1、真空蒸發(fā)法真空蒸發(fā)法蒸發(fā)源蒸發(fā)源氣體輝光放電氣體輝光放電濺射濺射 Two main deposition methods: CVD- Chemical Vapor Deposition -APCVD, LPCVD, PECVD PVD- Physical Vapor Deposition - evaporation, sputter等離子體u定義定義 利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或者濺射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或者濺射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底表面上，并淀積成薄膜。移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底表面上，并淀積成薄膜。u兩種基本方法兩種基本方法1.1.蒸發(fā)蒸發(fā)

2、 在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出，形成蒸氣流并入射到硅片（襯底）表面，凝結(jié)形成面逸出，形成蒸氣流并入射到硅片（襯底）表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。固態(tài)薄膜。2.2.濺射濺射 利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的靶電極，入射離子在與靶表面原點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的靶電極，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中使靶原子濺射出來。被濺射出來的原子沿一子的碰撞過程中使靶原子濺射出來。被濺射出來的原子沿一定方向射向襯底，實(shí)現(xiàn)在襯底上的薄膜淀積。定方向射向襯底，

3、實(shí)現(xiàn)在襯底上的薄膜淀積。Physical Vapor Deposition is used by many industries, not just IC: Capacitors Automotive industry (trim) Aircraft industry (ion plating) Tool industry (hard coatings) Jewelry industry (“fake Au” TiN) Food industry (packaging)Roll to Roll Sputter coater (Web Coater)Metallized Plastic Film

4、s (Food, Capacitors電鍍裝飾Film Deposition in IC FabricationMetal Contacts/Connections ElectrodesMasksWire insulationDevice encapsulation(包裝）Low stressAdherentUniformity, no pin holesConformal step coverageThermal & electrical stability粘附性真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境。真空環(huán)境。蒸發(fā)系統(tǒng)：蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源的裝放置蒸發(fā)源的裝置以及

5、加熱和測溫裝置。置以及加熱和測溫裝置?；寮凹訜嵯到y(tǒng)：基板及加熱系統(tǒng)：放置襯底放置襯底硅片，對襯底加熱裝置及測硅片，對襯底加熱裝置及測溫裝置。溫裝置。Rate monitorShutter10-6Torru加熱蒸發(fā)過程加熱蒸發(fā)過程 對蒸氣源進(jìn)行加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，對蒸氣源進(jìn)行加熱，使其溫度接近或達(dá)到蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，則則固態(tài)源表面的原子容易逸出，轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵?。固態(tài)源表面的原子容易逸出，轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵?。u氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過程氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過程 原子或分子在真空環(huán)境中，由源飛向硅片，飛行過程中原子或分子在真空環(huán)境中，由源飛向硅片，飛行過程中

6、可能與真空室內(nèi)的殘余氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數(shù)取決于可能與真空室內(nèi)的殘余氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數(shù)取決于真空度以及源到硅片之間的距離。真空度以及源到硅片之間的距離。u被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過程被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過程 飛到襯底表面的原子在表面上凝結(jié)、成核、生長和成膜過飛到襯底表面的原子在表面上凝結(jié)、成核、生長和成膜過程。程。u汽化熱汽化熱 將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服固相（或液相）的原子束縛而蒸發(fā)到真空中，足夠的能量，克服固相（或液相）的原子束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動能的

7、氣相原子或分子，并形成具有一定動能的氣相原子或分子，該能量為汽化熱該能量為汽化熱HH。常用金屬材料的汽化熱每個原子近似為常用金屬材料的汽化熱每個原子近似為4eV4eV的數(shù)量級。的數(shù)量級。 汽化熱的主要部分用來克服凝聚相中的原子間吸引力，動汽化熱的主要部分用來克服凝聚相中的原子間吸引力，動能所占的比例很小。能所占的比例很小。u蒸汽壓蒸汽壓 在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平在一定溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時所表現(xiàn)出來的壓力為衡時所表現(xiàn)出來的壓力為飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓。 實(shí)現(xiàn)物質(zhì)凈蒸發(fā)條件為實(shí)現(xiàn)物質(zhì)凈蒸發(fā)條件為：被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降到平衡時飽：被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降到

8、平衡時飽和蒸汽壓以下。和蒸汽壓以下。u蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率 蒸發(fā)速率直接關(guān)系到薄膜的淀積速率，是工藝上蒸發(fā)速率直接關(guān)系到薄膜的淀積速率，是工藝上一個重要參數(shù)。蒸發(fā)速率與很多因素有關(guān)，如一個重要參數(shù)。蒸發(fā)速率與很多因素有關(guān)，如溫度、溫度、蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式等，蒸發(fā)面積、表面的清潔程度、加熱方式等，由于物質(zhì)由于物質(zhì)的平衡蒸汽壓隨著溫度的上升增加很快，因此的平衡蒸汽壓隨著溫度的上升增加很快，因此對物質(zhì)對物質(zhì)蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫度。蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫度。u高純薄膜淀積需要高真空度的原因高純薄膜淀積需要高真空度的原因被蒸發(fā)的原子或分子在真空中的輸運(yùn)應(yīng)該是直線運(yùn)動

