溅射技术培训讲学.ppt

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1、溅射技术提要气体的放电现象与等离子体物质的溅射效应和溅射产额各种各样的溅射技术物理气相沉积（PVD）是利用某种物理过程物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等，实现物质原子从源物质到薄膜的物质的可控转移溅射法与蒸发法一样,也是一种重要的薄膜PVD制备方法物理气相沉积利用带电荷的阳离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极）入射离子在与靶面原子的碰撞过程中，通过动量的转移，将后者溅射出来这些被溅射出来的原子将沿着一定的方向射向衬底，从而实现物质的PVD沉积溅射法制备薄膜的物理过程薄膜溅射沉积装

2、置的示意图———靶材是要溅射的材料，它作为阴极,相对于真空室内其他部分处于负电位。阳极可以是接地的，也可以是浮动的以适当压力（10-110Pa）的惰性气体（一般均为Ar）作为放电气体（与PVD的真空蒸发时不同）在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被雪崩式地电离，形成可以独立运动的Ar+离子和电子。电子加速飞向阳极，而带正电荷的Ar+离子则在电场的作用下加速飞向作为阴极的靶材，并发生靶物质的溅射过程气体放电现象是发生物质溅射过程的基础气体的直流放电现象气体的直流放电模型在阴阳两极间，由电动势为E的直流电源提供靶电压V和靶电流I，并

3、以电阻R作为限流电阻气体的直流放电模型在两极之间存在电位差时，气体分子将因电离过程而分解为电子和离子。离子轰击阴极将引发二次电子发射。阴极发射出来的电子在获得能量以后将会与等离子体中的分子碰撞，造成后者的激发和离化，形成新的电子与离子，使放电过程得以持续进行。A.Bogaertsetal./SpectrochimicaActaPartB57(2002)609–658气体放电的伏安特性曲线放电曲线分为：汤生放电段（气体分子开始出现电离）辉光放电段（产生大面积辉光等离子体）弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）=======————各种气体发生辉光

4、放电的帕邢曲线只有当Pd取一定数值时，气体才最容易维持辉光放电d10cm时，P10Pa放电击穿后，气体即成为具有一定导电能力的等离子体，它是一种由离子、电子及中性原子、原子团组成，而宏观上对外呈现电中性的物质存在形式。相应于辉光和弧光放电，就有了辉光放电等离子体和弧光放电等离子体。等离子体——plasma——————典型辉光放电等离子体的粒子密度1014/cm3，即气体中，只有约10-4比例的电子和离子电子质量小，其电场中的加速快，电子的平均动能Ee2eV，相当于电子温度Te=Ee/k23000K电子、离子质量差别大，导致离子及中

5、性原子处于低能态，如300500K电子是等离子体中主要的能量携带者电子、离子具有极不相同的速度：电子——va=(8kTe/m)1/29.5105m/sAr+离子————约5102m/s辉光放电等离子体的密度、电子速度与温度等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程微观过程表达式电子与气体分子的弹性碰撞电子与气体分子的非弹性碰撞激发分解电离XY+eXY+e（使气体分子的动能增加）XY+eXY*+eXY+eX+Y+eXY+eXY++2e（使气体分子的内能增加）高能量的电子与其他粒子间的相互碰撞是等离子体从外界获得能量的方式等离子体鞘

6、层：任何处于等离子体中或其附近的物体的外侧都将伴随有正电荷的积累鞘层电位：相对于等离子体来讲，任何处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电子持有的高速度导致产生鞘层电位电子与离子具有不同速度的一个直接后果是产生等离子体鞘层以及鞘层电位：鞘层电位可由电子能量分布为麦克斯韦分布的假设求出：等离子体鞘层及相应的电位分布Vp的变化范围不大，约等于电子温度Te的4-6倍，10V鞘层整个直流辉光放电系统中电位的分布两极间的电压降几乎全部集中在阴极鞘层中：因为负电极力图吸引的是正离子，但后者的质量大，被加速的能力弱，加速较难阴极鞘层阴

7、极鞘层电位的建立使到达阴极的Ar+离子均要经过相应的加速而获得相应的能量(102eV数量级)，即轰击阴极的离子具有很高的能量，它使阴极物质发生溅射现象溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理现象之一，其相对的重要性取决于入射离子的种类与能量。几十至几十千eV是物质溅射所对应的离子能量范围物质的溅射效应Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系————物质溅射的微观过程Singleknock-onLinearcascadeHighenergyspike不同微观过程所导致的溅射效率是不一样的溅射产额是是衡量溅射过程效率的一个参数：被溅射出来的物

8、质总原子数溅射产额S=—————————————入射离子数靶材溅射过程释放出的各种粒子中，主要是单个的原子，以及少量的原子团；离子所占的比例只有1-10%使物质发生