物理氣相淀積

1、12009-10-182物理氣相淀積物理氣相淀積利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或濺射，實現物質的轉移，即利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或濺射，實現物質的轉移，即原子或分子由源轉移到襯底硅表面上，并淀積成薄膜。原子或分子由源轉移到襯底硅表面上，并淀積成薄膜。兩種基本的物理氣相淀積技術：兩種基本的物理氣相淀積技術：真空蒸發(fā)真空蒸發(fā) 在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表在真空條件下，加熱蒸發(fā)源，使原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出，形成蒸氣流并入射到硅片面逸出，形成蒸氣流并入射到硅片(襯底襯底)的表面，凝結成固的表面，凝結成固態(tài)薄膜。態(tài)薄膜。濺射濺射 具有一定能量的具有一定能量的入射離子入射離子在對固體

2、表面轟擊時，入射離在對固體表面轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉移，子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉移，并可能將固體表面的原子濺射出來，濺射原子沿一定方向射并可能將固體表面的原子濺射出來，濺射原子沿一定方向射向襯底，實現薄膜淀積。向襯底，實現薄膜淀積。2015-11-23兩種物理氣相淀積方法的特點兩種物理氣相淀積方法的特點2009-10-1845.1 真空鍍膜法的基本原理真空鍍膜法的基本原理5.2 蒸發(fā)源蒸發(fā)源5.3 氣體輝光放電氣體輝光放電5.4 濺射濺射2009-10-185真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)材料在高溫時所具有的飽和蒸氣真空蒸發(fā)就是利用蒸發(fā)

3、材料在高溫時所具有的飽和蒸氣壓進行薄膜制備，也稱為壓進行薄膜制備，也稱為熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)。優(yōu)點：優(yōu)點：設備簡單、操作容易、制備的薄膜純度比較高、厚度控設備簡單、操作容易、制備的薄膜純度比較高、厚度控制較精確、成膜速度快、生長機理簡單。制較精確、成膜速度快、生長機理簡單。缺點：缺點：制備薄膜與襯底的附著力較小、工藝重復性不理想、臺制備薄膜與襯底的附著力較小、工藝重復性不理想、臺階覆蓋能力差。階覆蓋能力差。2009-10-1861. 真空蒸發(fā)設備的三大組成部真空蒸發(fā)設備的三大組成部分及功用分及功用1) 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境；環(huán)境；2) 蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)

4、源的裝置，：放置蒸發(fā)源的裝置，以及加熱和測溫的裝置；以及加熱和測溫的裝置；3) 基板及加熱系統(tǒng)基板及加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用來：該系統(tǒng)是用來放置硅片放置硅片(襯底襯底)，對襯底加熱及，對襯底加熱及測溫裝置等。測溫裝置等。至真空系統(tǒng)至真空系統(tǒng)少量氣體由抽少量氣體由抽空系統(tǒng)倒流空系統(tǒng)倒流真空罩真空罩基片夾和基片夾和加熱器加熱器2009-10-1871) 加熱蒸發(fā)過程加熱蒸發(fā)過程 將蒸發(fā)源加熱至熔點，使固態(tài)源表面原子易于溢出，轉將蒸發(fā)源加熱至熔點，使固態(tài)源表面原子易于溢出，轉化為蒸氣。化為蒸氣。2) 氣化原子或分子氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的在蒸發(fā)源與基片之間的輸運過程輸運過程 原子或分子在真空環(huán)

5、境中，由源飛向硅片，飛行過程中原子或分子在真空環(huán)境中，由源飛向硅片，飛行過程中可能與真空室內的殘余氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數取決于可能與真空室內的殘余氣體分子發(fā)生碰撞，碰撞次數取決于真空度真空度以及硅片之間的距離。以及硅片之間的距離。3) 被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過程淀積過程 飛到襯底表面的原子在表面上凝結、成核和生長的過程。飛到襯底表面的原子在表面上凝結、成核和生長的過程。 2009-10-188 真空真空是指在給定空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)，也是指在給定空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)，也就是該空間的氣體分子密度低于該地區(qū)大氣壓的氣體就是該空間

6、的氣體分子密度低于該地區(qū)大氣壓的氣體分子密度。分子密度。 b) 測量單位：帕斯卡測量單位：帕斯卡(Pa) 1Pa就是就是1m2面積上作用面積上作用1N的壓力。的壓力。 1大氣壓大氣壓=1.03105Pa c) 真空度：表示真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度。真空度：表示真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度。 真空蒸發(fā)須在真空蒸發(fā)須在較高真空環(huán)境較高真空環(huán)境中進行，否則蒸發(fā)的原子或分中進行，否則蒸發(fā)的原子或分子與大量的殘余氣體分子碰撞，將使薄膜受到嚴重污染、形成子與大量的殘余氣體分子碰撞，將使薄膜受到嚴重污染、形成氧化物、難于形成均勻連續(xù)的薄膜。氧化物、難于形成均勻連續(xù)的薄膜。2009-10-189 汽化熱汽化熱真空

7、蒸發(fā)系統(tǒng)中，熱源將蒸發(fā)材料加熱到足夠高的溫真空蒸發(fā)系統(tǒng)中，熱源將蒸發(fā)材料加熱到足夠高的溫度，使其原子或分子獲得足夠的能量，度，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服固相克服固相(或液或液相相)的原子束縛的原子束縛而蒸發(fā)到真空中，并形成具有而蒸發(fā)到真空中，并形成具有一定動能一定動能的氣相原子或分子，這個能量就稱為的氣相原子或分子，這個能量就稱為汽化熱汽化熱。 飽和蒸氣壓及凈蒸發(fā)的發(fā)生條件飽和蒸氣壓及凈蒸發(fā)的發(fā)生條件在一定溫度下在一定溫度下，真空室內蒸發(fā)物質的蒸氣與液態(tài)平衡，真空室內蒸發(fā)物質的蒸氣與液態(tài)平衡時所表現出來的壓力稱為時所表現出來的壓力稱為飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓。只有當環(huán)境中被蒸發(fā)物質的分壓降