9、，被蒸發(fā)的原子或分子在真空中的輸運(yùn)應(yīng)該是直線運(yùn)動，以保證被蒸發(fā)的原子或分子有效的淀積在襯底上。以保證被蒸發(fā)的原子或分子有效的淀積在襯底上。l 真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會使金屬原子或真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會使金屬原子或分子在輸運(yùn)過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表分子在輸運(yùn)過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發(fā)生氧化。面發(fā)生氧化。系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底上，從而嚴(yán)重的影響了淀積薄膜的質(zhì)量底上，從而嚴(yán)重的影響了淀積薄膜的質(zhì)量。22kTd Pu平均自由程平均自由程 蒸發(fā)的原子或分子在殘余氣體中相互碰

10、撞，同時又會與蒸發(fā)的原子或分子在殘余氣體中相互碰撞，同時又會與真空室壁碰撞，不斷改變運(yùn)動方向并降低運(yùn)動速度；真空室壁碰撞，不斷改變運(yùn)動方向并降低運(yùn)動速度；粒子兩粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離稱為蒸發(fā)原子或分子之間的平均次碰撞之間飛行的平均距離稱為蒸發(fā)原子或分子之間的平均自由程自由程。u氣體平均自由程公式氣體平均自由程公式k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；TT絕對溫度；絕對溫度；d氣體分子的直徑；氣體分子的直徑；PP氣體壓強(qiáng)。氣體壓強(qiáng)。系統(tǒng)的真空度越高，蒸發(fā)的分子系統(tǒng)的真空度越高，蒸發(fā)的分子或原子的平均自由程就越大。或原子的平均自由程就越大。u單源蒸發(fā)法單源蒸發(fā)法 先按薄膜組分比例的要求制成合金靶，

11、對合金靶進(jìn)行蒸先按薄膜組分比例的要求制成合金靶，對合金靶進(jìn)行蒸發(fā)，凝結(jié)成固態(tài)薄膜。發(fā)，凝結(jié)成固態(tài)薄膜。要求要求：合金靶中各組分材料的蒸汽壓應(yīng)該接近，保證薄膜成：合金靶中各組分材料的蒸汽壓應(yīng)該接近，保證薄膜成分與合金靶中各組分的比例接近。分與合金靶中各組分的比例接近。u多源同時蒸發(fā)法多源同時蒸發(fā)法 用多個坩堝，每個坩堝中放入薄膜所需的一種材料，在用多個坩堝，每個坩堝中放入薄膜所需的一種材料，在不同溫度下同時蒸發(fā)。不同溫度下同時蒸發(fā)。u多源順序蒸發(fā)法多源順序蒸發(fā)法 把薄膜所需材料放在不同坩堝中按順序蒸發(fā)，并根據(jù)薄把薄膜所需材料放在不同坩堝中按順序蒸發(fā)，并根據(jù)薄膜組分控制層厚，之后高溫退火形成所需多

12、組分薄膜。膜組分控制層厚，之后高溫退火形成所需多組分薄膜。 不同類型真空蒸發(fā)設(shè)備，主要差別表現(xiàn)在對蒸發(fā)源的加不同類型真空蒸發(fā)設(shè)備，主要差別表現(xiàn)在對蒸發(fā)源的加熱方式上。目前對蒸發(fā)源的加熱方式主要有：熱方式上。目前對蒸發(fā)源的加熱方式主要有：電阻加熱源電阻加熱源電子束加熱源電子束加熱源高頻感應(yīng)加熱源高頻感應(yīng)加熱源激光束加熱源激光束加熱源一、電阻加熱源一、電阻加熱源 利用電流通過熱源產(chǎn)生的焦耳熱加熱蒸發(fā)材料，分為利用電流通過熱源產(chǎn)生的焦耳熱加熱蒸發(fā)材料，分為直直接加熱源接加熱源和和間接加熱源間接加熱源兩類。直接加熱源的加熱體和待蒸發(fā)兩類。直接加熱源的加熱體和待蒸發(fā)材料的載體為同一物體；間接加熱源是把待

13、蒸發(fā)材料放入坩材料的載體為同一物體；間接加熱源是把待蒸發(fā)材料放入坩堝中進(jìn)行間接加熱。堝中進(jìn)行間接加熱。對加熱材料的要求：對加熱材料的要求：u熔點(diǎn)要高，即蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度要高。熔點(diǎn)要高，即蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度要高。u飽和蒸汽壓要低，防止高溫加熱材料蒸發(fā)成為雜質(zhì)在膜中。飽和蒸汽壓要低，防止高溫加熱材料蒸發(fā)成為雜質(zhì)在膜中。u化學(xué)性能要穩(wěn)定，保證加熱材料與蒸發(fā)材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)性能要穩(wěn)定，保證加熱材料與蒸發(fā)材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。二、電子束蒸發(fā)源二、電子束蒸發(fā)源u加熱原理加熱原理 電子在電場作用下，獲得動能電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱

14、汽化。材料加熱汽化。u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l比電阻加熱源更高的能量密度；比電阻加熱源更高的能量密度；l高純度薄膜的淀積；高純度薄膜的淀積；l熱效率高；熱效率高；l適合制作高熔點(diǎn)的薄膜材料。適合制作高熔點(diǎn)的薄膜材料。u缺點(diǎn)缺點(diǎn)價格高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的X射線對人體有一定傷害。三、激光加熱源三、激光加熱源u加熱原理加熱原理u特點(diǎn)特點(diǎn)利用高功率的連續(xù)或脈沖光束作為能源對蒸發(fā)材料加熱。利用高功率的連續(xù)或脈沖光束作為能源對蒸發(fā)材料加熱。l功率密度高，可以蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料；功率密度高，可以蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料；l激光束光斑很小，被蒸發(fā)材料局部氣化，防止了坩堝材料對蒸激光束光斑很小，被蒸發(fā)材料局部氣化，防止了坩堝材料

15、對蒸發(fā)材料的污染，提高薄膜質(zhì)量；發(fā)材料的污染，提高薄膜質(zhì)量；l能量密度高，可淀積不同熔點(diǎn)的化合物薄膜保證成分比例；能量密度高，可淀積不同熔點(diǎn)的化合物薄膜保證成分比例；l真空室內(nèi)裝備簡單，可獲得高真空度；真空室內(nèi)裝備簡單，可獲得高真空度；l價格昂貴。價格昂貴。四、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源四、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源u加熱原理加熱原理u特點(diǎn)特點(diǎn) 通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進(jìn)行加熱，使蒸通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失，使蒸發(fā)材料升溫至汽化蒸發(fā)。損失，使蒸發(fā)材料升溫至汽化蒸發(fā)。l蒸發(fā)速率大

16、，可用較大坩堝增加蒸發(fā)表面；蒸發(fā)速率大，可用較大坩堝增加蒸發(fā)表面；l蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；蒸發(fā)源的溫度均勻、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象；l溫度控制精度高，操作比較簡單；溫度控制精度高，操作比較簡單；l價格昂貴，同時要屏蔽高頻磁場。價格昂貴，同時要屏蔽高頻磁場。lA Primary Limitation of EvaporationlThe step coverage of evaporated films is poor due to the directional nature of the evaporated material (shadowing & narro

17、w arrival angle).l In the planetary substrate holder of the electron-beam system, heating (resulting in surface diffusion) and rotating the substrates (minimizing the shadowing) help to improve step coverage . Totally Shadowed regionsourcePartially Shadowed regionFilm thickness variation.1.1.蒸發(fā)蒸發(fā) 具有

18、較高的淀積速率，相對高的真空度，以及由此具有較高的淀積速率，相對高的真空度，以及由此導(dǎo)致較高的薄膜質(zhì)量；但臺階覆蓋能力差，淀積多元化導(dǎo)致較高的薄膜質(zhì)量；但臺階覆蓋能力差，淀積多元化合金薄膜時組分難以控制。合金薄膜時組分難以控制。2.2.濺射濺射 淀積多元化合金薄膜時組分易控制，高純靶材、高淀積多元化合金薄膜時組分易控制，高純靶材、高純氣體和制備技術(shù)的發(fā)展，也使濺射法淀積薄膜的質(zhì)量純氣體和制備技術(shù)的發(fā)展，也使濺射法淀積薄膜的質(zhì)量得到提高。故濺射法已基本取代真空蒸發(fā)法。得到提高。故濺射法已基本取代真空蒸發(fā)法。濺 射 具有一定能量的入射離子在對固體表面轟擊時，入具有一定能量的入射離子在對固體表面轟擊

19、時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來，稱這種量的轉(zhuǎn)移，并可能將固體表面的原子濺射出來，稱這種現(xiàn)象為現(xiàn)象為濺射濺射。 濺射過程都是建立在濺射過程都是建立在輝光放電輝光放電的基礎(chǔ)上，即射向固的基礎(chǔ)上，即射向固體表面的離子都是來源于氣體放電，只是不同的濺射技體表面的離子都是來源于氣體放電，只是不同的濺射技術(shù)采用的輝光放電方式有所不同。術(shù)采用的輝光放電方式有所不同。 濺射與熱蒸發(fā)在本質(zhì)上是不相同的，熱蒸發(fā)是由能濺射與熱蒸發(fā)在本質(zhì)上是不相同的，熱蒸發(fā)是由能量轉(zhuǎn)化引起的，而量轉(zhuǎn)化引起的，而濺射含有動量

