溅射镀膜类型.ppt

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1、溅射镀膜类型溅射镀膜类型溅溅射射镀镀膜膜的的方方式式很很多多，从从电电极极结结构构上上可可分分为为二二极极溅射、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；射射频频溅溅射射适适用用于于绝绝缘缘体体、导导体体、半半导导体体等等任任何何一一类靶材的溅射；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；为为了了提提高高薄薄膜膜纯纯度度而而分分别别研研究究出出偏偏压压溅溅射射、非非对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高速低温制备。可以进

2、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 阴阴极极靶靶由由镀镀膜膜材材料料制制成成,成成膜膜的的基基板板及及其其固固定定架架作作为为阳阳极极，构成了溅射装置的两个极构成了溅射装置的两个极 。使使用用直直流流电电源源则则称称为为直直流流二二极极溅溅射射，因因为为溅溅射射过过程程发发生生在在阴极，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状布置就称为同轴二极溅射

3、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先将将真真空空室室预预抽抽到到高高真真空空（如如1010-3-3PaPa），然然后后，通通入入惰惰性性气气体体（通通常常为为氩气）氩气），使真空室内压力维持在，使真空室内压力维持在1 110Pa10Pa；接接通通电电源源（直直流流负负高高压压），电电子子在在电电场场的的作作用用下下加加速速飞飞向向基基片片的的过过程程中中与与ArAr原原子子发发生生碰碰撞撞，电电离离出出大大量量的的Ar+Ar+和和电电子子，电电子子飞飞向向基基片片，在在此此过过程程中中不不断断和和ArAr原原子子碰碰撞撞，产产生生更更多多

4、的的Ar+Ar+和和电电子子，Ar+Ar+离离子子经经电电场场加加速速后后撞撞击击靶靶材材表表面面，使使靶靶材材原原子子被被轰轰击击而而飞飞出出来来，同同时时产产生生二二次次电电子子，二二次次电电子子再再撞撞击击气气体体原原子子从从而而形形成成更更多多的的带带电电离离子子,更更多多的的离离子子轰轰击击靶靶又释放更多的电子，从而使又释放更多的电子，从而使辉光放电达到自持辉光放电达到自持；从从靶靶面面飞飞溅溅出出来来的的粒粒子子以以足足够够的的动动能能飞飞向向阳阳极极并并沉沉积积在在基基材材表表面面，形形成镀层成镀层。靶材靶材基片基片V(0)E+ArAr+-e-e-e+Ar+溅溅射射过过程程中中涉

5、涉及及到到复复杂杂的的散散射射过过程程和和多多种种能能量量传传递递过过程程：首首先先，入入射射粒粒子子与与靶靶材材原原子子发发生生弹弹性性碰碰撞撞，入入射射粒粒子子的的一一部部分分动动能能会会传传给给靶靶材材原原子子，某某些些靶靶材材原原子子的的动动能能超超过过由由其其周周围围存存在在的的其其它它原原子子所所形形成成的的势势垒垒(对对于于金金属属是是5-10eV)5-10eV)，从从而而从从晶晶格格点点阵阵中中被被碰碰撞撞出出来来，产产生生离离位位原原子子，并并进进一一步步和和附附近近的的原原子子依依次次反反复复碰碰撞撞，产产生生碰碰撞撞级级联联。当当这这种种碰碰撞撞级级联联到到达达靶靶材材表

6、表面面时时，如如果果靠靠近近靶靶材材表表面面的的原原子子的的动动能能大大于于表表面面结结合合能能(对对于于金金属属是是1-6eV)1-6eV)，这这些些原原子子就就会会从从靶靶材材表面表面脱离脱离从而进入真空。从而进入真空。直直流流二二极极溅溅射射放放电电所所形形成成电电回回路路，是是依依靠靠气气体体放放电电产产生生的的正正离离子子飞飞向向阴阴极极靶靶，一一次次电电子子飞飞向向阳阳极极而而形形成成的的。而而放放电电是是依依靠靠正正离离子子轰轰击击阴阴极极所所产产生生的的二二次次电电子子，经经阴阴极极暗暗区区被被加加速速后后去去补补充充被被消消耗耗的的一一次次电电子子来来维维持持的的。因因此此，

