第三章溅射镀膜

溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高； 膜层厚度可控性和重复性好。
溅射镀膜时的放电电流和靶电流可以分别控制，通过控 制靶电流可以控制膜厚。
溅射镀膜的缺点：
溅射设备复杂，需要高压装置；
成膜速率较低（0.01-0.5m）。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，
现象。
气体放电时，两电极之间的电压和电流的关
系复杂，不能用欧姆定律描述。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
无光放电区（AB） 由于宇宙射线产生的游离离子和电子，当在两极间加上直流电 压，游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，10-16-10-14A。 由于此区域导电但不发光，因此称为无光放电区。自然游离的离子
暗区的宽度与电子的平均自 由程有关。
负辉光区
随着电子速度增大，很快获 得了足以引起电离的能量，于是 离开阴极暗区后使大量气体电离， 产生大量的正离子。 正离子移动速度慢，产生积 聚，电位升高；与阴极之间的电 位差成为阴极压降。 电子在高浓度正离子积聚区 经过碰撞速度降低，与正离子复 合几率增加，形成明亮的负辉光 区。
S 最大 值
阈
值
பைடு நூலகம்
入射离子的能量 （E / ev）
溅射的基本原理——溅射特性
（3） 入射离子种类
溅射率依赖于入 射离子的种类。靶材 中不同成分的溅射率
不一样.
入射离子的原子量 越大，溅射率就越高。
溅射率随入射离
子的Z周期性变化而 变。同一周期中凡闭
合电子壳层的元素溅
射率最大，所以惰性 气体的溅射率最高。
☀ 溅射镀膜厚度的均匀性
3.1 溅射镀膜的特点
溅射镀膜与真空镀膜相比，有如下特点：
任何物质都可以溅射，尤其是高熔点金属、 低蒸气压元素和化合物；
金属、半导体、绝缘体等，
块状、颗粒状
组分相近的、均匀的合金膜、化合物膜、成 分复杂的超导膜 组分完全不同化合物薄膜
溅射薄膜与衬底的附着性好；
溅射原子的能量较高，高能粒子淀积在基板上进行能量 交换，产生较高的热能，增加了溅射原子与基板的附着力； 溅射原子会产生注入现象，在基板上产生伪扩散层； 基板始终处于等离子区中被清洗和激活，不牢固的淀积 原子被清除，净化且活化基板表面。
辉光放电阴极附近的分子状态
从阴极发射的低能电子不能 与气体分子碰撞电离，形成靠近 阴极的阿斯顿暗区。 电子经过阿斯顿暗区被加速 后，使气体分子激发，激发的气 体分子发出固有频率的光，成为 阴极辉光。 电子进一步加速，使气体电 离产生大量的离子和低速自由电 子，该区域不发光，为克鲁克斯 暗区。
所形成的低速电子加速后，又激发气体分子使之发光，形 成负辉光区。
上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因 此，称为非自持放电。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电 过渡区CD
过 C 点后，发生“雪崩点火”， 离子轰击阴极，产生二次电子，二 次电子与中性气体分子发生碰撞， 产生更多的离子，离子再轰击阴极， 阴极产生更多的二次电子，大量的 离子和电子产生后，放电达到自持， 气体被击穿，开始起辉，两极间电 流剧增，电压迅速降低，放电呈现 负阻现象。
轨道电子受激跃迁到高能态，而后又衰变到基态并 发射光子，大量的光子形成辉光。 当电源功率增加，形成辉光放电时，阴阳两极
间明暗光区的分布情况，以及暗区和亮区对应的电
位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。
阿斯顿暗区
冷阴极发射的电子能量 很低，约 1eV 左右，很难与 气体发生碰撞电离，所以在 阴极附近形成一个黑暗的区 域，称为阿斯顿暗区。 使用氩、氖之类气体时 这个暗区很明显。对于其它 气体，这个暗区很窄，难以 观察到。
整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射
离子都来源于气体放电。
放电方式：
直流二极溅射——直流辉光放电 三 极 溅 射——热阴极支持的辉光放电
射 频 溅 射——射频辉光放电
磁 控 溅 射——环状磁场控制下的辉光放电
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
★ 辉光放电
直流辉光放电
辉光放电是在真空度约 10～1Pa的稀薄气体中， 两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电
溅射的基本原理——溅射特性
（2）入射离子能量
入射离子的能量对溅射率有显著的影响。 当入射离子的能量高于某个定值时，才会发生溅射。 入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域， 指数上升区；S∝E 2 （E<100eV）；线性增大区；S∝E （E>数 百eV）； 下降区; S∝E1/2 （E=10-100keV）； 存 在 溅 射 阈 值 ， 阈 值 能 量一般为 20~100 eV 。当入 射离子的能量小于这个阈 值时，没有原子溅射出来。 一般当入射离子能量 为 1~10 keV 时 ， 溅 射率可 达到最大值。
阴极辉光区 电子通过阿斯顿暗区后，在 电场的作用下获得了足够的能量， 与气体发生碰撞，激发态的气体 分子衰变与进入该区的离子复合 而形成中性原子放出辉光，形成 阴极辉光区。 克鲁克斯暗区
随电子加速获足够能量，穿 过阴极辉光区时与正离子不易发 生复合，从而形成又一个暗区， 叫做克鲁克斯暗区。
