半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理

1、12.3 濺射（濺射（sputtering）2.3.1 濺射的基本原理濺射的基本原理 荷能粒子轟擊固體表面（靶材），固體原子或分子獲得入射粒子的部分能量，而從固體表面射出的現(xiàn)象稱為濺射荷能粒子：離子（易于在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn)）伴隨著離子轟擊固體表面的各種現(xiàn)象（右圖）：1）大部分中性粒子（成膜）2）二次電子（輝光放電）3）少部分二次離子4）氣體解吸、加熱等其他現(xiàn)象95%的離子能量作為熱量損耗掉5%的能量傳遞給二次發(fā)射的粒子濺射的中性粒子：二次電子：二次離子=100：10：12直流輝光放電過程的形成vb： 擊穿電壓3濺射區(qū)域：均勻穩(wěn)定的“異常輝光放電”當(dāng)離子轟擊覆蓋整個陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率

2、，可同時提高放電區(qū)的電壓和電流密度，濺射電壓u，電流密度j和氣壓p遵守以下關(guān)系：氣體輝光放電氣體輝光放電pfjeue和f取決于電極材料，是幾何尺寸和氣體成分的常數(shù)4弧光放電區(qū)： u陰極強電場暗區(qū)收縮eubeadpcdc：暗區(qū)厚度a、b為常數(shù)j0.1a/cm2, uj（弧光放電）氣壓p太低，兩極間距太?。?沒有足夠的氣體分子被碰撞產(chǎn)生離子和二次電子，輝光放電熄滅氣壓p太高： 二次電子因多次被碰撞而得不到加速，也不能產(chǎn)生輝光放電5濺射過程的機理解釋：濺射過程的機理解釋： （1）離子轟擊局部瞬時加熱而蒸發(fā) （因與實驗觀察不符而被否定） （2）動量理論(級聯(lián)碰撞理論) 離子撞擊在靶上，把一部分動量傳遞

3、給靶原子，如果原子獲得的動能大于升華熱，那么它就脫離點陣而射出。（研究濺射的基礎(chǔ)）62.3.2 濺射閾和濺射率濺射閾和濺射率 濺射閾： 入射離子使陰極靶產(chǎn)生濺射所需的最小能量 濺射閾與離子質(zhì)量之間并無明顯的依賴關(guān)系主要取決于靶材料周期中隨著原子序數(shù)增加而減小 對大多數(shù)金屬來說： 濺射閾為10-40ev，約為4-5倍升華熱7一些金屬的濺射閾（ev）8eemmmmryaiai4432濺射率（又稱濺射產(chǎn)額）：正離子撞擊陰極時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)影響因素影響因素：入射粒子的類型（離化氣體）、能量、角度、靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱等單晶材料的濺射率還與表面晶向有關(guān)，在最密排

4、方向上的濺射率最高e：入射粒子能量e0：升華熱（ev） mi：入射粒子質(zhì)量ma：靶材原子的質(zhì)量r：ma/mi函數(shù) 4mima/(mi+ma)2稱為傳遞系數(shù)，表示入射離子和靶原子質(zhì)量對動量傳遞的貢獻當(dāng)mi=ma時，傳遞系數(shù)為1，入射能量全部傳遞給靶原子9濺射率與入射離子能量的關(guān)系濺射率與離子入射角的典型關(guān)系濺射率與入射離子的能量成正比，還與入射離子的入射角有關(guān)104ev：下降（注入增加）060o：單調(diào)增加7080o：最大90o：010濺射率與靶材原子序數(shù)的關(guān)系同周期元素：濺射率隨原子序數(shù)增大而增加ag、 au、cu濺射率大；c、si、ti等的濺射率較小11xe+轟擊靶材時濺射率與溫度的關(guān)系溫度低

5、時：幾乎不變化超過一定溫度時：急劇增加（高溫，靶原子本身熱動能大）12濺射合金和化合物時，濺射率一般不能直接從組成金屬的濺射率值來確定，存在較大的差異性。132.3.3 濺射粒子的速度和能量濺射粒子的速度和能量濺射cu原子速度分布圖he+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 e=1/2m2=4.5 evar+：平均速度=36105 cm/s 平均能量 e=3040 ev輕金屬元素10ev左右，重金屬元素u，e=44evdpprtdmrd1214asnnsmr/max1112 rtmprd（1）濺射速率： n：單位時間碰撞在單位靶面積上的粒子數(shù)，s：濺射率，m：靶材原子量，na：阿佛伽德羅常

