第五章-离子溅射镀膜法ppt课件.ppt

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1、第五章、离子溅射镀膜第一节溅射的定义用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空中，这种现象称为溅射。一、等离子体和辉光放电溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放电是溅射技术的基础。辉光放电：真空度为10-1~10-2Torr，两电极间加高压，产生辉光放电。电流电压之间不是线性关系，不服从欧姆定律。直流辉光放电伏安特性曲线A-B:电流小，主要是游离状态的电子，离子导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；B-C:增加电压，粒子能

2、量增加，达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压(类似稳压源)。暗光放电汤逊放电过渡区正常放电弧光放电非自持放电C-D:起辉（雪崩）；离子轰击产生二次电子，电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板间电阻减小从而使分压下降)；D-E:电流与极板形状、面积、气体种类相关，与电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电；E-F:异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关（可控制区域，溅射区域）；F-G:弧光放电过渡区；击穿或

3、短路放电；自持放电特性正常辉光放电异常辉光放电阴极位降大小和电流无关和气压无关与电流成正比随气压提高而减小阴极位降宽度和电流无关和气压成反比随电流增加而减小随电压提高而减小电流密度和电流无关随气压增加而增加随电压升高而增大随气压增高而增大阴极斑点面积与电流成正比阴极全部布满辉光正常辉光放电和异常辉光放电的特性对比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

4、浓度高；法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；溅射原子的联级碰撞示意图第二节溅射机制(1)从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦规律，而趋向于晶体密度最高的方向；(2)溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也决定于其质量；(3)存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射；(4)离子能量很高时，溅射系数减小；(5)溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍；(6)没有发现电子轰击产生溅射。溅射机制：局部加热蒸发机制动能直接传递机制1.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

5、的质量关系不大，但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小，20~40eV。溅射参数：溅射阈值，溅射产额(溅射率)，沉积速率，溅射原子的能量第三节溅射参数薄膜的沉积速率与溅射率成正比，所以溅射率是衡量溅射过程效率的参数。溅射产额（SputteringYield）经验公式：2.溅射产额(溅射率)S溅射率的计算式(1)离子能量E>1keV，在垂直入射时的溅射率：式中:U0为是靶材元素的势垒高度，也是靶材元素的升华能；a(M2/M1)只与M2/M1相关的常数。Eth是原子从晶格点阵被碰离产生级联碰撞所必

6、须的能量阈值，Sn(E)是弹性碰撞截面:Sn(E)=4Z1Z2e212[M1/(M1+M2)]Sn()Z1为轰击离子的原子序数；Z2为靶材的原子序数；12称汤姆逊—费米屏蔽半径(可据Z1Z2等参数计算得到)；是一个无量纲参数，称为折合能量；Sn()称为核阻止截面。与Sn()的关系可查表得到。经验公式：溅射率的计算式(2)离子能量E＜1keV，在垂直入射时，溅射率的表达式为：S=(3/42)Tm/V0……(3-3)式中：Tm=4M1M2E/(M1+M2)2,最大传递能量；M1和M

7、2分别是靶原子和入射离子的质量。V0是靶材元素的势垒高度，也是靶材元素的升华能；是与M2／M1有关的量，对于不同的质量比，其值在0-1.5之间。实际的溅射率计算式中：W为t时间内靶材的质量损失(g)，m为靶材的原子量，I离子电流(A)影响溅射率的因素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。溅射率与入射离子的种类、能量、入射角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表

8、面取向有关。(1)影响溅射率的因素—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的位置来说明。在相同条件下，用同一种离子对不同元素的靶材料轰击，得到不相同的溅射率，并且还发现溅射率呈周期性变化，其一般规律是：溅射率随靶材元素原子序数增加而增大（同一周期）。溅射率与靶材元素原子序数的关系曲线（2）影响溅射率的因素—入射离子能量入射离子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。图3-5为溅射率S与入射离子能量E之间的典型关系曲线。曲线