薄膜沉积的共性问题第二讲
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等离子体在薄膜沉积中的作用
基本概念
离子、电子共存，整体呈电中性的物质状态
河北东旭投资集团
形成方式
电子加速到一定能量，与气体分子碰撞，使其电离或者激发（未被 电离而处于激发状态）。 激发阀值或者离化阀值----能使气体分子激发和电离的电子具有的 最低能量值。（电子能量≥离化阀值） 碰撞过程中： （a）发生有效地离化； （b）激发气体分子为激发原子、原子团或者分子等，形成活性基， 增加等离子体的活性； （c）被激发原子或者分子经过极短的弛豫时间，返回平衡状态， 同时发出相应的辉光。 离化率----引起气体电离的碰撞次数与总碰撞次数的比值。 离化率随电子能量的不同而变化。
随入射离子的能量增加而下降。
9
郑雷/太阳能研究院设备组
溅射产额的影响因素
河北东旭投资集团
溅射产额依入射离子的种类和靶材的不同而异！ 溅射产额在一定的靶材和入射离子条件下，与入 射角有关，随着入射角的增大而减小！ 溅射产额与晶体结构有关，一般说来，当入射方 向平行于低的晶体学指数的方向时，单晶体的产 额比多晶体小，反之，沿着高的晶体学指数的方 向入射时，单晶体的产额比多晶体大！ 溅射产额与样品温度有关！ 溅射产额与样品表面的沾污有关！
到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子
同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变 反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。 1969年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工 作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额 的公式。
1
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等离子体的形成方法
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形成低温等离子体的基本方法：
使电子带有最容易引起离化和激发的能量，由这种荷能电
子碰撞气体原子，使其离化或激发，同时要求产生的等离子体
具有较高的密度、均匀的分布、便于利用的形式以及良好的可 控制性。
2
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等离子体的形成方式
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离子束与材料的相互作用 入射离子 溅射出阴极靶原子 入射离子
产生二次电子 溅射产额与入射离子的能量、入射角、 溅射掉表面沾污，即溅射清洗 靶原子质量和入射离子质量之比、入射 离子被电子中和并以高能中性原
离子的种类
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子或以金属 原子的形式从阴极表 靶 面反射 进入阴极表面并改变表面性能
溅射产额与靶原子的原子序数相关，即 溅射出的表面原子 原子量和在周期表中所处的位置、靶表 面原子的结合状态、结晶取向以及靶材 被散射回阴极 的成分。
被电子或者亚稳态原子碰撞电离
作用或在阴极区损失掉 以荷能中性粒子的形式沉积到基 片或其他某些部位，即溅射镀膜
7
后，加速返回到阴极或产生溅射 溅射产物
4、容易控制膜的成分，可制取各种不同成分和配比的合金模 5、可以进行反应溅射、制取多种化合物膜，可方便镀制多层膜
6、便于工业化生产，易于实现连续化、自动化操作
5
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离子溅射
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二 溅射与二次离子
入射离子轰击固体时，会直接或间接迫使固体表 面许多原子运动，此过程称为级联碰撞。 当表面原子获得足够能量和动量而背离表面运动 时，就引发表面粒子 ( 原子、离子、基团 ) 发射， 称为溅射。 离子溅射可用来剥蚀样品，配合俄歇电子能谱分 析可确定样品成分随深度的变化情况，即材料的 纵深剖析。
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热电子发射型 由热阴极发射的电子被阳极加速，在奔向阳极的过程中与 气体分子发生碰撞，使后者离化或者激发，形成等离子体。 工作气压在100Pa-0.01Pa。 二极放电型 离子入射冷阴极会激发出γ 电子，该电子在向阳极移动的 过程中，与气体分子发生碰撞，使后者离化或者激发，形 成等离子体工作气压在100Pa-1Pa。 原理与二极放电型一样，只是在阴极背面放置磁场，形成 互相垂直的电磁场，使电子做圆周运动，增加碰撞机会， 从而增加离化率。工作气压在100Pa-10-12Pa。 在绝缘管外周绕以高频线圈，利用线圈产生的高频电磁波， 在绝缘管内部形成等离子体。工作气压在1000Pa-0.1Pa。 ECR即电子回旋共振，其是由电子回旋共振产生气体放电 进而形成等离子体得方式。工作气压在1Pa-10-3Pa。
1974年，H.H. Andersen 和H. L. Bay 研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，
可以产生非线性溅射现象，通常称为“热钉扎” (thermalized spike) 效应。
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4
溅射镀膜概述
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在真空室中，荷能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面 时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、 分子飞溅出来，落在衬底上形成薄膜。 1、膜层与基体的附着力强 2、方便制取高熔点物质的薄膜 3、在大面积连续基板上可制取均匀的膜层
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溅射产额
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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
Байду номын сангаас
溅射出来的原子数 Y 每入射一个粒子
溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还
与入射离子的能量、电荷态和种类有关。
8
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溅射产额的影响因素
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一般地，溅射产额随入射离子能量的变化有如下特征：
（1）存在一个溅射阈值，阈值能量一般为20~100 eV。
当入射离子的能量小于这个阈值时，没有原子被溅射出来。 通常当入射离子的能量为 1~10 keV 时，溅射产额可以达 到一个最大值。 （2）当入射离子的能量超过10 keV 时，溅射产额开始
磁控放电型
无极放电型
ECR放电型
3