8、到了平衡時的飽和只有當環(huán)境中被蒸發(fā)物質的分壓降到了平衡時的飽和蒸氣壓以下，才可發(fā)生物質的蒸氣壓以下，才可發(fā)生物質的凈蒸發(fā)凈蒸發(fā)。2009-10-1810 蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度 在一定溫度下，各種物質的飽和蒸汽壓是不同的。在一定溫度下，各種物質的飽和蒸汽壓是不同的。 一定的飽和蒸汽壓必定對應一定的物質溫度。一定的飽和蒸汽壓必定對應一定的物質溫度。 規(guī)定在規(guī)定在飽和蒸汽壓為飽和蒸汽壓為133.3*10-2Pa時的溫度時的溫度，稱為該，稱為該物質的物質的蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度。2009-10-1811淀積高純薄膜需在高真空度系統(tǒng)中進行的原因淀積高純薄膜需在高真空度系統(tǒng)中進行的原因1) 真空度高，保證被蒸發(fā)原子

9、或分子在真空中的輸運為直真空度高，保證被蒸發(fā)原子或分子在真空中的輸運為直線，可有效淀積在襯底上；線，可有效淀積在襯底上；2) 真空度低，則殘余氣體中的氧和水汽會使金屬原子或分真空度低，則殘余氣體中的氧和水汽會使金屬原子或分子在輸運過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面子在輸運過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發(fā)生氧化；發(fā)生氧化；3) 真空度低，則系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質原子或分子真空度低，則系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質原子或分子會淀積在襯底上，影響淀積薄膜的質量。會淀積在襯底上，影響淀積薄膜的質量。2009-10-18122. 蒸發(fā)原子或分子的平均自由程蒸發(fā)原子或分子的平均自由程 (

10、)粒子兩次碰撞之間飛行的粒子兩次碰撞之間飛行的平均距離平均距離，稱為，稱為蒸發(fā)原子或蒸發(fā)原子或分子的平均自由程分子的平均自由程；因此，在蒸發(fā)過程中，要使系統(tǒng)中殘余氣體的壓強保因此，在蒸發(fā)過程中，要使系統(tǒng)中殘余氣體的壓強保持在足夠低的水平，才能持在足夠低的水平，才能保證蒸發(fā)原子在系統(tǒng)中輸運保證蒸發(fā)原子在系統(tǒng)中輸運的平均自由程遠大于蒸發(fā)源到放置硅片的基座距離的平均自由程遠大于蒸發(fā)源到放置硅片的基座距離，并使有害雜質的含量降到最低。并使有害雜質的含量降到最低。 氣體平均自由程與氣體壓強的關系氣體平均自由程與氣體壓強的關系PdkT22(5.1)k波爾茲曼常數；波爾茲曼常數；T絕對溫度；絕對溫度；d氣體

11、分子直徑；氣體分子直徑；氣體壓強越小，系統(tǒng)真空度越高，蒸發(fā)分子或原子的平均氣體壓強越小，系統(tǒng)真空度越高，蒸發(fā)分子或原子的平均自由程越大。自由程越大。2009-10-1813 蒸發(fā)速率直接關系到薄膜的淀積速率，是工藝上蒸發(fā)速率直接關系到薄膜的淀積速率，是工藝上的一個重要參數。的一個重要參數。 蒸發(fā)速率與多種因素相關蒸發(fā)速率與多種因素相關 溫度、蒸發(fā)面積、表面清潔度、加熱方式等溫度、蒸發(fā)面積、表面清潔度、加熱方式等 由于物質的平衡蒸氣壓隨著溫度的上升增加很快，由于物質的平衡蒸氣壓隨著溫度的上升增加很快，故對物質蒸發(fā)速率影響故對物質蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源的溫最大的因素是蒸發(fā)源的溫度度。200

12、9-10-1814利用蒸發(fā)法制備多組分薄膜的方法主要有：單源利用蒸發(fā)法制備多組分薄膜的方法主要有：單源蒸發(fā)法、多源同時蒸發(fā)法、多源順序蒸發(fā)法。蒸發(fā)法、多源同時蒸發(fā)法、多源順序蒸發(fā)法。(a)單源蒸發(fā)單源蒸發(fā) (b)多源同時蒸發(fā)多源同時蒸發(fā) (c)多源順序蒸發(fā)多源順序蒸發(fā) 圓片圓片合金膜合金膜分層淀積分層淀積擋板擋板2009-10-18151、單源蒸發(fā)法、單源蒸發(fā)法 按薄膜組分比例的要求制成合金靶，之后對合金靶進按薄膜組分比例的要求制成合金靶，之后對合金靶進行蒸發(fā)、凝結形成固態(tài)薄膜。行蒸發(fā)、凝結形成固態(tài)薄膜。 基本要求：基本要求：合金靶各組分材料的蒸氣壓應該接近合金靶各組分材料的蒸氣壓應該接近，以

