第2章等離子體與材料的相互作用課件

第二章等離子體與材料相互作用第二章等離子體與材料相互作用1內容表面吸附離子注入濺射刻蝕交聯熱效應內容表面吸附2

1.表面吸附等離子體中的中性粒子（原子、分子及基團）將不受鞘層電場的作用，直接向表面遷移。被吸附的粒子數與入射到表面的粒子數之比被稱為吸附率。在等離子體化學氣相沉積成膜工藝中，薄膜的生長過程也就是中性粒子的沉積過程。

1.表面吸附31.1化學氣相沉積技術1.1.1技術需求：需要材料表面生成一層與基體完全不同的物質半導體行業(yè)，電介質薄膜生物材料，抗凝血薄膜傳感器：傳感薄膜1.1化學氣相沉積技術1.1.1技術需求：41.1.2定義在一定溫度條件下，混合氣體與零件基體表面相互作用，使混合氣體中某些成分分解，并在基體表面形成金屬或化合物薄膜(鍍層)的過程.

1.1.2定義在一定溫度條件下，混合氣體與零件基體表面相互51.1.3化學氣相沉積的化學反應和特點熱分解或高溫分解反應:CH3+SiCl3=SiC+3HCl還原反應:WF6+3H2 =W+6HF氧化反應:SiH4+O2=SiO2+2H2水解反應:2AlCl3+3H2O=Al2O3+6HCl1.1.3化學氣相沉積的化學反應和特點熱分解或高溫分解反6第2章等離子體與材料的相互作用課件71.1.4化學氣相沉積要素足夠高的溫度：混合氣體中某些成分分解并與基體表面相互作用形成化合物必須吸收一定的能量，也就是說，進行上述過程必須有一定的激活能，這激活能必須由加熱基體表面獲得，因而需要足夠高的溫度。通常CVD的反應溫度大約在900~2000oC，它取決與沉積物的特性。要有混合氣體參加：混合氣體主要是惰性氣體（如Ar），還原氣體（如H2），和反應氣體（如N2、CH4、CO2、NH3、水蒸氣）；有時采用高飽和蒸氣壓的液體，如TiCl4、SiCl4、等，把它們加熱到一定溫度（600C），通過載體氫、氬與起泡的液體，從供氣系統中把上述蒸氣帶入沉積反應室。1.1.4化學氣相沉積要素足夠高的溫度：混合氣體中某些成分81.1.5化學氣相沉積（CVD）的特點CVD過程可在高溫或中溫下進行。CVD過程可在大氣壓或低于大氣壓（低壓）下進行，鍍層的密度和純度可控制，鍍層的化學成分可改變，繞鍍性好，適用于在復雜形狀零件上沉積薄膜?？尚纬啥喾N金屬、合金、陶瓷和化合物鍍層。1.1.5化學氣相沉積（CVD）的特點CVD過程可在高溫91.1.6化學氣相沉積優(yōu)缺點優(yōu)點：設備簡單，操作方便，可沉積各種性能的單一鍍層或復合鍍層；化學氣相沉積適用于處理復雜形狀零件；鍍層致密均勻，膜基結合強度較高。缺點：沉積溫度太高，在太高的溫度下進行薄膜沉積，會使工件變形，基體晶粒長大，使基材性能下降。1.1.6化學氣相沉積優(yōu)缺點優(yōu)點：設備簡單，操作方便，可沉101.2金屬有機化合物化學氣相沉積1.2.1技術需求降低沉積溫度1.2.2MOCVD方法特點：它是把能在低溫度下分解的金屬有機化合物作為初始反應物，它的優(yōu)點是可在熱敏感基體上沉積鍍層，它的缺點是沉積速率低、晶體缺陷密度高、膜中雜質多，氣體毒性大。1.2金屬有機化合物化學氣相沉積1.2.1技術需求111.3等離子體增強化學氣相沉積1.3.1技術需求降低沉積溫度晶體缺陷要少沉積速率高解決方法：提高沉積粒子的能量1.3等離子體增強化學氣相沉積1.3.1技術需求121.3.2PACVD原理1.3.2PACVD原理131.3.3等離子體輔助化學氣相沉積的優(yōu)點沉積薄膜的溫度低。例如沉積TiC或TiN膜時，CVD過程沉積溫度900~1100℃，PACVD過程沉積溫度為500℃。大大減少了因薄膜與襯底材料熱膨脹系數不匹配所產生的內應力?？梢蕴岣叱练e速率。1.3.3等離子體輔助化學氣相沉積的優(yōu)點沉積薄膜的溫度低141.3.4等離子體輔助化學氣相沉積的缺點在等離子體中，電子能量分布廣泛，在沉積薄膜的過程中可能產生多種化學反應，致使反應產物難以控制，所以用PACVD難以獲得很純凈的物質。PACVD沉積溫度低，反應過程中產生的其它氣體會殘留在薄膜之中。對于某些脆弱的襯底易造成離子轟擊傷。PACVD相對于CVD而言，其處理價格較高。1.3.4等離子體輔助化學氣相沉積的缺點在等離子體中，電子151.3.5PACVD的反應室組成1.3.5PACVD的反應室組成161.3.6PACVD整體設備結構1.3.6PACVD整體設備結構172、離子注入2.1定義

