薄膜的物理气相沉积溅射法.ppt

薄膜的物理气相沉积溅射法.ppt

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电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology薄膜技术与应用溅射镀膜溅射镀膜主讲：

朱家俊InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology2电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所33溅射法及其他溅射法及其他PVDPVD方法方法概述概述辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体物质的溅射现象物质的溅射现象溅射沉积装置溅射沉积装置2022/11/5InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology3电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所基本定义基本定义薄膜物理气相沉积的第二大类方法是溅射法。

这种方法利用有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引到被溅射的物质做成的靶电极。

在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的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，从而实现薄膜的沉积。

溅射沉积的发展简史溅射沉积的发展简史1852年，W.Grove在研究辉光放电的时候发现了溅射现象；1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阳极溅射出的产物；20世纪30年代，已有人开始利用溅射现象在实验室中制取薄膜；20世纪60年代初，Bell实验室和WesterElectic公司利用溅射制取集成电路用的Ta膜，从而开始了工业上的应用；1963年，指出全长10m的连续溅射镀膜装置；1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体材料的溅射成为可能；1969年，BattlePacficNorthwest实验室制成了使用的三级高速溅射装置；1974年，J.Chapin使高速、低温溅射镀膜成为现实。

3.1概述Thomson形象的把溅射现象类比于水滴从高处落在平静的水面所引起的水花飞溅现象，并称其为“Spluttering”，后来在印刷的过程中，将字母“l”漏印而成为“Sputtering”，不久这一词便被用作科学术语“溅射”。

2022/11/5InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology42022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点膜层和基体的附着力强；可以方便的制取高熔点物质的薄膜；在大面积连续基板上可以制取均匀的薄膜；容易控制膜的成分，可以支取不同成分和配比的合金膜；可以进行反应溅射，制取多种化合物膜；可以方便的制取多层膜；便于工业化生产，易于实现连续化、自动化操作等。

3.1概述InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所33溅射法及其他溅射法及其他PVDPVD方法方法概述概述辉光放电与等离子体辉光放电与等离子体物质的溅射现象物质的溅射现象溅射沉积装置溅射沉积装置2022/11/5InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology6电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所等离子体等离子体一种电离气体，是离子、电子和高能粒子的集合，整体显中性。

它是一种由带电粒子组成的电离状态，亦称为物质的第四态。

等离子体的获得等离子体的获得利用粒子热运动的方法（燃烧或者热冲击使气体达到很高的温度，分子和原子剧烈碰撞而离解）；利用电磁波能量（光、X-ray）；利用接触电离（功函数不同的两种金属在高热表面接触发生离子化现象）；利用高能粒子（核聚变）；利用将电子和离子混合合成的方法（火箭推进器）；电子碰撞的方法（在电场的作用下，产生低气压气体放电）3.2辉光放电与等离子体2022/11/5InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology72022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体基本的溅射过程基本的溅射过程在图所示的真空系统中，靶材作为阴极，相对于作为阳极并接地的真空室处于的负电位。

沉积薄膜的衬底可以是接地的，也可以是处于浮动电位或是处于一定的正、负电位。

在对系统预抽真空以后，充人适当压力的惰性气体，例如以Ar作为放电气体时，其压力范围一般于10-110Pa之间。

在正负电极间外加电压的作用下，电极气体原子将被大量电离。

电离过程使Ar原子电离为Ar离子可以独立运动的电子，其中的电子会加速飞向阳极，而带正电离子则在电场的作用下加速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放出相应的能量。

离子高速撞击靶材的结果之一是使大量的靶材表面原子获得了相当高的能量，使其可以脱离靶材的束缚而飞向衬底。

在上述溅射的过程中，还伴随有其他粒子，包括二次电子等的发射过程。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology82022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体气体的辉光放电过程气体的辉光放电过程电子与气体的碰撞所称的激发、电离与反应。

电离电离激发激发反应反应右图为简单的直流气体放电系统，电极之间由电动势E的直流电源提供电压V和电流I，并以电阻R作为限流电阻。

高能亚稳中性原子的存在在气相沉积技术中很重要，一方面可以与沉积原子产生非弹性碰撞将一部分能量传递给沉积原子提高沉积原子的能量；另一方面，又可以产生累积电离，使受激离子电离，提高电离几率。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology92022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体直流气体放电伏安特性曲线直流气体放电伏安特性曲线在开始阶段电极间几乎没有电流（极少数的原子受到激发）随着电压的提高，电离粒子的运动随之加快，当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不在随电压升高而增加。