13、，以保證淀積薄膜的組分比例與合金靶接近。保證淀積薄膜的組分比例與合金靶接近。2、多源同時蒸發(fā)法、多源同時蒸發(fā)法 把薄膜所需材料放在不同坩堝中，在把薄膜所需材料放在不同坩堝中，在不同溫度下同時不同溫度下同時蒸發(fā)?？朔藛卧凑舭l(fā)法的使用局限性。蒸發(fā)?？朔藛卧凑舭l(fā)法的使用局限性。3、多源順序蒸發(fā)法、多源順序蒸發(fā)法 把薄膜所需材料放在不同坩堝中，按順序蒸發(fā)，并根把薄膜所需材料放在不同坩堝中，按順序蒸發(fā)，并根據薄膜組分據薄膜組分控制相應層的厚度控制相應層的厚度，之后通過，之后通過高溫退火高溫退火形形成所需要的多組分薄膜。成所需要的多組分薄膜。 硅片須能承受蒸發(fā)后的熱退火。硅片須能承受蒸發(fā)后的熱退火。2

14、009-10-1816 按按真空蒸發(fā)設備真空蒸發(fā)設備對對蒸發(fā)源加熱方式蒸發(fā)源加熱方式的不同，真空的不同，真空蒸發(fā)法可分為：蒸發(fā)法可分為： 電阻加熱法電阻加熱法 電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源 激光加熱源激光加熱源 高頻感應加熱蒸發(fā)源高頻感應加熱蒸發(fā)源 加熱蒸發(fā)原理、特點加熱蒸發(fā)原理、特點(優(yōu)點或缺點優(yōu)點或缺點)、適用情況、適用情況2009-10-1817原理：利用電流通過加熱源時所產生的焦耳熱來加原理：利用電流通過加熱源時所產生的焦耳熱來加熱蒸發(fā)材料。熱蒸發(fā)材料。直接加熱源直接加熱源 加熱體和待蒸發(fā)材料的載體為同一物體；加熱體和待蒸發(fā)材料的載體為同一物體； 加熱材料：鎢、鉬、鉭、石墨。加熱材料：鎢、

15、鉬、鉭、石墨。間接加熱源間接加熱源 待蒸發(fā)材料放入坩堝中間接加熱；待蒸發(fā)材料放入坩堝中間接加熱； 坩堝為耐高溫的陶瓷材料和石墨。坩堝為耐高溫的陶瓷材料和石墨。2009-10-18181、對加熱材料的要求、對加熱材料的要求1) 熔點高熔點高：加熱源材料的熔點須高于蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度。：加熱源材料的熔點須高于蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度。2) 飽和蒸氣壓低飽和蒸氣壓低：防止高溫下加熱材料隨蒸發(fā)材料一起蒸發(fā)而成：防止高溫下加熱材料隨蒸發(fā)材料一起蒸發(fā)而成為雜質進入淀積膜中。為雜質進入淀積膜中。3) 化學性能穩(wěn)定化學性能穩(wěn)定：加熱材料不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學反應。若加熱：加熱材料不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學反應。若加熱材料和

16、蒸發(fā)材料形成共熔點合金，則會降低加熱材料的壽命。材料和蒸發(fā)材料形成共熔點合金，則會降低加熱材料的壽命。2、蒸發(fā)材料對加熱材料的、蒸發(fā)材料對加熱材料的“濕潤性濕潤性”濕潤濕潤：熔化的蒸發(fā)材料在加熱源材料上有擴展傾向，稱為易濕：熔化的蒸發(fā)材料在加熱源材料上有擴展傾向，稱為易濕潤。潤。在濕潤性好的情況下，材料蒸發(fā)面積大，且穩(wěn)定，為面蒸發(fā)；在濕潤性好的情況下，材料蒸發(fā)面積大，且穩(wěn)定，為面蒸發(fā)；在濕潤性差的情況下，材料蒸發(fā)面積小，不穩(wěn)定，為點蒸發(fā)。在濕潤性差的情況下，材料蒸發(fā)面積小，不穩(wěn)定，為點蒸發(fā)。2009-10-1819 原理原理 基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)基于電子在電場作用下

17、，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化。材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化。(示意圖示意圖p125 圖圖5.4) 適用情況適用情況 制作制作高熔點高熔點的薄膜材料和的薄膜材料和高純高純薄膜。薄膜。 優(yōu)點優(yōu)點 可使熔點高達可使熔點高達3000以上的材料蒸發(fā)，且蒸發(fā)速率高；以上的材料蒸發(fā)，且蒸發(fā)速率高； 被蒸發(fā)材料放置于水冷的坩堝，可避免容器材料的蒸發(fā)、被蒸發(fā)材料放置于水冷的坩堝，可避免容器材料的蒸發(fā)、容器材料與蒸發(fā)材料的反應，實現高純薄膜制備；容器材料與蒸發(fā)材料的反應，實現高純薄膜制備； 熱效率高，熱量直接加到蒸發(fā)材料表面，熱傳導和熱輻熱效率高，熱量直接加到蒸發(fā)材料表面，熱傳導和熱輻射的損失

18、少。射的損失少。2009-10-1820圖圖5.4 電子束蒸發(fā)源示意圖電子束蒸發(fā)源示意圖2009-10-1821 缺點缺點 電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子，電子槍發(fā)出的一次電子和蒸發(fā)材料發(fā)出的二次電子，使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離；使蒸發(fā)原子和殘余氣體分子電離； 化合物受到電子轟擊會部分發(fā)生分解；化合物受到電子轟擊會部分發(fā)生分解； 電子束蒸發(fā)設備結構復雜、價格昂貴；電子束蒸發(fā)設備結構復雜、價格昂貴； 加速電壓過高所產生的軟加速電壓過高所產生的軟X射線對人體有一定傷害。射線對人體有一定傷害。2009-10-1822 原理原理 利用高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)材料進行加利用