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溅射镀膜的发展历程
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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，并且他完成了第一个离子束溅射实验。
基本概念
离子、电子共存，整体呈电中性的物质状态
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形成方式
电子加速到一定能量，与气体分子碰撞，使其电离或者激发（未被 电离而处于激发状态）。 激发阀值或者离化阀值----能使气体分子激发和电离的电子具有的 最低能量值。（电子能量≥离化阀值） 碰撞过程中： （a）发生有效地离化； （b）激发气体分子为激发原子、原子团或者分子等，形成活性基， 增加等离子体的活性； （c）被激发原子或者分子经过极短的弛豫时间，返回平衡状态， 同时发出相应的辉光。 离化率----引起气体电离的碰撞次数与总碰撞次数的比值。 离化率随电子能量的不同而变化。
随入射离子的能量增加而下降。
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溅射产额的影响因素
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溅射产额依入射离子的种类和靶材的不同而异！ 溅射产额在一定的靶材和入射离子条件下，与入 射角有关，随着入射角的增大而减小！ 溅射产额与晶体结构有关，一般说来，当入射方 向平行于低的晶体学指数的方向时，单晶体的产 额比多晶体小，反之，沿着高的晶体学指数的方 向入射时，单晶体的产额比多晶体大！ 溅射产额与样品温度有关！ 溅射产额与样品表面的沾污有关！
到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子
同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变 反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。 1969年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工 作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额 的公式。
1
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等离子体的形成方法
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形成低温等离子体的基本方法：
使电子带有最容易引起离化和激发的能量，由这种荷能电
子碰撞气体原子，使其离化或激发，同时要求产生的等离子体
具有较高的密度、均匀的分布、便于利用的形式以及良好的可 控制性。
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等离子体的形成方式
郑雷/太阳能研究院设备组
离子束与材料的相互作用 入射离子 溅射出阴极靶原子 入射离子
产生二次电子 溅射产额与入射离子的能量、入射角、 溅射掉表面沾污，即溅射清洗 靶原子质量和入射离子质量之比、入射 离子被电子中和并以高能中性原
离子的种类
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子或以金属 原子的形式从阴极表 靶 面反射 进入阴极表面并改变表面性能
溅射产额与靶原子的原子序数相关，即 溅射出的表面原子 原子量和在周期表中所处的位置、靶表 面原子的结合状态、结晶取向以及靶材 被散射回阴极 的成分。
被电子或者亚稳态原子碰撞电离
作用或在阴极区损失掉 以荷能中性粒子的形式沉积到基 片或其他某些部位，即溅射镀膜
7
后，加速返回到阴极或产生溅射 溅射产物
4、容易控制膜的成分，可制取各种不同成分和配比的合金模 5、可以进行反应溅射、制取多种化合物膜，可方便镀制多层膜
6、便于工业化生产，易于实现连续化、自动化操作
5
郑雷/太阳能研究院设备组
离子溅射
河北东旭投资集团
二 溅射与二次离子
入射离子轰击固体时，会直接或间接迫使固体表 面许多原子运动，此过程称为级联碰撞。 当表面原子获得足够能量和动量而背离表面运动 时，就引发表面粒子 ( 原子、离子、基团 ) 发射， 称为溅射。 离子溅射可用来剥蚀样品，配合俄歇电子能谱分 析可确定样品成分随深度的变化情况，即材料的 纵深剖析。
河北东旭投资集团
热电子发射型 由热阴极发射的电子被阳极加速，在奔向阳极的过程中与 气体分子发生碰撞，使后者离化或者激发，形成等离子体。 工作气压在100Pa-0.01Pa。 二极放电型 离子入射冷阴极会激发出γ 电子，该电子在向阳极移动的 过程中，与气体分子发生碰撞，使后者离化或者激发，形 成等离子体工作气压在100Pa-1Pa。 原理与二极放电型一样，只是在阴极背面放置磁场，形成 互相垂直的电磁场，使电子做圆周运动，增加碰撞机会， 从而增加离化率。工作气压在100Pa-10-12Pa。 在绝缘管外周绕以高频线圈，利用线圈产生的高频电磁波， 在绝缘管内部形成等离子体。工作气压在1000Pa-0.1Pa。 ECR即电子回旋共振，其是由电子回旋共振产生气体放电 进而形成等离子体得方式。工作气压在1Pa-10-3Pa。
1974年，H.H. Andersen 和H. L. Bay 研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，
可以产生非线性溅射现象，通常称为“热钉扎” (thermalized spike) 效应。
郑雷/太阳能研究院设备组
4
溅射镀膜概述
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在真空室中，荷能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面 时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、 分子飞溅出来，落在衬底上形成薄膜。 1、膜层与基体的附着力强 2、方便制取高熔点物质的薄膜 3、在大面积连续基板上可制取均匀的膜层
郑雷/太阳能研究院设备组
溅射产额
河北东旭投资集团
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
Байду номын сангаас
溅射出来的原子数 Y 每入射一个粒子
溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还
与入射离子的能量、电荷态和种类有关。
8
郑雷/太阳能研究院设备组
溅射产额的影响因素
河北东旭投资集团
一般地，溅射产额随入射离子能量的变化有如下特征：
（1）存在一个溅射阈值，阈值能量一般为20~100 eV。
当入射离子的能量小于这个阈值时，没有原子被溅射出来。 通常当入射离子的能量为 1~10 keV 时，溅射产额可以达 到一个最大值。 （2）当入射离子的能量超过10 keV 时，溅射产额开始
磁控放电型
无极放电型
ECR放电型
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郑雷/太阳能研究院设备组
溅射镀膜的发展历程
河北东旭投资集团
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，并且他完成了第一个离子束溅射实验。