Transcript 第3章溅射镀膜 - 薄膜科学与技术实验室

作业2
1. 采用简图，指明真空蒸发镀膜的基本过程。
2. 采用Clapeylon-Clausius方程，推导饱和
蒸气压Pv与温度T的关系。
3. 从蒸发分子平均自由程与残余气体分子碰
撞几率的关系，画出其关系简图。
4. 推导点蒸发源的膜厚分布。
5. 简述外延的概念，指明分子束外延的特点。
第三章 溅射镀膜
溅射是指利用气体放电
产生的正离子（入射离
子）在电场作用下加速
成为高能粒子，撞击固
体（靶）表面，进行能
量和动量交换后，固体
表面的原子或分子（溅
射原子）在轰击下离开
表面。利用固体表面被
溅射出来的物质沉积成
膜的过程，称溅射镀膜。
Sputtering
入射离子
溅射原子
靶
薄膜
衬底
3.1 溅射镀膜的特点
与真空蒸发镀膜的区别是一个以动量转换为主，
一个以能量转换为主。
溅
射
镀
膜
的
特
点
①镀膜过程中无相变现象，使用的薄膜材料非
常广泛；
②沉积粒子能量大，并对衬底有清洗作用，薄
膜附着性好；
③薄膜密度高、杂质少；
④膜厚可控性、重复性好；
⑤可以制备大面积薄膜；
⑥设备复杂，需要高压，沉积速率低。
3.2 溅射的基本原理
溅射镀膜基于高能粒子轰击靶材时的溅射效
应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的
基础上。
不同的溅射技术采用不同的辉光放电方式：
直流溅射是建立在直流辉光放电的基础上；
射频溅射是利用射频辉光放电；
而磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放
电。
轰击（溅射）
3.2.1 辉光放电
3.2.1.1直流辉光放电
非自持放电
阴
极
电子（一次、二次）
正离子
雪
崩
放
电
AB段-“无光”放电
BC段-“汤森”放电
CD段-过渡放电
DE段-正常辉光放电
EF段-异常辉光放电
辉光
FG段-弧光放电
辉光放电是在真空度约为10~1Pa的稀薄气体中，两个电
直流辉光放电伏安特征
极之间加上电压时产生的气体放电现象。
(1)无光放电区的性质
由于在放电容器中充有少量气体，因而始终
有一部分气体分子以游离状态存在着。当两电极上
加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场
下运动，形成电流。此时的电流密度很小，一般情
况下仅有10-16 –10-14安培左右。由于此区是导电而
不发光，所以称为无光放电区。
直流辉光放
电伏安特征
(2)汤森放电区的性质
两极间电压逐渐升高，游离的电子被电
直流辉光放
场加速，电子与中性气体分子碰撞发生电离，
电伏安特征
不断产生了更多的电子，它们继续被电场加
速，使更多的气体分子被电离，使电流平稳
地增加，但是电压却受到电源的高输出阻抗
限制而呈一常数。
（1）（2）两种情况的放电，都以有自
然电离源为前提，如果没有游离的电子和正
离子存在，则放电不会发生。因此，这种放
电方式又称为非自持放电。
(3)正常辉光放电区的性质(1/3)
气体的击穿：
一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达
到自持（如上图C点），两极间电流剧增，电压
突然迅速下降，气体开始起辉，此过程称为气体
的击穿（图中VB 称为击穿电压）。
直流辉光放
电伏安特征
(3)正常辉光放电区的性质(2/3)
击穿后气体的发光放电称为辉光放电。这时
电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰击，
即使自然游离源不存在，导电也将继续下去。维持
辉光放电的电压较低，且不变，此时电流的增大显
然与电压无关，而只与阴极板上产生辉光的表面积
