1、薄薄膜物理气相沉膜物理气相沉积积一、真空蒸发沉积的物理原理一、真空蒸发沉积的物理原理 在在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸发所必须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝发所必须的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝结形成薄膜。结形成薄膜。 真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。压进行薄膜制备。薄薄膜制备技术膜制备技术-蒸发法蒸发法二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备真空蒸发设备示意图如下图所示真空蒸发设备示意图如下图所示真空蒸发设备主要由三部分组成：
2、真空蒸发设备主要由三部分组成：1. 1. 真空系统：为蒸发过程提供真空环境真空系统：为蒸发过程提供真空环境2. 2. 蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和蒸发系统：放置蒸发源的装置，以及加热和测温测温装置装置3. 3. 基板及加热系统：该系统是用来放基板及加热系统：该系统是用来放置衬置衬底，对衬底加底，对衬底加热及测温装置热及测温装置二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备 真空蒸发制备薄膜的三个基本过程真空蒸发制备薄膜的三个基本过程: :1.1.加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材加热蒸发过程：对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，蒸发源材料由凝聚相转变成气相料的熔点
3、，蒸发源材料由凝聚相转变成气相2.2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程。在这一过程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞程中，原子或分子与真空室内的残余气体分子碰撞3.3.被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到被蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积过程。原子或分子到达基片后凝结、成核、生长、成膜达基片后凝结、成核、生长、成膜二、真空蒸发的设备二、真空蒸发的设备三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压 汽化热：汽化热： 真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加热到足够真空蒸发系统中的热源将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分
4、子获得足够高的能量，克服高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，克服固相原子的束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动固相原子的束缚而蒸发到真空中，并形成具有一定动能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热。能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热。 物质的饱和蒸气压物质的饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。质的蒸汽与固态或液态相平衡时所呈现的压力。 物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，一定的饱和物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，一定的饱和蒸气压则对应着一定的温度。规定物质在饱和蒸气压蒸气压则对应着一定的温度。规定物质在饱和
5、蒸气压为为1.3Pa1.3Pa时的温度，称为该物质的蒸发温度。时的温度，称为该物质的蒸发温度。三、汽化热和蒸汽压三、汽化热和蒸汽压 在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡在一定温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压蒸汽压。当被蒸发物质的分气压降低到了它的平衡蒸汽压以下，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的以下，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的净蒸发速率为：净蒸发速率为： mkTPPAdtdNhe2)（四、物质的蒸发速率四、物质的蒸发速率推出由nRTPVMRTvmol8单位物质表面的质量蒸发速度单位物质表面的质量
