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

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；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。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（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 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。0-60 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征溅射特征溅射特征（2）离子能量大于）离子能量大于1keV，在垂直入射时，溅射率为在垂直入射时，溅射率为2（3）普通情况下，溅射率计算可由下式处理）普通情况下，溅射率计算可由下式处理式式中中，为为靶靶材材损损失失量量，原原子子量量，为为离离子子电电流流，为为溅溅射射时间。时间。设设 为为刻刻蚀蚀速速率率，样样品品面面积积，为为材材料料密密度度，为为离离子电流密度，则子电流密度，则第46页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程 溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程 靶材溅射过程靶材溅射过程第47页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程 10-100eV能能量量Ar+离离子子对对一一些些金金属属表表面面进进行行轰轰击击时时，平均每个入射离子所产生各种效应及其发生几率。平均每个入射离子所产生各种效应及其发生几率。第48页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射粒子迁移过程溅射粒子迁移过程溅射粒子：溅射粒子：正离子：不能抵达基片正离子：不能抵达基片 中性原子或分子中性原子或分子 其余粒子其余粒子均能向基片迁移均能向基片迁移中性粒子平均自由程中性粒子平均自由程 能够用下式表示能够用下式表示式式中中，是是溅溅射射粒粒子子平平均均速速度度，是是溅溅射射粒粒子子相相互互作作用用平平均碰撞次数，均碰撞次数，是溅射粒子与工作气体分子平均碰撞次数。是溅射粒子与工作气体分子平均碰撞次数。第49页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程 普普通通情情况况下下，溅溅射射粒粒子子密密度度远远小小于于工工作作气气体体分分子子密密度度，则则 ，故，故式式中中，和和 分分别别是是工工作作气气体体分分子子密密度度和和平平均均速速度度；是溅射粒子与工作气体分子碰撞面积。是溅射粒子与工作气体分子碰撞面积。因为溅射粒子速度远大于气体分子速度，有因为溅射粒子速度远大于气体分子速度，有第50页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程例题：例题：Ar+离子溅射铜靶，已知离子溅射铜靶，已知 （0，133Pa）求溅射离子平均自由程？求溅射离子平均自由程？解：代入公式解：代入公式 溅溅射射镀镀膜膜气气体体压压力力普普通通为为101-10-1Pa，其其平平均均自自由由程程为为1-10cm，所所以以，靶靶和和基基片片距距离离与与溅溅射射粒粒子子平平均均自自由由程程大大致相当。致相当。溅射粒子抵达基片时能量相当与蒸发原子几十至上百倍。溅射粒子抵达基片时能量相当与蒸发原子几十至上百倍。第51页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程 溅射粒子成膜过程溅射粒子成膜过程成膜机理将在薄膜物理部分讲，这里介绍几个相关问题。成膜机理将在薄膜物理部分讲，这里介绍几个相关问题。（1）淀积速率）淀积速率 定定义义：淀淀积积速速率率 是是指指从从靶靶材材上上溅溅射射出出来来物物质质，在在单单位时间内淀积到基片上薄膜厚度。位时间内淀积到基片上薄膜厚度。式式中中，是是与与溅溅射射装装置置相相关关特特征征常常数数，是是离离子子电电流流，是是溅溅射率。射率。第52页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程（2）淀积薄膜纯度）淀积薄膜纯度纯度纯度杂质杂质残余气体残余气体基本关系：基本关系：设设真真空空室室体体积积 ，残残余余气气体体分分压压 ，氩氩气气分分压压 ，残残余气体量余气体量 ，氩气量，氩气量 ，则有，则有 提提升升纯纯度度降降低低残残余余气气体体压压力力提提升升真真空空度、增加氩气量。度、增加氩气量。