7、在在溅溅射射镀镀膜膜过过程程中中，溅溅射射效效应应是是手手段段，沉沉积积效效应应是是目目的，电离效应是条件。的，电离效应是条件。为为了了提提高高淀淀积积速速率率，在在不不影影响响辉辉光光放放电电前前提提下下，基基片片应应尽尽量量靠靠近近阴阴极极靶靶。但但基基片片接接近近阴阴极极时时，甚甚至至在在未未达达到到阴阴极极暗暗区区之之前前，就就会会产产生生放放电电电电流流急急剧剧变变小小而而使使溅溅射射速速率率下下降降的的现现象象。这这时时，从从基基片片上上膜膜厚厚分分布布来来看看，在在阴阴极极遮遮蔽蔽最最强强的的中中心心区区膜膜最最薄薄。因因此此，有有关关资资料料指指出出：阴阴极极靶靶与与基基片片间

8、间的的距距离离以以大大于于阴阴极暗区的极暗区的3434倍倍较为适宜。较为适宜。直直流流二二极极溅溅射射的的工工作作参参数数为为溅溅射射功功率率、放放电电电电压压、气气体体压压力力和和电电极极间间距距。溅溅射射时时主主要要监监视视功功率率、电电压压和和气气压压参参数数。当当电电压压一一定定时时，放放电电电电流流与与气气体体压压强强的的关关系系如如图图3-323-32所所示示。气气体体压压力力不不低低于于lPalPa，阴阴极极靶靶电电流流密度为密度为0.15 0.15 1.5MA/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：

9、（1 1）溅溅射射参参数数不不易易独独立立控控制制，放放电电电电流流易易随随电电压压和和气气压压变变化化，工工艺艺重重复复性差性差；（2 2）气气体体压压力力较较高高（10Pa10Pa左左右右），溅溅射射速速率率较较低低，这这不不利利于于减减少少杂杂质质污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）电电子子在在电电场场力力作作用用下下迅迅速速飞飞向向基基片片表表面面：电电子子运运动动路路径径短短，轰轰击击在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）为为了了在在辉辉光光放放电电过过程程中中使使靶靶表表面面保保

10、持持可可控控的的负负高高压压，靶靶材材必必须须是是导导体体。（直直流流溅溅射射法法要要求求靶靶材材能能够够将将从从离离子子轰轰击击过过程程中中得得到到的的正正电电荷荷传传递递给给与与其其紧紧密密接接触触的的阴阴极极，从从而而该该方方法法只只能能溅溅射射导导体体材材料料，不不适适于于绝绝缘缘材材料料。因因为为轰轰击击绝绝缘缘靶靶材材时时表表面面的的离离子子电电荷荷无无法法中中和和，这这将将导导致致靶靶面面电电位位升升高高，外外加加电电压压几几乎乎都都加加在在靶靶上上，两两极极间间的的离离子子加加速速与与电电离离的的机机会会将将变变小小，甚甚至至不不能能电电离离，导导致致不不能能连连续续放放电电甚

11、甚至至放放电电停停止止，溅溅射射停停止止。故故对对于于绝绝缘缘靶靶材材或或导导电电性性很很差差的的非非金金属属靶靶材材，须须用用射射频频溅溅射射法法。）二二、偏压溅射、偏压溅射 直直流流偏偏压压溅溅射射的的原原理理示示意意如如图图所所示示。它它与与直直流流二二极极溅溅射射的的区区别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）若若施施加加的的是是负负偏偏压压，则则在在薄薄膜膜淀淀积积过过程程中中，基基片片表表面面都都将将受受到到气气体体离离子子的的稳稳定定轰轰击击，随随时时清清除除可可能能进进入入薄薄膜膜表表面面的的气气体体，有有利利于于提提高高薄薄膜膜的