20、的轉(zhuǎn)換濺射含有動量的轉(zhuǎn)換，所以濺射出的，所以濺射出的離子是有方向性的。離子是有方向性的。 在實(shí)際濺射時，往往被加速的正離子轟擊作為陰極在實(shí)際濺射時，往往被加速的正離子轟擊作為陰極的靶，稱為的靶，稱為陰極濺射陰極濺射。在圓柱形玻璃管內(nèi)的兩端裝上兩個平在圓柱形玻璃管內(nèi)的兩端裝上兩個平板電極，里面充以氣壓約為幾板電極，里面充以氣壓約為幾PaPa到幾到幾十十PaPa的氣體，在電極上加上直流電壓。的氣體，在電極上加上直流電壓。u無光放電區(qū)（無光放電區(qū)（abab）：）：有外場情有外場情況下，中性氣體中極少量被宇宙況下，中性氣體中極少量被宇宙射線激發(fā)而電離的帶電粒子作定射線激發(fā)而電離的帶電粒子作定向運(yùn)動，運(yùn)

21、動速度隨電壓的增加向運(yùn)動，運(yùn)動速度隨電壓的增加加快；加快；當(dāng)電極間的電壓足夠大時，當(dāng)電極間的電壓足夠大時，因?yàn)殡婋x量少而且恒定，帶電粒因?yàn)殡婋x量少而且恒定，帶電粒子運(yùn)動速度達(dá)到飽和值，再提高子運(yùn)動速度達(dá)到飽和值，再提高電壓，到達(dá)電極的電子和離子數(shù)電壓，到達(dá)電極的電子和離子數(shù)目不變，對應(yīng)的曲線表征為對應(yīng)目不變，對應(yīng)的曲線表征為對應(yīng)電流從增加，直到一極大值。電流從增加，直到一極大值。此區(qū)域?qū)щ姸话l(fā)光此區(qū)域?qū)щ姸话l(fā)光。u湯生放電區(qū)（湯生放電區(qū)（bcbc）：）：電極間電電極間電壓繼續(xù)升高時，外電路轉(zhuǎn)移給電壓繼續(xù)升高時，外電路轉(zhuǎn)移給電子和離子的能量也逐漸增加，電子和離子的能量也逐漸增加，電子的運(yùn)動速

22、度加快，電子與中性子的運(yùn)動速度加快，電子與中性氣體分子間的碰撞使氣體分子電氣體分子間的碰撞使氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子及二次電離，產(chǎn)生正離子和電子及二次電子。新產(chǎn)生的電子和原有的電子子。新產(chǎn)生的電子和原有的電子繼續(xù)被加速和導(dǎo)致更多氣體分子繼續(xù)被加速和導(dǎo)致更多氣體分子電離，電離，離子和電子數(shù)目雪崩式增離子和電子數(shù)目雪崩式增加加，放電電流迅速增大放電電流迅速增大。在湯生。在湯生放電區(qū)，放電區(qū)，電壓受電源高輸出阻抗電壓受電源高輸出阻抗和限流電阻的限制呈一常數(shù)。和限流電阻的限制呈一常數(shù)。u輝光放電（輝光放電（cece）：）：湯生放電后，湯生放電后，氣體突然氣體突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，電路中的電流大幅

23、度增發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，電路中的電流大幅度增加，放電電壓顯著下降加，放電電壓顯著下降。產(chǎn)生這樣的負(fù)阻現(xiàn)。產(chǎn)生這樣的負(fù)阻現(xiàn)象是因?yàn)闅怏w已被擊穿，氣體內(nèi)阻隨電離度象是因?yàn)闅怏w已被擊穿，氣體內(nèi)阻隨電離度的增加而顯著下降。這一階段也稱的增加而顯著下降。這一階段也稱前期輝光前期輝光放電（放電（cdcd）。）。 如果再增大電流，電流的增加只與陰極如果再增大電流，電流的增加只與陰極上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)，放電進(jìn)入上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)，放電進(jìn)入電壓一電壓一定的正常輝光放電區(qū)定的正常輝光放電區(qū)（dede），陰極的有效放），陰極的有效放電面積隨電流的增加而增大，而陰極有效放電面積隨電流的增加而增大，而陰極有效放電

24、區(qū)的電流密度保持恒定。這一階段，電區(qū)的電流密度保持恒定。這一階段，由于由于導(dǎo)電粒子數(shù)目大大增加，碰撞過程中轉(zhuǎn)移的導(dǎo)電粒子數(shù)目大大增加，碰撞過程中轉(zhuǎn)移的能量足夠高，因此會產(chǎn)生明顯的輝光。能量足夠高，因此會產(chǎn)生明顯的輝光。氣體擊穿后，電子和正離子來源于電子氣體擊穿后，電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使不存在自然電的碰撞和正離子的轟擊，即使不存在自然電離源，導(dǎo)電也將繼續(xù)進(jìn)行下去造成自持放電。離源，導(dǎo)電也將繼續(xù)進(jìn)行下去造成自持放電。u反常輝光放電（反常輝光放電（efef）：）：整個陰極均整個陰極均成為有效放電區(qū)域后，只有增加功率成為有效放電區(qū)域后，只有增加功率才能增加陰極的的電流密度而增