电压继续升高，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来，（汤生放电）汤生放电后期，在一些电场强度较高的电极尖端开始出现一些跳跃的电晕光斑。

随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流剧烈增加，进入电弧放电阶段。

汤生放电后，气体突然发生点击穿现象，电路的电流大幅度增加，同时电压显著下降。

在这一阶段，导电粒子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也足够高，会产生明显的辉光。

随着电流的继续增加，将使辉光扩展到整个放电长度上。

由于放电扩展到整个电极区域，再增加电流就需要额外增加电压。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology102022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体直流辉光放电区域的划分直流辉光放电区域的划分阿斯顿暗区阿斯顿暗区，刚离开冷阴极的电子能量较低，不足以引起气体原子的激发；阴极光层阴极光层，随着电子在电场中的加速足以使气体原子激发时，产生辉光；阴极暗区阴极暗区，电子能量进一步增加，引起气体原子的电离，从而产生大量的离子与低速电子，这一过程并不发可见光。

（阴极位降区）负辉区负辉区，在阴极暗区产生的电子大多数在这里与气体原子碰撞激发或电离，并与离子复合，形成很强的辉光；法法拉拉第第暗暗区区，大部分电子在负辉区失去能量，而且此区的电场也较弱，不足以引起明显的激发；正正光光柱柱区区，在这里，正离子和电子密度相当，成为等离子体区，在此区，场强比阴极小几个数量级，带电粒子主要是无规则的运动。

产生大量的非弹性碰撞；阳极暗区阳极暗区，电子被阳极吸收，离子被阳极排斥，形成负的空间电荷区，电位升高，形成阳极位降区；阳极辉光阳极辉光，电子在阳极区被加速，足以在阳极前产生电离和激发，形成阳极辉光区。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology112022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体等离子鞘层等离子鞘层电子与离子具有不同的速度的一个直接后果是形成所谓的等离子体鞘层，即相对于等离子体来讲，任何位于等离子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电位，并且在其表面外将伴随有电荷的积累。

EInstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology122022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体直流辉光放电的特点直流辉光放电的特点辉光放电时的发光的颜色与气体的种类有关；辉光放电气压一般选择10-1102Pa；阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的一部分，放电主要在这个区域中进行；在等离子体中，任何处于等离子体中的物体相对于等离子体而言均呈现负电位；电子在整个辉光放电过程中起到决定性的作用。

正常辉光放电和异常辉光放电阶段。

异常辉光放电（glowdischarge）是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式，它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。

弧光放电过程应尽力避免。

该过程会导致不均匀蒸发和靶材料的损坏。

放电击穿之后的气体变成为具有一定导电能力的等离子体，相对于弧光放电来讲，辉光放电等离子体中电离粒子的密度以及粒子的平均能量均较低，而放电的电压则较高。

此时，质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于质量极小的电子的能量。

这是因为，质量极小的电子极易在电场中加速而获得能量。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology132022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体辉光放电中的碰撞过程辉光放电中的碰撞过程弹性碰撞碰撞后粒子所获能量与碰撞前粒子能量之比当M1和M2相等时，有，说明同种气体原子的碰撞能量转移十分有效；当M1M2，有，即，说明轻粒子被碰撞后的速度为入射粒子速度的两倍；当M1M2，有，说明轻粒子转移给重粒子的能量很小。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology142022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体辉光放电中的碰撞过程辉光放电中的碰撞过程非弹性碰撞碰撞后粒子所获能量的最大值与碰撞前粒子能量之比当M1和M2相等时，有，说明粒子最多将其能量的一半交出；当M1M2，有，说明轻粒子几乎将所有的能量传递给中性粒子。

InstituteofElectronicPackagingMaterialsandThinFilmsTechnology152022/11/5电子封装材料与薄膜技术研究所电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体结论结论在气体放电过程中，离子每发生一次弹性碰撞，最多可以损失其全部能量；而发生一次非弹性碰撞，最多失去能