第四章_溅射镀膜

1、123 “溅射溅射” ” 是指荷能粒子轰击固体表面（靶），是指荷能粒子轰击固体表面（靶）， 使固体原子（或分子）从表面射出的现象。使固体原子（或分子）从表面射出的现象。 射出的粒子大多呈原子状态，常称为射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子溅射原子。用于。用于轰击靶的荷能粒子可以是轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，电子、离子或中性粒子， 因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采用离子作为轰击粒子。该离子又称用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子入射离子，这种镀膜技，这种镀膜技术又称为术又称为离子溅射镀膜或沉积。离子溅射镀膜或沉积。

2、 与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。沉积和刻蚀是与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。沉积和刻蚀是溅射过程的两种应用。溅射过程的两种应用。 溅射镀膜装置溅射镀膜装置：阴极（靶材）、阳极（基片）、：阴极（靶材）、阳极（基片）、 挡板、溅射气体入口挡板、溅射气体入口41842年，年，Grove在实验室中研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴极材料迁移到了在实验室中研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴极材料迁移到了真空管壁上。真空管壁上。1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉积年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉积的现象，对造成这种现象的原因不解，且把

3、它作为有害的现象想法避免。的现象，对造成这种现象的原因不解，且把它作为有害的现象想法避免。1902年，年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物。证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物。1930s，已经有人利用溅射现象在实验室制取薄膜。，已经有人利用溅射现象在实验室制取薄膜。60年代初，年代初，Bell实验室和实验室和Western Electric公司利用溅射制取集成电路用的公司利用溅射制取集成电路用的Ta膜，膜，开始了溅射技术在工业上的应用。开始了溅射技术在工业上的应用。1963年制作出长度为年制作出长度为10m的连续溅射镀膜装置。的连续溅射镀膜装置。1965

4、年，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。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，年，Battele Pacific Northwest实验室做成了实用的三极高速溅射装置。实验室做成了实用的三极高速溅射装置。1974年，年，J. Chapin实现了高速、低温溅射镀膜，平面磁控溅射。实现了高速、低温溅射镀膜，平面磁控溅射。5与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：优点：（1）任何物质均可以溅射；任何物质均可以溅射；材料性质材料性质高熔点、低蒸汽压的元素和化合物；材料形态高熔点、低蒸汽压的元素和化合物；材料形态块状、

5、粉末、粒状；没有分解和分馏现象。块状、粉末、粒状；没有分解和分馏现象。（2）薄膜与基板之间的附着性好；薄膜与基板之间的附着性好；溅射原子的能量比蒸发原子高溅射原子的能量比蒸发原子高12个数量级，所以高能粒子沉个数量级，所以高能粒子沉积在基板上进行能量交换，有较高的热能，增强了薄膜与基板积在基板上进行能量交换，有较高的热能，增强了薄膜与基板间的附着力。间的附着力。（3）薄膜密度高，针孔少，纯度高薄膜密度高，针孔少，纯度高因为没有坩锅污染；因为没有坩锅污染；6（4）膜厚可控性和重复性好膜厚可控性和重复性好通过控制靶电流和放电通过控制靶电流和放电电流。电流。（5）可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜。

6、可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜。可以可以“在任何材料的基板上沉积任何材料的薄膜在任何材料的基板上沉积任何材料的薄膜”，所以，所以在新材料发现、新功能应用、新器件制作方面起着举足轻在新材料发现、新功能应用、新器件制作方面起着举足轻重的作用。重的作用。缺点：缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.1 5 m/min，而溅射速率为，而溅射速率为0.010.5 m/min；（3）基板温升较高和易受杂质气体影响。）基板温升较高和易受杂质气体影响。 射频溅射和磁控溅射技术已经克服了

7、后二者的缺点。射频溅射和磁控溅射技术已经克服了后二者的缺点。 7 溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在个溅射过程都是建立在辉光放电辉光放电 的基础之上，即溅射的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用的辉光放离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用的辉光放电方式有所不同。电方式有所不同。直流二极溅射直流二极溅射利用的是直流辉光放电；利用的是直流辉光放电；三极溅射三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射射频溅射是利用射频辉光放电；是利用射频辉光放电；磁控溅射磁控溅射是利用环状磁

8、场控制下的辉光放电。是利用环状磁场控制下的辉光放电。8一一 准备知识：气体放电的过程准备知识：气体放电的过程将真空容器抽真空，到达将真空容器抽真空，到达101Pa的某一压力时，接通相的某一压力时，接通相距为距为d的两个电极间的电源，使电压逐渐上升。当电压低的两个电极间的电源，使电压逐渐上升。当电压低时，基于宇宙射线和存在于自然界的极微弱放射性物质射时，基于宇宙射线和存在于自然界的极微弱放射性物质射线引起的电离，电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流。线引起的电离，电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流。随着电压增加，随着电压增加，当加速电子能量大到一定值之后，与中性当加速电子能量大到一定值之后，与

9、中性气体原子（分子）碰撞使之电离气体原子（分子）碰撞使之电离，于是电子数按等比级数，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子的迅速增加，形成电子的繁衍过程，繁衍过程，也称为雪崩式放电过程。也称为雪崩式放电过程。但此时的放电属于但此时的放电属于非自持放电过程非自持放电过程，其特点为，若将原始，其特点为，若将原始电离源除去，放电立即停止。电离源除去，放电立即停止。若将原始电离源去掉放电仍若将原始电离源去掉放电仍能维持，则称为自持放电过程。能维持，则称为自持放电过程。91、由非支持放电过渡到自持放电的条件、由非支持放电过渡到自持放电的条件为了维持放电进行，两个过程必不可少两个过程必不可少。（1）过程过