19、高功率的連續(xù)或脈沖激光束作為能源對蒸發(fā)材料進行加熱。熱。 適用情況適用情況 適用于蒸發(fā)適用于蒸發(fā)成份成份比較比較復雜的合金或化合物材料復雜的合金或化合物材料。 特點特點 加熱溫度高。聚焦后的激光束功率密度高達加熱溫度高。聚焦后的激光束功率密度高達106W/cm2以上；以上； 可避免坩堝污染。激光束的光斑很小，被蒸發(fā)材料是局部受可避免坩堝污染。激光束的光斑很小，被蒸發(fā)材料是局部受熱氣化，可提高淀積薄膜的純度；熱氣化，可提高淀積薄膜的純度； 可保證含有不同熔點淀積材料的化合物薄膜成份的比例；可保證含有不同熔點淀積材料的化合物薄膜成份的比例； 易于獲得高真空度；易于獲得高真空度； 設備昂貴。設備昂貴

20、。2009-10-1823 原理原理 通過高頻感應對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進行加熱，通過高頻感應對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進行加熱，使蒸使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流損失和發(fā)材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流損失和磁滯損失磁滯損失，致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化蒸發(fā)。，致使蒸發(fā)材料升溫，直至氣化蒸發(fā)。 特點特點 蒸發(fā)速率大；蒸發(fā)速率大； 蒸發(fā)源溫度均勻、穩(wěn)定，不易產生飛濺；蒸發(fā)源溫度均勻、穩(wěn)定，不易產生飛濺； 溫度控制精度高，操作簡單；溫度控制精度高，操作簡單； 大功率高頻電源，價格昂貴；大功率高頻電源，價格昂貴； 需屏蔽高頻電磁場，防止外界電磁干擾。需屏蔽高頻電磁場，防止外界電磁干擾。2

21、009-10-18242009-10-1825 濺射濺射 具有具有一定能量的入射離子一定能量的入射離子在對固體表面轟擊時，入射在對固體表面轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動能量和動量量的轉移，并可能將固體表面的原子濺射出來，稱這的轉移，并可能將固體表面的原子濺射出來，稱這種現象為濺射。種現象為濺射。 濺射與熱蒸發(fā)的區(qū)別濺射與熱蒸發(fā)的區(qū)別 熱蒸發(fā)是由能量轉化引起的，濺射含有動量的轉換。熱蒸發(fā)是由能量轉化引起的，濺射含有動量的轉換。 濺射過程都是建立在濺射過程都是建立在輝光放電輝光放電的基礎上，即的基礎上，即射向固體表面射向固體表面的離

22、子都是來源于氣體放電的離子都是來源于氣體放電，只是不同的濺射技術所采用，只是不同的濺射技術所采用的輝光放電方式有所不同。的輝光放電方式有所不同。2009-10-1826 在一圓柱形玻璃管內的兩端裝上兩個平板電極，里面充以在一圓柱形玻璃管內的兩端裝上兩個平板電極，里面充以氣壓約為幾氣壓約為幾Pa到幾十到幾十Pa的氣體，在電極加上直流電壓。的氣體，在電極加上直流電壓。平板電極間電壓與電流的關系如下圖所示。平板電極間電壓與電流的關系如下圖所示。2004006008001000abcdefg10-1310-510-410-111010-12暗流暗流湯生湯生放電放電輝光放電輝光放電電弧電弧放電放電著火點

23、著火點電壓電壓V/V電流電流I/A放電模式放電模式無光放電區(qū)無光放電區(qū)湯生放電區(qū)湯生放電區(qū)輝光放電區(qū)輝光放電區(qū)反常輝光放電區(qū)反常輝光放電區(qū)電弧放電區(qū)電弧放電區(qū)2009-10-1827 電流電壓特性電流電壓特性 電流隨著電壓的增加從零逐漸增加，在電流隨著電壓的增加從零逐漸增加，在b點達到飽和，點達到飽和，且電流微弱。且電流微弱。 原因原因 一般情況下，氣體處于中性狀態(tài)，只有一般情況下，氣體處于中性狀態(tài)，只有極少量極少量的原子的原子受到高能宇宙射線的激發(fā)而電離。受到高能宇宙射線的激發(fā)而電離。 在沒有外場的情況下，電離所產生的帶電粒子作雜亂在沒有外場的情況下，電離所產生的帶電粒子作雜亂無章的運動；無

24、章的運動； 在有外場的情況下，電離所產生的帶電粒子作定向運在有外場的情況下，電離所產生的帶電粒子作定向運動，運動速度隨電流的增加而加快；動，運動速度隨電流的增加而加快；2009-10-1828 電極之間的電壓足夠大時，帶電粒子的運動速度達到電極之間的電壓足夠大時，帶電粒子的運動速度達到飽和值。飽和值。 電離量少且恒定電離量少且恒定，即使提高電壓到達電極的帶電粒子，即使提高電壓到達電極的帶電粒子數目不變，故宏觀表現出不穩(wěn)定的微弱電流。數目不變，故宏觀表現出不穩(wěn)定的微弱電流。 ab段導電且不發(fā)光，故稱段導電且不發(fā)光，故稱無光放電區(qū)無光放電區(qū)。2009-10-1829 電流電壓特性電流電壓特性 電流