6、蒸发速度: :TMppRTMPPmhehee)(1083. 52)2（p pe e为平衡蒸汽压，为平衡蒸汽压，p ph h为实际分气压为实际分气压。四、物质的蒸发速率四、物质的蒸发速率 1、元素的蒸汽压、元素的蒸汽压 克劳修斯克劳修斯-克莱普朗方程：克莱普朗方程： 物质平衡蒸汽压物质平衡蒸汽压P随温度的变化率为：随温度的变化率为： 五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 素的热焓的变化为蒸发过程中每摩尔元HRTHPVTHdTdP2 V为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反应室的体积。为在蒸发过程中物质所拥有的体积的变化，近似等于反应室的体积。RTHeeBeP
7、IRTHPlnlgPlgP与与1/T1/T基本满足线性关系基本满足线性关系 利用物质在一定温度时的汽化热利用物质在一定温度时的汽化热 HeHe代替代替 H H，得到近似表达式。得到近似表达式。五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 图图2.1 a 元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线元素的平衡蒸汽压随温度的变化曲线（点表示相应元素的熔点）（点表示相应元素的熔点）五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 液相蒸发液相蒸发对大多数金属，温度达到熔点对大多数金属，温度达到熔点时，其平衡气压低于时，其平衡气压低于1010-1 -1 Pa,Pa,需将物质加热
8、到熔点以上需将物质加热到熔点以上 固相升华固相升华在熔点附近，固体的平衡蒸汽在熔点附近，固体的平衡蒸汽压已相对较高，如压已相对较高，如 Cr, Ti, Cr, Ti, Mo, Fe, SiMo, Fe, Si等，可以直接利用等，可以直接利用由固态物质的升华，实现物质由固态物质的升华，实现物质的气相沉积的气相沉积图图2.1b 2.1b 半导体元素的平衡蒸汽压随温度的半导体元素的平衡蒸汽压随温度的 变化曲线（点标为相应元素的熔点）变化曲线（点标为相应元素的熔点）五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 2、化合物的蒸发、化合物的蒸发 化合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其
9、固态或化合物蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程：液态的成分，各元素间将发生化合或分解过程：五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 3、金属合金的蒸发、金属合金的蒸发 金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合金属合金的蒸发也会发生成分的偏离，但合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独力小于化合物中原子间的结合力，实际蒸发过程可视为各元素独立蒸发过程，可由热力学定律来描述：立蒸发过程，可由热力学定律来描述：n理想合金理想合金AB：A-B间的作用能等于间的作用能等于A-A 或或B-
10、B的作用能的作用能.n拉乌尔定律：平衡蒸汽压正比于纯组元蒸汽压，系数为摩尔分数拉乌尔定律：平衡蒸汽压正比于纯组元蒸汽压，系数为摩尔分数 PA = APA(0) ；PB = BPB(0) ； PA(0) 、PB(0)分别为纯组元分别为纯组元A、B的平衡蒸气压，的平衡蒸气压， A、 B分别为分别为 A、B 组元在合金中的摩尔分数。组元在合金中的摩尔分数。 因此，即使对于理想合金因此，即使对于理想合金A、B两组元的蒸气压之比，或蒸发速度两组元的蒸气压之比，或蒸发速度之比，不等于合金中的元素摩尔分数之比，出现成分分离。之比，不等于合金中的元素摩尔分数之比，出现成分分离。 五、元素、化合物、合金蒸发的特
11、点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。实际合金的蒸气压之比更加偏离合金中的原始组分之比。 PA = A APA(0) ；PB = B BPB(0) ； A， B 分别为元素分别为元素A、B在合金中的活度系数在合金中的活度系数 合金中合金中A、B组元的蒸发速率之比为组元的蒸发速率之比为 对于初始成分确定的蒸发源，易于蒸发的组元优先蒸发，造成该对于初始成分确定的蒸发源，易于蒸发的组元优先蒸发，造成该组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降。组元的不断贫发，造成该组元的蒸发速率下降。 实际采取的措施：实际采取的措施：采用双源或多源，分别加热至不同温度来
12、控制采用双源或多源，分别加热至不同温度来控制每一组元的蒸发速率。每一组元的蒸发速率。ABBBBAAABAMMPxPx)0()0(五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 4 4、多组分薄膜的蒸发方法、多组分薄膜的蒸发方法 利用蒸发法制备多组分薄膜的方法主要有三种方法利用蒸发法制备多组分薄膜的方法主要有三种方法（1 1）单源蒸发法：）单源蒸发法：先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，然后先按薄膜组分比例的要求制成合金靶，然后 对合金靶进行蒸发、沉积形成固态薄膜。基本要求是合金靶对合金靶进行蒸发、沉积形成固态薄膜。基本要求是合金靶中各组分材料的蒸汽压比较接近。中各组分材料的蒸汽
