溅射镀膜及其与蒸发镀膜的物理过程比较_陈国平

溅身踱膜及其与落发镀膜的物理过程比较

南京工学院

陈国平

摘

要厂

本文从溅射镀膜与蒸发镀膜的物理过程的比较分机包氛沉积粒子的产生过程,次迁移立程士汉成膜过程,

说明溅身榷膜的

特点及导致溅射镀膜工艺近年来迅速发展的原因··

。

溅射现象早在上个世纪中叶就为

。

二

年所发现

,

但是运用于录溅制造与溅射与蒸发这两种工艺进行。,

了长期的竞争本世纪六十年代以来

由于在真空

技衣高纯材料尤其是金夙半导认情性气体射镀膜工艺在沉积膜层的粘附力,。

超高真空—以及单晶材制

料

泊勺应用等方面的进展使得溅备技术和各种放电类型在溅射镀膜止

,

致密性和均匀性,

,

工艺条件的重

覆性加刚垄性膜层材料广泛澎圣的可能性性等方面都显示出比之蒸

以及应用范围的广泛,

膜工艺来得优越揪凳

因而近年来得到迅

速的发风

本文从溅身灌膜与蒸发镀膜的物理过程的比较分析

,

说明溅射

镜膜的特点及导致溅射镀膜工艺近年来迅速发展的原田

。

、沉积粒子的产生过程尤

粒子的能量……

蒸发就是产生气化的过讯从液态汽化或固态升华所产生的粒子

原子

只具有较代的热运动动能

,

在通常的蒸脚昆度下

,

其值

约为。

…

。。

电子优

。

浓射是以动量粉运为墓孔的子产生碰撞,

。

具有较高能量的入射离子与靶原

通过动介的传递

,

使某些靶原子获得一赵心动能后飞,

溅脱离靶似因此裁射出来的粒子具有较高约动能其值随着轰击【。面在靶的一次离子龄能兹增高而增高圈为单晶。。〕〕方向逸出的原子的能量产砂垂直六射轰击下从〔州抓。

在常用灼一次离子能量范国内,

溅射粒于的动能的乎均位达…

优

。

即使考虑到它们在向墓片迁移的过程中与气体原子的碰撞,

而引起的能量损失。

也仍然要比热蒸发所产生的粒子的能量大

二十。。电子伏垂直办编于轰击多晶靶的个数女级图为情况下由靶面法线方向丘践约射出来的原子所具有的平均能量见,

图

单晶

面在

十垂直么

谢轰击下从〔

〕方向逸出的原子的能量分布图

见

电子伏二

十

垂立入射轰击下多晶靶面法线方见

平均能量向上放兔出的原子所具有兹身于

,具有较高动能的溅射粒子到达墓片时不仅能够轰击去除墓片

分子和污染物表面上吸附的气

币丸

,

增加叁片表面的活性,而且也能,

去除那些已经沉积在墓片表面

。

但结合不太牢固的原子。,

因而溅射,

膜比每蒸发膜有高得多的枯附强度

此外本文后面还将提到

由

射镀膜生长的最初阶段翻戈层的深度区域,

,

有些成核中心处在基片下面几个原子。

因而也有助于提高膜对基片的名强度娜汁

图

曲线

…

、一

、

泊勺雌笔寸比较了在玻璃基片上用溅射工艺和用蒸发工艺翻谓盛启枯附力〔〕纵坐标负荷表示了膜的附着力店界负荷愈九即,

眯

。

枯附力愈高图后页次

。

笑制备方法牙艰厚的关系见薄膜的白界负荷膜与录郭

角分市’‘

在

点蒸发源。

”

是兰晶还是多晶瓜仑。

的情况下

,

蒸发产领,

的角分布呈

分布

对于溅射来说,

,

只是在入射靶的离子的能“

量较高靶是多晶材料组成并可以看成点源的情况下溅射。分布〔〕或者是以靶表面的法线为轴逸出的粒子才符合,

”