25、迅速增大，電壓為常數。電流迅速增大，電壓為常數。 原因原因 外電路轉移給電子和離子的能量，隨著電壓的升高而增加；外電路轉移給電子和離子的能量，隨著電壓的升高而增加； 電子運動速度加快，與中性離子發(fā)生非彈性碰撞，使氣體分電子運動速度加快，與中性離子發(fā)生非彈性碰撞，使氣體分子電離，產生子電離，產生正離子和電子正離子和電子，同時正離子與陰極的碰撞將產，同時正離子與陰極的碰撞將產生生二次電子二次電子； 新產生電子與原有電子使更多氣體分子電離，新產生電子與原有電子使更多氣體分子電離，帶電粒子數目帶電粒子數目雪崩式增加雪崩式增加，放電電流迅速增大。，放電電流迅速增大。 電壓受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限

26、制而呈現一常數。電壓受到電源高輸出阻抗和限流電阻的限制而呈現一常數。2009-10-18302009-10-1831 電流電壓特性電流電壓特性 電流大幅度增加，放電電壓顯著降低，隨后電壓保持電流大幅度增加，放電電壓顯著降低，隨后電壓保持恒定。恒定。 原因原因 氣體擊穿，氣體內阻隨著電離度的增加而顯著下降，氣體擊穿，氣體內阻隨著電離度的增加而顯著下降，故故cd段出現電流增加、電壓下降的段出現電流增加、電壓下降的負阻負阻現象，稱為現象，稱為前前期輝光放電期輝光放電； de段電流增加、而電壓一定，稱為段電流增加、而電壓一定，稱為正常輝光放電區(qū)，正常輝光放電區(qū)，在該放電區(qū)，陰極有效放電區(qū)內的電流密度保

27、持恒定，在該放電區(qū)，陰極有效放電區(qū)內的電流密度保持恒定，而陰極有效放電面積而陰極有效放電面積(產生輝光的表面積產生輝光的表面積)增加，故電流增加，故電流增加。增加。2009-10-1832 正常輝光放電的電流密度正常輝光放電的電流密度 隨氣體壓強的增加而增大；凹面形陰極的電流密度比隨氣體壓強的增加而增大；凹面形陰極的電流密度比平板形陰極大數十倍。平板形陰極大數十倍。 非自持放電非自持放電 若不存在若不存在自然電離源（自然電離源（如高能宇宙射線等如高能宇宙射線等），則放電，則放電不會發(fā)生，這種放電方式稱不會發(fā)生，這種放電方式稱非自持放電非自持放電； 無光放電和湯生放電屬于非自持放電。無光放電和湯

28、生放電屬于非自持放電。 自持放電自持放電 氣體擊穿后，氣體擊穿后，電子和正離子是來源于電子的碰撞和正電子和正離子是來源于電子的碰撞和正離子的轟擊離子的轟擊，即不存在自然電離源也將繼續(xù)下去，這，即不存在自然電離源也將繼續(xù)下去，這種放電方式稱為種放電方式稱為自持放電自持放電； 輝光放電屬于自持放電。輝光放電屬于自持放電。2009-10-1833 電流電壓特性電流電壓特性 放電電壓、電流同時增大。放電電壓、電流同時增大。 原因原因 整個陰極全部由輝光放電覆蓋后，只有增大功率才能整個陰極全部由輝光放電覆蓋后，只有增大功率才能增加陰極的電流密度，從而增大電流。增加陰極的電流密度，從而增大電流。 輝光布滿

29、整個陰極后，再增加電流，離子層已無法向輝光布滿整個陰極后，再增加電流，離子層已無法向四周擴散，這樣正離子層便向陰極靠攏，正離子與陰四周擴散，這樣正離子層便向陰極靠攏，正離子與陰極間距縮短，此時要想提高電流密度，則必須增大陰極間距縮短，此時要想提高電流密度，則必須增大陰極壓降，使正離子有更大的能量去轟擊陰極，產生更極壓降，使正離子有更大的能量去轟擊陰極，產生更多的二次電子。多的二次電子。2009-10-1834 對于輝光放電，整個放電管將呈現明暗相間的光層，這八對于輝光放電，整個放電管將呈現明暗相間的光層，這八個發(fā)光強度不同的區(qū)域分別為個發(fā)光強度不同的區(qū)域分別為 阿拉斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗

30、區(qū)、負輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、阿拉斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱（等離子）區(qū)、陽極輝光區(qū)和陽極暗區(qū)。正柱（等離子）區(qū)、陽極輝光區(qū)和陽極暗區(qū)。 陰極輝區(qū)形成原因陰極輝區(qū)形成原因 向陰極運動正離子與陰極發(fā)射出的二次電子向陰極運動正離子與陰極發(fā)射出的二次電子發(fā)生復合發(fā)生復合，而在陰極，而在陰極附近產生一明亮的發(fā)光層。附近產生一明亮的發(fā)光層。 陰極暗區(qū)形成原因陰極暗區(qū)形成原因 二次電子和離子的主要加速區(qū)二次電子和離子的主要加速區(qū) 負輝光區(qū)形成原因負輝光區(qū)形成原因 獲得加速的電子與氣體原子發(fā)生碰撞而獲得加速的電子與氣體原子發(fā)生碰撞而電離的電離的區(qū)域，發(fā)光最強區(qū)區(qū)域，發(fā)光最強區(qū)20

31、09-10-18352009-10-1836 等離子體等離子體 放電擊穿之后的氣體放電擊穿之后的氣體具有一定的導電性具有一定的導電性，這種氣體稱，這種氣體稱為為等離子體等離子體，宏觀上呈現電中性宏觀上呈現電中性。 輝光放電是等離子體的一種輝光放電是等離子體的一種 屬于等離子體中粒子能量和密度較低、放電電壓較高屬于等離子體中粒子能量和密度較低、放電電壓較高的一種類型；的一種類型； 特點是特點是質量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原質量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團的能量遠低于電子的能量子團的能量遠低于電子的能量，是一種非熱平衡狀態(tài)，是一種非熱平衡狀態(tài)的等離子體。的等離子體。 例如，氣