有关。正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体
的种类有关。
直流辉光放
电伏安特征
(3)正常辉光放电区的性质(3/3)
此外，气体的压强与阴极的形状对电流密度
的大小也有影响。（电流密度随气体压强增加而增
大；凹面形阴极的正常辉光放电电流密度要比平板
形阴极大数十倍左右）。
由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所
以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。
直流辉光放
(4)异常辉光放电区的性质
当离子轰击覆盖住整个阴极表面后，继
直流辉光
续增加电源功率，放电的电压和电流密度将同
放电伏安
时增大，进入非正常辉光放电状态。其特点是：
特征
电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极
电压降的大小与电流密度和气体压强有关。因
为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，
离子层已无法向四周扩散，这样，正离子层便
向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短，
此时若要想提高电流密度，则必须增大阴极压
降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极
产生更多的二次电子才行。
气压太低或极间距离太
小（Pd小），二次电
子在到达阳极前，不能
使得足够的气体分子被
碰撞电离，形成一定数
量的离子和二次电子，
辉光放电熄灭
气压太高或极间距离
太大（Pd大），二
次电子在到达阳极前
因多次碰撞而得不到
加速，也不能产生辉
光
极值点
V (kV)
在气体
成分和
电极材
料一定
时，由
巴邢定
律，起
辉电压
V仅与
气体压
强P和
电极距
离d有
关
空气
Ar
Pd (X133Pa  cm)
(5)弧光放电区的性质
异常辉光放电时，在某些因素影响下，
直流辉光
放电伏安
常有转变为弧光放电的危险。当阴极电流密
特征
度达到约0.1A／cm2时，电压开始急剧降低，
便出现所谓的低压弧光放电，这在溅射时应
力求避免。
弧光放电时，极间电压陡降，电流突
然增大，相当于极间短路。且放电集中在阴
极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极
烧毁。同时，骤然增大的电流有损坏电源的
危险。
3.2.1.2 正常与异常辉光放电
溅射原子
入射离子
正常放电区域：在一定的电流密度
范围内，放电电压维持不变。阴极
的有效放电面积随电流增加而增大，
从而使阴极有效区内电流密度保持
恒定不变。
异常放电区域：在整个阴极均成为
有效放电区域之后，只有增加阴极
的压降，才能增大电流，形成均匀
而稳定的“异常辉光放电”，从而
均匀地覆盖阴极，这个区域就是溅
射区域。
阴
极
阿
斯
顿
暗
区
阴
极
辉
光
克
鲁
克
斯
暗
区
负
辉
光
法
拉
第
暗
区
正
离
子
柱
阳
极
辉
光
与溅射现象相关的机制： 在克鲁克斯暗区周围
形成的正离子轰击阴极（靶）-与辉光的状态有
关。
阴极与阳极之间的距离，至少必须比阴极和负
辉光区之间的距离要长。
低压直流辉光放电时的暗区与亮区
3.2.1.3 低频辉光放电
在频率低于50kHz的交流下，
离子有足够的活动性，且有充
分的时间在每个半周内，在各
个电极上建立直流辉光。
基本与直流辉光放电相同，只
是两个电极交替成为阴阳极。
3.2.1.4 射频辉光放电
当交流电压的频率增高到射频频率（Radio