12、的纯纯度度。并并且且也也可可除除掉掉粘粘附附力力弱弱的的淀淀积积粒粒子子，加加之之在在淀淀积积之之前前可可对对基基片片进进行行轰轰击击清清洗洗，使使表表面面净净化化，从从而而提提高高了了薄膜的附着力。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）偏偏压压溅溅射射还还可可改改变变淀淀积积薄薄膜膜的的结结构构。图图3-343-34示示出出了了基基片片加加不不同同偏偏压压时时钽钽膜膜电电阻阻率率的的变变化化。偏偏压压在在-100V-100V至至100V100V范范围围，膜膜层层电电阻阻率率较较高高，属属-Ta-Ta即即四四方方晶晶结结构构。当当负负偏偏压压大大于于100V1

13、00V时时，电电阻阻率率迅迅速速下下降降，这这时时钽钽膜膜已已相相变变为为正正常常体体心心立立方方结结构构。这这种种情情况况很很可可能能是是因因为为基基片片加加上上正正偏偏压压后后，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、三极或四极溅射二二极极直直流流溅溅射射只只能能在在较较高高气气压压下下进进行行，因因为为它它是是依依赖赖离离子子轰轰击击阴阴极极所所发发射射的的次次级级电电子子来来维维持持辉辉光光放放电电。如如果果气气压压降降到到1.32.

14、7Pa1.32.7Pa（1020mTorr1020mTorr）时时，则则阴阴极极暗暗区区扩扩大大，电电子子自由程增加，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。在在低低压压下下，为为了了增增加加离离化化率率并并保保持持放放电电自自持持，一一个个可可供供选选择择的的方方法法就就是是提提供供一一个个额额外外的的电电子子源源（额额外外电电子子源源提提供供具具有有合合适适能能量量的的额额外外电电子子,保保持持高高离离化化效效率率），而而不不是是从从靶靶阴极获得电子。阴极获得电子。三三极极溅溅射射克克服服了了二二极极溅溅射射的的缺缺点点，它它在在真真空空室室内

15、内附附加加一一个个独独立立的的电电子子源源热热阴阴极极（热热阴阴极极通通常常是是一一加加热热的的钨钨丝丝，他他可可以以承承受受长长时时间间的的离离子子轰轰击击），它它通通过过热热离离子子辐辐射射形形式式发发散散电电子子并并和和阳阳极极产产生生等等离离子子体体，同同时时使使靶靶相相对对于于该该等等离离子子体体为为负负电电位位，用用等等离离子子体体中中的的正正离离子子轰轰击击靶靶材材而而进进行行溅溅射射。如如果果为为了了引引入入热热电电子子并并使使放放电电稳稳定定，再再附附加加第第四四电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：等等离离子子区区由由热热阴阴极极和和一

16、一个个与与靶靶无无关关的的阳阳极极来来维维持持，并并通通过过外外部部线线圈圈所所提提供供的的磁磁场场，将将等等离离子子体体限限域域在在阳阳极极和和灯灯丝丝阴阴极极之之间间。而而靶靶偏偏压压是是独独立立的的，这这就就大大大大降降低了靶偏压。低了靶偏压。当当在在靶靶上上施施加加一一相相对对于于阳阳极极的的负负高高压压，溅溅射射就就会会出出现现，如如同同在在二二级级辉辉光光放放电电那那样样，离离子子轰轰击击靶靶，靶靶材材便便沉沉积积在在基片上。基片上。负电位负电位但但是是，若若对对稳稳定定性性电电极极加加+300V+300V电电压压时时，只只要要稍稍微微提提高高一一点点气气压压（由由G G至至T T

17、），放放电电即即可可重重新新开开始始。即即稳稳定定性性电电极极的的作作用用使使稳稳定定放放电电的的范范围围从从D D点点扩扩大大到到T T点点，使使放放电电气气压压提提高高一一个个数数量量级级。因因此此，四四极极溅溅射射的的主主阀阀几几乎乎可可在在全全开开状状态态下下进进行行溅溅射射。靶靶电电流流主主要要决决定定于于阳阳极极电电流流，而而不不随随靶靶电电压压而而变变，因因此此，靶靶电电流流和和靶靶电电压压可可独独立立调调节节，从从而而克克服服了了二二极极溅射的相应缺点。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