第53页溅射基本原理溅射基本原理溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程溅射镀膜过程（3）淀积过程中污染）淀积过程中污染 系统内部表面吸附气体、水汽和二氧化碳；系统内部表面吸附气体、水汽和二氧化碳；扩散泵油回流引发污染；扩散泵油回流引发污染；基片表面吸附固体颗粒，产生针孔和淀积污染；基片表面吸附固体颗粒，产生针孔和淀积污染；气体和靶材纯度；气体和靶材纯度；第54页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 溅溅射射率率随随入入射射离离子子能能量量增增大大而而增增大大，在在离离子子能能量量到到达达一一定程度后，因为离子注入效应，溅射率减小；定程度后，因为离子注入效应，溅射率减小；溅射率大小与入射离子质量相关；溅射率大小与入射离子质量相关；当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；溅射原子能量比蒸发原子大许多倍；溅射原子能量比蒸发原子大许多倍；入入射射离离子子能能量量低低时时，溅溅射射原原子子角角度度分分布布不不完完全全符符合合余余弦弦定律，与入射离子方向相关；定律，与入射离子方向相关；电子轰击靶材不会发生溅射现象。电子轰击靶材不会发生溅射现象。第55页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 溅射理论发展溅射理论发展 1853年年Grove就就观观察察到到了了溅溅射射现现象象，发发觉觉在在气气体体放放电电室室器器壁壁上上有有一一层层金金属属沉沉积积物物，沉沉积积物物成成份份与与阴阴极极材材料料成成份份完完全相同。但当初他并不知道产生这种现象物理原因全相同。但当初他并不知道产生这种现象物理原因。19，Goldstein 才才指指出出产产生生这这种种溅溅射射现现象象原原因因是是因因为为阴阴极极受受到到电电离离气气体体中中离离子子轰轰击击而而引引发发，而而且且他他完完成成了了第第一一个个离子束溅射试验。离子束溅射试验。第56页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 到到了了1960年年以以后后，人人们们开开始始重重视视对对溅溅射射现现象象研研究究，其其原原因因是是它它不不但但与与带带电电粒粒子子同同固固体体表表面面相相互互作作用用各各种种物物理理过过程程直直接接相相关关，而而且且它它含含有有主主要要应应用用，如如核核聚聚变变反反应应堆堆器器壁壁保保护、表面分析技术及薄膜制备等都包括到溅射现象。护、表面分析技术及薄膜制备等都包括到溅射现象。1969年年，Sigmund在在总总结结了了大大量量试试验验工工作作基基础础上上，对对Thompson理理论论工工作作进进行行了了推推广广，建建立立了了原原子子线线性性级级联联碰碰撞理论模型，并由此得到了原子溅射产额公式。撞理论模型，并由此得到了原子溅射产额公式。1974年年，H.H.Andersen 和和H.L.Bay 研研究究（试试验验）了了低低能能重重离离子子辐辐照照固固体体表表面面，能能够够产产生生非非线线性性溅溅射射现现象象，通通常称为常称为“热钉扎热钉扎”(thermalized spike)效应。效应。第57页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 热蒸发理论（早期理论）热蒸发理论（早期理论）认认为为：溅溅射射现现象象是是被被电电离离气气体体离离子子在在电电场场中中加加速速并并轰轰击击靶靶面面，而而将将能能量量传传递递给给碰碰撞撞处处原原子子，造造成成很很小小局局部部区区域域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。能够解释溅射率与靶材蒸发烧和入射离子能量关系；能够解释溅射率与靶材蒸发烧和入射离子能量关系；能够解释溅射原子余弦分布规律；能够解释溅射原子余弦分布规律；不不能能解解释释溅溅射射率率与与入入射射离离子子角角度度关关系系，非非余余弦弦分分布布规规律律，以及溅射率与质量关系等。以及溅射率与质量关系等。第58页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 动量转移理论动量转移理论 深深入入研研究究结结果果表表明明，溅溅射射完完全全是是一一个个动动量量转转移移过过程程，并被人们广泛接收。并被人们广泛接收。该该理理论论认认为为，低低能能离离子子碰碰撞撞靶靶时时，不不能能直直接接从从表表面面溅溅射射出出原原子子，而而是是把把动动量量传传递递给给被被碰碰撞撞原原子子，引引发发原原子子级级联联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵碰撞。这种碰撞沿晶体点阵各个方向进行各个方向进行。碰碰撞撞因因在在最最紧紧密密排排列列方方向向上上最最有有效效，结结果果晶晶体体表表面面原原子从近邻原子得到越来越多能量。子从近邻原子得到越来越多能量。当原子能量大于结合能时，就从表面溅射出来。当原子能量大于结合能时，就从表面溅射出来。第59页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 低低能能离离子子同同靶靶原原子子之之间间相相互互作作用用主主要要是是原原子子核核之之间间弹弹性性碰撞，尤其是对金属靶材料。碰撞，尤其是对金属靶材料。金金属属中中电电子子驰驰豫豫时时间间约约为为10-19秒秒，而而对对于于一一个个能能量量为为10keVAr离离子子，在在金金属属中中穿穿行行1 m所所需需时时间间约约为为10-13秒秒，这么电子在这么短时间内取得能量不足以造成靶原子移位。