13、压比较接近。（2 2）多源同时蒸发法：）多源同时蒸发法：利用多个坩埚，在每个坩埚中放入薄膜利用多个坩埚，在每个坩埚中放入薄膜所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。所需的一种材料，在不同温度下同时蒸发。 （3 3）多源顺序蒸发法：）多源顺序蒸发法：把薄膜所需材料放在不同坩埚中，但把薄膜所需材料放在不同坩埚中，但不是同时蒸发，而是按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制相应不是同时蒸发，而是按顺序蒸发，并根据薄膜组分控制相应的层厚，然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。的层厚，然后通过高温退火形成需要的多组分薄膜。五、元素、化合物、合金蒸发的特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 五、元素、化合物、合金蒸发的
14、特点五、元素、化合物、合金蒸发的特点 六六、真真空蒸发源空蒸发源 随随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有：的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有：n电阻式加热蒸发电阻式加热蒸发n电子束加热蒸发电子束加热蒸发n激光加热蒸发激光加热蒸发n电弧加热蒸发电弧加热蒸发n高频感应加热蒸发
15、高频感应加热蒸发1、电阻式加热蒸发、电阻式加热蒸发n普通电阻加热：普通电阻加热： 利用一些高熔点、低蒸气压的金属（利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo, Ta等）制等）制成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。（低压大电流）热的物质。（低压大电流）六六、真真空蒸发源空蒸发源六六、真真空蒸发源空蒸发源六六、真真空蒸发源空蒸发源 加热装置的分类和特点：加热装置的分类和特点：（1 1）丝状（）丝状（0.05-0.13cm)0.05-0.13cm)，蒸发物润湿电阻丝，通过表面，蒸发物润湿电阻丝，通过表面 张张力得到支撑。只能蒸发金属
16、或合金；有限的蒸发材料被蒸发；力得到支撑。只能蒸发金属或合金；有限的蒸发材料被蒸发；蒸发材料必须润湿加热丝；加热丝容易变脆。蒸发材料必须润湿加热丝；加热丝容易变脆。（2 2）凹箔：蒸发源为粉末。）凹箔：蒸发源为粉末。（3 3）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。）锥形丝筐蒸发小块电介质或金属。六六、真真空蒸发源空蒸发源 缺点缺点（1 1）加热装置与蒸发物会反应）加热装置与蒸发物会反应（2 2）难以蒸发电介质材料（）难以蒸发电介质材料（AlAl2 2O O3 3,Ta,Ta2 2O O5 5,TiO,TiO2 2等）等）（3 3）蒸发率低）蒸发率低（4 4）加热蒸发时合金和化合物会分解。）加热蒸发时合
17、金和化合物会分解。六六、真真空蒸发源空蒸发源2、电子束加热装置及特点、电子束加热装置及特点n电子束通过电子束通过5-10KV 的电场后被加速，的电场后被加速，然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能然后聚焦到被蒸发的材料表面，把能量传递给待蒸发的材料使其熔量传递给待蒸发的材料使其熔 化并蒸发。化并蒸发。n无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反应的可能性很小。（坩埚水冷）应的可能性很小。（坩埚水冷）电子束蒸发装置示意图电子束蒸发装置示意图六六、真真空蒸发源空蒸发源 难熔物质难熔物质的蒸发：的蒸发： 适合制备适合制备
18、高纯，难熔物质高纯，难熔物质薄膜薄膜 可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。 大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料。膜材料。 如如MoMo、TaTa、NbNb、MgFMgF2 2、GaGa2 2TeTe3 3、TiOTiO2 2、AlAl2 2O O3 3、SnOSnO2 2、SiSi等等。等等。2 2、电子束加热装置及特点、电子束加热装置及特点六六、真真空蒸发
19、源空蒸发源3 3、激光加热蒸发、激光加热蒸发 利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。 激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光源激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光源放在真空室外边，激光束通过真空室窗口打到待蒸发材放在真空室外边，激光束通过真空室窗口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。料上使其蒸发，沉积在衬底上。 适合制备高纯，难熔物质薄膜适合制备高纯，难熔物质薄膜六六、真真空蒸发源空蒸发源激光蒸发示意图激光蒸发示意图3 3、激光加热蒸发、激光加热蒸发六六、真真空蒸发源空蒸发源六六、真真空蒸发源空蒸发源 可用来制备光学薄膜可用来制备光学薄膜 S