如果入射離子的速度方向與固體表面的夾角大于某一臨界角，它將能夠進入固體表面層，與固體中的原子發(fā)生一系列的彈性和非彈性碰撞，并不斷地損失其能量。當入射離子的能量損失到某一定的值（約為20eV左右)時，將停止在固體中不再運動。上述過程被稱為離子注入過程。

IonEatoms2、離子注入IonEatoms182.2、原子的級聯運動

如果固體中的原子在同入射離子碰撞時獲得能量大于某一閾值時，將做反沖運動。該反沖原子將進一步與其它靜止原子發(fā)生碰撞，形成新的反沖原子。這樣依次下去，形成一系列原子的運動，被稱為原子的級聯運動。如果初始時固體是一個完美的晶體，那么原子級聯運動的結果將在固體表面層產生缺陷或原子的位錯。經退火后，固體表面將會非晶化，從而改變了固體的表面結構。

2.2、原子的級聯運動192.3離子注入過程的物理問題1.注入劑量注入劑量D表示單位面積上注入的原子數目，對于一定的材料，注入劑量應處于一定的范圍內。注入劑量（dose,fluence），注入深度，取決于離子能量及材料特性。一般，離子劑量范圍從1014/cm2（對于半導體應用）到接近1018/cm2（對于增強硬度及抗磨損應用）。2.注入離子能量注入離子能量由應用確定，離子能量范圍從10keV（對于抗腐蝕所需的薄表面層），到300keV或以上（對于改進工具的硬度與磨損特性所需的離子注入）。2.3離子注入過程的物理問題1.注入劑量2.注入離子能203.注入深度對于不同的入射離子，由于和晶格粒子相互作用與碰撞是隨機的，它最終停留下來的位置也應當是隨機的。因此，對于所有入射原子，它們最終停留下來的位置是有一定分布的，它的分布是高斯分布。決定于注入離子能量，經計算，離子注入能量為100keV，注入深度大約為0.15~0.2m；離子注入能量為1MeV，注入深度大約為~1m。3.注入深度對于不同的入射離子，由于和晶格粒214.隧道效應離子注入基體時，它與基體晶格粒子發(fā)生碰撞，如果基體是晶體，則晶格粒子在空間呈規(guī)則排列，入射離子沿晶體的主軸方向注入時，它們可能與晶格原子發(fā)生類似的碰撞，每次碰撞時，離子運動偏轉很小，離子經過晶格同一排原子附近，可以穿透入固體中較深的距離，這現象稱為隧道效應。4.隧道效應離子注入基體時，它與基體晶格粒子發(fā)生碰撞，如果222.4束線離子注入2.4束線離子注入232.4.1束線離子注入的主要要素注入離子種類注入離子的能量注入離子的劑量離子束流密度注入溫度。