10、程：开始由阴极表面发射出一个电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用下，向阳极加速运动。当电子能量超过一定值之后，使气体原子发生碰撞电离发生碰撞电离，后者被电离为一个离子和一个电子。这样，一个电子就变成了两个电子，重复这一过程，即实现了电子的所谓繁衍电子的所谓繁衍。定义为电子对气体的体积电离系数电子对气体的体积电离系数，即每一个电子从阴极到阳极繁衍过程中，单位距离所增加的电子数。（2）过程过程：正离子正离子在阴极位降的作用下，轰击阴极表面，产生电子（二次电子）。定义定义为正离子的表面电离为正离子的表面电离（二次电子发射）系数（二次电子发射）系数，即每一个正离子轰击阴极表面而发射的电子（二次电

11、子）的平均数。 的大小与阴极材料、离子的种类、电场的强度有关。以电子为火种，可引发后续的过程，产生的离子还可轰击阴极表面继续产生电子。达到一定条件，即使没有外达到一定条件，即使没有外界因素产生的电子，也能维持放电的界因素产生的电子，也能维持放电的进行，即放电进入自持阶段。进行，即放电进入自持阶段。10（2）非自持放电转为自持放电的条件：非自持放电转为自持放电的条件：假设在单位时间内从单位阴极表面逸出的二次电子数为n0，相对应的阴极电流密度为j0，如图所示。又假设距阴极为x的平面上每单位面积的电子数为nx。为电离系数，因此，每个电子在路程dx上所产生的平均电离次数为dx，而由飞入dx薄层的nx个

12、电子产生的平均电离次数应为nxdx，即在dx路程内由nx个电子所产生的电子数用下式表示：设x=0时，nx=n0，对上式积分如果阴极和阳极间的距离为d，在均匀电场中，到达阳极的电子数为dxndnxxxxenn0dxenn011那么可以算出从阴极逸出的n0个电子所引起的电离次数，即所产生的新电子数新电子数（或等量的正离子数）应为（或等量的正离子数）应为： 个正离子轰击阴极时，过程将使阴极逸出 个新电子。因此，从阴极逸出的电子数将不止是由外界电源所产生的电子数ni，而且加上由过程产生的二次电子数，即：如果放电达到稳定状态放电达到稳定状态，则从阴极逸出的电子数（二次电子数）不会再增加，从阴极逸出的电子

13、数（二次电子数）不会再增加，仍为仍为n1，n0=n1，则：到达阳极的电子数 ，则有：) 1(000ddennen) 1(0den) 1(0den) 1(01diennn) 1(11dienndenn1) 1(1ddieenn12式中，若分母等于零时，n为无穷大，其物理意义为， 表示，在阴极发射出一个电子，而这一个电子到达阳极时，共产生 次电离碰撞，因而产生同样数目的正离子，这些正离子打到阴极后将产生 个二次电子，这些二次电子的数目为1。也就是，一个电子自阴极逸出后产生也就是，一个电子自阴极逸出后产生的各种直接和间接过程将使阴极再发射一个电子，使放电过程不需要外致电离的各种直接和间接过程将使阴极

14、再发射一个电子，使放电过程不需要外致电离因素而成为自持放电。因素而成为自持放电。即放电所需的带电粒子可以自给自足，不需要外界因素作用，因此：为非自持放电转为自持放电自持放电的条件，上式也是辉光放电辉光放电的初始条件，即气体发气体发生击穿的充分条件生击穿的充分条件。此时对应的电压为击穿电压，又称起辉电压（点燃电压）电压为击穿电压，又称起辉电压（点燃电压）Uz。1) 1(de) 1(de) 1(de1) 1(de13二二 辉光放电辉光放电1 1直流辉光放电直流辉光放电在真空度为0.510Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压产生的一种气体放电现象。气体放电时，两个电极之间的电压和电流的关系不符合欧

15、姆定律，具体如下图：14AB段段当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和电子很少，所以当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和电子很少，所以电流很小，电流很小，AB区域称为区域称为“无光无光”放电。放电。无光放电：真空室的两个极板之间存在的无光放电：真空室的两个极板之间存在的气体总是有少量游离状态的气体分子气体总是有少量游离状态的气体分子。当阴。当阴阳极之间加上电压后，这些少量的正离子和电子在电场作用下到达极板，形成电流。阳极之间加上电压后，这些少量的正离子和电子在电场作用下到达极板，形成电流。但这些游离的气体分子数量恒定，所以但这些游离的气体分子数量恒定，所以电流密度随着

16、电压的增加没有多少变化电流密度随着电压的增加没有多少变化，仅为，仅为10-16 A左右。此时的气体只导电，不发光。左右。此时的气体只导电，不发光。15BC段段电压升高后，电压升高后，带电离子和电子获得了足够的能量，与中性气体分子发带电离子和电子获得了足够的能量，与中性气体分子发生碰撞产生电离，电流平稳增加生碰撞产生电离，电流平稳增加，但电压在电源高输出阻抗的限制下呈一常数。，但电压在电源高输出阻抗的限制下呈一常数。“汤森放电区汤森放电区”（Townsend discharge）。）。汤森放电：电压继续增加，电子的运动速度越来越快，它与中性气体之间的碰汤森放电：电压继续增加，电子的运动速度越来越