Frequency)时，可以产生射频辉光放电。
特征：
1. 在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，
足以产生碰撞
减少了放电对二次电子的依赖，
并且降低了击穿电压；
2. 射频电压能够通过任何一种类型的阻抗耦合，因此
电极并不需要是导体 可以溅射包括任何介质材
料在内的任何材料。
3. 可以在较低的气压下发生射频辉光放电。
（直流辉光放电1-0.1Pa,射频辉光放电0.1-0.01Pa)
射频（RF）频率：5~30MHz
（工业规定13.5MHz)
外加电压的变化周期小于电离
和消电离所需时间（10-6秒），
等离子体密度来不及变化。相
对离子，电子质量很小，较容
易跟随外电场，从射频场中吸
收能量，并在场内作振荡运动。
由此，增加了电子与气体分子
的碰撞几率，使得电离能力显
著提高，导致击穿电压和维持
放电的工作电压都降低（是普
通直流的1/10）。
离子
正空间电荷区
S
电子
气体分子
正离子的活动性甚小，
可以忽略其对电极的
轰击。如果一个电极
通过电容耦合到射频
振荡器上，将在该电
极上建立一个脉动的
负电压。因此，辉光
放电的I-V特性曲线类 离子电流
似一个有漏电的二极
C
管整流器
通过电容传输电荷时，
电极表面的电位自动
偏置（相对于辉光放
电正离子空间）为负
极性，直到有效电流
为零。
负
极
性
S
电
流
电子
电流
电压
等
离
子
体
如果在溅射装置中，将
溅射靶和衬底完全对称
配置，正离子将以均等
的几率轰击溅射靶和衬
底，溅射成膜是不可能
的。
Vd
0
Vc
等离子体
实际上只要求对溅射靶
接地电极
进行轰击，因此，将溅 电容耦合电极（溅射靶）
（衬底）
射靶通过电容耦合到射
频电源上（负极性）， Vc：溅射靶相对于等离子体的电位
衬底（与真空壁相连）
为直接耦合电极（接地 Vd: 衬底相对于等离子体的电位
Ac与Ad分别对
电极），并且溅射靶的
4 应其电极的面积
面积远小于直接耦合电
极的面积。
Vc
Ad
( )
Vd
Ac
因为Ad>>Ac，所以，Vc>>Vd。
因此，射频辉光放电时的等离子体中
的离子对接地的衬底轰击微小，对溅
射靶的轰击强烈，可以产生溅射镀膜
的现象。
溅
射
靶
衬
底
3.2.2 溅射特性
溅射阈值：使得溅射靶材上的原子
发生溅射时，入射离子所必须具有
的最小能量
溅射率（溅射产额或溅射系数）：
正离子轰击阴极溅射靶时，一个正
离子能从阴极上打出的原子数
溅射原子的能量和速度
溅射原子的角度分布
3.2.2.1 溅射阈值
与测量的极限有关，目前可以测出低于10-5原子/离子
的溅射率。（越小，相应的溅射阈值越低）
阈
值
溅
射
率
不
同
溅
射
靶
离子能量（eV)
图3-7
溅
射
率
10-5原子/离子
阈
值
不
同
入
射
离
离子能量（eV)子
图3-8
● 溅射阈值与入射离子质量无明显关系；
溅射阈值对同一周期的元素，随靶的原子序数增
加而减小。
●
金属元素
离子溅射阈值/eV
元素升华热/eV
Ne
Ar
Kr
Xe
Ti
22
20
17
18
4.40
Cr
22
22
18
20
5.28
Fe
22
20
25
23
4.12
Cu
17
17
16
15
3.53
Zr
23
22
18
25
6.14
Ag
12
15
15
17
3.35
Au
20
20
20
18
3.90
靶材料
溅
射
靶
3.2.2.2 溅射率
入射离子能量
入射离子种类
入射离子的入射角
衬
底
溅射靶的温度
溅射率与靶材料
 呈现周期性的变化，一般规律是随靶材元素序数
的增加而增大；（Cu, Ag, Au的溅射率较大，C, Si,
Ti, V, Zr, Nb, Ta, W的溅射率较小）
Ag的溅射率最大，C的溅射率最小（400eV的Xe
离子轰击）


