反应溅射中的溅射产额研究.doc

反应溅射中的溅射产额研究.doc反应溅射中的溅射产额研究第2期微细加工技术Jun.,:100328213(2002)0220033205王敬义1,何笑明1,王宇匕陶甫廷2(1华中科技大学电子科学与技术系,武汉430074;2广西工学院计算机与电气工程系,柳州545005)摘要:分析了溅射产额的影响因素,并建立了产额模型。该模型能反映各种宏观工艺参数,便于工程应用。对钛靶的计算结果表明与实验结果相符。关键词:反应溅射;溅射产额;离子能量中图分类号:TN305792文献标识码:A1引言Chapman[l]z2,每种各;(3),得出等离子区内各种离子的浓度。按阴极电场分布,求出各离子轰击阴极时的能量分布函数及平均能量值,并最终得出离子对靶轰击所形成的总溅射速率。阴极区内,由于在溅射压力及所采取的放电电压下,离子的平均自由程与阴极鞘层厚度属同一量级,因此Davis等人[2]的假设可以应用。文献[2]认为离了在阴极区只发生对称电荷交换碰撞,且每个离了只可发生一次。对称电荷交换的反应式为:A++A_A+A+例如N+与N交换电荷/吏原来的离子变成中性粒子。由于这种反应没有能量交换,因此其碰撞几率很大(碰撞截面大),离子在很了一个溅射产额的公式:2E0it)2(1)其中,E0为靶面材料的结合能;mi和mt分别为入射离子和靶材粒了的质量;E为入射离了的能量a;是随比值mt/mi增加而单调上升的系数。当比值mt/,,此公式是一种经典的唯象形式。虽然直接而简单/旦无法市它得到靶的溅射速率,其原因有三:(1)离子能量是分布的,设阴极电压为Uc,则离子能量处于0至qUc之间(q为离子电荷量);(2)轰击阴极靶的离子有多种,例如制备TiN收稿日期:2001-09-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(19874022)作者简介:王敬义(1934-),男,江西省安福县人,教授'现从事薄膜制备研究;何笑明(1948-),男,浙江省象山县人,副教授,现从事薄膜生长研究;王宇(1964-),^,江西省安福县人,高级工程师'现从事集成电路研究。43微细加工技术2002年短的输运范围内略去其它碰撞是可行的;另一方面由于这种碰撞既不增加离子,也不减少离子,因此从等离子区来的离子统统抵达阴极表面。离子进入阴极区内,在电场的加速下朝阴极投射,一旦发生对称电荷交换,则原有离子变成的中性粒了保持原离子的能量及运动方向(垂直于靶面),飞抵阴极表面;而新生的离子则近似地认为初始能量(速度)为零,在电场作用下加速直到抵达阴极为止,高能中性粒子由此产生,且认为只有这种办法产生。可以看出,高能中性粒子与产生过一次碰撞的离子是成对的,每一对的总能量为qllCo引入位置紧靠薄膜生长面,具有较高的温度场等多种缓解靶中毒的措施。图中隔板厚度可略去不计/旦与衬底间的距离Ld和孔径d可以随工艺要求而改变,坐标系的原点0位于阴极表面与反应室中心轴线的交点,Z轴方向朝下,因此Lc即为阴极层厚度。本文近似地采用一维分析,因此有关参数与r无关。在等离子区各粒子的产生速率为:=Cdt<mj[AT][Aj](2)EjSij(Ej)>exp(-Eij/KT)2阴极表面的离子电流反应溅射淀积的薄膜都是二元和二元以上的薄膜,其中多数属陶瓷薄膜的稳定、,14,反应气体此式表示了入射粒子Aj与靶粒子AT相碰撞产生Ai粒子的速符号〈〉表;C为与化学计量比有关的系数。用⑵式理论上可得出等离子区各种粒子的浓度,虽计算繁复/旦可以得到各种粒子的相对浓度。我们采用探针测出离子总浓度及温度(等离子区内),结合质谱分析及一些关系,可得到各种离子中中性粒子的浓度。利用气体状态方程,即求出反应室内粒子的总浓度为:nt==其中,nt的单位为cm-3;T0=273K;101080Pa;Pt为反应室总压,单位为Pa;N(cm-3)Tav为阿伏加德罗常数。由(3)式,可推出:nt=(4)图1反应室原理结构与坐标系1靶2氮气引入环3外罩4隔板5偏压栅6反应气体导入环7衬底支座其中;Tav为反应室的平均温度(单位为K)o近似地将等离子区视为热平衡区,因此可以应用热力学的方法,其中电离度可用沙哈方程来表示。以下即应用上述方法来决定各种离子的浓度。设各种粒了为Ai,其离子为A比它们第2期的浓度分别为[Ai]和[Ai+],Ai的电离度为[Ai+]/[Ai]:k的离子数)。E1[Ai]=nt++(5)3离子的能量在每一种离子通量(J'i)中,按能量可分为三类:一类是“束离子”,它们是整个离子在阴极区内未经任何碰撞而直奔阴极表面的那部份,这部份占J'i中的份额等于离子行进Lc(见图