20、b Sb2 2S S3 3, ZnTe, MoO, ZnTe, MoO3 3, PbTe, Ge, , PbTe, Ge, SiSi 制备陶瓷薄膜：制备陶瓷薄膜：AlAl2 2O O3 3, Si, Si3 3N N4 4, , 氧化物薄膜：氧化物薄膜：SnOSnO2 2，ZnOZnO 超导薄膜超导薄膜YBCOYBCO 注：注：Sb(Sb(锑锑ti) Te(ti) Te(碲）碲）3 3、激光加热蒸发、激光加热蒸发六六、真真空蒸发源空蒸发源4、电弧加热蒸发、电弧加热蒸发n利用电弧放电加热利用电弧放电加热n无污染无污染n适合制备适合制备高纯，难熔导电物质高纯，难熔导电物质薄膜薄膜n缺点：产生微米级
21、的电极颗粒缺点：产生微米级的电极颗粒n原理：用欲蒸发的材料做电极，通过调原理：用欲蒸发的材料做电极，通过调节真空室内电极间的距离来点燃电弧，节真空室内电极间的距离来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现薄膜的沉积发从而实现薄膜的沉积真空室真空室电极电极衬底衬底六六、真真空蒸发源空蒸发源 在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到一些陶在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到一些陶瓷薄膜。如在氮气氛下，对金属瓷薄膜。如在氮气氛下，对金属TiTi和和ZrZr（锆）起弧制（锆）起弧制的的TiNTiN和和ZrNZrN薄膜，在氧气氛下，薄膜，在氧气氛下，A
22、lAl起弧制得氧化铝薄起弧制得氧化铝薄膜。膜。4 4、电弧加热蒸发、电弧加热蒸发六六、真真空蒸发源空蒸发源5 5、高频感应加热：、高频感应加热： 在在高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被加高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被加热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加热。热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加热。（高频高压小电流）（高频高压小电流）六六、真真空蒸发源空蒸发源七、真空蒸发法的优缺点七、真空蒸发法的优缺点 优点：优点： 设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚度控制比较准确，成膜速率度控制比较准确，成膜速率快快。 缺点：缺点：
23、 薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，台阶覆薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，台阶覆盖能力差。盖能力差。5 5、高频感应加热：、高频感应加热：薄薄膜沉积的厚度均匀性和纯度膜沉积的厚度均匀性和纯度一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应 物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。物质蒸发过程中，被蒸发原子的运动具有明显的方向性。 蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组蒸发原子运动的方向性对沉积的薄膜的均匀性以及其微观组织都会产生影响。织都会产生影响。 物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小的蒸发源可物质的蒸发源有不同形状。衬底较远，尺寸较小
24、的蒸发源可以被认为是点蒸发源。设想被蒸发的物质是由表面积为以被认为是点蒸发源。设想被蒸发的物质是由表面积为AeAe的的小球面上均匀地发射出来的。小球面上均匀地发射出来的。一、薄膜沉积的方向性和阴影效应一、薄膜沉积的方向性和阴影效应蒸发出来的物质总量蒸发出来的物质总量MeMe应等于应等于MeMedAdAe edtdtAAe et t其中，其中，是物质质量蒸发速度，；是物质质量蒸发速度，；dAdAe e为蒸发源的表面积元；为蒸发源的表面积元；t t为时间。为时间。只有运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于只有运动方向处于衬底所在空间角内的蒸发原子才会落在衬底上。由于已经假设蒸发
25、源为一点源，因而衬底面积元已经假设蒸发源为一点源，因而衬底面积元dAsdAs上沉积的物质量取决于上沉积的物质量取决于其对应的空间角的大小，即衬底上沉积的物质的质量密度为其对应的空间角的大小，即衬底上沉积的物质的质量密度为dMdMs s/dA/dAs s=M=Me ecos/4rcos/4r2 2-衬底表面法线与空间方向间的偏离角度；衬底表面法线与空间方向间的偏离角度；r-r-蒸发源与衬底间距离。蒸发源与衬底间距离。薄薄膜沉积的厚度均匀性和纯度膜沉积的厚度均匀性和纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度 薄膜的纯度是制备薄膜材料时十分关心的问题。在蒸发沉薄膜的纯度是制备薄膜材料时十分关心
