溅射法备课讲稿.ppt

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1、溅射法3.1溅射物理的发展史1852年英国物理学家格罗夫（WilliamRobertGrove）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。20世纪30年代，人们开始利用溅射现象在试验中制取薄膜。但由于早年用的直流溅射有许多缺陷，故长期未能得到应有的发展。直到20世纪50年代中期，溅射工艺才得到不断

2、的发展和改进。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。60年代初，Bell实验室和WesternElectric公司利用溅射制取了集成电路用的Ta膜。1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。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

3、，并由此得到了原子溅射产额的公式。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”(thermalizedspike)效应。1974年，JChapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射镀膜成为现实。3.2气体放电现象在讨论气体放电现象之前，我们先考思一下直流电场作用下物质的溅射现象。如图所示真空系统，在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可

4、以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极—靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨论一下气体放电过程。如图直流气体放电体系。开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子，参与与气体分子碰撞

5、，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。汤生放电后期称为电晕放电。随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）；辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放

6、电长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。气体放电与等离子体气体放电：气体在电场作用下发生电离的过程。等离子体：带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的粒子集合体。与常态的物质相比，等离子体处于高温、高能量、高活性状态。薄膜技术中所用的等离子体，一般都是通过气体放电形成的。3.3物质的溅射现象在离子轰击条件下，固体表面可能发生

7、的一系列的物理过程，溅射仅是其一。当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个，其一是物质的溅射，其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。物质原子的溅射是制膜的基础。溅射的基本原理溅射：是利用气体辉光放电过程中产生的荷能粒子（正离子）轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射，把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的沉积。溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。1溅射产额（1）溅射产额的定义靶材释

8、放出来的各种粒子中，主要是溅射出来的单个原子，另外还有少量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有1%-10%。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，即溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，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。（2）溅射产额的影响因素a、