薄膜物理CH溅射镀膜省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、Ch.3 溅射镀膜技术溅射镀膜技术 溅溅射射镀镀膜膜是是利利用用气气体体放放电电产产生生正正离离子子在在电电场场作作用用下下高高速速轰轰击击阴阴极极靶靶,使使靶靶材材中中原原子子(或或分分子子)逸逸出出而而淀淀积积到被镀衬底(或工件)表面,形成所需要薄膜。到被镀衬底(或工件)表面,形成所需要薄膜。溅溅射射镀镀膜膜广广泛泛用用于于制制备备金金属属、合合金金、半半导导体体、氧氧化化物物、绝绝缘缘介介质质,以以及及化化合合物物半半导导体体、碳碳化化物物、氮氮化化物物等等薄膜。薄膜。自自7070年代以来,日益受到重视,并取得重大进展。年代以来,日益受到重视,并取得重大进展。第1页 溅射镀膜特点溅射镀膜
2、特点 溅射基本原理溅射基本原理 辉光放电、溅射特征、溅射镀膜过程、溅射机理辉光放电、溅射特征、溅射镀膜过程、溅射机理 溅射镀膜类型溅射镀膜类型 二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、二极溅射、偏压溅射、三极或四极溅射、射频溅射、磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射磁控溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射 溅射镀膜厚度均匀性(自学)溅射镀膜厚度均匀性(自学)本章主要内容本章主要内容第2页溅射镀膜特点溅射镀膜特点溅射镀膜与真空镀膜相比,有以下特点:溅射镀膜与真空镀膜相比,有以下特点:q 任任何何物物质质都都能能够够溅溅射射,尤尤其其是是高高熔熔点点金金属属、低低蒸气压元素和化合物;
3、蒸气压元素和化合物;q 溅射薄膜与衬底附着性好;溅射薄膜与衬底附着性好;q 溅射镀膜密度高、针孔少,膜层纯度高;溅射镀膜密度高、针孔少,膜层纯度高;q 膜层厚度可控性和重复性好。膜层厚度可控性和重复性好。溅射镀膜缺点:溅射镀膜缺点:q 溅射设备复杂,需要高压装置;溅射设备复杂,需要高压装置;q 成膜速率较低(成膜速率较低(0.01-0.5 m)。)。第3页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电q 直流辉光放电直流辉光放电 辉辉光光放放电电是是在在真真空空度度约约10-1Pa稀稀薄薄气气体体中中,两两个个电极之间在一定电压下产生一个气体放电现象
4、。电极之间在一定电压下产生一个气体放电现象。气气体体放放电电时时,两两电电极极之之间间电电压压和和电电流流关关系系复复杂杂,不能用欧姆定律描述。不能用欧姆定律描述。第4页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电第5页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 无光放电无光放电 因因为为宇宇宙宙射射线线产产生生游游离离离离子子和和电电子子在在直直流流电电压压作作用用下下运动形成电流,运动形成电流,10-16-10-14A。自自然然游游离离离离子子和和电电子子是是有有限限,所所以以随随电电压压增增加加,电电流流改变很小。改变很小。汤森放电区汤森放电区 随随电电压压升升
5、高高,电电子子运运动动速速度度逐逐步步加加紧紧,因因为为碰碰撞撞使使气气体体分分子子开开始始产产生生电电离离。于于是是在在伏伏-安安特特征征曲曲线线出出现现汤汤森森放放电电区。区。上上述述两两种种情情况况都都以以自自然然电电离离源源为为前前提提,且且导导电电而而不不发发光。所以,称为非自持放电。光。所以,称为非自持放电。第6页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 辉光放电辉光放电 当放电容器两端电压深入增大时,进入辉光放电区。当放电容器两端电压深入增大时,进入辉光放电区。气体击穿气体击穿 自持放电(电流密度范围自持放电(电流密度范围2-3个数量级)个数量级)电流与电压无关(
6、与辉光覆盖面积相关)电流与电压无关(与辉光覆盖面积相关)电流密度恒定电流密度恒定 电流密度与阴极材料、气体压强和种类相关电流密度与阴极材料、气体压强和种类相关 电流密度不高(溅射选择非正常放电区)电流密度不高(溅射选择非正常放电区)称为正常辉光放电称为正常辉光放电第7页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 非正常辉光放电区非正常辉光放电区 当当轰轰击击覆覆盖盖住住整整个个 阴阴极极表表面面之之后后,深深入入增增加加功功率率,放放电电压和电流同时增加,进入非正常辉光放电。电电压和电流同时增加,进入非正常辉光放电。特特点点:电电流流增增大大时时,放放电电电电极极间间电电压压升升