26、的问题。在蒸发沉积时，薄膜的纯度将取决于：积时，薄膜的纯度将取决于：（）蒸发源物质的纯度；（）蒸发源物质的纯度；（）加热装置、坩埚等可能造成的污染；（）加热装置、坩埚等可能造成的污染；（）真空系统中残留的气体。（）真空系统中残留的气体。 前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源以及前面两个因素的影响可以依靠使用高纯物质作为蒸发源以及改善蒸发装置的设计得以避免，而后一个因素则需要从改善改善蒸发装置的设计得以避免，而后一个因素则需要从改善设备的真空条件入手来加以解决。设备的真空条件入手来加以解决。薄薄膜沉积的厚度均匀性和纯度膜沉积的厚度均匀性和纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度二、蒸发沉积薄膜的纯
27、度 u在沉积的过程中，残余气体的分子和蒸发物质的原子将分别在沉积的过程中，残余气体的分子和蒸发物质的原子将分别射向衬底，并可能同时沉积在衬底上。蒸发物质的原子的沉射向衬底，并可能同时沉积在衬底上。蒸发物质的原子的沉积速率为积速率为G=NG=NA AS/MS/MA Au其量纲为原子数其量纲为原子数/cm/cm2 2ss。为沉积物质的密度；为沉积物质的密度；s s为厚度沉为厚度沉积速率。残余气体分子的沉积速率可以借助式积速率。残余气体分子的沉积速率可以借助式求出。求出。u求出气体杂质在沉积物中的浓度为求出气体杂质在沉积物中的浓度为C=P MC=P MA A/N/NA AS(2MS(2Mg gRT)
28、RT)1/21/2 M MA A和和M Mg g分别为蒸发物质和残余气体的相对原子质量；分别为蒸发物质和残余气体的相对原子质量；是残余气体的压强。是残余气体的压强。薄薄膜沉积的厚度均匀性和纯度膜沉积的厚度均匀性和纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度二、蒸发沉积薄膜的纯度 由由上式可以看出，沉积物质中杂质的含量与残余气体上式可以看出，沉积物质中杂质的含量与残余气体的压强成正比，与薄膜的沉积速度的压强成正比，与薄膜的沉积速度s s成反比。成反比。 薄薄膜沉积的厚度均匀性和纯度膜沉积的厚度均匀性和纯度 溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量
29、合适的情况下，入射离子在与靶表面原子碰撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，实现薄膜的沉积。薄薄膜制备技术膜制备技术- -溅射法溅射法 由溅射现象的发现到离子溅射在镀膜技术中的应用，期间经历了一个漫长的发展过程。 1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉积现象； 1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物； 20世纪30年代，已经有人利用溅射现象在实验室中制备薄膜； 60年代初，Bell实验室和Western Electric公司利用溅射制取集成电路用的Ta膜，开始了它在工业上的
30、应用； 1963年已经制作出全长约10m的连续溅射镀膜装置； 1965年IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜称为可能； 1974年，J.Chapin使高速、低温溅射镀膜称为现实，并发表了关于平面磁控溅射装置的文章。 由于这种溅射装置的日臻完善和普及，使得溅射镀膜能以崭新的面貌出现在技术和工业领域。薄薄膜制备技术膜制备技术- -溅射法溅射法SputteringRoll-to-RollIn-line薄薄膜制备技术膜制备技术- -溅射法溅射法n溅射法溅射法n利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶材表面被溅射量，轰击固体（
31、靶）物质，从靶材表面被溅射出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上出来的原子以一定的动能射向衬底，在衬底上形成薄膜。形成薄膜。n溅射法的分类溅射法的分类n直流溅射直流溅射 射频溅射射频溅射n磁控溅射磁控溅射 反应溅射反应溅射n偏压溅射偏压溅射 溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点（1 1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现实现溅溅射；射；（2 2）溅射所获得的薄膜与基片结合较）溅射所获得的薄膜与基片结合较好；好；（3 3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好；好；（4 4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上）溅射工艺可重复