25、大電才能增加陰極的的電流密度而增大電流，此時流，此時放電電壓和電流密度同時增放電電壓和電流密度同時增大進(jìn)入反常輝光放電狀態(tài)大進(jìn)入反常輝光放電狀態(tài)。濺射選在濺射選在反常輝光放電區(qū)。反常輝光放電區(qū)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電流增大時，兩個放電極板間電流增大時，兩個放電極板間間電壓升高，陰極電壓降的大小與電間電壓升高，陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。原因：原因：輝光已布滿整個陰極，再增加輝光已布滿整個陰極，再增加電流時，離子層無法向四周擴(kuò)散，正電流時，離子層無法向四周擴(kuò)散，正離子層向陰極靠攏，使正離子層與陰離子層向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短，正離子轟擊陰極。極間距離縮短

26、，正離子轟擊陰極。u電弧放電（電弧放電（fgfg）：）：隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓將再次突然大幅度下隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓將再次突然大幅度下降，電流急劇增加。降，電流急劇增加。 輝光放電時，明暗相間的光層可以分成輝光放電時，明暗相間的光層可以分成阿斯頓暗區(qū)、阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極輝光區(qū)和陽極暗區(qū)陽極輝光區(qū)和陽極暗區(qū)等八個發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。等八個發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。暗區(qū)：暗區(qū)：離子和電子從電場獲得能量的加速區(qū)。離子和電子從電場獲得能量的加速區(qū)。輝光區(qū)：輝光區(qū)：不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的

27、區(qū)域。不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。 放電擊穿之后的氣體具有一定的導(dǎo)電性，這種氣體為放電擊穿之后的氣體具有一定的導(dǎo)電性，這種氣體為等離等離子體子體。等離子體是一種由正離子、電子、光子以及原子、原子。等離子體是一種由正離子、電子、光子以及原子、原子團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體。u等離子體等離子體 由于各種粒子的速度不同，轟擊物體表面的各種粒子密由于各種粒子的速度不同，轟擊物體表面的各種粒子密度不同。由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，轟擊物體表面的電子度不同。由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，轟擊物體表面的電子數(shù)目遠(yuǎn)大于離子數(shù)目，物體表面因剩余負(fù)電荷呈現(xiàn)負(fù)電

28、位。數(shù)目遠(yuǎn)大于離子數(shù)目，物體表面因剩余負(fù)電荷呈現(xiàn)負(fù)電位。負(fù)電位的建立將排斥電子并吸引離子，直到物體表面電子數(shù)負(fù)電位的建立將排斥電子并吸引離子，直到物體表面電子數(shù)和離子數(shù)相等電位平衡，這導(dǎo)致浸沒在等離子體中的物體表和離子數(shù)相等電位平衡，這導(dǎo)致浸沒在等離子體中的物體表面形成一個排斥電子的面形成一個排斥電子的等離子鞘層等離子鞘層。u等離子鞘層等離子鞘層22122112)(cos4MMMMEE)(2cos2122211MMMVMUu彈性碰撞彈性碰撞不存在粒子內(nèi)能變化，即沒有粒子的激發(fā)，電離，或復(fù)合發(fā)生。不存在粒子內(nèi)能變化，即沒有粒子的激發(fā)，電離，或復(fù)合發(fā)生。能量關(guān)系：能量關(guān)系：u非彈性碰撞非彈性碰撞

29、碰撞過程中部分電子動能轉(zhuǎn)化為粒子內(nèi)能，引起其激發(fā)或碰撞過程中部分電子動能轉(zhuǎn)化為粒子內(nèi)能，引起其激發(fā)或電離。內(nèi)能增加的最大值為：電離。內(nèi)能增加的最大值為：u產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 陰極與陽極兩個電極交替變換極性，當(dāng)交變電壓的頻率在陰極與陽極兩個電極交替變換極性，當(dāng)交變電壓的頻率在射頻范圍時，就會產(chǎn)生射頻范圍時，就會產(chǎn)生射頻輝光放電射頻輝光放電。u特點(diǎn)特點(diǎn)1.1.在射頻電場中，因?yàn)殡妶鲋芷谛缘馗淖兎较颍瑒t帶電粒子不在射頻電場中，因?yàn)殡妶鲋芷谛缘馗淖兎较?，則帶電粒子不容易到達(dá)電極和器壁而離開放電空間，減少了帶電粒子損失。容易到達(dá)電極和器壁而離開放電空間，減少了帶電粒子損失。2.2.只要有較低的電場可以維持

