第二章 物理气相沉积.ppt

第二章 物理气相沉积 物理气相沉积分类 2.1 蒸发技术（Evaporation） 几种介质材料的蒸气压与温度的关系 不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率 2.3.4 溅射速率和淀积速率 （1）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射 （2）射频（高频）溅射 2.3.6 反应溅射 热蒸发粒子的平均能量只有0.1~0.2eV，而溅射粒子可达10~20eV，比热蒸发高出二个数量级。 2.4 离子镀（Ion plating） PVD总结 溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区的电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系： 气体辉光放电 E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数 弧光放电区： U↑→阴极强电场↑→暗区收缩↓ dc：暗区厚度 A、B为常数 j0.1A/cm2, U↓→j↑（弧光放电） 气压P太低，两极间距太小： 没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭 气压P太高： 二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电 溅射过程的机理解释： （1）离子轰击局部瞬时加热而蒸发 （因与实验观察不符而被否定） （2）动量理论(级联碰撞理论) 离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。 （研究溅射的基础） 2.3.2 溅射阈和溅射率 溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量 溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小 对大多数金属来说： 溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热 一些金属的溅射阈（eV） 溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数 影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热等 单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高 E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数 4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传递的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子 溅射率与入射离子能量的关系 溅射率与离子入射角的典型关系 溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关 150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 104eV：下降（注入增加） 0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0 溅射率与靶材原子序数的关系 同周期元素：溅射率随原子序数增大而增加 Ag、 Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小 Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系 温度低时：几乎不变化 超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大） 溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射率值来确定，存在较大的差异性。 2.3.3 溅射粒子的速度和能量 溅射Cu原子速度分布图 He+：平均速度?=4?105 cm/s 平均能量 E=1/2m?2=4.5 eV Ar+：平均速度?=3~6?105 cm/s 平均能量 E=30~40 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV （1）溅射速率： N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率， M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。 （2）扩散速率： D：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度， P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。 （3）淀积速率： α1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。 2.3.5 溅射的种类 阴极溅射原理图 三极（四极）溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射 射频溅射原理图 可溅射绝缘体。 高频范围：5~30MHz（一般rf＝13.56MHz ） （3）磁控溅射 磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中电子的运动轨迹，改进溅射的工艺 电子在正交电磁场中的作用力： 采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.3~0.5% 5~6% 电子在正交电磁场中的运动轨迹 磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪 衬底：“近冷”态 磁控溅射电极类型 应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：