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8.2 溅射技术

8.2 溅射技术. 2. 自持放电条件：. 阴极. 阳极. n x + d n x. n x. n a. n 0. 维持放电进行的两个必要过程： 1. 电离过程， a 来表示电子对气体的体积电离系数。 2. 轰击阴极过程，以 g 表示离子的表面电离系数。. j a. j 0. x. d x. d. 假设开始时阴极发射电子数为 n 0 ，发射电流为 j 0 ，如图所示，则. 此过程中产生的新电子数或离子数：. 一个过程后阴极发射电子数：. 两个过程后阴极发射电子数：. 稳定时阴极发射电子数：. 稳定时到达阳极电子数：. 稳定时阳极电流密度：.

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8.2 溅射技术

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  1. 8.2 溅射技术

  2. 2.自持放电条件： 阴极 阳极 nx+dnx nx na n0 维持放电进行的两个必要过程： 1.电离过程，a来表示电子对气体的体积电离系数。 2.轰击阴极过程，以g表示离子的表面电离系数。 ja j0 x dx d 假设开始时阴极发射电子数为n0，发射电流为j0，如图所示，则 此过程中产生的新电子数或离子数：

  3. 一个过程后阴极发射电子数： 两个过程后阴极发射电子数： 稳定时阴极发射电子数： 稳定时到达阳极电子数：

  4. 稳定时阳极电流密度： 空间各点的电流密度： 维持自持放电的条件：

  5. 设气体的电离能eUi, 假设电子能量高于eUi，电离几率为1，低于eUi，电离几率为0。极板间电场强度E，要产生电离电子的自由程至少li,

  6. 辉光放电的帕邢曲线 不同气体的曲线不同 一般的取比较小的Pd值

  7. 3、辉光放电示意图 阿斯顿暗区：慢电子区域； 阴极辉光：激发态气体发光； 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降主要在前面的三个区域：阴极位降区)； 负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高； 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；

  8. 辉光放电时光强、电压、电场强度、电荷密度的分布辉光放电时光强、电压、电场强度、电荷密度的分布 衬底放在阴极辉光区 电极鞘层， 鞘层电压降：

  9. 辉光放电中的粒子、能量和温度

  10. 4、离子与物质的相互作用，溅射及其溅射参数4、离子与物质的相互作用，溅射及其溅射参数 粒子轰击固体表面或薄膜产生的效应 溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。

  11. Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系 (实验结果)

  12. 不同能量和离子/原子质量比下不同的离子轰击过程不同能量和离子/原子质量比下不同的离子轰击过程

  13. http://v.youku.com/v_show/id_XMTI0OTQ4ODg4.html 不同能量范围的溅射机制(a) Single knock-on (low energy), (b) linear cascade, (c) spike (high energy), 溅射一般发生在数个原子层的范围内，大量能量转变为靶材的热

  14. 5、溅射参数：溅射阈值，溅射产额，沉积速率，溅射原子的能量5、溅射参数：溅射阈值，溅射产额，沉积速率，溅射原子的能量 溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的质量关系不大，但与靶材有关，20~40eV。

  15. 溅射产额（Sputtering Yield） 薄膜的沉积速率与溅射产额（Sputtering Yield）成正比，所以溅射产额是衡量溅射过程效率的参数。 经验公式： Linear Cascade US为表面结合能，a(M2/M1)只与M2，M1相关的常数。Eth为溅射阈值，是Us和M2/M1的函数。Sn(E)是弹性碰撞截面，也是能量与原子质量及原子序数的函数。

  16. Ar离子在400KV加速电压下对各种元素的溅射产额Ar离子在400KV加速电压下对各种元素的溅射产额 随靶材料的变化 取决于表面原子束缚能

  17. 溅射率与入射离子的关系 1.Ag靶；2.Cu靶；3.W靶 随 入射离子种类的变化

  18. Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系 随入射离子能量的变化 低能端外推可得溅射阈值。

  19. 溅射产额随离子入射角度的变化 单晶靶不遵循此分布:表面结合能的各向异性

  20. 出射原子的欠余弦分布

  21. 半导体材料的溅射 多晶靶：各向同性。 低温，各向同性 单晶靶 高温，各向异性，原子从密排方向射出 如FCC的[110]，[100]，[111]

  22. 气体压强的影响

  23. 原子数 原子能量 溅射原子的能量分布 能量为80~1200 eV的离子轰击下，从[110]方向逸出的铜原子能量分布

  24. 6、合金的溅射和沉积 溅射制膜的化学成分与靶材基本一致， 与蒸发不同： • 不同元素的溅射产额没有平衡蒸汽压那么大； • 蒸发法中熔体中的快速扩散和对流使熔体很快达到均匀，而溅射法中，固体表面在经过一段时间的溅射后能使溅射产额比稳定。

  25. 设组分浓度CA=nA/n, CB=nB/n, n=nA+nB 初始溅射出来的原子比： 设有ng个离子入射，则表面的剩余组分比 这时溅射出来的原子比： 溅射产额大的元素在表面的比例越来越少 假设SA>SB 最终：

  26. 7、离子轰击在对薄膜生长的作用 1) 在膜层沉积之前的离子溅射清洗 2) 离子轰击对基体和镀层界面的影响 a) 使基体中产生缺陷； b) 热效应； c) 物理混合；反冲注入，伪扩散层。 3) 离子轰击在薄膜生长中的作用 a) 优先去除松散结合的原子； b) 增强扩散和反应活性，提高成核密度； c) 对形貌的影响(晶粒的择优取向)； b) 对沉积膜组分的影响； c) 对膜层物理性能的影响（应力，结合力）

  27. 19710117 对附着力的影响

  28. 蒸镀薄膜与溅射薄膜的附着强度

  29. 对膜层结构的影响 膜层的晶面间距 膜层的晶粒尺寸和位错密度

  30. 8、溅射方法和溅射装置 • 直流溅射(二极，三极，四极) • 射频溅射 • 磁控溅射 • 反应溅射 • 其它溅射技术 沉积速率：

  31. 1.）直流溅射（双极型） 电压约1－5 kV，出射原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV，到达基板的原子能量约1-2eV。 直流溅射沉积装置示意图

  32. 溅射沉积速率与工作气压间的关系

  33. 直流三极溅射：补充额外的电子源 可以在低压强(<0.13Pa)下运行，但放电过程难控制，重复性差 等离子体的密度可通过改变电子发射电流和加速电压来控制。离子对靶材轰击能量可通过靶电压加以控制。从而解决了二极溅射中靶电压、靶电流及气压之间相互约束的矛盾。 电子发射不稳定，造成放电不稳定

  34. 直流溅射的特点 优点：装置简单，容易控制，制膜重复性好（P，U，I）。 缺点： 1) 工作气压高(10~2 Torr)，高真空泵不起作用； 2) 沉积速率低； 3) 基片升温高； 4) 只能用金属靶(绝缘靶导致正离子累积)；

  35. 2. ）射频溅射

  36. 射频频率：13.56 MHz； 电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压； 射频溅射可制备绝缘介质薄膜； 射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。 有负偏压 无负偏压

  37. 3. ) 磁控溅射：把电子局域在阴极附近 a) 磁控溅射的原理和装置

  38. 不同磁场方向的效应

  39. 磁控溅射中电子运动示意图

  40. 增加电子对气体的电离效率 各种不同的磁控溅射装置

  41. 不同溅射方法靶电压和靶电流密度的比较

  42. 非平衡磁控靶

  43. 非平衡磁控靶示意图 磁力线延伸到衬底，对衬底进行适当溅射

  44. 双磁极溅射

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