17、快，它与中性气体之间的碰撞有可能使分子电离出新的离子和电子，这些新的电子又加入向阳极加速的进撞有可能使分子电离出新的离子和电子，这些新的电子又加入向阳极加速的进程中，从而碰撞电离出更多的气体分子。程中，从而碰撞电离出更多的气体分子。B点电压点电压Ub即为点燃电压即为点燃电压Uz。上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。即，非自持放电。则放电不会发生。即，非自持放电。 16CE段段“雪崩点火雪崩点火”，离子轰击阴极时，释放出二次电子，二次电子与中性气离子轰击阴极时，释放出二次电子，

18、二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，产生出新的更多的二次体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，产生出新的更多的二次电子。电子。等产生出了足够的离子和电子后，等产生出了足够的离子和电子后，放电达到自持放电达到自持，气体开始起辉。两级，气体开始起辉。两级间电流剧增，而电压迅速下降，呈现负阻特性。间电流剧增，而电压迅速下降，呈现负阻特性。“过渡区过渡区”。17帕邢定律及点燃电压帕邢定律及点燃电压1889年帕邢（Paschen）在测量击穿电压对击穿距离和气体压力的依赖关系发现：在下图所示的两个平行平板电极上加以直流电压后，在极间形成均匀电场。令极间距离为d，压力为

19、p，如果气体成分和电极材料一定，气体恒温，那么击穿电压击穿电压Uz是是pd的函数的函数，而不单独是p，d这两个变量的函数。当改变pd时，Uz有一极小值Uzmin。这便是气体放电的帕邢定律。18气体放电有非支持转入自持放电的条件是： 。使气体放电的使气体放电的极间电压称为自持放电点燃电压极间电压称为自持放电点燃电压，也称为击穿电压，用Uz表示。气体点燃时 ，则：一定的气体，电离电位Ui为定值，故设AUi=Az。电场强度E=Uz/d，代入上式后：1) 1(de1) 1(depEAUiAped/)11ln(1)11ln(ln(ln)ln()11ln(ApdpdAUpdAezzZUApdz19此式表明

20、，Uz是pd乘积的函数，不单独是p或者d的函数。不同气体的Uz=f(pd)曲线如图所示。此曲线称为帕邢曲线帕邢曲线。由图可知，同一气体的帕邢曲线是有最低点的。在曲线的左部，随pd减小，Uz上升很快。右半部随pd增加，Uz上升缓慢。pd的单位为1.33Pam：气体最低点燃电压Uzmin和与之对应的pdk值不仅与气体有关，也与也与阴极材料有关阴极材料有关。20在真空容器中，若无空间电荷时，两极间电位分布如图所示，OA0成直线分布。放电后，在空间产生的正离子和电子的密度差不多。由于电子质量小、运动速度大，由于电子质量小、运动速度大，向阳极迁移率大。正离子则相反，质量大，向阴极运动速度小，所以堆积在阳

21、极附向阳极迁移率大。正离子则相反，质量大，向阴极运动速度小，所以堆积在阳极附近，这种正的空间电荷效应使两极间电场畸变，相当于使阳极近，这种正的空间电荷效应使两极间电场畸变，相当于使阳极A向阴极向阴极K移动，形成移动，形成等效阳极。等效阳极。两级间电压主要分布在阴极和等效阳极之间，也近似为直线分布，称为阴极位降。如图中OA1，OA2所示。等效阳极到阴极的距离用d1、d2表示，也称为阴也称为阴极位降区宽度。极位降区宽度。等效阳极实际改变了电场强度等效阳极实际改变了电场强度E，在气体点燃之前，场强E=Uz/d，在Uz作用下使电子得到了足够能量将气体点燃，进入自持放电阶段。在放电发展过程中，由于正空间

22、电荷的作用，形成的等效阳极逐渐靠近阴极K，即阳极相当由A处移至A1处，再移至A2处。由于阴阳极由于阴阳极之间距离的缩短使场强增加，之间距离的缩短使场强增加，E2=Uz/d2。当气体压强。当气体压强p不改变时，电子平均自由程不改变时，电子平均自由程不变，所以电子能量不变，所以电子能量eE2eE。但电子原来具有的能量eE足以使气体电离，无需更多的能量，降低极间电压Uz仍可持续放电过程。因此，一旦将气体点燃后，两极间电压因此，一旦将气体点燃后，两极间电压Uz将自动沿帕将自动沿帕邢曲线降至邢曲线降至Uzmin。此时等效阳极和阴极间距离用。此时等效阳极和阴极间距离用dk表表示。示。放电便进入了稳定的正常

23、辉光放电压。Uzmin是维持正常辉光放电所需电压。因此，当气体点燃后，极因此，当气体点燃后，极间电压将出现陡降现象。间电压将出现陡降现象。阴阴极极阳阳极极21EF段段在在E点以后，电流平稳增加，而电压维持不变。这时两极之间出现辉光。点以后，电流平稳增加，而电压维持不变。这时两极之间出现辉光。“正正常辉光放电区常辉光放电区”。在此阶段，放电自动调整阴极轰击面积。最初，轰击不均匀，主要集在此阶段，放电自动调整阴极轰击面积。最初，轰击不均匀，主要集中在阴极边缘附近或表面不规则处。但随着电源功率的增加，轰击区逐渐增大，直到阴中在阴极边缘附近或表面不规则处。但随着电源功率的增加，轰击区逐渐增大，直到阴极

