薄膜物理3-1磁控溅射原理

气体放电时两电极间的电压和电流关系不满足欧姆定律，其伏安 特性曲线如图
放电曲线分为： n 汤生放电段（气体分子开始出现电离） n 辉光放电段（产生大面积辉光等离子体） n 弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）
1、无光放电
由于在放电容器中充有少量气体，因而始终有一部分气体分子以游离状态 存在着。当两电极上加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动， 形成电流。曲线的开始阶段。
282020420292020420溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶阴极上打出溅射出的原子个数又称溅射产额或溅射系数常用溅射率与人射离子的种类能量角度以及靶材的类型晶格结构表面状态升华热大小等因素有关如果靶材是单晶靶材溅射率还与晶体的取向有关
第三章
溅射镀膜
3—1 气体的放电现象与等离子体
薄膜技术中，所利用的几乎都是部分电离及弱电离等离子体， 在这种等离子体中，只要电离度达到1% ,其导电率 就与完全电离等 离子体相同。我们的讨论主要针对这类等离子体。
对于 1Pa 左右气压下的辉光放电而言，理想气体定律给出电子、 离子与中性粒子的总密度应该是 3x1014 个/ cm3 ，但这中间只有大约 1/10000比例的电子和离子。
在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积；最初，轰击是不均匀的， 轰击集中在靠近阴极边缘处，或在表面其他不规则处。随着电源功率的增 大．轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。正常辉光放电时 的电流密度仍比较小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。
4、异常辉光放电
E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率， 会使放电区内的电压和电流密度同时增大，即两极间的电流随着电压的 增大而增大，EF这一区域称“异常辉光放电区”。
等离子体中的气体分子（原子）、离子、电子处于不停的相互碰撞 及运动之中。
2) 等离子鞘层
• 电子与离子具有不同速度的一个直接后果是形成 等离子鞘层。
• 这是因为任何处于等离子体中的物体，如靶材和 衬底，均会受到等离子体中各种粒子的轰击。由 于离子的质量远大于电子，因而轰击物体表面的 电子数目将远大于离子数目，物体表面将剩余出 多余的负电荷而呈现负电位。
表征溅射特性的基本参数主要有溅射阈值、溅射率、溅射原子的能 量和速度等。
1. 溅射阈值
溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的人射离子所必须具有的最小能 量。
不同靶材的溅射阈值有明显不同。 溅射阈值随入射离子的变化很小。 对处于周期表同一周期中的元素，溅射阈值随着原子序数的增加而 减小。 表2-11列出了某些金属元素的溅射阈值。
在辉光放电时，电极之间有明显的放电辉光产生，其典型的区 域划分如图所示。从阴极至阳极的整个放电区域可以被划分为阴极 辉光区、阴极暗区、负辉光区、法拉第（ Faraday ）暗区、阳极 柱区、阳极暗区和阳极辉光区等八个发光强度不同的区域。
其中，暗区相当于离子和电子从电场获取能量的加速区，而辉 光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的，所以，当正离子和电 子一产生，便被电极拉过去。即使再升高电压，到达电极的电子与离子数目不 变。此时的电流密度很小，一股情况下仅有10-16-10-11安培左右。此区是导电而 不发光，所以称为无光放电区。
2、汤森放电
随着电压逐渐升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升 而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。 此时，电流达到了一个饱和值，曲线中第一个垂直段(AB段)。 当电压继续升 高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来，在碰撞 趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。
广义上可定义为: 带正电的粒子与带负电的粒子 具有几乎相同的数密度，整体呈电中性状态的粒子集 聚体。按电离程度，等离子体可分为部分电离及弱电 离等离子体和完全电离等离子体两大类。
部分及弱电离等离子体中，大部分为中性粒子，只有部分或极 少量中性粒子被电离；
完全电离等离子体中，几乎所有中性粒子,都被电离，而呈现离 子态、电子态，带电粒子密度为1010 ~1015个/cm3。
