溅射薄膜制备技术

第三节、溅射特性
1.
溅射率（产额）
S
出射原子数 入射离子数
1.1 与入射离子能量的关系
Ⅰ存在溅射阈值，
通常金属10-30ev。
Ⅱ S E2（<150ev）
S E（150~1000ev）
S E0.5（1000~5000ev）
Baidu Nhomakorabea
Ⅲ能量大于数万ev，
离子注入，溅射率
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下降
1.2 与靶材原子序数的关系
Ⅰ溅射率呈现周期性； Ⅱ同一周期中，溅射率基本随Z增大。
说明与外电子d壳层 的填满程度有关。 另外，升华热小的金 属S大；表面清洁的 S大。
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1.3 与入射原子序数的关系 Ⅰ溅射率呈现周期性，总趋势随Z增大而增大； Ⅱ同一周期中，惰性元素的溅射率最高，而中部 元素溅射率最小。
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等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（离
子），而不是其结合体，异类带电粒子之间是
相互“自由”和独立的。等离子体粒子之间的相互
作用力是电磁力
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等 离 子 空 间
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第二节、溅射的基本原理
1、溅射时入射粒子的来源：气体放电 所谓气体放电是指电流通过气体的现
象，气体放电将产生等离子体。一般是利 用辉光放电，根据所加电场的不同，又分 为直流辉光放电、射频辉光放电，而其他 如三极溅射、磁控溅射时的辉光放电都是 在此基础上的改进。 2、为什么用氩等惰性气体？
等离子体
占靶产物的85-90％ 镀膜
SIMS分析
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刻蚀，清洗
2、什么是等离子体
当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与 电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系 统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量 的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离 子体状态。
也被称作物质的第四态，可看作部分电离的气体
克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。 电离产生低速电子。
负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与 电子复合发光。该区是正的空间电荷区， 也是主要的压降区。
法拉第暗区：少数电子穿过负辉光区，电子动能小。 正光柱区： 上述少数电子加速，产生电离。 负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似
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结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一 个负电位，并在其表面处伴随有正电荷的积累。 形成等离子体鞘层。
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鞘层电压：
V p
kTe e
ln(
m 2.3me
1
)2
典型值：-10V，并变化不大。
在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，
电子受到减速，需大的能量方能到达基片。
二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离 子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的 电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增， 电压剧减。电阻呈负阻特征。
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●DE段：电流与电压无关，增大功率时，电压不变， 电流增加。放电能自动调节轰击阴极的面积，起初 集中在阴极边缘或表面不规则处，随功率密度的增 加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。
pd太小——二次电子在碰撞阳极前不能进行 足够数量的电离碰撞。
pd太大——气体中产生的离子，由于非弹性 碰撞被慢化、减速，到达阴极时无足够能量来 产生二次电子
大多数辉光放电，pd乘积在最小电压值右 侧——p有一定值，n较多；d有一定值，溅射 效率较高，特别是成膜区可以扩大。
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4）等离子体鞘层
●EF段：增大功率，呈正电阻特性。
溅射一般工作在此区。
Fj V E
P
E、F：常数，与电极材料、 尺寸和气体种类有关。
●F点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小。
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3）巴刑（paschen）定律
在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气 压及电极距离的乘积相关。
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起辉电压存在最小值：
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3、辉光放电过程
定义：是指在低气压（1～10Pa）的稀薄气体中，在 两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。
1） 为什么会产生辉光放电
空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，
与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使
更多的分子电离。之所以需要低气压，使因为在较
高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量
使离子被加速。
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2）辉光放电的I－V特性
被激导电及 非自持暗放电
自持暗放电
直流辉光溅放射薄电膜制的备技术伏安特性曲线
●AB段：电压增加，而电流密度增加很小，说明电 压不够。
●BC段：电压不变，电流密度增加很快。说明电离 已经产生，但电源的阻抗很大。
●C点：击穿电压VB ●CD段：“雪崩区”、离子轰击靶、释放出二次电子，
鞘层厚度b：与电子密度及温度有关，典型值100微米。
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直流辉光放电 的电位分布和 等离子体鞘层
5）辉光放电的空间分布
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阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能量小 （1ev），不足以电离中性分子。
阴极辉光区：①电子获得足够能量，碰撞气体分子使其 激发，退激发而发光。 ②少数电子和正离子复合发光。
第三章、溅射镀膜
本章重点 1. 溅射的定义及原理 2. 溅射的特性及机理 3. 溅射与蒸发的比较
4. 溅射技术性问题
溅射薄膜制备技术
第一节、基本概念
1、溅射镀膜的定义：
高能离子在电场作
用下高速轰击阴极 （靶），经过能量
溅
交换与转移，靶材
粒子飞离出来，
淀积在基板上形成
薄膜。
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射
离子轰击固体表曲所引起的各种效应
一良导溅体射薄。膜制备技术
两电极间电压降主要在阴极与负辉光区之间。因此，当 极间电压不变而长度改变时，阴极到负辉光区的距离不 变，而是正光柱区变化。
产生的正离子冲击阴极产生溅射
阴极
阳极
Vp
0
电位
阳极鞘层 阴极鞘层
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6)辉光放电的主要形式（用于溅射）
直流辉 光放电
射频辉 光放电
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1.4 与入射角的关系
Ar＋
对于1Pa左右的辉光放电： 原子、电子、离子总密度：3× 1014个/cm3； 其中10-4的比例为电子和离子。
产生的是冷等离子体：电子和原子及离子温度不等 Te＝23000K，Ti=300-500K。 离子质量大，其运动速度远低于电子： 平均速度：Vi＝500m/s Ve＝9.5 ×105m/s
电子优先到达固体表面！