24、面上的电流密度均匀为止。极面上的电流密度均匀为止。辉光放电：随着电压继续增加，电流一直增加直到辉光放电：随着电压继续增加，电流一直增加直到C点，电压突然降低，此时表明气体点，电压突然降低，此时表明气体已被击穿，已被击穿，Ub是击穿电压（点燃电压）。是击穿电压（点燃电压）。被击穿的气体发光放电称为辉光放电被击穿的气体发光放电称为辉光放电。这时的。这时的电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击，而不是自然的游离离子和电子，所以电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击，而不是自然的游离离子和电子，所以称为自持放电。此时的电流密度与电压无关，而与极板上产生辉光的表面积有关，与阴称为自持放电。此时的

25、电流密度与电压无关，而与极板上产生辉光的表面积有关，与阴极材料及其形状、气体种类和压强有关。极材料及其形状、气体种类和压强有关。Un即即Uzmin由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所以有时溅射选择在由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所以有时溅射选择在异常辉光放电区异常辉光放电区工作。工作。22FG段段“异常辉光放电区异常辉光放电区”。整个阴极表面都在离子轰击的范围内后，继续增。整个阴极表面都在离子轰击的范围内后，继续增加功率，会使放电区内的电流密度随着电压的增加而增加。加功率，会使放电区内的电流密度随着电压的增加而增加。异常辉光放电：在整个阴极表面都受到离子的轰击后，电流密度将和电压同

26、时异常辉光放电：在整个阴极表面都受到离子的轰击后，电流密度将和电压同时继续增加，阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已经布继续增加，阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光已经布满整个阴极表面，再增加电流，离子层无法向周围扩散，便向阴极靠拢，使得满整个阴极表面，再增加电流，离子层无法向周围扩散，便向阴极靠拢，使得二者的距离缩短。如果要进一步增大电流密度，就需增加阴极压降，给予离子二者的距离缩短。如果要进一步增大电流密度，就需增加阴极压降，给予离子更大的能量轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。更大的能量轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。23G点以后点以后“弧光放电区

27、弧光放电区”。此时的两极电压突然降低到很小的数值，电流越。此时的两极电压突然降低到很小的数值，电流越大，电压越小，电流主要由外电阻决定。大，电压越小，电流主要由外电阻决定。弧光放电：异常辉光放电在有些因素的影响下，有可能变化为弧光放电。此时弧光放电：异常辉光放电在有些因素的影响下，有可能变化为弧光放电。此时两级板之间的电压陡降，电流又在增加，相当于极间短路。放电集中在阴极的两级板之间的电压陡降，电流又在增加，相当于极间短路。放电集中在阴极的某个区域，可能使局部电流密度过高而烧毁阴极靶。而且，较大的电流也可能某个区域，可能使局部电流密度过高而烧毁阴极靶。而且，较大的电流也可能损坏电源。损坏电源。

28、24注意事项注意事项（1）尽量避免电流密度达到）尽量避免电流密度达到0.1A/cm2，出现弧光放电。，出现弧光放电。（2）在异常辉光放电阶段，大量离子在负辉光区域中。）在异常辉光放电阶段，大量离子在负辉光区域中。如果在这一区域正好有其他物体存在，就会对阴极造成如果在这一区域正好有其他物体存在，就会对阴极造成阴影，影响放电的均匀性。阴影，影响放电的均匀性。（3）阴极附近的其他物体可能受到离子的轰击而产生其）阴极附近的其他物体可能受到离子的轰击而产生其他杂质混入沉积的薄膜中。无关零件应远离阴极和沉积他杂质混入沉积的薄膜中。无关零件应远离阴极和沉积区。区。25二二 直流辉光放电区域划分直流辉光放电区

29、域划分辉光放电是气体的自持放电过程辉光放电是气体的自持放电过程（1）阿斯顿暗区：从阴极表面发出的电子，刚从阴极跑出，能量较低，不足以使）阿斯顿暗区：从阴极表面发出的电子，刚从阴极跑出，能量较低，不足以使气体原子激发或者电离。气体原子激发或者电离。（2）阴极辉光区：电子加速到能量足够引起气体原子激发，然后激发态的气体原）阴极辉光区：电子加速到能量足够引起气体原子激发，然后激发态的气体原子衰变和进入此区域的离子复合产生辉光。子衰变和进入此区域的离子复合产生辉光。 （3）阴极暗区（克鲁克斯暗区）：电子能量进一步加大到引起气体原子电离，产）阴极暗区（克鲁克斯暗区）：电子能量进一步加大到引起气体原子电离

30、，产生大量离子和电子，但不发生可见光。由于电子质量小，容易被加速，可迅速离生大量离子和电子，但不发生可见光。由于电子质量小，容易被加速，可迅速离开阴极暗区，而离子的质量较大，向阴极移动的速度较慢，所以正离子组成了空开阴极暗区，而离子的质量较大，向阴极移动的速度较慢，所以正离子组成了空间电荷并在该处聚集起来，正空间电荷的存在使电场严重变形，形成等效阳极。间电荷并在该处聚集起来，正空间电荷的存在使电场严重变形，形成等效阳极。使此区域的电位升高，与阴极形成很大的电位差（阴极辉光放电的阴极压降），使此区域的电位升高，与阴极形成很大的电位差（阴极辉光放电的阴极压降），阴极的压降主要在此区域。该区域的电场