6、數(shù)。（2）擴散速率： d：擴散系數(shù)，r：氣體普適系數(shù)，t：絕對溫度，p2：靶附近蒸汽壓，p1：基板附近蒸汽壓，d：靶至基板的距離。 （3）淀積速率：1：基板表面凝結(jié)系數(shù)，t1：基板溫度。152.3.5 濺射的種類濺射的種類陰極濺射原理圖三極（四極）濺射原理圖 無柵極時為三極濺射 有柵極時為四極濺射16射頻濺射原理圖可濺射絕緣體。高頻范圍：530mhz（一般rf13.56mhz ）17（3 3）磁控濺射磁控濺射 磁控原理與普通濺射技術(shù)相結(jié)合，利用磁場的特殊分布控制電場中電子的運動軌跡，改進濺射的工藝電子在正交電磁場中的作用力：采用正交電磁場能夠提高離化率離化率：0.30.5% 56%電子在正交電

7、磁場中的運動軌跡磁控濺射主要有三種形式：平面型、圓柱型、s槍)(hveeef襯底：“近冷”態(tài)18磁控濺射電極類型19應(yīng)用濺射技術(shù)制備介質(zhì)膜通常有兩種方法： 高頻濺射 反應(yīng)濺射，特別是磁控反應(yīng)濺射例如：在o2氣氛中產(chǎn)生反應(yīng)而獲得氧化物 在n2或nh3中獲得氮化物 在o2+n2混合氣體中得到氮氧化物 在c2h2或ch4中 得到碳化物和由hf或cf4得到氟化物等反應(yīng)物之間產(chǎn)生反應(yīng)的必要條件：反應(yīng)物分子必須有足夠高的能量以克服分子間的勢壘20勢壘與能量關(guān)系為： ea=naea為反應(yīng)活化能，na為阿佛伽德羅常數(shù)。根據(jù)過渡態(tài)模型理論，兩種反應(yīng)物的分子進行反應(yīng)時，首先經(jīng)過過渡態(tài)以活化絡(luò)合物，然后再生成反應(yīng)物

8、，如上圖所示?？梢姡磻?yīng)物要進行反應(yīng)，必須有足夠高的能量去克服反應(yīng)活化能。ea和ea分別為正、逆向反應(yīng)活化能x：反應(yīng)物初態(tài)能量w：終態(tài)能量t：活化絡(luò)合物能量e：反應(yīng)物與生成物能量之差21蒸發(fā)與濺射粒子的能量分布圖22其中能量大于反應(yīng)活化能ea的粒子數(shù)分數(shù)可近似地表示為：kteaa/exp saseea23exp seaeseeeaam1123exp假設(shè)只有能量大于ea的粒子能參與反應(yīng)，那么，濺射粒子的反應(yīng)度必然遠遠大于蒸發(fā)粒子。由于平均能量，因此濺射分子或原子的能量大于ea的分數(shù)同理，熱蒸發(fā)分子或原子能量大于ea的分數(shù) easeea23exp式中 和 分別為濺射和蒸發(fā)粒子的平均動能由圖可以看出，能量eea的濺射粒子遠遠多于蒸發(fā)粒子，其倍數(shù)：seee232)-(2 2znoo2zn1)-(2 tio空氣otic1000燃燒22c12002 若兩種反應(yīng)物處在同一能量狀態(tài)，則ti、zn和o2的反應(yīng)活化能ea大約分別為0.2ev和0.17ev，但常溫基板表面的氧分子完全處于鈍化態(tài)（可能有百分之幾的離子氧），因此，膜料粒子最小的反應(yīng)能閾值至少增加一倍，即ti、zn與o2反應(yīng)至少要有0.4和0.34ev的能量。 設(shè)濺射原子的平均動能為15ev，由式(2-1)和(2-2)，則大約有98%的濺射ti原子和zn原子能量大于ea，而蒸發(fā)ti原子和zn原子分別只有10%和0.