30、放電，因?yàn)閮蓸O之間不斷振蕩運(yùn)只要有較低的電場可以維持放電，因?yàn)閮蓸O之間不斷振蕩運(yùn)動的電子可以從高頻電場中獲得足夠的能量使氣體分子分離。動的電子可以從高頻電場中獲得足夠的能量使氣體分子分離。3.3.陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿的必要條件。陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿的必要條件。4.4.射頻電場可以通過任何一種類型的阻抗耦合進(jìn)入淀積室，所射頻電場可以通過任何一種類型的阻抗耦合進(jìn)入淀積室，所以電極可以是導(dǎo)體，也可以是絕緣體。以電極可以是導(dǎo)體，也可以是絕緣體。u工作機(jī)理工作機(jī)理 在輝光放電過程中離子對陰極的轟擊，可以使陰極的物質(zhì)在輝光放電過程中離子對陰極的轟擊，可以使陰極的物質(zhì)飛濺出來

31、。故濺射法利用帶有電荷的離子在電場中加速有一定飛濺出來。故濺射法利用帶有電荷的離子在電場中加速有一定動能的特點(diǎn)，將離子引向靶電極。在離子能量合適的情況下，動能的特點(diǎn)，將離子引向靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中使靶原子濺射出來，這入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中使靶原子濺射出來，這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并沿一定方向射向襯底些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并沿一定方向射向襯底實(shí)現(xiàn)淀積。實(shí)現(xiàn)淀積。u特點(diǎn)特點(diǎn) 濺射出來的靶原子具有更大的動能，在淀積表面有更高的遷濺射出來的靶原子具有更大的動能，在淀積表面有更高的遷移能力，改善了臺階覆蓋和薄膜與襯底之間的

32、附著力。移能力，改善了臺階覆蓋和薄膜與襯底之間的附著力。u濺射閾值濺射閾值 每種靶材發(fā)生濺射現(xiàn)象的最低能量值稱為濺射閾值。每種靶材發(fā)生濺射現(xiàn)象的最低能量值稱為濺射閾值。濺射閥值與入射離子質(zhì)量間無明顯依賴關(guān)系，主要取決濺射閥值與入射離子質(zhì)量間無明顯依賴關(guān)系，主要取決于靶材料本身特性。于靶材料本身特性。u濺射率濺射率1.1.只有當(dāng)入射離子的能量超過一定能量時，才能發(fā)生濺射；只有當(dāng)入射離子的能量超過一定能量時，才能發(fā)生濺射；2.2.隨著入射離子能量增加，濺射率先增加后平緩最后降低，隨著入射離子能量增加，濺射率先增加后平緩最后降低，當(dāng)離子能量繼續(xù)增加，濺射率下降，發(fā)生離子注入。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加，濺射

33、率下降，發(fā)生離子注入。轟擊時，每個正離子能從靶上打出的原子數(shù)目。轟擊時，每個正離子能從靶上打出的原子數(shù)目。濺射率與入射離子能量關(guān)系：濺射率與入射離子能量關(guān)系： # of ejected target atomsSincoming ion濺射率與入射離子種類關(guān)系：濺射率與入射離子種類關(guān)系：1.1.入射離子的原子量越大，濺射率越高；入射離子的原子量越大，濺射率越高；2.2.隨離子的原子序數(shù)周期性變化，電子殼層填滿的元素隨離子的原子序數(shù)周期性變化，電子殼層填滿的元素的濺射率最大。的濺射率最大。濺射率與被濺射物質(zhì)的種類關(guān)系：濺射率與被濺射物質(zhì)的種類關(guān)系：隨靶元素原子序數(shù)增加而增大。隨靶元素原子序數(shù)增加

34、而增大。濺射率與入射角的關(guān)系：濺射率與入射角的關(guān)系： 隨入射角的增加，濺射率以隨入射角的增加，濺射率以1/cos1/cos規(guī)律增加；當(dāng)入射規(guī)律增加；當(dāng)入射角接近度時，濺射率迅速下降。角接近度時，濺射率迅速下降。The sputtering Yield Y depends on ion, substrate, energy, and incidence angle.l重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，重元重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出速度；素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出速度；l濺射率高的靶材料，原子平均逸出能通常較低；濺射率高的靶

35、材料，原子平均逸出能通常較低；l相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕的入射離子濺射出的離子其逸出能量較低；增加，輕的入射離子濺射出的離子其逸出能量較低；l濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子的能量增加而增濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子的能量增加而增加，當(dāng)入射離子能量達(dá)到加，當(dāng)入射離子能量達(dá)到1keV1keV以上時，平均逸出能量逐以上時，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；漸趨于恒定值；l在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量。u濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速度 具體的濺射方法有：直流濺