31、强度很大，正离子加速轰击阴极，产生阴极的压降主要在此区域。该区域的电场强度很大，正离子加速轰击阴极，产生二次电子发射。以上三区总称阴极区。二次电子发射。以上三区总称阴极区。video26（4）负辉光区：在阴极暗区产生的电子多数能量不大，进入负辉区后，可以和离子）负辉光区：在阴极暗区产生的电子多数能量不大，进入负辉区后，可以和离子复合或产生激发碰撞。因此有大量的激发发光和复合发光。此区域的光最强。复合或产生激发碰撞。因此有大量的激发发光和复合发光。此区域的光最强。（5）法拉第暗区：大部分电子在上一区损失了能量，而此区的电场强度较弱，不足）法拉第暗区：大部分电子在上一区损失了能量，而此区的电场强度

32、较弱，不足以引起激发，从而产生暗区。以引起激发，从而产生暗区。（6）正离子柱：少数电子逐渐加速，并在空间与气体分子碰撞产生电离。因为电子）正离子柱：少数电子逐渐加速，并在空间与气体分子碰撞产生电离。因为电子数量少，产生的正离子不多，形成正离子与电子密度相等的区域，类似于一个良导体，数量少，产生的正离子不多，形成正离子与电子密度相等的区域，类似于一个良导体，成为等离子体。成为等离子体。阴阳极的电位降主要发生在负辉区之前。维持辉光放电的电离大部分在阴极暗区。这阴阳极的电位降主要发生在负辉区之前。维持辉光放电的电离大部分在阴极暗区。这是是PVD、CVD等薄膜沉积所用的气体放电中，我们最感兴趣的两个区

33、域。等薄膜沉积所用的气体放电中，我们最感兴趣的两个区域。27阴极位降区阴极位降区阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的部分，自持放电主要阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的部分，自持放电主要在这个区域中进行。在辉光放电溅射镀膜和离子镀膜中，入在这个区域中进行。在辉光放电溅射镀膜和离子镀膜中，入射离子的能量是由阴极位降确定的。粗略估计，可以认为阴射离子的能量是由阴极位降确定的。粗略估计，可以认为阴极位降近似等于放电电压。阴极位降的大小又与维持辉光放极位降近似等于放电电压。阴极位降的大小又与维持辉光放电所必需的二次电子的放出效果，电子在阴极暗区产生的一电所必需的二次电子的放出效果，电子在阴极暗区产生的一

34、次电离效果相联系。因此，阴极位降即放电电压的大小要由次电离效果相联系。因此，阴极位降即放电电压的大小要由阴极材料，放电气体离子的种类，放电气压，阴极电流密度阴极材料，放电气体离子的种类，放电气压，阴极电流密度来决定。来决定。28辉光放电的产生条件：辉光放电的产生条件：（1）放电开始前，放电间隙中电场是均匀的或不均匀性不）放电开始前，放电间隙中电场是均匀的或不均匀性不大；大；（2）放电主要靠阴极发射电子的过程来维持；）放电主要靠阴极发射电子的过程来维持；（3）放电气压）放电气压P一般需要保持在一般需要保持在4102 Pa范围内。太高，范围内。太高，可能出现弧光放电，太低可能不能产生放电现象。可能

35、出现弧光放电，太低可能不能产生放电现象。（4）辉光放电电流密度一般为）辉光放电电流密度一般为10-1102 mA/cm2,而电压为而电压为3005000V，属于高电压、小电流密度放电。，属于高电压、小电流密度放电。29辉光放电阴极附近的分子状态：辉光放电阴极附近的分子状态：阿斯顿暗区：阿斯顿暗区：从阴极发射的电子的初始能量只有从阴极发射的电子的初始能量只有1eV左右，所以与气体分子不发左右，所以与气体分子不发生相互作用，因此中性分子居多，且处于基态；其次还有些溅射原子。生相互作用，因此中性分子居多，且处于基态；其次还有些溅射原子。阴极辉光区：阴极辉光区：电子的能量进一步增加，使气体分子激发，当

36、其跃迁回到基态就发电子的能量进一步增加，使气体分子激发，当其跃迁回到基态就发出光波。还有一部分进入到此区域的离子发生和电子复合发光。所以此处激发态出光波。还有一部分进入到此区域的离子发生和电子复合发光。所以此处激发态原子最多，其次是在电场作用下迁移来的离子。原子最多，其次是在电场作用下迁移来的离子。30克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区：电子的能量逐渐增加，使大量的气体分子电离。此处的离子数：电子的能量逐渐增加，使大量的气体分子电离。此处的离子数量最多。量最多。负辉光区负辉光区：在克鲁克斯暗区产生的大量低速电子加速后又获得能量，激发气体：在克鲁克斯暗区产生的大量低速电子加速后又获得能量，激发气体分子发光

37、。所以此区的激发原子再次增多。分子发光。所以此区的激发原子再次增多。31溅射现象的两个主要问题：溅射现象的两个主要问题：（1）克鲁克斯暗区形成的大量正离子会在电场作用下冲）克鲁克斯暗区形成的大量正离子会在电场作用下冲击阴极；击阴极；（2）当两极板之间的电压不变，距离改变时，阴极到负）当两极板之间的电压不变，距离改变时，阴极到负辉光区的距离几乎不变，变化的主要是阳极光柱的长度。辉光区的距离几乎不变，变化的主要是阳极光柱的长度。因为两极间的压降主要发生在阴极到负辉区之间。因此阳因为两极间的压降主要发生在阴极到负辉区之间。因此阳极（基板）至少应放在负辉光区以外远离阴极的一边。极（基板）至少应放在负辉