的对称

时协

〕

。

对于单晶靶的溅射来说表面结合能也不一样,

,

由于不同晶面上原子的排列密度不同,

,

因而不同晶面上的溅射强度也不同一

这就是

所谓的单晶材料程择优溅射效应〔晶二

〕

。

图

为实验所得的单图中虚线是没有。。

。

的蒸发与溅射的角分布〔

〕

。

十

轰击

,

只有热蒸发的角分布

十分接近理想的。

曲线

,

三条实线是在不同的靶温度下的溅射的角分布

实验所得的结果曲。

线显示溅射强度在图汉

的方向上出现最大值

单晶

的蒸发与溅射的角分布见后页

逸出粒子的性质除了少数情况下有一些热而在溅射过程中,

蒸发产生的丸严全是不带电的粒子发射电子之外……,

除了产生中性的靶原子及原子

团之外

,

还会

靶材料的正离子或负离天二次电子以及无子划于,’

。

虽然这种二次离子发射的数目远远小于由一次离子轰击产生的原子

的数目〔分〕但是其中的负离子在电场作用下飞向叁片并以很的能量轰击基片寸刚沉积形成的薄膜因而对模的生长过程有祷,

刻

,

护定的影响仁

。

合金的蒸发与溅射,

蒸发合金时,由于合金中各组份的蒸汽压不同会出现分馏现家蒸汽压高的组份的蒸发速率高,

因而膜的成份将不同于蒸发源的合,

金成份

。

在蒸发源中高蒸汽均力组份扩敬较慢的情况下愈靠近去,

片的膜的

组成中愈富有蒸汽压高的组份‘或多

或者说所得的闻类的成

的成份可以采份将随蒸发时间的长短而变落比为了挫制蒸发合剑莫

用冈蒸蒸镀法或双蒸发源

蒸发源蒸镀法但毕竞工艺比较

,

复杂

。

扎尽管其组元金属的溅射系数有所不同【实际上各溅射合金日

种金属的溅射系数的差别远远小于洲门蒸汽压之间的差别在溅射的最初阶段所形成的合金膜成份会不同于靶的成份于溅身膜中靶温一般不高做,。

,

因而

但是由

经过一段短暂的时间后

,

靶表面易溅

射金属成份将呈现不足,

,

因而沉积膜中溅射系数小的金属成份会逐,

起渐增多态由此也可得出为了保持合金的组成比例尽可能地和

靶的组成比例相同在溅射过程中必须使靶保持在低温状态以抑制易溅金属组份关尽把内部向表面扩散。

,

实践证明

,

合澎度膜采用溅〕。

射工艺可以获得成份与靶材成份一致的薄膜〔工二

迁移过程。一

实用乌真空蒸发镀膜室内真空度一般在

…

一

,

…

托气体分子的平均自由程比通常的蒸发源到墓片的距离大得多因此蒸发出来的粒子在向墓片的迁移过程中,

,

相互之间及它们与或

余气体分子之间很少碰撞

,

它们将基本保持离开源日拆具有的能氢幻、

和直线飞行的轨乞只要当蒸发温度很高器发源表面的能量如有

蒸汽密度较大时蒸汽分子之间才会有较多的碰仇因此在设计和计算熟发潮莫的厚度及其分布时,,

,

都不考虑相互碰撞这一点一、、

。

但是在溅射渡膜中通常充气压强在。

。一一

托

,

程远小于容器的尺寸例如在充气压强粒子的乎均自由下,

托

平均自由程只有几个毫米,

。

除了靶与去片靠得非常近这种特殊

情况之外一般可以把溅散粒子的迁移过程看作是粒子通过充填气体的扩散过程量,。

在这过程中

,

由于相互碰撞不仅减小粒子的起始能,

而且更重癸的是改变了粒子逸出靶面时所具有的方向

因此到。

达基片的粒子可能来自于墓片正前方整个半球面内的所有方向在

适当控制溅射参数

,

特别是采用大面积乎面靶的情况下溅身撇膜。

,

容易获得厚度均匀的沉秘莫例如在普通直流二极溅射中,采用宜径

英寸的靶就能在基片中心直径,

差小于士在面积达三,尤

肠的均匀沉榔莫〔“吃勺

英寸的范围内获得膜厚偏〕在平面书划全浓射中甚至

可。

,

颧

上进行较均匀

瞰

膜亡

〕

。

过程那类成核与膜的生长〔〕,

源飞出的沉积粒子到达基片后由蒸发源或澎于面迁移

经过吸陈表,

相互碰概形成晶核,

,

然后经过晶核生长而生成小岛。

再

经过小岛的长九相互合并,

最后形成连缈汀薄膜

在这样一个成

膜过程中溅乌撇膜与蒸发镀膜的不同表现在,…

因为溅射产生约沉积粒子具有远高于蒸发产兰的沉积粒子

的平均动能

,

因而它们碰撞墓片表百撰结筑不仅能起到上面提到,

的冷化获片价作用

而且能够使原先理想平坦的表百粗粒化

,

也就

。是使得众面形炭缺心才”台阶而在这些缺唱和台阶的地方成核势垒

较低

,

结合能较九因而容易形成晶核引

。

少数溅射产生的沉积粒子具有很高的能量,

,

’

