4+5第三章+溅射镀膜+第1,2节.pptVIP

溅射的基本原理——溅射镀膜过程 例题：Ar+离子溅射铜靶，已知 （0℃，133Pa） 求溅射离子的平均自由程？ 解：代入公式 溅射镀膜的气体压力一般为101-10-1Pa，其平均自由程为1-10cm，因此，靶和基片的距离与溅射粒子的平均自由程大致相当。 溅射粒子到达基片时的能量相当与蒸发原子的几十至上百倍。 溅射的基本原理——溅射镀膜过程 溅射粒子的成膜过程 成膜机理将在薄膜物理部分讲，这里介绍几个相关问题。 （1）淀积速率 定义：淀积速率 是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的薄膜厚度。 式中， 是与溅射装置有关的特征常数， 是离子电流， 是溅射率。 溅射的基本原理——溅射镀膜过程 （2）淀积薄膜的纯度 纯度——杂质——残余气体 基本关系： 设真空室体积 ，残余气体分压 ，氩气分压 ，残余气体量 ，氩气量 ，则有 提高纯度——降低残余气体压力——提高真空度、增加氩气量。 溅射的基本原理——溅射镀膜过程 （3）淀积过程中的污染 系统内部表面吸附的气体、水汽和二氧化碳； 扩散泵油的回流引起的污染； 基片表面吸附的固体颗粒，产生针孔和淀积污染； 气体和靶材的纯度； （4）溅射条件的控制 溅射气体或工作气体 溅射率高、对靶材呈惰性、价廉、高纯 溅射电压和基片电位 基片温度 预溅 综合考虑靶材、基片、气氛、温度、几何结构、真空度、电场及磁场等参数。 溅射的基本原理——溅射机理 ★ 溅射机理 溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小； 溅射率的大小与入射离子的质量有关； 当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射； 溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍； 入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦定律，与入射离子方向有关； 电子轰击靶材不会发生溅射现象。 溅射的基本原理——溅射机理 溅射理论的发展 1853年Grove就观察到了溅射现象，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。 溅射的基本原理——溅射机理 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。 1969年，Sigmund在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson汤普森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，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” (thermalized spike) 效应。 溅射的基本原理——溅射机理 热蒸发理论（早期理论） 认为：溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。 可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系； 可以解释溅射原子的余弦分布规律； 不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律，以及溅射率与质量关系等。 溅射的基本原理——溅射机理 动量转移理论 深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程，并被人们广泛接受。 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。 碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面的原子从近邻原子得到越来越多的能量。 当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。 溅射的基本原理——溅射机理 低能离子同靶原子之间的相互作用主要是原子核之间的弹性碰撞，尤其是对金属靶材料。 金属中电子的驰豫时间约为10-19秒，而对于一个能量为10keV的Ar离子，在金属中穿行1mm所需的时间约为10-13秒，这样电子在这么短的时间内获得的能量不足以造成靶原子的移位。 同样在低能情况下，靶原子之