32、壓為例如，氣壓為1Pa左右的輝光放電的等離子體，電子、左右的輝光放電的等離子體，電子、離子、中性粒子的能量依次降低；電子平均動能為離子、中性粒子的能量依次降低；電子平均動能為2eV，對應溫度，對應溫度23000K，離子能量約為電子能量的，離子能量約為電子能量的1%2%，對應溫度，對應溫度300500K 。2009-10-1837 輝光放電等離子體中的離子、中性粒子溫度遠低于電子，輝光放電等離子體中的離子、中性粒子溫度遠低于電子，而質量又遠大于電子，故而質量又遠大于電子，故具有相差極大的平均運動速度具有相差極大的平均運動速度。 電子與離子具有不同速度的直接后果是電子與離子具有不同速度的直接后果是

33、形成形成等離子等離子鞘層鞘層 任何處于等離子體中的物體相對于等離子體來講都呈任何處于等離子體中的物體相對于等離子體來講都呈現出現出負電位負電位，并且在，并且在物體表面附近出現正電荷的積累物體表面附近出現正電荷的積累。陰極鞘層陰極鞘層陽極鞘層陽極鞘層-VVp02009-10-1838 任何處在等離子體中的物體（靶材、襯底）均會受到等離任何處在等離子體中的物體（靶材、襯底）均會受到等離子體中各種粒子的轟擊，電子和離子速度不同，則子體中各種粒子的轟擊，電子和離子速度不同，則轟擊物轟擊物體表面的電子數目將遠大于離子數目體表面的電子數目將遠大于離子數目。 若初始時刻物體表面沒有凈電荷的積累，則若初始時刻

34、物體表面沒有凈電荷的積累，則物體表面將剩物體表面將剩余負電荷余負電荷而呈現負電位。而呈現負電位。 負電位的建立將排斥電子、吸引離子，使得達到物體表面負電位的建立將排斥電子、吸引離子，使得達到物體表面的電子數目減少，正離子數目增加，的電子數目減少，正離子數目增加，直到到達物體表面的直到到達物體表面的電子、離子數目相等時，物體表面電位達到平衡電子、離子數目相等時，物體表面電位達到平衡。 這樣，處于等離子體中的這樣，處于等離子體中的陰極、陽極陰極、陽極都會在其表面形成一都會在其表面形成一個排斥電子的等離子鞘層，且相對于等離子體處于負電位，個排斥電子的等離子鞘層，且相對于等離子體處于負電位，鞘層厚度取

35、決于電子密度和溫度（典型值鞘層厚度取決于電子密度和溫度（典型值100um）。）。 輝光放電加上輝光放電加上外電場外電場，則，則陰極鞘層加大，陽極鞘層減小陰極鞘層加大，陽極鞘層減小。2009-10-1839 等離子體中高速運動的電子與其他粒子的碰撞是維持氣等離子體中高速運動的電子與其他粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機制體放電的主要微觀機制。電子與與其他粒子的碰撞有兩類。電子與與其他粒子的碰撞有兩類。1、彈性碰撞的特點、彈性碰撞的特點 參加碰撞的粒子參加碰撞的粒子總動能保持不變總動能保持不變，不存在粒子內能不存在粒子內能的變化的變化，即沒有粒子激發(fā)、電離、或復合的過程。，即沒有粒子激發(fā)、電離、

36、或復合的過程。運動粒子運動粒子1與靜止粒子與靜止粒子2碰撞后的能量關系為碰撞后的能量關系為22122112)(cos4MMMMEE（5.2）M是粒子質量，是粒子質量，E為粒子碰撞后的動能，為粒子碰撞后的動能， 是運動粒子在碰是運動粒子在碰撞后偏轉的角度。撞后偏轉的角度。2009-10-1840 輝光放電等離子體中的碰撞，輝光放電等離子體中的碰撞，大多數大多數是高速運動的是高速運動的電子與低速運動的原子或離子的碰撞，因電子與低速運動的原子或離子的碰撞，因M1 M2，故能，故能量轉移小，不會造成氣體分子的電離。量轉移小，不會造成氣體分子的電離。2、非彈性碰撞的特點、非彈性碰撞的特點 碰撞過程中有碰

37、撞過程中有部分部分電子動能將轉化成粒子的內能。電子動能將轉化成粒子的內能。內能增加的最大值為內能增加的最大值為)(2cos2122211MMMVMU（5.3）非彈性碰撞可以使電子大部分能量轉移給其他質量較大非彈性碰撞可以使電子大部分能量轉移給其他質量較大的粒子，引起激發(fā)或電離。的粒子，引起激發(fā)或電離。因此，因此，電子與其他粒子的非彈性碰撞是維持自持放電過電子與其他粒子的非彈性碰撞是維持自持放電過程的主要機制程的主要機制。2009-10-1841 非彈性碰撞過程中發(fā)生的代表性過程：非彈性碰撞過程中發(fā)生的代表性過程：1）電離電離：eArAre2（5.4）電子數目增加，放電過程繼續(xù)。其反過程為電子數

38、目增加，放電過程繼續(xù)。其反過程為復合復合。2）激發(fā)激發(fā)：eOOe*22（5.5）*表示粒子處于能量較高的激發(fā)態(tài)。表示粒子處于能量較高的激發(fā)態(tài)。3）分解分解：eFCFCFe*34（5.6）分子分解為兩個反應基團，化學活性高于原來的分子。分子分解為兩個反應基團，化學活性高于原來的分子。2009-10-1842 以頻率較低的交變電場代替直流電場，放電類似于直流情以頻率較低的交變電場代替直流電場，放電類似于直流情況，兩電極交替變換極性，放電外貌為兩個不同極性下放況，兩電極交替變換極性，放電外貌為兩個不同極性下放電外貌的疊加，發(fā)光強度為一周內的平均值。電外貌的疊加，發(fā)光強度為一周內的平均值。 電場交變頻