32、性好，可以在大面积衬底上获得获得厚度均厚度均匀的薄匀的薄膜。膜。n靶材是需要被溅射的物质，作为阴极，相对阳极加数千伏电压，在真空室内充入Ar气，在电极间形成辉光放电。n辉光放电过程中，将产生Ar离子，阴极材料原子，二次电子，光子等。辉辉光放电和等离子体光放电和等离子体一、辉光放电的物理基础一、辉光放电的物理基础 等离子体等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。 作用：作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大部分能量； 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属。 辉辉光放电和等离子体光放电和等离子体产生辉光放电 通过混合气体中加直流
33、电压、或射频电压，混合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子）的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。 辉辉光放电和等离子体光放电和等离子体真空室电极高真空泵等离子体RF 发生器匹配部件辉辉光放电和等离子体光放电和等离子体n直流电源直流电源E, 提供电压提供电压V和电流和电流I则则 V = E - IR。1、辉光放电过程包括、辉光放电过程包括n初始阶段初始阶段AB：I=0 无光放电区无光放电区n汤生放电区汤生放电区BC：I迅速增大迅速增大n过渡区过渡区CD：离子开始轰击阴极，产生二次：离子开始轰击阴
34、极，产生二次电子，又与气体分子碰撞产生更多离子电子，又与气体分子碰撞产生更多离子n辉光放电区辉光放电区DE：I增大，增大，V恒定恒定n异常辉光放电区异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区：溅射所选择的工作区n弧光放电：弧光放电：I增大，增大，V减小减小n弧光放电区弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速：增加电源功率，电流迅速增加增加辉辉光放电和等离子体光放电和等离子体ABCDEFG 2、辉光放电区域的划分n阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区；n阳极柱；阳极暗区；阳极辉光n暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。辉辉光放电和等离子体光放
35、电和等离子体物物质的溅射现象质的溅射现象离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过程的相对重要性取决于入射离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过程的相对重要性取决于入射离子的能量。离子的能量。一、溅射的产额：一、溅射的产额： 被溅射出来的原子个被溅射出来的原子个数与入射离子数之比。数与入射离子数之比。它与入射能量，入射它与入射能量，入射离子种类，溅射物质离子种类，溅射物质种类及入射离子的入种类及入射离子的入射角度有关。射角度有关。物物质的溅射现象质的溅射现象 入射离子能量的影响 只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射离子的种类关系不大，
36、与被溅射物质的升华热有一定比例关系 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅射产额反而下降物物质的溅射现象质的溅射现象 入入射离子的种类和被溅射物质的种类射离子的种类和被溅射物质的种类 通通常采用惰性气体离子来溅射，由常采用惰性气体离子来溅射，由图知图知，重离子，重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因素，通常使用的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因素，通常使用氩气作为溅射气体。氩气作为溅射气体。 用用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射产额也相同能量的离子溅射不同的物质，溅射产额也是不同的，是不同的，Cu, Ag, AuCu, Ag, Au产额高，而
37、产额高，而Ti, W, MoTi, W, Mo等产额低。等产额低。物物质的溅射现象质的溅射现象物物质的溅射现象质的溅射现象3 3、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响倾斜入射有利于提高产额，但当入射角接近80时，产额迅速下降。 合金的溅射和沉积： 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基本一致。 自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速率上升。物物质的溅射现象质的溅射现象溅溅射沉积装置射沉积装置一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）气体离子气体离子靶材离子靶