7、高高,且且阴阴极极电电压降与电流密度和气体压强相关。压降与电流密度和气体压强相关。阴阴极极表表面面情情况况:此此时时辉辉光光充充满满整整个个阴阴极极,离离子子层层已已无无法向四面扩散,正离子层向阴极靠拢,距离缩短。法向四面扩散,正离子层向阴极靠拢,距离缩短。此此时时若若想想提提升升电电流流密密度度,必必须须增增加加阴阴极极压压降降,结结果果更更多正离子轰击阴极,更多二次电子从阴极产生。多正离子轰击阴极,更多二次电子从阴极产生。第8页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电巴巴邢邢定定律律第9页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 弧光放电区弧光放电区 异常辉
8、光放电时,常有可能转变为弧光放电危险。异常辉光放电时,常有可能转变为弧光放电危险。极间电压陡降,电流突然增大,相当于极间短路;极间电压陡降,电流突然增大,相当于极间短路;放电集中在阴极局部,常使阴极烧毁;放电集中在阴极局部,常使阴极烧毁;损害电源。损害电源。第10页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 在在正正常常辉辉光光放放电电区区,阴阴极极有有效效放放电电面面积积随随电电流流增增加加而而增大,从而使有效区内电流密度保持恒定。增大,从而使有效区内电流密度保持恒定。当当整整个个阴阴极极均均成成为为有有效效放放电电区区域域后后,只只有有增增加加阴阴极极电电流流密密度度,才才能
9、能增增大大电电流流,形形成成均均匀匀而而稳稳定定“异异常常辉辉光光放放电电”,并均匀覆盖基片,这个放电区就是,并均匀覆盖基片,这个放电区就是溅射区域溅射区域溅射区域溅射区域。q 正常辉光与异常辉光放电正常辉光与异常辉光放电在在溅溅射射区区:溅溅射射电电压压 ,电电流流密密度度 和和气气体体压压强强 恪恪守守以下关系以下关系式中,式中,和和 是取决于电极材料、尺寸和气体种类常数。是取决于电极材料、尺寸和气体种类常数。第11页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 进入异常辉光放电区后,继续增加电压,有进入异常辉光放电区后,继续增加电压,有v 更多正离子轰击阴极产生大量电子发射更
10、多正离子轰击阴极产生大量电子发射v 阴极暗区收缩阴极暗区收缩式中,式中,为暗区宽度,为暗区宽度,、为常数。为常数。第12页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 阿斯顿暗区阿斯顿暗区 冷冷阴阴极极发发射射电电子子约约1eV左左右右,极极少少发发生生电电离离,所所以以在在阴阴极极附附近近形成呵斯顿暗区。形成呵斯顿暗区。阴极辉光区阴极辉光区 加加速速电电子子与与气气体体分分子子碰碰撞撞后后,激激发发态态分分子子衰衰变变以以及及进进入入该该区区离离子子复复合合形形成成中中性性原原子子,形形成成阴阴极极辉光。辉光。克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区 穿穿过过阴阴极极辉辉光光区区电电子子,不不易
11、易与正离子复合,形成又一个暗区。与正离子复合,形成又一个暗区。第13页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 负辉光区负辉光区 伴伴随随电电子子速速度度增增大大,很很快快取取得得了了足足以以引引发发电电离离能能量量,于于是是离离开开阴阴极极暗暗区区后后使使大大量量气气体体电电离离,产生大量正离子。产生大量正离子。正正离离子子移移动动速速度度慢慢,产产生生积积聚聚,电电位位升升高高;与与阴阴极极之之间间电电位位差成为差成为阴极压降阴极压降。电电子子在在高高浓浓度度正正离离子子积积聚聚区区经经过过碰碰撞撞速速度度降降低低,复复合合几几率率增增加,形成明亮负辉光区。加,形成明亮负辉
12、光区。第14页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 法拉第暗区法拉第暗区 少少数数电电子子穿穿过过负负辉辉光光区区,形形成暗区。成暗区。正离子柱正离子柱 法法拉拉第第暗暗区区过过后后,少少数数电电子子逐逐步步加加速速,并并使使气气体体电电离离;因因为为电电子子较较少少,产产生生正正离离子子不不会会形形成成密集空间电荷。密集空间电荷。此此区区域域电电压压降降很很小小,类类似似一一个良导体。个良导体。第15页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电q 辉光放电阴极附近分子状态辉光放电阴极附近分子状态第16页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电
13、 与溅射现象相关问题有两个。与溅射现象相关问题有两个。在克鲁克斯暗区周围形成正离子冲击阴极;在克鲁克斯暗区周围形成正离子冲击阴极;电电压压不不变变而而改改变变电电极极间间距距时时,主主要要发发生生改改变变是是阳阳极光柱长度,而从阴极到负辉光区距离几乎不变。极光柱长度,而从阴极到负辉光区距离几乎不变。溅溅射射镀镀膜膜装装置置中中,阴阴极极和和阳阳极极之之间间距距离离最最少少要要大大于于阴极于负辉光区距离。阴极于负辉光区距离。第17页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电q 低频辉光放电低频辉光放电 在在低低于于50kHz交交流流电电压压条条件件下下,离离子子有有足足够够时时间间