这么电子在这么短时间内取得能量不足以造成靶原子移位。一一样样在在低低能能情情况况下下，靶靶原原子子之之间间相相互互作作用用也也主主要要是是弹弹性性碰碰撞撞。也也就就是是说说，对对于于低低能能离离子子产产生生溅溅射射现现象象，主主要要是是由由原原子子之之间间弹弹性性碰碰撞撞过过程程造造成成。所所以以，这这种种溅溅射射也也被被称称为为撞撞击击溅溅射射（knock-on sputtering）。）。第60页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理撞击溅射分类撞击溅射分类（1）单一单一撞击溅射撞击溅射 在离子同靶原子碰撞在离子同靶原子碰撞过程中，反冲原子得到能过程中，反冲原子得到能量比较低，以至于它不能量比较低，以至于它不能深入地产生新反冲原子而深入地产生新反冲原子而直接被溅射出去。单一撞直接被溅射出去。单一撞击溅射是在入射离子能量击溅射是在入射离子能量为几十电子伏特范围内，为几十电子伏特范围内，且离子能量是在一次或几且离子能量是在一次或几次碰撞中被损失掉次碰撞中被损失掉 单一撞击溅射示意图单一撞击溅射示意图第61页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理（2）线性碰撞级联溅射）线性碰撞级联溅射 初始反冲原子得到能量比较高，它能够深入地与其它初始反冲原子得到能量比较高，它能够深入地与其它静止原子相碰撞，产生一系列新级联运动。但级联运动密静止原子相碰撞，产生一系列新级联运动。但级联运动密度比较低，以至于运动原子同静止原子之间碰撞是主要，度比较低，以至于运动原子同静止原子之间碰撞是主要，而运动原子之间碰撞是次要。对于线性碰撞级联，入射离而运动原子之间碰撞是次要。对于线性碰撞级联，入射离子能量范围普通在子能量范围普通在keV-MeV。线性碰撞级联溅射示意图线性碰撞级联溅射示意图第62页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理第63页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理（3 3）热钉扎溅射热钉扎溅射 反冲原子密度非常高，反冲原子密度非常高，以至于在一定区域内大部以至于在一定区域内大部分原子都在运动。热钉扎分原子都在运动。热钉扎溅射通常是由中等能量重溅射通常是由中等能量重离子轰击固体表面而造成。离子轰击固体表面而造成。热钉扎线性碰撞级联溅射示意图热钉扎线性碰撞级联溅射示意图第64页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 入入射射离离子子能能量量损损失失能能够够分分为为两两部部分分：一一部部分分用用于于靶靶原原子子核核反反冲冲运运动动，另另一一部部分分用用于于激激发发或或电电离离靶靶原原子子核核外外电电子子，分分别别对对应应于于核核阻阻止止本本事事 和和电电子子阻阻止止本本事事。对对于于低低能能离离子子，核核阻阻止止本本事事是是主主要要，而而对对于于高高能能离离子子，电电子子阻阻止止本本事事则则是是主要主要。第65页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理离子注入：离子注入：假假如如入入射射离离子子速速度度方方向向与与固固体体表表面面夹夹角角大大于于某某一一临临界界角角，它它将将能能够够进进入入固固体体表表面面层层，与与固固体体中中原原子子发发生生一一系系列列弹弹性性和和非非弹弹性性碰碰撞撞，并并不不停停地地损损失失其其能能量量。当当入入射射离离子子能能量量损损失失到到某某一一定定值值（约约为为2020eVeV左左右右 )时时，将将停停顿顿在在固固体体中中不不再再运运动动。上上述述过程被称为离子注入过程。过程被称为离子注入过程。IonEatoms第66页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理溅射现象：溅射现象：当级联运动原子运动到固体表面时，假如其能量大于当级联运动原子运动到固体表面时，假如其能量大于表面势垒，它将克服表面束缚而飞出表面层，这就是溅射现表面势垒，它将克服表面束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来粒子除了是原子外，也能够是原子团。象。溅射出来粒子除了是原子外，也能够是原子团。第67页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理入射离子（入射离子（E0）原子原子溅射原子溅射原子二次电子二次电子第68页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 离子与靶相互作用离子与靶相互作用 按参加碰撞粒子种类划分：按参加碰撞粒子种类划分：入射离子（或载能原子）入射离子（或载能原子）静止靶原子碰撞静止靶原子碰撞 反冲原子反冲原子静止靶原子碰撞静止靶原子碰撞 按能量损失方式划分：按能量损失方式划分：弹性碰撞弹性碰撞 非弹性碰撞非弹性碰撞 第69页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理双体弹性模型：双体弹性模型：通常在两种坐标系中研究碰撞二体问题：通常在两种坐标系中研究碰撞二体问题：1 