3薄膜制备技术(PVD)(溅射)解析

（1）不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压相差太大； （2）更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流，从而表现 出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分持续变动； 相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产额差别而造成 的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而 在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应：溅射产额高的物质 贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射速率上升。最终的结 果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物质的成分却与靶材的原 始成分相同。
（2) 各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在 10~40eV，只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质 表面原子的溅射。物质的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。
b、入射离子种类和被溅射物质种类
下图是在加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的 变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。
荷能粒子与表面的相互作用
当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个， 其一是物质的溅射，其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得 能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。
离子轰击引起的各种效应
离子轰击固体表面所产生的各种效应及发生几率
溅射产额及影响因素
物Leabharlann Baidu气相沉积——溅射法
溅射现象
荷能粒子（例如氩离子）轰击固体表面，引起表面各种 粒子，如原子、分子或团束从该物体表面逸出的现象称 “溅射”。
溅射物理的发展史
•1853年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的器壁上有一层 金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不
下图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag、Cu、Ta表面时得到的 溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子 时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均 采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。
c、离子入射角度对溅射产额的影响
随着离子入射方向与靶面法线间夹 角θ的增加，溅射产额先呈现 1/cosθ 规律的增加，即倾斜入射 有利于提高溅射产额。0-60度左右 单调增加，当入射角θ接近70-80 度角时，达到最高，入射角再增加， 产额迅速下降。离子入射角对溅射 产额的影响如图。
d、靶材温度对溅射产额的影响
在一定的温度范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。但是，当温 度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。原因可能与温度升 高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阀值减小有关。因 此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射靶材的温升。
Xe+对几种样品轰击时，溅射产额与温度的关系
气体放电现象 气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨论一下 气体放电过程。 开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有 少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的 电流。随电压升高，电离粒子的运动速度加快，则电流 随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一 个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）； 汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电 子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子 和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子， 参与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的 离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不 大，这一放电阶段称为汤生放电。 电晕放电：汤生放电的后期称为电晕放电，此时电场强度 较高的电极尖端出现一些跳跃的电晕光斑。
溅射的机制
（1）经典的热蒸发机制：溅射是由于入射粒子的能量使靶表面局 部升温，使靶原子蒸发，此过程是能量转移过程，为“标量”过 程 （2）动量转移机制：溅射是由于入射粒子与靶表面原子碰撞产 生动量传递而引起的，此过程是动量转移过程，为“矢量”过程
动量传递机制成立的实验基础
• • • • 溅射原子的角分布不象热蒸发原子那样符合余弦规律，单晶靶 溅射趋向于集中在晶体原子密排方向 溅射产额不仅决定于轰击离子能量，也决定于其质量与靶原子 质量比 离子能量很高时，溅射产额会减少 溅射原子能量比热蒸发原子能量高许多倍
溅射法的主要特点
与蒸发法相比，溅射法最大的主要特点有：
• 在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因此溅射出的原子 将从中获得很大的能量，在沉积时，高能量的原子对衬底的撞击提高了原 子自身在薄膜表面的扩散能力，使薄膜的组织更致密、附着力也得到明显 改善。当然这也会引起衬底温度的升高。
• 制备合金薄膜时，成分的控制性能好。 • 溅射靶材可以是极难熔的材料。因此，溅射法可以方便地用于高熔点物质 的溅射和薄膜的制备。 • 可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。 • 有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度。
溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义 为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即
溅射出来的原子数 Y 每入射一个粒子
a、入射离子能量
(1) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量 达到10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额 反而下降。
选择溅射现象
对合金和化合物等多原子固体的溅射中，由于构成固体的元素彼此 之间的溅射产额不同，被溅射后，固体表面组分和溅射前组分相比， 发生变化，这种现象称为选择溅射现象。
但是，在不考虑靶温升引起材料原子的扩散，以及基片薄膜原子 的再蒸发情况下，选择溅射现象不明显，通过溅射可获得和靶成 分相同的溅射膜。 相对于蒸发镀膜而言，合金和化合物的溅射沉积镀膜，薄膜和靶 材成分的一致性要好的多。基于以下两方面原因：
知道产生这种现象的物理原因 。
•1902年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到 电离气体中的离子的轰击而引起的。 20世纪30年代，出现利用溅射现象在实验室制取薄膜。
20世纪60年代，Bell实验室和Western Electric公司用溅射制取集成电路
用Ta薄膜，开始了溅射在工业上的应用。 1974年，J.Chapin发表平面磁控溅射装置文章，实现高速、低温镀膜。