36、射、射頻濺射、磁控濺射、具體的濺射方法有：直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射、離子束濺射、偏壓濺射等。反應(yīng)濺射、離子束濺射、偏壓濺射等。u直流濺射直流濺射又稱為陰極濺射或直流二極濺射，靶材料必須是導(dǎo)電材料。又稱為陰極濺射或直流二極濺射，靶材料必須是導(dǎo)電材料。 對于直流濺射，當(dāng)正離子轟擊陰極對于直流濺射，當(dāng)正離子轟擊陰極靶時，正離子將與陰極靶表面的一個電靶時，正離子將與陰極靶表面的一個電子復(fù)合而中性化。子復(fù)合而中性化。若陰極是導(dǎo)體，損失若陰極是導(dǎo)體，損失的電子由電傳導(dǎo)補(bǔ)充，陰極表面保持負(fù)的電子由電傳導(dǎo)補(bǔ)充，陰極表面保持負(fù)電位，電位，否則陰極靶表面電子得不到補(bǔ)充，否則陰極靶表面電子得不到補(bǔ)充，

37、正離子聚集在靶表面，使陰陽兩極表面正離子聚集在靶表面，使陰陽兩極表面勢減小，若小于支持放電值，放電現(xiàn)象勢減小，若小于支持放電值，放電現(xiàn)象馬上消失。馬上消失。l隨著氣壓變化，淀積速率隨著氣壓變化，淀積速率出現(xiàn)一個極值；氣壓低時，出現(xiàn)一個極值；氣壓低時，入射到襯底的原子能量高，入射到襯底的原子能量高，有利于提供淀積膜的致密性。有利于提供淀積膜的致密性。l淀積速率與濺射功率成正淀積速率與濺射功率成正比；比；l淀積速率與靶材和襯底間淀積速率與靶材和襯底間距成反比。距成反比。u淀積速率淀積速率u射頻濺射射頻濺射 適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射淀適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射淀積方法。高頻電場

38、可以由其它阻抗形式耦合進(jìn)入積方法。高頻電場可以由其它阻抗形式耦合進(jìn)入淀積室，不再要求電極一定是導(dǎo)電體。淀積室，不再要求電極一定是導(dǎo)電體。 在射頻電場起作用時在射頻電場起作用時, ,靶材料上產(chǎn)生靶材料上產(chǎn)生自偏壓效自偏壓效應(yīng)應(yīng)，能自動處于一個負(fù)電位，能自動處于一個負(fù)電位, ,將導(dǎo)致氣體離子對其將導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射。 在射頻電場中電子的運(yùn)動速度比離子高很多，電極在在射頻電場中電子的運(yùn)動速度比離子高很多，電極在正半周作為正極接受的電子數(shù)比在負(fù)半周作為負(fù)極接受的正半周作為正極接受的電子數(shù)比在負(fù)半周作為負(fù)極接受的離子多，因?yàn)殡姌O被電容與電源隔離，經(jīng)過幾個周期后，離

39、子多，因?yàn)殡姌O被電容與電源隔離，經(jīng)過幾個周期后，該電極將帶上相當(dāng)數(shù)量的負(fù)電荷而呈現(xiàn)負(fù)電位。此時，電該電極將帶上相當(dāng)數(shù)量的負(fù)電荷而呈現(xiàn)負(fù)電位。此時，電極的負(fù)電荷將排斥電子，在后續(xù)的電源射頻周期變化過程極的負(fù)電荷將排斥電子，在后續(xù)的電源射頻周期變化過程中，電極接受的正負(fù)電荷數(shù)目將趨于相等。中，電極接受的正負(fù)電荷數(shù)目將趨于相等。 上述上述產(chǎn)生負(fù)偏壓的過程與靶材料是否是導(dǎo)體無關(guān)產(chǎn)生負(fù)偏壓的過程與靶材料是否是導(dǎo)體無關(guān)。但。但是，對于靶材料是金屬的情況，電源需經(jīng)過電容耦合至靶是，對于靶材料是金屬的情況，電源需經(jīng)過電容耦合至靶材，以隔絕電荷流通的路徑并形成自偏壓。材，以隔絕電荷流通的路徑并形成自偏壓。u自偏

40、壓效應(yīng)自偏壓效應(yīng) 由于射頻電壓周期性地改變每個電極的電位，因而每個電極都可由于射頻電壓周期性地改變每個電極的電位，因而每個電極都可能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。解決的方法是能因自偏壓效應(yīng)而受到離子轟擊。解決的方法是加大非濺射電極的極加大非濺射電極的極面面積，從而降低該電極的自偏壓鞘層電壓。面面積，從而降低該電極的自偏壓鞘層電壓。實(shí)際的做法是實(shí)際的做法是將樣品臺、將樣品臺、真空室器壁與地電極并聯(lián)在一起，形成一個面積很大的電極。真空室器壁與地電極并聯(lián)在一起，形成一個面積很大的電極。由于鞘由于鞘層電壓與電極面積的四次方成反比，因此面積大的靶電極受到較高的層電壓與電極面積的四次方成反比，因此面積大的靶