2.4.1束線離子注入的主要要素注入離子種類242.4.2束線離子注入機低能注入機(100kev以下)中能注入機(100~300kev)高能注入機(300kev以上)2.4.2束線離子注入機低能注入機(100kev以下)252.4.3束線離子注入技術的優(yōu)點非熱平衡過程，原則上講，周期表上的任何元素都可注入任何基體；注入元素的種類、能量、劑量均可選擇，用這種方法形成的表面合金不受擴散和溶解度的經典熱力學參數的限制，即可得到其它方法得不到的新合金相；2.4.3束線離子注入技術的優(yōu)點非熱平衡過程，原則上講26離子注入層與基體沒有明顯界面，因此不存在膜的破裂與剝落問題，膜與基體結合牢固；離子注入在室溫真空下處理，處理后工件無變形、無氧化，能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，特別適合于高精密零件的最后處理。離子注入控制電參量，故容易精確控制注入離子的濃度分布，此分布也可以通過改變注入能量加以控制。離子注入層與基體沒有明顯界面，因此不存在膜的破裂與剝落問題，272.4.4束線離子注入技術的缺點設備昂貴，處理成本高，目前只能處理重要的精密關鍵部件。離子注入層較薄，一般只有0.1~0.2m，這就限制了它在高磨損中的應用。離子注入不能處理復雜形狀零件，被處理零件表面注入劑量均勻性較差。2.4.4束線離子注入技術的缺點設備昂貴，處理成本高，目前282.5全方位離子注入2.5全方位離子注入29離子注入等離子體鞘層形成等離子體鞘層擴展等離子體2.5.1全方位離子注入技術的基本原理離子注入等離子體鞘層形成等離子體鞘層擴展等離子體2.5.1302.5.2PIII技術的優(yōu)點與應用領域1.PIII技術的優(yōu)點全方位注入批量2.PIII技術的應用領域表面強化—工業(yè)零件延壽處理功能薄膜—生物材料，電子材料半導體—SOI結構，摻雜生物技術—離子輻照2.5.2PIII技術的優(yōu)點與應用領域1.PIII技術的313、濺射離子原子plasma濺射中性粒子二次電子3、濺射離子原子plasma濺射中性二次電子323.1濺射現象

當級聯運動的原子運動到固體表面時，如果其能量大于表面的勢壘，它將克服表面的束縛而飛出表面層，這就是濺射現象。濺射出來的粒子除了是原子外，也可以是原子團。濺射出來的原子進入鞘層后，與鞘層內的離子碰撞后將發(fā)生電離，形成新的離子。濺射原子或原子團也可以穿過鞘層進入等離子體，并捕獲等離子體中的電子，形成帶負電的粒子或粒子團，通常稱為“塵埃粒子”。塵埃粒子的存在將造成對等離子體的污染，這對采用等離子體技術制備高質量的薄膜材料是非常有害的。3.1濺射現象333.2濺射沉積3.1技術需求被蒸發(fā)材料不允許熔化：例如合金、化合物容易燒損。低溫沉積3.2定義：用離子轟擊靶材表面，靶材的原子從靶材表面被擊出的現象稱為濺射，從靶材表面濺射出的原子沉積在基體表面形成薄膜稱為濺射鍍膜。3.2濺射沉積3.1技術需求343.3濺射產額1)定義：