18、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，适宜用来制作半导，

19、适宜用来制作半导体器件和集成电路，并已取得良好效果；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，溅射、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，提高了溅射参数的速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的可可控性控性和和工艺重复性；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、三三（四四）极极溅溅射射还还不不能能抑抑制制由由靶靶产产生生的的高高速速电电子子对对基基板板的的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的温

20、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、这这种种溅溅射射方方式式并并不不适适用用于于反反应应溅溅射射，特特别别在在用用氧氧作作反反应应气气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。四、射频溅射四、射频溅射 直直流流溅溅射射装装置置只只能能溅溅射射导导体体材材料料，由由于于放放电电不不能能持持续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。射射频频溅溅射射装装置置如如图图所所示示：相相当当于于直直流流溅溅射射装装置置中中的的直直流流电电源源部

21、部分分改改由由射射频频发发生生器器、匹匹配配网网络络和和电电源源所所代代替替，利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)射射频频电电源源对对绝绝缘缘靶靶之之所所以以能能进进行行溅溅射射镀镀膜膜，主主要要是是因因为为在在绝绝缘缘靶靶表表面面上上建建立立起起负负偏偏压压的的缘缘故故。在在靶靶上上施施加加射射频频电电压压，由由于于交交流流电电源源的的正正负负性性发发生生周周期期交交替替,当当溅溅射射靶靶处处于于正正半半周周期期时时，由由于于电电子子的的质质量量比比离离子子的的质质量量小小得得多多，故故其其迁迁移移率率很很高高仅仅用用很很短短时时间

22、间就就可可以以飞飞向向靶靶面面，中中和和其其表表面面积积累累的的正正电电荷荷，并并且且在在靶靶面面又又迅迅速速积积累累大大量量的的电电子子，使使其其表表面面呈呈现现负负偏偏压压，导导致致在在射射频频电电压压的的负负半半周周时时吸吸引引正正离离子子轰轰击击靶靶材，从而在正、负半周中，均可实现对绝缘材料的溅射。材，从而在正、负半周中，均可实现对绝缘材料的溅射。（2 2）射射频频溅溅射射的的机机理理和和特特性性可可以以用用射射频频辉辉光光放放电电解解释释。在在射射频频溅溅射射装装置置中中，等等离离子子体体中中的的电电子子容容易易在在射射频频场场中中吸吸收收能能量量并并在在电电场场内内振振荡荡，因因此

23、此，电电子子与与工工作作气气体体分分子子碰碰撞撞并并使使之之电电离离的的几几率率非非常常大大，故故使使得得击击穿穿电电压压和和放放电电电电压压显显著著降降低低。如射频电场强度为如射频电场强度为 式式中中，f f为为射射频频频频率率。在在真真空空中中的的自自由由电电子子，由由于于射射频频电电场场的的作用，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。即即真真空空中中的的自自由由电电子子在在交交变变电电场场作作用用下下，以以振振幅幅为为A A作作简简谐谐运运动动。由由于于在在溅溅射

24、射条条件件下下有有气气体体分分子子存存在在，电电子子在在振振荡荡过过程程中中与与气气体体分分子子碰碰撞撞的的几几率率增增加加，其其运运动动方方向向也也从从简简谐谐运运动动变变为为无无规规则则的的杂杂乱乱运运动动。因因为为电电子子能能从从电电场场不不断断吸吸收收能能量量，因因此此，在在不不断断碰碰撞撞中中有有足足够够的的能能量量来来使使气气体体分分子子离离化化，即即使使在在电电场场较较弱弱时时，电电子子也也能能积积累累足足够够能能量量来来进进行行离离化化，所所以以射射频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。优点：优点：（1 1）克克服服了了直直流流溅溅射射只只能能溅溅射射导导体体材材料料的的缺缺点点，射射频频溅溅射射能能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的淀积包括导体、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：当当离离子子能能量量高高时时，次次级级电电子子数数量量增增大大，有有可可能能成成为为高高能能电子轰击基片，导致电子轰击基片，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。谢谢！谢谢！