它们能渗透

注入

到基片表百下面几个原子层的深度

因而使内部晶格形成缺

岛,上述这两点在薄膜形成的最初阶段

。

而所有缺陷的位置都会成为凝结的核心

,

一,

成核阶段就起作用

,

因而一开始晶核就在墓片

奋夔个表面上比较均匀而稠密地分布

。

由于溅射产生的粒子具有较高的动能面上后虽然失去了法线方向的分速度,

它们在到达券片表

但仍保留有较灯勺乎行于叁

户片表面方向的如道沁

,

因而有助于晶核的生长和小岛的

都手

。

溅射产些的少数带电粒子到达绝缘材料的墓片上之后,

,

尽

管只是使沉积形成的小岛短暂的充电但是只要相部两个小岛所带的吧荷量相差很大,

或岛的止限几乎等于两小岛间的距离则两个。

,

小岛间的静电作用力总是呈现为吸引力

这种吸引力有时大到足以

使小岛相互靠拢并发生聚结此外能增加,

。

,

小岛带电幻结忍使其总自由,

因而小岛的表面积也将跟着增加

这也是使园球形小岛变

得平坦

,

岛的聚结加速〔

〕

。

上述溅射镀膜与蒸发健膜在栩奖形成过程中的不同各种观条分析手段得到证实。

,

可以通过

例如,

二

用电于显微,

镜证实了在相同的沉积速度加基片温度下,

在薄膜成核的最初阶段

,溅射膜与蒸发膜相比晶核密度大得多而且在较低的质量厚度的‘

一

…

情况下就能连续之

麟

‘〕晶〔

。

帆

‘寸也较小膜厚均匀〔

,

气托·

环境气氛的影响

在溅寿

踱膜过程中

,

假挑芝膜室内充气压力为数约为洲声

一

,

则碰

拉蕊片上的气体原子〔或分子

卜厦米秒

,

其位远运大于通常典空蒸发镀膜时抢击到旅片上的残余气体分子数

。

也远大于通常溅射速率‘例如基片上的溅射粒子数面上形成吸附层,。

一

。。。埃

分

下沉积于

这些拉击到叁片表面扛勺气体分子在基片表。

虽然它们在荷亡射粒子的撞击下绝大部份又从纵

墓片表面士就附但其中一部份就奄埋撅射粒子所覆益侧奄,

,

创笑

厚进一步增长时这种杂质原子往往占据在晶粒的界面二特别是子本身运具有某种化学活性当这些气体原子未么卜很,

,

或者由于溅射放

电而处于激活或电离状态则它们与沉积膜之间还会发生某种化学方面的反应,

因此薄膜的结构和性质将受到影响

。

而在蒸发镀膜中

,

这种影响可以靠提高真空度来缩小到极低的程度

。

但是近年来,

,

由于耀屯材料靶和超纯气体制备的进展,

,

以及

特别是由于反应溅射等各种裁射新工艺的寸扩应用,

人们可以利用

的影响通过严格词节溅射所用的气体的成上迷这种环境气氛蒯类

份

。

压力

。

今访范的方向等以及其他的溅射参数

例如溅射电压

电

流

、

磁场强度

偏置电瓜墓片温度……,

刹空制溅射膜的组成磁性,

结构与物理特性

从而制取满足各种不同应用要求的导电膜。

膜

、

光学迄介质膜以及其他功有城、

。

相比之下

蒸发镀膜在腆的。

结构与性能的调节加控制方面往往就不如溅射镀膜来得方便一个实例,

作为

,

图

给出了创奖电路制造中采用反应溅射沉积氮化但薄电阻孰电阻温度系热负荷老化试验后电阻值〕。

膜时膜的结构

的变化率与氮分压强的关系〔…

图

氮北担膜灼

。

△

膜的结构与氮分压强的

关系

参

考

文

献

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