指一個入射離子所擊出的靶材的原子數，又稱為濺射率或濺射系數。2）濺射產額的大小:入射離子能量轟擊離子原子序數靶材料原子序數離子入射角工作氣體壓強3.3濺射產額1)定義：353）濺射產額曲線3）濺射產額曲線364）SputteringYieldforargonionbombardmentat600eVTargetYieldTargetYieldTargetYieldTargetYieldBe0.56AMo0.54Al2O30.18CdS1.2Al0.83Ru0.67SiO21.34GaAs0.9Ti0.54Rh0.77TiO20.96GaP0.95V0.55Pd1.32V2O30.45GaSb0.9Cr1.05Ag1.98Cr2O30.18InSb0.55Fe0.97Hf0.39Fe2O30.71SiC1.84）SputteringYieldforargoni373.4濺射清洗用于去除表面的雜質3.4濺射清洗用于去除表面的雜質383.5直流二極濺射主要問題：等離子體密度低濺射沉積速率低3.5直流二極濺射主要問題：393.6三極濺射熱燈絲陰極也和真空室相連，接地（電位為零），輔助陽極為+50~100V；在與氬原子碰撞時，使氬原子電離，建立非自持的熱陰極輝光放電基體與熱燈絲陰極均處與同電位三極濺射的電流密度比二極濺射高很多三極濺射的鍍膜速率可達二極濺射的2倍3.6三極濺射熱燈絲陰極也和真空室相連，接地（電位為零403.7射頻濺射1）技術需求絕緣材料的濺射2）射頻濺射原理3.7射頻濺射1）技術需求413）射頻濺射特點射頻濺射的頻率一般在5~30MHz，我國定為13.56MHz靶材上產生自偏壓效應濺射速率比二極濺射高；可濺射金屬及絕緣材料3）射頻濺射特點射頻濺射的頻率一般在5~30MHz，我國定為423.8磁控濺射1）技術需求

高的濺射沉積速率2）技術原理3.8磁控濺射1）技術需求431）平面磁控濺射靶1）平面磁控濺射靶442）圓柱磁控濺射靶2）圓柱磁控濺射靶453）非平衡磁控濺射3）非平衡磁控濺射464)反應磁控濺射1）技術需求：制備化合物薄膜采用純金屬作為濺射靶材2）方式：直流反應磁控濺射射頻反應磁控濺射中頻反應磁控濺射3）主要問題：靶材中毒陽極消失靶面和電極表面打火4)反應磁控濺射1）技術需求：474)中頻反應磁控濺射4)中頻反應磁控濺射483.9離子拋光大氣等離子體拋光聚焦離子束拋光3.9離子拋光大氣等離子體拋光494.PlasmaEtchingfeedgasesabsorptionReactionwithSurfaceDiffusionofproductsfromsurfaceSubsequentsurfacereactionsdesorptionMaterialremovalE-FieldionsCathodeRFPowerExhaust13.56MHzStraightSidewalls4.PlasmaEtchingfeedabsorpti50第2章等離子體與材料的相互作用課件51集成電路發(fā)展趨勢:加工晶圓的面積更大特征尺寸越來越小集成度越來越高對等離子體源的要求:高的刻蝕率高度的均勻性高度的各向異性高度的選擇性較低的介質損傷等離子體刻蝕工藝的趨勢集成電路發(fā)展趨勢:對等離子體源的要求:等離子體刻蝕工藝的趨勢52刻蝕過程Si+F-SiF刻蝕過程Si+F-SiF53第2章等離子體與材料的相互作用課件54第2章等離子體與材料的相互作用課件55第2章等離子體與材料的相互作用課件56第2章等離子體與材料的相互作用課件57等離子體刻蝕技術的應用(1)超大規(guī)模集成電路的制備等離子體刻蝕技術的應用58(2)微電機系統(MEMS)的制備(2)微電機系統(MEMS)的制備59刻蝕的工藝流程沉積薄膜涂光刻膠暴光刻蝕去膠刻蝕的工藝流程沉積薄膜涂光刻60等離子體輔助加工過程工藝等離子體輔助加工過程工藝616.高分子材料表面的等離子體改性以紡織品為例目的:

材料改進提高提高 提高 提高提高 染色性防水性親水性防燃性防縮性抗靜電性

羊毛

棉花

聚酯纖維手段： 刻蝕，交聯或分子鏈切斷，官能團導入6.高分子材料表面的等離子體改性以紡織品為例62示例：用全氟丁二烯-[2]

