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1、1,2.3 溅射（Sputtering）,2.3.1 溅射的基本原理 荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射,荷能粒子：离子 （易于在电磁场中加速或偏转）,伴随着离子轰击固体表面的各种现象（右图）： 1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象,95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子,溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1,2,直流辉光放电过程的形成 VB： 击穿电压,3,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，
2、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,4,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, Uj（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,5,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
3、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）,6,2.3.2 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,7,一些金属的溅射阈（eV）,8,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（
4、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,9,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,104eV：下降（注入增加）,060o：单调增加 7080o：最大 90o：0,10,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,11,Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系,温度低时：几乎不变
5、化 超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大）,不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率,12,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。,13,2.3.3 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=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eV Ar+：平均速度=36105 cm/s 平均能量 E=3040 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV,2.3.4 溅射速率和淀积速率,14,（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。
6、 （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：,1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。,（1）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射,15,2.3.5 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,（2）射频（高频）溅射,16,射频溅射原理图,可溅射绝缘体。 高频范围：530MHz（一般rf13.56MHz ）,17,（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：
7、采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.30.5% 56%,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,18,磁控溅射电极类型,2.3.6 反应溅射,19,应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法： 高频溅射 反应溅射，特别是磁控反应溅射 例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物 在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等 反应物之间产生反应的必要条件：反应物分子必须有足够高的能量以克服分子间的势垒,20,势垒与能量关系为： Ea=NA Ea为反应活化能，NA为阿佛伽
8、德罗常数。,根据过渡态模型理论，两种反应物的分子进行反应时，首先经过过渡态以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。,Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能 x：反应物初态能量 W：终态能量 T：活化络合物能量 E：反应物与生成物能量之差,热蒸发粒子的平均能量只有0.10.2eV，而溅射粒子可达1020eV，比热蒸发高出二个数量级。,21,蒸发与溅射粒子的能量分布图,22,其中能量大于反应活化能Ea的粒子数分数可近似地表示为：,假设只有能量大于Ea的粒子能参与反应，那么，溅射粒子的反应度必然远远大于蒸发粒子。,由于平均能量，因此溅射分子
9、或原子的能量大于Ea的分数,同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数,式中 和 分别为溅射和蒸发粒子的平均动能 由图可以看出，能量EEa的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数：,23,若两种反应物处在同一能量状态，则Ti、Zn和O2的反应活化能Ea大约分别为0.2eV和0.17eV，但常温基板表面的氧分子完全处于钝化态（可能有百分之几的离子氧），因此，膜料粒子最小的反应能阈值至少增加一倍，即Ti、Zn与O2反应至少要有0.4和0.34eV的能量。 设溅射原子的平均动能为15eV，由式(2-1)和(2-2)，则大约有98%的溅射Ti原子和Zn原子能量大于Ea，而蒸发Ti原子和Zn原子分别只有10%和0.5%左右。,举例来说，Ti和Zn与氧反应，反应方程式是,24,若用平均动能代替温度T，则,参加反应的高能粒子越多，反应速度越快 反应速度与活化能Ea的关系为,是反应速度常数 R是气体常数 C是有效碰撞的频率因子,