14、在在每每个个半半周周期期内内,在在各各个个电电极极上上建建立立直直流流辉辉光光放放电电,称称为为低低频频直流辉光放电。直流辉光放电。基本原理与特征与直流辉光放电相同。基本原理与特征与直流辉光放电相同。第18页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电q 射频辉光放电射频辉光放电 特点:特点:在在辉辉光光放放电电空空间间产产生生电电子子能能够够取取得得足足够够能能量量,足足以以产生碰撞电离;产生碰撞电离;因为降低了放电对二次电子依赖,降低了击穿电压;因为降低了放电对二次电子依赖,降低了击穿电压;射射频频电电压压能能够够经经过过各各种种阻阻抗抗偶偶合合,所所以以电电极极能能够够是是非
15、金属材料。非金属材料。电电压压改改变变周周期期小小于于电电离离或或消消电电离离所所需需时时间间。离离子子浓浓度度来不及改变,电子在场内作振荡运动。来不及改变,电子在场内作振荡运动。第19页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 耦合特征:电极表面电位自动偏置为负极性耦合特征:电极表面电位自动偏置为负极性第20页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电靶基片第21页溅射基本原理溅射基本原理辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电 辉光放电空间与靶和接地电极之间电压存在以下关系:辉光放电空间与靶和接地电极之间电压存在以下关系:式式中中,和和 分分别别为为容容性性耦耦合合电
16、电极极(靶靶)和和直直接接耦耦合合电电极极(接地电极)面积。(接地电极)面积。因因为为 ,所所以以 。在在射射频频辉辉光光放放电电时时,等等离离子子体体对对接接地地基基片片(衬衬底底)只只有有极极微微小小轰轰击击,而而对对溅溅射射靶进行强烈轰击使之产生溅射。靶进行强烈轰击使之产生溅射。第22页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 溅射参数溅射参数溅射参数溅射参数 溅射阈值溅射阈值 溅溅射射阈阈值值是是指指使使靶靶材材原原子子发发生生溅溅射射入入射射离离子子所所必必须须最最小能量。小能量。当前能测出当前能测出10-5原子原子/离子溅射率(阈值参考)。离子溅射率(阈值参考)。对
17、绝大多数金属靶材,溅射阈值为对绝大多数金属靶材,溅射阈值为1030eV第23页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第24页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 溅射率溅射率 溅溅射射率率是是指指正正离离子子轰轰击击阴阴极极靶靶时时,平平均均每每个个正正离离子子能能从阴极上打出原子数。又称溅射产额或溅射系数从阴极上打出原子数。又称溅射产额或溅射系数 。溅溅射射率率与与入入射射离离子子种种类类、能能量量、角角度度及及靶靶材材类类型型、晶晶格结构、表面状态、升华热大小等原因相关。格结构、表面状态、升华热大小等原因相关。1.靶材料靶材料 溅射率与靶材料种类关系可
18、用周期律来说明。溅射率与靶材料种类关系可用周期律来说明。第25页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征参见表参见表3-2第26页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征2.入射离子能量入射离子能量70eV-10KeV第27页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征3.入射离子种类入射离子种类 原子量原子量 核外电子结构核外电子结构第28页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征4.入射离子入射角入射离子入射角 入入射射离离子子入入射射角角是是指指离离子子入入射射方方向向与与溅溅射射靶靶材材表表面面法法线之间夹角。线之间夹角。0-
19、60 之之间间服服从从 规规律律 60-80 时,溅射率最大时,溅射率最大 90 时,溅射率为零时,溅射率为零第29页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第30页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 和和 对于不一样靶材和入射离子种类有以下规律:对于不一样靶材和入射离子种类有以下规律:对于轻元素靶材,对于轻元素靶材,比值改变显著;比值改变显著;对于重离子入射时,对于重离子入射时,比值改变显著;比值改变显著;伴伴随随入入射射离离子子能能量量增增加加,呈呈最最大大值值角角度度逐逐步步增增大大,最最大大值值在在入入射射离离子子能能量量超超出出2keV时,急剧减
