最新第3章--溅射法.教学讲义PPT课件.ppt

《最新第3章--溅射法.教学讲义PPT课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第3章--溅射法.本专题主要内容：3.1溅射物理的发展史3.2气体放电现象3.3物质的溅射现象3.4溅射沉积装置及各种溅射镀膜方法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

2、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的发展和改进。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，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

3、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

4、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

5、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

6、态和种类有关。（2）溅射产额的影响因素a、入射离子能量入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响。（a)各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在10~40eV，只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。如下表：溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。(b)随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。如下图图3.9b、入射离子种类和被溅射物质种类入射离子种类和

7、被溅射物质种类对物质的溅射产额也有很大的影响。图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag表面时得到的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。图是加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的变化情况。可以看出，元素的溅射产额呈现明显的周期性，即随着元素外层d电子数的增加，其溅射产额提高，因而Cu、Ag、Au等元素的溅射产额明显