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=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eVAr+：平均速度=3~6105 cm/s 平均能量 E=30~40 eV轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV2.3.4 溅溅射速率和淀射速率和淀积积速率速率〔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〕分散速率： D：分散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度，P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的间隔 〔3〕淀积速率：α1：基板外表凝结系数，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2.3.5 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〕溅射射频溅射原理图可溅射绝缘体高频范围：5~30MHz〔普通rf＝13.56MHz 〕〔〔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，改良溅射的工艺电子在正交电磁场中的作用力：采用正交电磁场可以提高离化率离化率：0.3~0.5% 5~6%电子在正交电磁场中的运动轨迹磁控溅射主要有三种方式：平面型、圆柱型、S枪衬底：“近冷〞态磁控溅射电极类型2.3.6 反响反响溅溅射射运用溅射技术制备介质膜通常有两种方法： 高频溅射 反响溅射，特别是磁控反响溅射例如：在O2气氛中产生反响而获得氧化物 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得到氟化物等反响物之间产生反响的必要条件：反响物分子必需有足够高的能量以抑制分子间的势垒势垒与能量关系为： Ea=NAEa为反响活化能，NA为阿佛伽德罗常数。

根据过渡态模型实际，两种反响物的分子进展反响时，首先经过过渡态以活化络合物，然后再生成反响物，如上图所示可见，反响物要进展反响，必需有足够高的能量去抑制反响活化能Ea和Ea分别为正、逆向反响活化能x：反响物初态能量W：终态能量T：活化络合物能量E：反响物与生成物能量之差热蒸发粒子的平均能量只需0.1~0.2eV，而溅射粒子可达10~20eV，比热蒸发高出二个数量级蒸发与溅射粒子的能量分布图其中能量大于反响活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为： 假设只需能量大于Ea的粒子能参与反响，那么，溅射粒子的反响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 和 分别为溅射和蒸发粒子的平均动能由图可以看出，能量E＞Ea的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数： 假设两种反响物处在同一能量形状，那么Ti、Zn和O2的反响活化能Ea大约分别为0.2eV和0.17eV，但常温基板外表的氧分子完全处于钝化态〔能够有百分之几的离子氧〕，因此，膜料粒子最小的反响能阈值至少添加一倍，即Ti、Zn与O2反响至少要有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)，那么大约有98%的溅射Ti原子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只需10%和0.5%左右 举例来说，Ti和Zn与氧反响，反响方程式是假设用平均动能替代温度T，那么参与反响的高能粒子越多，反响速度越快反响速度与活化能Ea的关系为是反响速度常数R是气体常数C是有效碰撞的频率因子> ，故溅射的反响速度要比热蒸发快得多。