薄膜的物理气相沉积Ⅱ溅射法及其他

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1、第三章薄膜的物理气相沉积（Ⅱ）——溅射法及其他PVD方法薄膜的物理气相沉积1溅射法：带有电荷的离子被电场加速后具有一定动能，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将后者溅射出来。溅射原子带有一定动能，且沿一定方向射向衬底，实现衬底上薄膜的沉积。离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。薄膜的物理气相沉积23.1气体放电与等离子体直流溅射：阴极Ar10-1~10Pa薄膜的物理气相沉积3Are-阳极衬底薄膜的物理气相沉积43.1.1气体放电现象描述V=E-IR碰撞

2、产生新的离子和电子等离子体：具备了一定导电能力的气体。溅射法电弧蒸发非自持放电自持放电极少量电离粒子无光放电薄膜的物理气相沉积53.1.2辉光放电现象及等离子体鞘层p——气体的压力d——电极之间的间距薄膜的物理气相沉积6等离子体：由离子、电子以及中性原子和原子团组成，宏观上对外呈现出电中性。电子由于极易在电场中加速而获得能量，因而平均速度比较快。离子能量及平均速度均远远低于电子。等离子体鞘层，即相对于等离子体来说，任何位于等离子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电位，并且在其表面外将伴随有正电荷的积累。薄膜的物理气相沉积

3、7鞘层电位薄膜的物理气相沉积8鞘层电位鞘层电位的存在意味着任何跨越鞘层而到达衬底的离子均将受到鞘层电位的加速作用，而获得一定的能量，并对薄膜表面产生轰击效应；电子则会感受到鞘层电位的排斥作用，因而只有一些能量较高的电子才能克服鞘层电位的阻碍，轰击薄膜表面。薄膜的物理气相沉积9薄膜的物理气相沉积10正离子与二次电子复合加速区电离区薄膜的物理气相沉积113.1.3辉光放电的碰撞过程等离子体中高速运动的电子与其他粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制。电子与其他粒子的碰撞：弹性碰撞（能量较低时）非弹性碰撞（能量较高时）薄膜的物理气

4、相沉积12弹性碰撞：参加碰撞的粒子的总动能和总动量保持不变，并且不存在粒子内能的变化，即没有粒子的激发、电离或复合过程发生。两粒子弹性碰撞后：辉光放电：高速运动的电子与低速运动的原子、分子或离子的碰撞。（M1<

5、离过程e-+Ar→Ar++2e-（2）激发过程e-+O2→O2*+e-（3）分解过程e-+CF4→CF3*+F*+e-薄膜的物理气相沉积153.2物质的溅射现象离子轰击固体表面时发生的各种物理过程★★薄膜的物理气相沉积16Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系薄膜的物理气相沉积173.2.1溅射产额溅射：是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额：被溅射出来的原子数与入射离子数之比。（衡量溅射过程效率的参数）影响因素：（1）入射离子能量（2）入射离

6、子种类和被溅射物质种类（3）离子入射角度（4）靶材温度薄膜的物理气相沉积18（1）入射离子能量只有当入射离子能量超过一定的阈值以后，才会出现被溅射物质表面原子的溅射。薄膜的物理气相沉积19溅射阈值与入射离子的种类关系不大，但与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。薄膜的物理气相沉积20（2）入射离子种类和被溅射物质种类随着元素外层d电子数增加，溅射产额提高。薄膜的物理气相沉积21溅射产额随入射离子的原子序数周期性变化。惰性气体作为入射离子，溅射产额较高。薄膜的物理气相沉积22（3）离子入射角度随着θ增加，溅射产额呈1/cosθ

7、的规律增加，即倾斜入射角有利于提高溅射产额；当θ接近80°时，产额迅速下降。薄膜的物理气相沉积2390°溅射产额随粒子运动方向的变化：薄膜的物理气相沉积24（4）靶材温度薄膜的物理气相沉积253.2.2合金的溅射和沉积溅射法易于保证薄膜的化学成分与靶材基本一致。原因：(1)不同元素平衡蒸气压差别很大，而溅射产额差别不大。(2)蒸发法：被蒸发物质多处于熔融状态，本身将发生扩散、对流，表现出很强的自发均匀化的倾向。溅射法：靶物质的扩散能力弱。由于溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随

8、后的溅射过程中实现一种成分的自动补偿效应。薄膜的物理气相沉积26溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降；而溅射产额低的元素得到了富集，溅射速率上升。结果：尽管靶材表面的化学成分已经改变，但溅射出来的物质成分却与靶材的原始成分相同。合金靶材预溅射:要使合金靶材表面成分达到溅射动态平衡对应的成