20、小。时,急剧减小。对上述规律解释对上述规律解释 靶材表面原子级联碰撞,造成原子被溅射;靶材表面原子级联碰撞,造成原子被溅射;入入射射离离子子弹弹性性反反射射从从靶靶面面反反射射,对对随随即即入入射射离离子有屏蔽作用。子有屏蔽作用。第31页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征5.靶材温度靶材温度 靶靶材材存存在在与与升升华华相相关关某某一一温温度度。低低于于此此温温度度时时,溅溅射射率率几几乎乎不不变变;高高于于此此温温度度时时,溅溅射射率率急急剧增加。剧增加。第32页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 溅射原子能量和速度溅射原子能量和速度 溅溅射射原原
21、子子能能量量(5-10eV)比比热热蒸蒸发发原原子子能能量量(0.1eV)大大1-2个数量级。个数量级。溅溅射射原原子子能能量量与与靶靶材材、入入射射离离子子种种类类和和能能量量、溅溅射射原原子方向等相关。子方向等相关。几组试验数据曲线。几组试验数据曲线。第33页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第34页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第35页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第36页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第37页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第38页溅射基本原理溅射
22、基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征第39页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 重重元元素素靶靶材材溅溅射射出出来来原原子子有有较较高高能能量量;而而轻轻元元素素靶靶材材则则有较高速度;有较高速度;不不一一样样靶靶材材含含有有不不一一样样原原子子逸逸出出能能量量,而而溅溅射射率率高高靶靶材材,通常含有较低平均逸出能量;通常含有较低平均逸出能量;在在入入射射离离子子能能量量相相同同时时,原原子子逸逸出出能能量量随随入入射射离离子子质质量量线性增加;入射离子质量小,原子逸出能量低;反之亦然。线性增加;入射离子质量小,原子逸出能量低;反之亦然。平平均均逸逸出出能能量量随随入
23、入射射离离子子能能量量增增加加而而增增大大,当当入入射射离离子子能量超出能量超出1keV时,平均逸出能量趋于恒定;时,平均逸出能量趋于恒定;倾斜方向逸出原子含有较高逸出能量(守恒定律)。倾斜方向逸出原子含有较高逸出能量(守恒定律)。溅射原子能量与速度有以下特点:溅射原子能量与速度有以下特点:第40页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 溅射原子角度分布溅射原子角度分布 早期热峰蒸发理论早期热峰蒸发理论 溅溅射射原原子子角角度度分分布布符符合合Knudsen余余弦弦定定律律,而而且且与与入入射射离离子子方方向向无无关关(局部高温蒸发)。(局部高温蒸发)。实实际际逸逸出出原原子
24、子分分布布并并不遵从余弦定律。不遵从余弦定律。第41页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 实际分布实际分布 在在垂垂直直于于靶靶面面方方向向显显著著少少于于余余弦弦分分布布时时应应有有逸逸出出原原子子数。数。第42页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 与晶体结构方向关系与晶体结构方向关系 逸逸出出原原子子与与原原子子排排列列密密度度相相关关。主主要要逸逸出出方方向向为为110,其次为,其次为100、111第43页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 与靶材结构(晶态和非晶态)关系与靶材结构(晶态和非晶态)关系 单单晶晶靶靶可可观观
25、察察到到溅溅射射原原子子显显著著择择优优取取向向;多多晶晶靶靶溅溅射射原原子子近近似似余余弦弦分分布。布。第44页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特征溅射特征溅射特征 溅射率表示式溅射率表示式 经经过过离离子子与与固固体体相相互互作作用用物物理理过过程程,能能够够得得到到以以下下表表示式:示式:(1)离子能量小于)离子能量小于1keV,在垂直入射时,溅射率为在垂直入射时,溅射率为式式中中,为为最最大大传传递递能能量量,靶靶材材元元素素势势垒垒高高度度,是是与与靶材原子质量靶材原子质量 和入射离子质量和入射离子质量 之比之比 相关常数。相关常数。第45页溅射基本原理溅射基本原理溅射特征溅射特
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