在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度 较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。——气体会突然发生放电击穿现象（雪崩点火）；气体 开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了—定的导电能力的气体称为等离 子体。 “雪崩点火”后，离子轰击阴极．释放出二次电子，二次电子与中性气体 分子碰撞．产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生出新的更多的二次电 子。
• 电位的建立将排斥电子并吸附离子，使得到达物 体表面的电子数目减少，离子数目增加，直到到 达物体表面的电子与离子数目相等时，物体表面 的电位才达到平衡。
• 这导致浸没在等离子体中的物质，包括阴极和阳 极，外表面无一例外地相对于等离子体本身处于 负电位，即在其表面形成了一个排斥电子的等离 子体鞘层，其厚度依赖于电子的密度和温度，其 典型的数值大约 100 um。
溅射率依赖于人射离子的原子量，原子量越大，则溅射率越高。同时，也与 入射离子的原子序数有关，呈现出随着离子的原子序数周期性变化的关系。
图2-27说明，在周期表每一排中，凡电子壳层填满的元素就有最大的溅射率。因此，惰 性气体的溅射率最高。而位于元素周期表的每一列中间部位元素的溅射率最小，如 Al、Ti 、 Zr等。所以，在一般情况下，入射离子大多采用惰性气体，考虑到经济性，通常选用Ar为工 作气体，同时，惰性气体可以避免与靶材发生化学反应。
异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的 放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体， 有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。
因为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散， 这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短．此时若要想提高 电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极．使阴极产生 更多的二次电子才行。
3) 直流辉光放电装置的电位分布
气体放电进入辉光放电阶段即进入稳定的自持放电过程，但仔细观察时， 在从阴极附近到阳极之间，发光的颜色及亮度的分布是不均匀的，极间电位、 场强、电荷分布也不均匀。其电位分布如下图. 这种极间电位、场强、电荷分 布的不均匀,导致从阴极附近到阳极之间，辉光外貌、颜色及亮度的分布的不均 匀。
5、弧光放电
在F点以后，整个特性都改变了，两极间电压将会再次突然大幅 度下降，降至很小的数值，而电流强度则会伴随有剧烈的增加，其大 小几乎是由外电阻的大小来决定，而且电流越大，极间电压越小，FG 区域称为“弧光放电区”。此时，相当于极间短路。且放电集中在阴 极的局部地区，致使电流密度过大而可能将阴极烧毁。同时，骤然增 大的电流有损坏电源的危险。
2）入射离子能量与溅射率的关系
入射离子能量大小对溅射率有 显著影响。当入射离子能量高于某 一个临界值（即溅射阈值）时，才 发生溅射。
图 2-25 为溅射率与人射离子能 量之间的典型关系曲线。结果表明， 当人射离子能量较小时，溅射率随 入射离子能量的增加而呈指数上升， 其后，随人射离子能量的增加出现 一个线性增大区，之后逐渐达到一 个平坦的最大值并呈饱和状态。如 果再增加 E 则因离子注人效应反而 使 S 值开始下降。
在辉光放电等离子体中，电子的速度与能量高于离子的速度 与能量。因此，电子不仅是等离子体导电过程中的主要载流子， 而且在粒子的相互碰撞、电离过程中也起着极为重要的作用。在 鞘层中，电子密度较低，因而碰撞、电离概率较小而构成暗区。 在整个放电通道中，也是电子充当着主要的导电和碰撞电离的作 用。
二 表征溅射特性的基本参数
一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉， 两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。曲线CD区域叫做 过渡区。
在D点以后，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整 个电极表面扩展。在这一阶段，电流与电压无关，而只与阴极板上产生 辉光的表面积有关。且气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程 伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。 维持辉 光放电的电压较低，且不变。从D到E之间区域叫做“正常辉光放电区”。