CF3-CF=CF-CF3對甲基丙烯酸甲酯表面進行等離子體引發(fā)后接枝聚合得到CH2=CHCOOCH2CH2-（CF2）2-CF3接枝聚合物，其染色性大大提高。示例：637.熱效應熱等離子體離子溫度與電子溫度相等:幾個電子ev，相當于幾萬度7.熱效應熱等離子體647.1電弧焊溫度很高，5000~50000K，帶電的粒子在等離子體定向移動，基本上不受空間電場的作用，所以能夠在低電壓條件下，傳輸大電流。傳輸電流的主要帶電粒子是電子，大約占帶電粒子總數的99.9%，其余為正離子。7.1電弧焊657.2電弧噴涂電弧產生的最高溫度高達60000C。電弧噴涂就是用導電的被噴涂材料絲作自耗電極，短路后將電弧引燃，同時把金屬絲不斷送進以補充溶化的電極電弧噴涂是將兩根被噴涂的材料的導電絲，分別接到直流電源的正負極作為自耗性電極，利用其端部在二絲分離時產生的電弧作為熱源熔化絲材，用壓縮空氣將熔化的絲材霧化成顆粒后，再將其加速，噴射到基體表面，形成涂層7.2電弧噴涂電弧產生的最高溫度高達60000C。電弧噴涂661直流電源，2金屬絲，3送絲滾輪，4導電塊，5導電嘴6空氣噴嘴，7電弧，8噴涂射流，9壓縮空氣1直流電源，2金屬絲，3送絲滾輪，4導電塊，5導電嘴677.3等離子體噴涂等離子體噴涂是以等離子體弧為熱源，噴涂材料以粉末形式送入焰流中制備涂層的一種方法。由于這種噴涂方法的焰流溫度高，速流大，所以制備的涂層孔隙率及結合度均優(yōu)于常規(guī)火焰噴涂，特別對制備高熔點的金屬涂層及陶瓷涂層有更大餓優(yōu)越性。常規(guī)等離子體噴涂是將槍的陰極和噴嘴（陽極）分別接到直流電源的負、正極上，并用高頻電源使極間氣體電離產生電弧，所產生的電弧被工作氣體吹出槍口，產生高溫高速的等離子體射流。送粉氣流將粉末送入射流之中被加速加熱，形成高速飛行的熔融或半熔融的顆粒，從噴嘴噴出，撞擊到基體表面形成涂層。7.3等離子體噴涂等離子體噴涂是以等離子體弧為熱源，噴涂材68(a)內送粉式；(b)外送粉式(a)內送粉式；(b)外送粉式69第二章等離子體與材料相互作用第二章等離子體與材料相互作用70內容表面吸附離子注入濺射刻蝕交聯熱效應內容表面吸附71

1.表面吸附等離子體中的中性粒子（原子、分子及基團）將不受鞘層電場的作用，直接向表面遷移。被吸附的粒子數與入射到表面的粒子數之比被稱為吸附率。在等離子體化學氣相沉積成膜工藝中，薄膜的生長過程也就是中性粒子的沉積過程。

1.表面吸附721.1化學氣相沉積技術1.1.1技術需求：需要材料表面生成一層與基體完全不同的物質半導體行業(yè)，電介質薄膜生物材料，抗凝血薄膜傳感器：傳感薄膜1.1化學氣相沉積技術1.1.1技術需求：731.1.2定義在一定溫度條件下，混合氣體與零件基體表面相互作用，使混合氣體中某些成分分解，并在基體表面形成金屬或化合物薄膜(鍍層)的過程.