39、率電場交變頻率530MHz，建議，建議13.56MHz。 射頻電場相對減少了帶電粒子的損失。射頻電場相對減少了帶電粒子的損失。 較低電場可維持放電。較低電場可維持放電。 陰極產生的二次電子不再是氣體擊穿的必要條件。陰極產生的二次電子不再是氣體擊穿的必要條件。 射頻電場可通過任何一種類型的阻抗耦合進入淀積室，電射頻電場可通過任何一種類型的阻抗耦合進入淀積室，電極可以是導體，也可以是絕緣體。極可以是導體，也可以是絕緣體。2009-10-1843 濺射法是物理氣相淀積薄膜的一種方法，同時還可用于對濺射法是物理氣相淀積薄膜的一種方法，同時還可用于對固態(tài)表面的清洗處理，在等離子刻蝕中有廣泛應用。固態(tài)表面

40、的清洗處理，在等離子刻蝕中有廣泛應用。 濺射法利用帶有電荷的濺射法利用帶有電荷的離子離子在電場中在電場中加速加速后具有一定動能后具有一定動能的特點，將離子的特點，將離子引向引向欲被濺射的欲被濺射的靶電極靶電極。在離子能量合適。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中使的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中使靶原靶原子濺射子濺射出來。被濺射出來的原子將帶有一定的動能，并沿出來。被濺射出來的原子將帶有一定的動能，并沿著一定方向著一定方向射向襯底射向襯底，從而，從而實現實現在襯底上的在襯底上的薄膜淀積薄膜淀積。2009-10-18442009-10-18451、濺射閾值、濺射

41、閾值 對于每種靶材，都存在一個能量閾值，低于該值則對于每種靶材，都存在一個能量閾值，低于該值則不會發(fā)生濺射現象，該能量閾值稱為不會發(fā)生濺射現象，該能量閾值稱為濺射閾值濺射閾值(1030eV) 濺射閾值與入射離子質量之間無明顯的依賴關系，濺射閾值與入射離子質量之間無明顯的依賴關系，而主要取決于靶本身的特性。而主要取決于靶本身的特性。表征濺射特性的參量主要有：濺射閾值、濺射率、濺射粒表征濺射特性的參量主要有：濺射閾值、濺射率、濺射粒子的速度和能量。子的速度和能量。2009-10-18462、濺射率、濺射率 濺射率濺射率也稱也稱濺射產額濺射產額，表示正離子轟擊作為陰極材，表示正離子轟擊作為陰極材料的

42、靶材時，平均每個正離子能從靶材上打出的原子數目。料的靶材時，平均每個正離子能從靶材上打出的原子數目。入射離子數目濺射原子數目S1) 與與入射離子能量入射離子能量的關系的關系 入射離子能量超過入射離子能量超過濺射閾值濺射閾值，發(fā)生濺射；，發(fā)生濺射； 入射離子能量增加，濺射率增加；入射離子能量增加，濺射率增加； 入射離子能量繼續(xù)增加，濺射率下降，發(fā)生入射離子能量繼續(xù)增加，濺射率下降，發(fā)生離子注入離子注入現象?，F象。2009-10-1847濺射閾值濺射閾值2009-10-18482) 與與入射離子入射離子種類的關系種類的關系(圖圖5.13) 原子量越大，濺射率越高；原子量越大，濺射率越高； 電子殼層

43、填滿的元素作為入射離子，則濺射率最大。電子殼層填滿的元素作為入射離子，則濺射率最大。 惰性氣體的濺射率可取到極大值，惰性氣體的濺射率可取到極大值，氬通常被選為工作氣體氬通常被選為工作氣體，氬被選為工作氣體的另一原因是可以避免與靶材料起化學氬被選為工作氣體的另一原因是可以避免與靶材料起化學反應。反應。 3) 與與被濺射物質被濺射物質種類的關系種類的關系 一般規(guī)律：隨靶元素原子序數增加而增大。一般規(guī)律：隨靶元素原子序數增加而增大。2009-10-18492009-10-1850 4) 與與離子入射角離子入射角的關系的關系 入射角：離子入射方向與被濺射靶材料表面法線之間入射角：離子入射方向與被濺射靶

44、材料表面法線之間的夾角。的夾角。 S隨入射角的增加，以隨入射角的增加，以 規(guī)律增加；規(guī)律增加； 當入射角接近當入射角接近80時，濺射率迅速下降。時，濺射率迅速下降。cos/12009-10-18513、濺射原子的能量和速度、濺射原子的能量和速度 重元素靶材重元素靶材逸出能量高；逸出能量高；輕元素靶材輕元素靶材逸出速度高。逸出速度高。 濺射率濺射率高，平均高，平均逸出能量逸出能量低；低； 相同轟擊能量下，相同轟擊能量下，入射離子質量入射離子質量大，則原子大，則原子逸出能量逸出能量高；高； 入射離子能量入射離子能量越大，則原子越大，則原子逸出能量逸出能量越高。越高。 傾斜方向傾斜方向逸出的原子具有