此时，等离子体的分布区域发生急剧的收缩，阴极表面开始出现很 多小的(直径约10µm)、孤立的电弧放电斑点。在阴极斑点内，电流的密 度可以达到108A／cm2的数量级。
在弧光放电过程中、阴极斑点会产生大量的焦耳热，并引起阴极表 面局部温度大幅度地升高。
这不仅会导致阴极热电子发射能力的大幅度提高，而且还会导致阴 极物质自身的热蒸发。与此相比，在阳极表面上，电流的分布并不象在 阴极表面上那样集中。但即使如此，冷却不 足也会造成放电斑点处温度 过高和电极材料的蒸发。
一、 气体放电现象描述
气体放电是溅射过程的基础，所以首先讨论一下气体的 放电过程。
气体的直流放电 是在真空度为10~
1pa的稀薄气体中，两 个电极之间加上电压 时产生的一种气体放 电现象。
在阴阳两极间，由电动 势为E的直流电源提供靶电 压V 和靶电流 I，并以电阻 R 作为限流电阻。
将真空容器抽真空，到 达10~1pa时的某一压力时， 接通相距为d的两个电极间 的电源，使电压逐渐上升。
当电压较低时，电路中仅 流过与初始电子数相当的暗电 流。随着电压增加，当加速电 子能量大到一定值之后，与中 性气体原子（分子）碰撞使之 电离，于是电子数按等比级数 迅速增加，形成电子的繁衍过 程，也称为雪崩式放电过程， 但此时的放电属于非自持放电 过程，其特点是，若将原始电 离源除去，放电立即停止。若 将电离源去掉放电仍能维持， 则称为自持放电过程。
在等离子体中，除了离子、电子之外，还有处于激发态的原子、分 子，以及由分子解离而形成的活性基。被激发的原子和分子等在返回基 态的过程中，会产生原子所固有的发光。在等离子体中或反应器壁面上， 还不断发生着离子与电子间的复合。等离子体处于上述电离与复合的平 衡状态。
与常态的物质相比，等离子体处于高温、高能量、高活性状态。
2. 溅射率
溅射率表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从靶阴极
上打出（溅射出）的原子个数，又称溅射产额或溅射系数，常用 S 表 示。
溅射率与人射离子的种类、能量、角度，以及靶材的类型，晶格 结构、表面状态、升华热大小等因素有关，如果靶材是单晶靶材，溅射 率还与晶体的取向有关。
1) 入射离子种类与溅射率的关系
为维持放电进行，下述两个过程必不可少：
a) 电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个电子（初始电子）， 该电子在电极间电压的作用下，向阳极运动。当电子能量超过 一定值后，使气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子，重复这一过程 ，即实现电子的所谓繁衍。
b) 二次电子发射过程：离子在阴极电位降的作用下，轰击阴极表 面，产生二次电子。
以上对于放电区的划分只是一种比较典型的情况，实际上具体 的放电情况可根据放电容器的尺寸、气体的种类、气压、电极的布 置、电极材料的不同有所不同。
1） 等离子体
放电击穿之后的气体，已成为具有一定导电能力 的等离子体，它是一种由离子、电子以及中性原子和 原子团组成，而宏观上对外呈电中性的物质的存在形 式。
• 用 Ar 离子轰击铜时，离子能量 与溅射率的关系如图 2-26 所示， 图中能量范围扩大到 100keV ， 这一曲线可分成三部分：第一部 分是几乎没有溅射的低能区域； 第二部分的能量从 70eV 至 10keV ，这是溅射率随离子能量 增大的区域，用于溅射淀积薄膜 的能量值大都在这一范围内；第 三部分是 30keV 以上，这时溅射 率随离子能量的增加而下降。此 时轰击离子深人到靶材内部，将 大部分能量损失在靶材体内，而 不是消耗在靶表面。
此时，一方面离子对阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能 量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离。 这些均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。 这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。——汤森放电
上述两种情况的放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子 和正离子存在，则放电不会发生。因此，这种放电方式又称为非自持放电。
在实际的气体放电中，伏安特性决定于许多因素。如气体的种类和压力、 电极材料和形状尺寸、电极表面状态、放电回路中的电源、电压、功率和限流 电阻的大小等。在溅射镀膜、离子镀等与气体放电有关的装置设计、调试以及 运行过程中，也都要考虑这些因素。
弧光放电在气相沉积中的应用．仍在进一步研究之中。
6、 辉光放电现象及等离子体鞘层