1.1.2定義在一定溫度條件下，混合氣體與零件基體表面相互741.1.3化學氣相沉積的化學反應和特點熱分解或高溫分解反應:CH3+SiCl3=SiC+3HCl還原反應:WF6+3H2 =W+6HF氧化反應:SiH4+O2=SiO2+2H2水解反應:2AlCl3+3H2O=Al2O3+6HCl1.1.3化學氣相沉積的化學反應和特點熱分解或高溫分解反75第2章等離子體與材料的相互作用課件761.1.4化學氣相沉積要素足夠高的溫度：混合氣體中某些成分分解并與基體表面相互作用形成化合物必須吸收一定的能量，也就是說，進行上述過程必須有一定的激活能，這激活能必須由加熱基體表面獲得，因而需要足夠高的溫度。通常CVD的反應溫度大約在900~2000oC，它取決與沉積物的特性。要有混合氣體參加：混合氣體主要是惰性氣體（如Ar），還原氣體（如H2），和反應氣體（如N2、CH4、CO2、NH3、水蒸氣）；有時采用高飽和蒸氣壓的液體，如TiCl4、SiCl4、等，把它們加熱到一定溫度（600C），通過載體氫、氬與起泡的液體，從供氣系統中把上述蒸氣帶入沉積反應室。1.1.4化學氣相沉積要素足夠高的溫度：混合氣體中某些成分771.1.5化學氣相沉積（CVD）的特點CVD過程可在高溫或中溫下進行。CVD過程可在大氣壓或低于大氣壓（低壓）下進行，鍍層的密度和純度可控制，鍍層的化學成分可改變，繞鍍性好，適用于在復雜形狀零件上沉積薄膜。可形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物鍍層。1.1.5化學氣相沉積（CVD）的特點CVD過程可在高溫781.1.6化學氣相沉積優(yōu)缺點優(yōu)點：設備簡單，操作方便，可沉積各種性能的單一鍍層或復合鍍層；化學氣相沉積適用于處理復雜形狀零件；鍍層致密均勻，膜基結合強度較高。缺點：沉積溫度太高，在太高的溫度下進行薄膜沉積，會使工件變形，基體晶粒長大，使基材性能下降。1.1.6化學氣相沉積優(yōu)缺點優(yōu)點：設備簡單，操作方便，可沉791.2金屬有機化合物化學氣相沉積1.2.1技術需求降低沉積溫度1.2.2MOCVD方法特點：它是把能在低溫度下分解的金屬有機化合物作為初始反應物，它的優(yōu)點是可在熱敏感基體上沉積鍍層，它的缺點是沉積速率低、晶體缺陷密度高、膜中雜質多，氣體毒性大。1.2金屬有機化合物化學氣相沉積1.2.1技術需求801.3等離子體增強化學氣相沉積1.3.1技術需求降低沉積溫度晶體缺陷要少沉積速率高解決方法：提高沉積粒子的能量1.3等離子體增強化學氣相沉積1.3.1技術需求811.3.2PACVD原理1.3.2PACVD原理821.3.3等離子體輔助化學氣相沉積的優(yōu)點沉積薄膜的溫度低。例如沉積TiC或TiN膜時，CVD過程沉積溫度900~1100℃，PACVD過程沉積溫度為500℃。大大減少了因薄膜與襯底材料熱膨脹系數不匹配所產生的內應力。可以提高沉積速率。1.3.3等離子體輔助化學氣相沉積的優(yōu)點沉積薄膜的溫度低831.3.4等離子體輔助化學氣相沉積的缺點在等離子體中，電子能量分布廣泛，在沉積薄膜的過程中可能產生多種化學反應，致使反應產物難以控制，所以用PACVD難以獲得很純凈的物質。PACVD沉積溫度低，反應過程中產生的其它氣體會殘留在薄膜之中。對于某些脆弱的襯底易造成離子轟擊傷。PACVD相對于CVD而言，其處理價格較高。1.3.4等離子體輔助化學氣相沉積的缺點在等離子體中，電子841.3.5PACVD的反應室組成1.3.5PACVD的反應室組成851.3.6PACVD整體設備結構1.3.6PACVD整體設備結構862、離子注入2.1定義

如果入射離子的速度方向與固體表面的夾角大于某一臨界角，它將能夠進入固體表面層，與固體中的原子發(fā)生一系列的彈性和非彈性碰撞，并不斷地損失其能量。當入射離子的能量損失到某一定的值（約為20eV左右)時，將停止在固體中不再運動。上述過程被稱為離子注入過程。

IonEatoms2、離子注入IonEatoms872.2、原子的級聯運動

如果固體中的原子在同入射離子碰撞時獲得能量大于某一閾值時，將做反沖運動。該反沖原子將進一步與其它靜止原子發(fā)生碰撞，形成新的反沖原子。這樣依次下去，形成一系列原子的運動，被稱為原子的級聯運動。如果初始時固體是一個完美的晶體，那么原子級聯運動的結果將在固體表面層產生缺陷或原子的位錯。經退火后，固體表面將會非晶化，從而改變了固體的表面結構。