六角晶格结构金属的溅射率小于比面心立方金属

升华热大的金属小于升华热小的金属
溅射率与入射离子能量
当入射离子的能量高于临界值（溅射阈
值）时，才发生溅射。
SE2, E<100eV
溅
射
率
S
E1/2
E2
饱
和
E
入射离子能量
注
入
SE, E>数百eV
SE1/2,
E=10~100keV
溅
射
注
入
活
性
离
子
溅射率与入射离子种类

溅射率依赖入射离子的原子量，原子量
越大，则溅射率越高；
溅射率随入射离子的原子序数呈现周期
性的变化，在周期表每一排中电子壳层添满
的元素（惰性元素）其溅射率最大；

衬
底
惰性元素不与溅射靶材料发生化学反应，
可以避免薄膜的纯度问题。
衬
底

Xe
Kr
Ne
经济、效率、纯度的角度
Ar
惰
性
离
子
通常选择惰性离子Ar
溅射率与入射离子的入射角
入射方向
S()/S(0)

法线方向
在0-60o之间，相
对溅射率S()/S(0)
服从1/cos()的关
系；
在60-80o之间，相
对溅射率最大；
超过80o，相对溅
射率急剧减小。
Sec()
入射离子相互
的屏蔽作用
m

入射离子
轰击，导
致靶材表
面原子的
级联碰撞
溅射率与靶的温度
升华能相关温度
溅
射
率
温度
3.2.2.3 溅射原子的能量和速度
蒸发原子的能量大约为0.1eV（热能转换）
溅射原子的能量大约为5-10eV（动能转换）
1-2个数量级
特点：
1. 重元素靶材被溅射出来的原子具有较高的逸出能量，轻元素靶材则有较
高的逸出速度；
2. 不同靶材具有不同的原子逸出能量，溅射率高的对应较低的平均原子逸
出能量；
3. 在相同轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻入射离
子溅射出的原子逸出能量较低（约10eV），重入射离子溅射出的原子逸
出能量较大（约30-40eV）；
4. 溅射原子的平均逸出能量随入射离子能量增加而增加，当入射离子能量
达到1keV时，平均逸出能量接近恒定值；
5. 在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。
K∆N/∆E(任意单位）
高的入射离子能量
低的入射离子能量
0
能量（eV)
高的入射离子能量
对应长的分布
平
均
逸
出
能
量
平
均
逸
出
速
度
原子序数Z
3.2.2.3 溅射原子的角度分布
单晶靶材料：最主要的逸出方向是原子排列最紧密的方向，如面心
立方晶体，依次为[110]、[100]、[111]晶向
多晶靶材料：
余弦分布
高能量的入射离子-溅射原子
的角度分布符合Kundsen的
余弦定律（产生局部高温，导
致靶材料的热蒸发）
低能量的入射离子-逸出的明
显偏离余弦分布规律，垂直方
向逸出的原子数过低；
入射离子
的方向
改变入射方向，在入射的正反
射方向逸出原子数明显增大。
3.2.3 溅射过程
靶材的溅射过程：当入射离子与
靶材的碰撞中，将动量传递给靶
材原子，使其获得的能量超过其
结合能时，使靶原子发生溅射。
衬底
溅射原子的迁移过程：靶材受到
轰击所逸出的粒子中，正离子由
于受到反向电场的作用不能到达
衬底表面，溅射原子（电中性）
均会向衬底迁移。
溅射原子的成膜过程
靶
3.2.3 溅射机理
入射离子
1. 热蒸发理论：溅射是由于入射离子对靶表面的轰击，
将能量传递给碰撞处的原子，产生局部高温，导致该
区域的靶材料熔化，发生热蒸发的结果（溅射原子的
角度分布服从余弦定律）。-与大部分实验结果不符
2. 动量转移理论：低能离子的碰撞不能直接从靶表面溅
射出原子，而是将其动量转移给被碰撞的原子，引起
晶格点阵上原子的级联碰撞，且在原子密排方向最剧
烈，结果靶表面的原子从相邻原子得到愈来愈大的能
量，如果大于原子的结合能，原子从靶表面被溅射出
来。
蒸发原子
高温区
3.3 溅射镀膜的类型
二极溅射
电极结构：
多级溅射
磁控溅射
直流溅射
离子源产生方式：
交流溅射（RF溅射）
离子束溅射
成膜机制：
普通溅射
反应溅射
直流二极溅射（阴极溅射）：
通过气体放电产生的离子轰
击阴极靶，一次电子飞向阳
极形成回路，离子轰击阴极
产生的二次电子，可以维持
放电现象。
二极直流（a）射频（b）溅射系
统示意图
RF二级溅射：当溅射靶处于
上半周时，因为电子质量小
于离子质量，其迁移率很高
且在很短的时间内飞向溅射
靶，中和其表面积累的正电
荷，又迅速地积累大量的电
子，使溅射靶表面因空间电
荷呈现负电位，导致上半周
时离子的轰击；下半周时，
与直流溅射机制相同。
直流溅射：只能溅射导体靶材
RF溅射：可以溅射包括导体、半
导体和绝缘体在内的任何靶材
利用磁场改变放电
气体中电子的运动
方向，束缚和延长
电子的运动轨迹，
提高电子对工作气
体的电离几率，因
此，可以有效利用
电子的能量，使得
离子对靶材的轰击
所引起的溅射效率
更高。
磁控溅射原理示意图
受正交磁场束缚电
子，在其能量耗尽
时才可能沉积到衬
底表面，因此，对
衬底的温升作用极
微。
阴极溅射放电过程：0.3-0.5%气体电离
磁控溅射放电过程：5-6%气体电离
因此，磁控溅射具有“低温”、“高速”
的两大特点
作业3
1. 简述表征溅射特性的主要参量，并采用简图说
明溅射率与入射离子能量的关系，解释为何存
在溅射率下降的现象。
2. 阐述热蒸发理论和动量转移理论的基本内容，
并比较与实验现象的一致性。
3. 阐述射频溅射可以制备所有材料的基本原理。
4. 简述磁控的基本原理。
5. 陈述为何溅射靶与衬底需要采用不对称分布。