38、材离子二次电子二次电子一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性 溅射气溅射气压，太压，太低和太高都不利于薄膜的形低和太高都不利于薄膜的形成；成； 阴阴- -阳极距离适中，大约为阴极暗区的阳极距离适中，大约为阴极暗区的2 2倍；倍； 溅射电压溅射电压1-5KV1-5KV； 靶材必须为金靶材必须为金属；属； 为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2 2倍。倍。一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性 工作原理： 当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄膜。 在离子轰击靶材的同时，也
39、有大量二次电子从阴极靶发射出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出更多的电子，从而使辉光放电达到自持。一、直流溅射装置及特性一、直流溅射装置及特性 气体压强太低或阴气体压强太低或阴- -阳极距离太短，二次电子达到阳极之阳极距离太短，二次电子达到阳极之前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会
40、受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。 直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作直流溅射若要保持一定的溅射速率，就必须一定的工作电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离电流，要求靶材为金属靶。若是导电性差的靶材，在离子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。子轰击过程中，正电荷便会积累在靶材表面。三极溅射三极溅射在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供一个额外的电子源将电子注入到放电系统中。子源将电子注入到放电系统中。阳极电位高于基片直流溅射装置及特性直流溅
41、射装置及特性二、射频溅射装置及特二、射频溅射装置及特性性溅溅射沉积装置射沉积装置二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性 射频电源的频率13.56MHz； 射频溅射电压1-2KV； 射频溅射系统需要在电源与放电室间配备阻抗匹配网； 在射频溅射系统中，衬底接地，以避免不希望的射频电压在衬底表面出现； 靶材可以是绝缘体、金属、半导体等。二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性 工作原理工作原理 在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘靶下面的金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运金属电极上，在射频电场作用下，在两电极间振荡运动的电子具有足
42、够高的能量产生离化碰撞，从而使放动的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，从而使放电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重电达到自持，阴极溅射的二次电子不再重要；要； 由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，由于电子比离子具有较高的迁移率，相对于负半周期，正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变正半周期内将有更多的电子到达绝缘靶表面，而靶变成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引正离成负的自偏压。它将在表面附近排斥电子，吸引正离子，使离子轰击靶，产生溅射。子，使离子轰击靶，产生溅射。二、射频溅射装置及特性二、射频溅射装置及特性 电源与电极间有电容存在，隔绝电荷流通的路径，自发产生负的自
43、偏压的过程与靶材是绝缘体和金属无关。 射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。实际解决的办法将样品台和真空室接地，形成一个面积很大的电极，降低该极的自偏压鞘层电压。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性溅溅射沉积装置射沉积装置1直流电源直流电源 2出水口出水口 3进水口进水口 4进气口进气口5 靶材靶材 6真空泵真空泵 7 基片架基片架 8基片偏压基片偏压三、磁控溅射装置及特三、磁控溅射装置及特性性 磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和