38、光区以外远离阴极的一边。32正常辉光放电和异常辉光放电：正常辉光放电和异常辉光放电：特性特性正常辉光放电正常辉光放电异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的提高而减小阴极位降区宽度和电流无关和气压成反比随电流增加而减小随电压增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的阴极位降区宽度正常辉光放电的阴极位降区宽度dk由下式决定：由下式决定：式中，式中，A为常数。可知，为常数。可知，dk与与p成反比。正常辉光放电的电流密度一定。因此，成反比。正常辉光放电的电流密度一定。因此，在一

39、定气压时，在一定气压时，dk一定。一定。Apjdk)11ln(82. 033异常辉光放电的阴极位降异常辉光放电的阴极位降Uka和阴极位降区宽度和阴极位降区宽度dka由下式决定：由下式决定：akaakajHpGdpFjEU整理二式得：整理二式得：式中，式中，E，F，G，H为常数，可由下表查知为常数，可由下表查知EUHFGdpkaka34射频辉光放电：射频辉光放电：概念：概念：交流电压的频率增加到射频频率时，就可以产生稳定的射频辉光放电。交流电压的频率增加到射频频率时，就可以产生稳定的射频辉光放电。特征：特征：（1）放电空间产生的电子可以获得足够的能量，从而产生碰撞电离。减少了对）放电空间产生的电

40、子可以获得足够的能量，从而产生碰撞电离。减少了对二次电子的依赖，降低了击穿电压。二次电子的依赖，降低了击穿电压。（2）射频电压可以通过任何类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要是良好的）射频电压可以通过任何类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要是良好的导体。所以可以实现任何材料的溅射，应用非常广泛。导体。所以可以实现任何材料的溅射，应用非常广泛。放电过程：放电过程：一般射频频率达到一般射频频率达到530MHz范围，就可产生射频放电。此时外加电范围，就可产生射频放电。此时外加电压的变化周期很短，而且小于电离和消电离所需的时间。压的变化周期很短，而且小于电离和消电离所需的时间。对等离子体，对等离子体，

41、其浓度来不及变化；其浓度来不及变化；对离子，对离子，质量大，来不及进行有效移动，可近似认为不动。正离子在空间不动，质量大，来不及进行有效移动，可近似认为不动。正离子在空间不动，形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。对电子，对电子，质量小，容易在电场作用下在射频场内来回振荡。经过放电空间的路质量小，容易在电场作用下在射频场内来回振荡。经过放电空间的路程较长，因此能增加与气体分子的碰撞几率，使电离能力显著提高，降低击穿程较长，因此能增加与气体分子的碰撞几率，使电离能力显著提高，降低击穿电压和工作电压。电压和工作电压。低频交流辉光放电低频交流辉光放电概念：概

42、念：在频率低于在频率低于50kHz的交流电压下，离子有足够的活动性，也有足够的时间的交流电压下，离子有足够的活动性，也有足够的时间在每个半周的时间内，产生辉光放电。与直流放电的区别仅仅在于两个电极交替在每个半周的时间内，产生辉光放电。与直流放电的区别仅仅在于两个电极交替地成为阴极和阳极。实际用处不大。地成为阴极和阳极。实际用处不大。35三三 溅射的特性溅射的特性 表征溅射特性的参量主要有表征溅射特性的参量主要有溅射阀值、溅射率溅射阀值、溅射率以及以及溅射粒子的速度溅射粒子的速度和和能量能量等。等。1溅射阈值溅射阈值 溅射阈值溅射阈值指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有指使靶材原子发生溅射的

43、入射离子所必须具有的最小能量。入射离子不同时溅射阈值变化很小，而对不同的最小能量。入射离子不同时溅射阈值变化很小，而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显，即靶材溅射阀值的变化比较明显，即溅射阈值主要取决于靶材溅射阈值主要取决于靶材料料，与离子质量无明显依赖关系。与离子质量无明显依赖关系。 绝大多数金属的溅射阈值绝大多数金属的溅射阈值为为1030eV, 相当于升华热的相当于升华热的4倍倍溅射阈值与离子质量没有明显的依赖关系，而主要取决于靶溅射阈值与离子质量没有明显的依赖关系，而主要取决于靶材。材。对于同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数的增加而对于同一周期的元素，溅射阈值随着原子序数的增加而减小减小

44、。362溅射率溅射率溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从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。又称阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数溅射产额或溅射系数，常用，常用S表表示。示。溅射率与溅射率与入射离子入射离子种类、能量、角度及种类、能量、角度及靶材靶材的类型、晶的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还单晶靶材还与表面取向有关。与表面取向有关。（1）靶材料）靶材料 a.溅射率溅射率S 随靶材元素原子序数增加而增大。随靶材元素原子序数增加而增大。 b.晶格结构不同，晶格结构不同，S不同。不

45、同。 c.与表面清洁度有关，清洁度高，与表面清洁度有关，清洁度高，S大。大。 d.升华热大，升华热大，S小。小。3738（2 2）入射离子能量）入射离子能量离子能量在阈值离子能量在阈值500eV 500eV 之间，溅射产额与离子能量的平方呈正比；之间，溅射产额与离子能量的平方呈正比；500eV500eV1keV1keV之间，溅射产额与离子能量呈正比；之间，溅射产额与离子能量呈正比；1keV1keV50keV50keV之间，溅射产额与离子能量的平方根呈正比；之间，溅射产额与离子能量的平方根呈正比；离子能量继续增加，离子能量继续增加，因为产生离子注入效因为产生离子注入效应。溅射产额下降。应。溅射产