45、較高的逸出的原子具有較高的逸出能量逸出能量。2009-10-18521、直流濺射、直流濺射 又稱陰極濺射，或直流又稱陰極濺射，或直流二極濺射。二極濺射。 直流濺射所用靶材及常直流濺射所用靶材及常用工作氣體用工作氣體 導電性好導電性好的金屬靶材的金屬靶材; Ar氣。氣。2009-10-1853 工作氣壓工作氣壓與與濺射淀積速率濺射淀積速率的關系的關系 低壓條件下，濺射淀積速率低低壓條件下，濺射淀積速率低； 陰極鞘層厚度大，離子運動至靶材處的幾率小，二陰極鞘層厚度大，離子運動至靶材處的幾率小，二次電子發(fā)射幾率小次電子發(fā)射幾率小 電子自由程長，在陽極上消失的幾率大電子自由程長，在陽極上消失的幾率大

46、原子電離幾率小，放電電流小，濺射淀積速率低原子電離幾率小，放電電流小，濺射淀積速率低 氣壓升高氣壓升高，電子平均自由程減少，原子電離幾率增加，電子平均自由程減少，原子電離幾率增加，濺射電流增加，濺射電流增加，濺射淀積速率提高濺射淀積速率提高。 氣壓過高氣壓過高，靶材原子飛向襯底過程中受到過多散射，靶材原子飛向襯底過程中受到過多散射，淀積到襯底上的淀積到襯底上的幾率下降幾率下降。 故濺射淀積速率會出現極值。故濺射淀積速率會出現極值。2009-10-18542009-10-1855 工作工作氣壓氣壓與與薄膜質量薄膜質量的關系的關系 氣壓較氣壓較低低，入射原子能量較高，提高淀積薄膜的，入射原子能量較

47、高，提高淀積薄膜的致密致密程度；程度； 氣壓較氣壓較高高，入射原子能量較低，不利于薄膜的致密化。，入射原子能量較低，不利于薄膜的致密化。2009-10-1856 適用場合適用場合 適用于各種適用于各種金屬金屬、導電性差的、導電性差的非金屬材料非金屬材料的濺射淀積。的濺射淀積。 由于高頻電場可以經由其他阻抗形式的耦合進入淀積由于高頻電場可以經由其他阻抗形式的耦合進入淀積室，故室，故不必要求電極一定是導體不必要求電極一定是導體。 射頻濺射自偏壓效應的產生原理射頻濺射自偏壓效應的產生原理 射頻濺射方法的靶材上能產生射頻濺射方法的靶材上能產生自偏壓效應自偏壓效應，即靶材自，即靶材自動處于負電位，導致氣

48、體離子對其產生自發(fā)的轟擊和動處于負電位，導致氣體離子對其產生自發(fā)的轟擊和濺射。濺射。2009-10-1857 P138 圖圖5.17 射頻電壓通過電容耦合到靶材，濺射靶既可以作為陰射頻電壓通過電容耦合到靶材，濺射靶既可以作為陰極又可作為陽極。極又可作為陽極。 因電場中電子的運動速度比離子速度高得多，所以靶因電場中電子的運動速度比離子速度高得多，所以靶在正半周期內接受電子的電量比靶在負半周期內接受在正半周期內接受電子的電量比靶在負半周期內接受離子電量多得多，所以，靶電極的導電特性相當于一離子電量多得多，所以，靶電極的導電特性相當于一個二極管。個二極管。 因靶電極被電容與電源隔離，因而經過幾個周期

49、之后，因靶電極被電容與電源隔離，因而經過幾個周期之后，該電極上將帶有相當數量的負電荷而呈現負電位。該電極上將帶有相當數量的負電荷而呈現負電位。 電極的負電位將對電子產生排斥作用，之后電極所接電極的負電位將對電子產生排斥作用，之后電極所接受的正負電荷數目將逐漸趨于相等。受的正負電荷數目將逐漸趨于相等。2009-10-18582009-10-1859 對極板面積的要求及原因對極板面積的要求及原因 非濺射電極的極面面積需要加大非濺射電極的極面面積需要加大 射頻電壓周期性地改變每個電極的電位，因而射頻電壓周期性地改變每個電極的電位，因而每個電極每個電極都可能因自偏壓效應而受到離子轟擊都可能因自偏壓效應

50、而受到離子轟擊，而我們希望離子，而我們希望離子轟擊靶材，而非襯底，故加大非濺射電極的極面面積，轟擊靶材，而非襯底，故加大非濺射電極的極面面積，從而降低該電極的自偏壓鞘層電壓。從而降低該電極的自偏壓鞘層電壓。 鞘層電壓降與電極面積的關系鞘層電壓降與電極面積的關系4cddcAAVV（5.7）角標角標c表示電極經過電容表示電極經過電容C耦合至射頻電源；角標耦合至射頻電源；角標d表示電表示電極直接耦合至射頻電源。極直接耦合至射頻電源。由式可知，鞘層電壓與電極面積的四次方成反比，面積較由式可知，鞘層電壓與電極面積的四次方成反比，面積較小的靶電極受到較高的自偏壓，另一極自偏壓很小。小的靶電極受到較高的自偏壓，另一極自偏壓很小。2009-10-1860 適用場合適用場合 適用于要求適用于要求淀積速率較高淀積速率較高，工作氣壓較低工作氣壓較低的場合。的場合。 工作原理工作原理 在靶材的部分表面上方使磁場與電場方向垂直；在靶材的部分表面上方使磁場與電場方向垂直； 則電子的運動軌跡將沿電場方向加速，同時繞磁場方則電子的運動軌跡將沿電場方向加速，同時繞磁場方向螺旋前進，延長了電子在等離子體中的運動軌跡；向螺旋前進，延長了電子在等離子體中的運動軌跡； 同時，電子的軌跡