44、薄膜的沉积速率。 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因： 1、磁场中电子的电离效率提高； 2、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小 提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 的质量。三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性三、磁控溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性 在在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体反应形成化合物，这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。这种在沉积的同时形成化合物的溅射称为反应溅射。 利利用化合物直接作为靶材溅
45、射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如用化合物直接作为靶材溅射生长薄膜时，可能薄膜与靶材的成分偏离，如制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。制备氧化物薄膜时，会造成氧含量偏低，这时可在溅射气体中通入适量的氧气。溅溅射沉积装置射沉积装置反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性四、反应溅射装置及特性 采采用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同用纯金属作为靶材，通入不同的反应气体，沉积不同的薄膜。如：的薄膜。如：氧化物：氧化物：ZnOZnO，AlAl2 2O O3 3，SiOSiO2 2， InIn2 2O O3 3，SnOSnO2
46、2等等( (反应气体反应气体O O2 2）碳化物：碳化物：SiCSiC， WCWC，TiCTiC等等( (反应气体反应气体CHCH4 4）氮化物：氮化物：BNBN，FeNFeN TiNTiN，AlNAlN，SiSi3 3N N4 4等等( (反应气体反应气体N N2 2）硫化物：硫化物：CdSCdS，ZnSZnS，CuSCuS等等( (反应气体反应气体H H2 2S S）化合物：化合物：Ti-Si-N, Fe-B-Si, YBaTi-Si-N, Fe-B-Si, YBa2 2CuCu3 3O O7 7五、偏压溅射装置及特性五、偏压溅射装置及特性 偏压溅射是在一般溅射的基础上，偏压溅射是在一般溅
47、射的基础上，在衬底与靶材间加一定的偏压，以改在衬底与靶材间加一定的偏压，以改变入射离子能量和离子数，达到改善变入射离子能量和离子数，达到改善薄膜的结构和性能。薄膜的结构和性能。如图所示，改变偏压可改变如图所示，改变偏压可改变Ta薄膜的薄膜的电阻率。电阻率。溅射制备的溅射制备的Ta薄膜的电阻率随偏压的变化薄膜的电阻率随偏压的变化溅溅射沉积装置射沉积装置六、离子束溅射六、离子束溅射在离子束溅射沉积中，由离在离子束溅射沉积中，由离子源产生的离子束通过引出子源产生的离子束通过引出电极引入真空室，打到靶材电极引入真空室，打到靶材上溅射，实现薄膜沉积。上溅射，实现薄膜沉积。六、离子束溅射六、离子束溅射六、
48、离子束溅射溅射溅射沉积装置沉积装置 增大入射离子流的密度是改善磁控溅射薄膜性能和提高溅射效率的关键。离子的产生最初采用上文中提及的平衡磁控源。平衡磁控溅射具有可将等离子体约束于靶的附近，对衬底的轰击作用小的特点，这对于希望减少衬底损伤、降低沉积温度的应用场合来说是有利的。但在某些情况下，又希望保持适度的对衬底的轰击效应。这时，可以借助于所谓的非平衡磁控溅射的方法。在设计上，这种磁控溅射靶有意识地减小（或加大）了靶中心的磁体体积，造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近的效果。这时，等离子体的作用范围扩展到了衬底附近，而部分的电子又像在二极溅射时那样被直接加速射向衬底，同时在此过程中造成气体分子电
49、离和部分离子轰击衬底。溅射溅射沉积装置沉积装置溅射溅射沉积装置沉积装置磁控溅射举例磁控溅射举例 实验采用中国科学院沈阳科学仪器研制有限公司研制的J GP450 型多靶磁控溅射镀膜机制备氮化锆薄膜,射频磁控溅射系统的简图如图1 所示.直流反应溅射技术会遇到以下问题：（1）靶中毒。（2）阳极消失。 从靶材溅射出来的物质在阳极表面沉积出相应的化合物，由于膜层的电导率较低，阻塞了电荷传导的通路，造成电荷的不断积累，最后导致阳极作用的丧失。此时，放电体系的阻抗以及辉光等离子体的分布发生相应变化，放电现象变得很不稳定，溅射过程和所制备的薄膜性能发生波动。溅射溅射沉积装置沉积装置 靶材和阳极表面导电性能的恶
50、化使得靶面和阳极处产生电荷的积累，最后造成化合物层的放电击穿，在靶表面引起弧光放电。在靶材的溅射区和非溅射区之间的边界处，最容易发生打火击穿现象。打火会造成靶材表面的局部熔化和物质颗粒的喷溅。这不仅会缩短靶材的寿命，还会大大增加薄膜中缺陷的密度。（3）靶面及电极间打火（弧光放电）溅射溅射沉积装置沉积装置 导致上述问题出现的根本原因，在于靶材与阳极表面的电荷积累（针对靶材表面的电荷积累，估计靶面打火现象出现的时间间隔）。如果我们能够想到一种方法，能够让积累的电荷释放或者说宣泄掉，那么溅射过程将会有显著的改善。 通过对溅射靶施加交变电压的方法，即交流溅射的方法，不断提供释放靶电荷的机会，解决了上述