46、额下降。轰击离子越重，出现轰击离子越重，出现下降的能量越高。下降的能量越高。39一般的，溅射率（一般的，溅射率（S）和入射离子能量）和入射离子能量E有如下经验关系：有如下经验关系：其中，其中，Eth是原子从晶格点阵被碰离位，产生碰撞级联所必需的能量阈是原子从晶格点阵被碰离位，产生碰撞级联所必需的能量阈值，是值，是Us和质量比和质量比M2/M1的函数，的函数，M2样品原子质量，样品原子质量，M1入射离子质量。入射离子质量。Sn(E)弹性碰撞阻止截面，弹性碰撞阻止截面，Us是表面结合能。是表面结合能。)(1)()/(042. 02/112EEESUMMSthns3/223/210212221211

47、2218853. 0,)88. 6708. 1(335. 61)718. 2lg(411. 34)(ZZaaMMMeZZaESSMMMeZaZESnnn其中，其中，a0是氢原子第一是氢原子第一玻尔轨道半径，其数值玻尔轨道半径，其数值大约为大约为0.529，e是电是电子电量，子电量，Z1和和Z2分别是分别是入射离子和样品原子的入射离子和样品原子的原子序数。原子序数。40和和Eth可由下列关系式给出：可由下列关系式给出：因此，对于单原子样品的溅射，利用上述半经验公式，求出溅射率的因此，对于单原子样品的溅射，利用上述半经验公式，求出溅射率的大小是完全可能的。大小是完全可能的。115. 3/;)/(7

48、91. 2809. 5115. 3/;)/(46.11143. 4163. 2/;)/(6092. 04137. 0163. 2/;)/(0842. 01019. 0124816. 012125004. 012121708. 012129805. 012MMMMMMMMUEMMMMMMMMsth41（3）入射离子的种类）入射离子的种类入射离子的原子量越大，溅射率越高。周期表的同一行中，入射离子的原子量越大，溅射率越高。周期表的同一行中，电子壳层填满的元素（惰性气体）有最大的溅射率。周期电子壳层填满的元素（惰性气体）有最大的溅射率。周期表的同一列中，中间部位元素的溅射率最小。表的同一列中，中间部

49、位元素的溅射率最小。一般采用一般采用惰性气体惰性气体作为入射离子，作为入射离子，既既有较高的溅射率，有较高的溅射率，也能避免与靶材发也能避免与靶材发生化学反应。生化学反应。考虑考虑到成本，一般选用到成本，一般选用氩气氩气。各种惰性气。各种惰性气体的溅射率差别不体的溅射率差别不大。大。42（4）入射离子的入射角）入射离子的入射角概念：入射离子的入射方向与靶材表面法线之间的夹角。概念：入射离子的入射方向与靶材表面法线之间的夹角。入射角在入射角在6080时，溅射速率最大，时，溅射速率最大，90 时为时为0。对。对于不同的靶材和入射离子，存在最佳入射角度。于不同的靶材和入射离子，存在最佳入射角度。43

50、轻元素靶材和重入射离子，角度变化对溅射率更灵敏。轻元素靶材和重入射离子，角度变化对溅射率更灵敏。随着入射离子能量的增加，最大溅射率对应的入射角度越大。随着入射离子能量的增加，最大溅射率对应的入射角度越大。解释：入射离子所具有的能量轰击靶材，将引起靶表面原子解释：入射离子所具有的能量轰击靶材，将引起靶表面原子的级联碰撞。此级联碰撞的扩展范围与入射离子的角度有关。的级联碰撞。此级联碰撞的扩展范围与入射离子的角度有关。在在大入射角情况下大入射角情况下，级联碰撞集中在浅表面层，妨碍了碰撞，级联碰撞集中在浅表面层，妨碍了碰撞范围的拓展，使溅射率下降；范围的拓展，使溅射率下降；小入射角情况下小入射角情况下

51、，离子以弹性，离子以弹性方式从表面反射出来，反射离子对后来的入射离子有屏蔽阻方式从表面反射出来，反射离子对后来的入射离子有屏蔽阻挡作用，所以在入射角为挡作用，所以在入射角为6080时，阻挡作用最小，时，阻挡作用最小，轰击效果最好。轰击效果最好。44 （5）靶材温度）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，在华能相关的某温度值有关，在低于低于此温度时，溅射率几乎此温度时，溅射率几乎不变不变。但是，。但是，超过此温度超过此温度时，溅射率将时，溅射率将急剧增大急剧增大。45 3溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速

52、度（1） 溅射原子溅射原子的能量比的能量比蒸发原子蒸发原子的能量大：的能量大： 一般由一般由蒸发源蒸发蒸发源蒸发出来的原子的能量为出来的原子的能量为 0.1ev 左右。左右。 溅射溅射中，由于溅射原子是与高能量（几百中，由于溅射原子是与高能量（几百-几千几千 ev） 入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，溅射原子具有溅射原子具有 较大的能量。较大的能量。一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子 能量大能量大 1-2 个数量级，约个数量级，约5-10 ev。 （2）影响溅射原子的能量的影响溅射原子的能量的因素：因素： 溅射原子的能