(1) 靶材料 溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。 相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料，得到 的溅射率不同。 溅射率呈周期性变化，随靶材料元素的原子序数的
增大而增加。
溅射的基本原理——溅射特性
参见表3-2
六方晶格结构和表 面污染的金属比面 心立方和清洁表面 的金属的溅射率低
升华热大的金属比 升华热小的金属的 溅射率低
溅射的基本原理——溅射特性
对绝大多数金属靶材，溅射阈值为10~30eV
溅射的基本原理——溅射特性
2、溅射率
溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能 从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数 S 。
溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
正常辉光放电区 DE 正常辉光放电区（ DE） D 点之后，电流与电压无关，即增大电源 继续增加电源功率，在 D 点以后， 功率时，电压不变，电流平稳增加，此时两 电流平稳增加，电压维持不变，此时两 极板间出现辉光。在此区域，放电自动调整 极板间出现辉光。 DE 区域叫做正常辉 阴极轰击面积。最初轰击不均匀，主要集中 光放电区。 在靠近阴极边缘处，或在表面其它不规则处。 随着电源功率增大，轰击面积逐渐扩大，直 在此区域，放电自动调整阴极轰击 到阴极面上电流密度几乎均匀为止。 面积。开始轰击不均匀，主要集中在靠 近阴极边缘上，或在表面其他不规则处。 这时电子和正离子来源于电子的碰撞和正 随着功率不断增大，轰击区逐渐扩大， 离子的轰击，即使自然游离源不存在，导电 直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。 也能继续。电流与电压无关（与辉光覆盖面 积有关） 电流密度的大小与阴极材料、气体压强和 种类，阴极的形状有关。 电流密度不高（溅射选择非正常放电区）
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
与溅射现象有关的问题：

在克鲁克斯暗区周围形成的正离子冲击阴极；
电压不变而改变电极间距时，主要发生变化的 是阳极光柱的长度，而从阴极到负辉光区的距离几 乎不变。其主要原因是两电极之间电压的下降几乎 都发生在阴极到负辉光区之间。 溅射镀膜装置中，阴极和阳极之间距离至少要大于 阴极与负辉光区的距离。
若气体P太低或电极间距d 太小，二次电子在到达阳极前不能使气体分 子被碰撞电离，无法形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。 若气体 P太高或电极间距 d 太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速， 也会使辉光放电熄灭。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
辉光的产生：众多的电子、原子碰撞导致原子中的
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
低频辉光放电
在低于 50kHz 的交流电压条件下，离
子有足够的时间在每个半周期内，在各个 电极上建立直流辉光放电，称为低频直流 辉光放电。 基本原理与特性与直流辉光放电相同。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
射频辉光放电
在一定气压下，阴阳极间所加交流电压的频率增高
射频辉光放电的重要特征：
到射频频率 (300KHz～30GHz ) ，将产生射频辉光放电。
• 在辉光放电空间产生的电子可以获得足够的能量， 足以产生碰撞电离；因而，减少了放电对二次电子 的依赖，并降低了击穿电压； •射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去， 所以电极并不需要一定是导体。
在5-30MHz的射频溅射频率下将产生射频放电。 电子的质量小，会随着外电场从射频场中吸收能量而在 场内作振荡运动。增加了与气体分子的碰撞几率，并使电离 能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降 低（仅为直流辉光放电的十分之一）；射频辉光放电可以在 较低的气压下进行，直流辉光放电常在10-1-10-2Pa运行。 正离子的质量大，运行速度低，跟不上电源极性的改变，
目前已广泛应用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝 缘介质、化合物半导体、碳化物、氮化物及超导薄膜。
本章主要内容
☀ 溅射镀膜的特点
☀ 溅射的基本原理
辉光放电、溅射特性、溅射镀膜过程、溅射机理
☀ 溅射镀膜的类型
二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、 磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射
3.2 溅射的基本原理——辉光放电
弧光放电区(FG) 异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电 的危险。 极间电压陡降，电流突然增大，相当 于极间短路； 放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁； 损害电源。
3.2 溅射的基本原理——辉光放电 起辉电压V
由巴邢定律知 ， Vmin
在气体成分和电极材 料一定的情况下，起 辉电压V只与气体压 强 P 和电极距离 d 的乘 积有关。