41、電極受到較高的自偏壓，而襯底電極的自偏壓很小，受到的離子轟擊和產(chǎn)生的濺射效自偏壓，而襯底電極的自偏壓很小，受到的離子轟擊和產(chǎn)生的濺射效應(yīng)也將很小。應(yīng)也將很小。u磁控濺射磁控濺射l工作原理工作原理 V V與與B B垂直，電子沿電場方垂直，電子沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋向加速，同時繞磁場方向螺旋前進(jìn)。磁場的存在將延長電子前進(jìn)。磁場的存在將延長電子在等離子體中的運(yùn)動軌跡，提在等離子體中的運(yùn)動軌跡，提高與原子碰撞的效率，在同樣高與原子碰撞的效率，在同樣的電流和氣壓下顯著提高濺射的電流和氣壓下顯著提高濺射的效率和淀積的速率。的效率和淀積的速率。l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 淀積速率高，降低薄膜污染，提高入射到襯底

42、表面淀積速率高，降低薄膜污染，提高入射到襯底表面原子能量，薄膜質(zhì)量好。原子能量，薄膜質(zhì)量好。直流和射頻濺射的淀積速率低，所需工作氣壓高，氣體分子易對薄膜造成污染。u反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射l淀積化合物時，普通濺射方法存在的問題淀積化合物時，普通濺射方法存在的問題 利用化合物作為靶材可以實(shí)現(xiàn)多組分的薄膜淀積利用化合物作為靶材可以實(shí)現(xiàn)多組分的薄膜淀積, ,但如果但如果化合物在濺射過程中發(fā)生分解化合物在濺射過程中發(fā)生分解, ,得到的薄膜物質(zhì)與靶材的化學(xué)得到的薄膜物質(zhì)與靶材的化學(xué)組成有很大差別。組成有很大差別。l解決方法解決方法1.1.調(diào)整濺射室里氣體組成和壓力調(diào)整濺射室里氣體組成和壓力, ,限制化合物分解過

43、程；限制化合物分解過程；2.2.采用純金屬為濺射靶材采用純金屬為濺射靶材, ,在工作氣體中混入適量活性氣體，在工作氣體中混入適量活性氣體，使其使其在濺射的在濺射的淀積的同時生成特定的化合物淀積的同時生成特定的化合物，從而完成從濺，從而完成從濺射、反應(yīng)到多組分薄膜淀積的多個步驟。這種濺射技術(shù)稱為射、反應(yīng)到多組分薄膜淀積的多個步驟。這種濺射技術(shù)稱為反應(yīng)濺射。反應(yīng)濺射。u偏壓濺射偏壓濺射 在一般濺射設(shè)置的基礎(chǔ)上，在襯底與靶材之間加偏壓，在一般濺射設(shè)置的基礎(chǔ)上，在襯底與靶材之間加偏壓，以改變?nèi)肷涞揭r底表面的帶電粒子的數(shù)量和能量的方法。偏以改變?nèi)肷涞揭r底表面的帶電粒子的數(shù)量和能量的方法。偏壓濺射改善濺射

44、淀積形成的薄膜組織及性能的最常用的而且壓濺射改善濺射淀積形成的薄膜組織及性能的最常用的而且也是最有效的手段之一。也是最有效的手段之一。l特點(diǎn)特點(diǎn) 在偏壓作用下，帶電粒子對表面的轟擊可以提高淀積原子在偏壓作用下，帶電粒子對表面的轟擊可以提高淀積原子在薄膜表面的擴(kuò)散和參加化學(xué)反應(yīng)的能力，提高薄膜的密度和在薄膜表面的擴(kuò)散和參加化學(xué)反應(yīng)的能力，提高薄膜的密度和成膜能力，抑制柱狀晶生長和細(xì)化薄膜晶粒等；還可改善薄膜成膜能力，抑制柱狀晶生長和細(xì)化薄膜晶粒等；還可改善薄膜中的氣體含量。中的氣體含量。u接觸孔中薄膜的濺射淀積接觸孔中薄膜的濺射淀積l要求要求各處的薄膜應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)暮穸雀魈幍谋∧?yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)暮穸? ,保證互連的效果。保證互連的效果。l問題問題 由于孔的深寬比大于由于孔的深寬比大于1 1，濺射原子離開靶面時遵守余弦，濺射原子離開靶面時遵守余弦分布，故濺射原子在襯底表面和接觸孔上表面的拐角處，分布，故濺射原子在襯底表面和接觸孔上表面的拐角處，沉積速率最高，側(cè)壁適中，底角最低。沉積速率最高，側(cè)壁適中，底角最低。l解決的方法解決的方法 可采用帶準(zhǔn)直器的濺射淀積方法，將大角度濺射的可采用帶準(zhǔn)直器的濺射淀積方法，將大角度濺射的中性原子吸附在準(zhǔn)直器的側(cè)壁或表面