溅射镀膜课件

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1、第三章溅射镀膜/Sputtering表征溅射特性的参量主要有溅射阈值、溅射率，以及溅射粒子的速度和能量等。溅射阈值---是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。溅射阈值的测定比较困难，随着测量技术的进步，目前可以测出低于10-5原子/离子的溅射率。下图是不同种类的入射离子以不同的能量轰击同一钨靶的溅射曲线。三、溅射特性由图可知：不同的入射离子，溅射阈值变化很小。但是不同靶材，溅射阈值变化较明显。也就是说，溅射阈值与粒子质量之间没有明显的依赖关系，而取决于靶材。处于周期表中同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数增大而减小。对于

2、绝大多数金属来说，溅射阈值10~30eV，相当于升华热的4倍左右。下表列出了几种金属的溅射阈值。溅射率——是描述溅射特性的一个最重要物理参量，它表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。溅射率与入射离子能量、种类、角度及靶材的类型、晶体结构、表面状态、升华热大小等因数有关，单晶靶材还与表面取向有关。（1）S与入射离子的能量的关系入射离子的能量大小对溅射率影响显著。当入射离子能量高于某一个临界值（溅射阈值）时，才发生溅射。下图是溅射率与入射离子能量之间的典型关系曲线。由图可知：溅射最

3、初随轰击离子能量的增加呈指数上升，之后出现一个线性增大区，并逐渐达到一个平坦的最大值呈饱和状态。如果再增加E则因产生离子注入效应而使S值开始下降。右图是典型的Ar离子轰击铜时，离子能量与溅射率的关系曲线。图中曲线分三部分：1）没有溅射的低能区；2）能量从70eV-10keV，溅射率随离子能量增大区域；3）能量大于30keV,溅射率随离子能量增加而下降区域。（2）入射离子的种类溅射率依赖于溅射离子的原子量，原子量越大，则溅射率越高。溅射率也与入射离子的原子序数有关，呈现随离子的原子序数周期性变化的关系。在周期表每一排中，凡是电子壳层填满的

4、元素就有最大溅射率。因此惰性气体的溅射率最高，而位于周期表每列中间的元素的溅射率最小，如Al、Ti、Zr、Hf等。所以，一般情况下，入射离子多采用惰性气体。此外，实验表明，在常用的入射离子能量范围内（500~2000eV），各种惰性气体的溅射率大体相同。溅射率与溅射离子原子序数的关系几种气体的电离几率入射离子通常采用Ar气，其原因：1.电离率高，容易起辉；2.惰性气体，不反应；3.价格便宜。（3）靶材料溅射率与靶材料种类的关系可用靶材料元素在周期表中位置来说明。在相同的条件下，用同一种离子对不同元素的靶材料进行轰击，得到不同的溅射率，且

5、溅射率呈现周期性变化，一般规律为随靶材料原子序数的增加而增大。各靶材料元素的溅射率如下图所示。由图可以看出，铜、银、金的溅射率较大；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钨等元素的溅射率较小。此外，实验表明，在用400eV的Xe+离子轰击时，银的溅射率为最大，碳的最小；具有六方晶格结构（如镁、锌、钛等）和表面污染（如氧化层）的金属要比面心立方（如镍、铂、铜、银、金、铝等）和清洁表面的金属溅射率低；升华热大的比升华热小的金属溅射率低；从原子的结构分析上述规律，显然与原子的3d、4d、5d电子层的填充程度有关。溅射靶材溅射靶材（4）入射离子的入射角入射角

6、---是指离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角。下图为Ar离子对几种金属溅射率与入射角的关系曲线。由图可知：随入射角的增大，溅射率逐渐增大，在0~60°之间的相对溅射率基本服从1/cosθ规律，即S(θ)/S(0)=1/cosθ,S(θ)和S(0)分别为θ角和垂直入射时的溅射率。由其典型曲线可知：对不同的靶材和入射离子而言，对应于最大溅射率S值都有一个最佳入射角θm。实验表明，不同的离子加速电压，对入射角值θm也有一定的影响。另外，大量实验表明，不同的入射角θ的溅射率值S(θ)和垂直入射时的溅射率值S(0)，对不同靶材和入射离子种

7、类而言，有以下结果：（1）对于轻元素靶材，S(θ)/S(0)的比值变化显著；（2）重离子入射时，S(θ)/S(0)的比值变化显著；（3）随着入射离子能量的增加，S(θ)/S(0)呈最大值的角度逐渐增大，但是S(θ)/S(0)的最大值，在入射离子的加速电压超过2kV时，急剧减小。原因如下：首先，入射离子所具有的能量轰击靶材，将引起靶材表面原子的级联碰撞，导致某些原子被溅射。在大角度入射情况下，级联碰撞主要发生在表层，妨碍了碰撞范围的扩展，结果低能量的反冲原子生成率低，致使溅射率低；第二，入射离子以弹性反射方式从靶材反射。这对随后的入射离子

8、有屏蔽阻挡作用与入射角有关，当入射角为60~80°时，阻挡作用最小而轰击效果最好，故此时溅射率呈最大值。（5）靶材温度溅射率与靶材温度的依赖关系，主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。在低温时，溅射率几