53、量与溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类靶材料、入射离子的种类和和能量能量以以及及溅射原子的方向性溅射原子的方向性有关。有关。46不同能量的离子轰击相同靶材时，溅射原子能量分布呈麦克不同能量的离子轰击相同靶材时，溅射原子能量分布呈麦克斯韦分布，平均能量为斯韦分布，平均能量为1040eV；入射离子能量大于；入射离子能量大于1000eV后，平均能量不再增加。后，平均能量不再增加。相同能量的离子轰击不同靶材时，溅射原子的平均能量与靶相同能量的离子轰击不同靶材时，溅射原子的平均能量与靶材有关。材有关。47同种离子轰击不同靶材时，溅射原子的平均逸出能量在原同种离子轰击不同靶材时，溅射原子的平均逸出能量

54、在原子序数大于子序数大于20后，差别较大。平均逸出速度差异较小。后，差别较大。平均逸出速度差异较小。48溅射原子的溅射原子的能量能量和和速度速度具有以下几个具有以下几个特点：特点：(1)重元素靶材重元素靶材被溅射出来的原子有被溅射出来的原子有较高的逸出能量较高的逸出能量，而，而轻元素靶材轻元素靶材则有则有高的原子逸出速度高的原子逸出速度；(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,溅射率高的靶材料，通常有较溅射率高的靶材料，通常有较低的平均原子逸出能量；低的平均原子逸出能量；(3)在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，在相同的轰击能量下，原子逸

55、出能量随入射离子质量线性增加，轻入轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，射离子溅射出的原子其逸出能量较低，约为约为10 eV ，而，而重入射离子溅射出重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大，的原子其逸出能量较大，平均达到平均达到3040eV，与溅射率的情形相类似；，与溅射率的情形相类似；(4) 溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量增加而增大，当入射离子溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量达到能量达到1keV以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值;(5) 在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这符合溅射的碰撞过程遵循在倾斜方向逸出的原子具有

56、较高的能量，这符合溅射的碰撞过程遵循动量和能量守恒定律动量和能量守恒定律。* 此外，此外，实验结果表明，靶材的结晶取向与晶体结构对逸出能量影响不大实验结果表明，靶材的结晶取向与晶体结构对逸出能量影响不大。溅射率高的靶材料通常具有较低的平均逸出能量溅射率高的靶材料通常具有较低的平均逸出能量。494溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布 早期早期的溅射理论（的溅射理论（溅射的热峰蒸发理论）溅射的热峰蒸发理论）认为：认为： 溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了局部高温区局部高温区，从而从而导致靶材料的蒸发导致靶材料的蒸发，逸出原子呈现，逸出原子呈现余弦分布余弦分

57、布规律，并且规律，并且与入射离子的方向性无关与入射离子的方向性无关。 进一步研究进一步研究发现：发现：（1）用低能离子轰击时，逸出原子的分布）用低能离子轰击时，逸出原子的分布并不服从余弦分布并不服从余弦分布定律。垂直于靶表面方向定律。垂直于靶表面方向逸出的原子数明显地逸出的原子数明显地少少于按余弦分于按余弦分布时应有的逸出原子布时应有的逸出原子 数数（2）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同 （3）改变改变轰击离子的轰击离子的入射角入射角时，逸出原子数在入射的正反射时，逸出原子数在入射的正反射 方向显著增加方向显著增加（4）溅射原子的逸

58、出主要）溅射原子的逸出主要方向与晶体结构方向与晶体结构有关有关。5051四溅射过程四溅射过程 溅射过程包括溅射过程包括靶的溅射靶的溅射、逸出粒子的形态逸出粒子的形态、 溅射粒子向基片的迁移溅射粒子向基片的迁移和和在基板上成膜的过程在基板上成膜的过程。1 1靶材的溅射过程靶材的溅射过程当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子发生溅射。这是靶材在溅射时发生溅射。这是靶材在溅射时主要发生的一个过程。主要发生的一个过程。 实际上，实际上，溅射过程十

59、分复杂溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体，当高能入射离子轰击固体表面时，会产生如表面时，会产生如图图 所示的所示的许多效应许多效应。除了靶材的中性粒。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最终淀积为薄膜之外，其他一些效应会子，即原子或分子最终淀积为薄膜之外，其他一些效应会对溅射膜层的生长产生很大的影响。对溅射膜层的生长产生很大的影响。52其他过程：其他过程：入射离子从靶表面发射；入射离子从靶表面发射；入射离子在轰击过程中捕获电子后成为中性原子或分子，从入射离子在轰击过程中捕获电子后成为中性原子或分子，从表面反射；表面反射；离子轰击靶引起靶表面逸出次级电子；离子轰击靶引起靶表面逸出次级电子；离子

60、深入靶表面产生注入效应；吸附气体的解析；离子深入靶表面产生注入效应；吸附气体的解析；辐射射线等。辐射射线等。除了中性离子沉积成薄膜除了中性离子沉积成薄膜外，其他效应会对溅射膜外，其他效应会对溅射膜层的生长产生很大的影响。层的生长产生很大的影响。而且，这些效应同样会作而且，这些效应同样会作用于待镀的基片上。因为用于待镀的基片上。因为一般基片接地，相对于阳一般基片接地，相对于阳极处于负电位。极处于负电位。532 2溅射粒子的迁移过程溅射粒子的迁移过程 靶材受到轰击所逸出的粒子中，靶材受到轰击所逸出的粒子中，正离子正离子由于由于反向电场反向电场的作用不能到的作用不能到达基片表面，其余的粒子均会向基片