1）试验坐标系（试验测量）试验坐标系（试验测量）2 2）质心坐标系（理论研究）质心坐标系（理论研究）试验坐标系试验坐标系 入射粒子（粒子、反冲原子）：入射粒子（粒子、反冲原子）：靶原子（静止）：靶原子（静止）：第70页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理散射角散射角反冲角反冲角第71页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理能够得到：散射原子能量能够得到：散射原子能量反冲原子能量反冲原子能量其中其中第72页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理当当 （对头碰撞）（对头碰撞）或或 时，有：时，有：第73页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理当当 时，有时，有 电子不能产生溅射。电子不能产生溅射。当当 时，有时，有 第74页溅射基本原理溅射基本原理溅射机理溅射机理溅射机理溅射机理 依据能量转移关系，能够得出溅射产额正比于核阻止截依据能量转移关系，能够得出溅射产额正比于核阻止截面。面。式中，式中，是核阻止截面，是核阻止截面，入射离子能量，入射离子能量，是原子相互是原子相互作用屏蔽半径，作用屏蔽半径，是表面势能。是表面势能。第75页溅射镀膜类型溅射镀膜类型二级直流溅射二级直流溅射二级直流溅射二级直流溅射 二级直流溅射二级直流溅射二级直流溅射二级直流溅射 系统结构系统结构基片基片第76页溅射镀膜类型溅射镀膜类型二级直流溅射二级直流溅射二级直流溅射二级直流溅射 特点：结构简单，能够取得大面积均匀薄膜。特点：结构简单，能够取得大面积均匀薄膜。控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。控制参数：功率、电压、压力、电极间距等。缺点缺点a.溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压溅射参数不易独立控制，放电电流随电压和气压改变，工艺重复性差；改变，工艺重复性差；b.真空系统多采取真空系统多采取扩散泵扩散泵，残留气体对膜层污染较，残留气体对膜层污染较严重，纯度较差；严重，纯度较差；c.基片温度升高，淀积速率低；基片温度升高，淀积速率低；d.靶材必须是良导体。靶材必须是良导体。第77页溅射镀膜类型溅射镀膜类型偏压溅射偏压溅射偏压溅射偏压溅射 偏压溅射偏压溅射偏压溅射偏压溅射 结构：基片施加负偏压。结构：基片施加负偏压。特点：特点：1.提升薄膜纯度；提升薄膜纯度；2.提升附着力。提升附着力。第78页溅射镀膜类型溅射镀膜类型三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射 三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射 二二极极直直流流溅溅射射只只能能在在高高气气压压下下进进行行，因因为为它它是是依依赖赖离离子子轰轰击击阴阴极极所所发发射射次次级电子来维持辉光放电。级电子来维持辉光放电。当当 气气 压压 下下 降降（1.3-2.7Pa）时时，阴阴极极暗暗区区扩扩大大，电电子子自自由由程程增增加加，等等离离子子体体密密度度下下降降，辉辉光光放放电电将将无法维持。无法维持。负电位负电位第79页溅射镀膜类型溅射镀膜类型三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射稳定电稳定电极电位极电位第80页溅射镀膜类型溅射镀膜类型三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射三极或四极溅射 特点：特点：1.靶电流和靶电压可独立调整，克服了二极溅射缺点；靶电流和靶电压可独立调整，克服了二极溅射缺点；2.靶电压低（几百伏），溅射损伤小；靶电压低（几百伏），溅射损伤小；3.溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制，提升了溅射参数可控性和工艺重复性；提升了溅射参数可控性和工艺重复性；缺点：缺点：不能抑制电子轰击对基片影响（温度升高）；灯丝污不能抑制电子轰击对基片影响（温度升高）；灯丝污染问题；不适合反应溅射等。染问题；不适合反应溅射等。第81页溅射镀膜类型溅射镀膜类型射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射 射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射第82页溅射镀膜类型溅射镀膜类型射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射 射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射第83页溅射镀膜类型溅射镀膜类型射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射 特点：特点