2.2、原子的級聯運動882.3離子注入過程的物理問題1.注入劑量注入劑量D表示單位面積上注入的原子數目，對于一定的材料，注入劑量應處于一定的范圍內。注入劑量（dose,fluence），注入深度，取決于離子能量及材料特性。一般，離子劑量范圍從1014/cm2（對于半導體應用）到接近1018/cm2（對于增強硬度及抗磨損應用）。2.注入離子能量注入離子能量由應用確定，離子能量范圍從10keV（對于抗腐蝕所需的薄表面層），到300keV或以上（對于改進工具的硬度與磨損特性所需的離子注入）。2.3離子注入過程的物理問題1.注入劑量2.注入離子能893.注入深度對于不同的入射離子，由于和晶格粒子相互作用與碰撞是隨機的，它最終停留下來的位置也應當是隨機的。因此，對于所有入射原子，它們最終停留下來的位置是有一定分布的，它的分布是高斯分布。決定于注入離子能量，經計算，離子注入能量為100keV，注入深度大約為0.15~0.2m；離子注入能量為1MeV，注入深度大約為~1m。3.注入深度對于不同的入射離子，由于和晶格粒904.隧道效應離子注入基體時，它與基體晶格粒子發(fā)生碰撞，如果基體是晶體，則晶格粒子在空間呈規(guī)則排列，入射離子沿晶體的主軸方向注入時，它們可能與晶格原子發(fā)生類似的碰撞，每次碰撞時，離子運動偏轉很小，離子經過晶格同一排原子附近，可以穿透入固體中較深的距離，這現象稱為隧道效應。4.隧道效應離子注入基體時，它與基體晶格粒子發(fā)生碰撞，如果912.4束線離子注入2.4束線離子注入922.4.1束線離子注入的主要要素注入離子種類注入離子的能量注入離子的劑量離子束流密度注入溫度。2.4.1束線離子注入的主要要素注入離子種類932.4.2束線離子注入機低能注入機(100kev以下)中能注入機(100~300kev)高能注入機(300kev以上)2.4.2束線離子注入機低能注入機(100kev以下)942.4.3束線離子注入技術的優(yōu)點非熱平衡過程，原則上講，周期表上的任何元素都可注入任何基體；注入元素的種類、能量、劑量均可選擇，用這種方法形成的表面合金不受擴散和溶解度的經典熱力學參數的限制，即可得到其它方法得不到的新合金相；2.4.3束線離子注入技術的優(yōu)點非熱平衡過程，原則上講95離子注入層與基體沒有明顯界面，因此不存在膜的破裂與剝落問題，膜與基體結合牢固；離子注入在室溫真空下處理，處理后工件無變形、無氧化，能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，特別適合于高精密零件的最后處理。離子注入控制電參量，故容易精確控制注入離子的濃度分布，此分布也可以通過改變注入能量加以控制。離子注入層與基體沒有明顯界面，因此不存在膜的破裂與剝落問題，962.4.4束線離子注入技術的缺點設備昂貴，處理成本高，目前只能處理重要的精密關鍵部件。離子注入層較薄，一般只有0.1~0.2m，這就限制了它在高磨損中的應用。離子注入不能處理復雜形狀零件，被處理零件表面注入劑量均勻性較差。2.4.4束線離子注入技術的缺點設備昂貴，處理成本高，目前972.5全方位離子注入2.5全方位離子注入98離子注入等離子體鞘層形成等離子體鞘層擴展等離子體2.5.1全方位離子注入技術的基本原理離子注入等離子體鞘層形成等離子體鞘層擴展等離子體2.5.1992.5.2PIII技術的優(yōu)點與應用領域1.PIII技術的優(yōu)點全方位注入批量2.PIII技術的應用領域表面強化—工業(yè)零件延壽處理功能薄膜—生物材料，電子材料半導體—SOI結構，摻雜生物技術—離子輻照2.5.2PIII技術的優(yōu)點與應用領域1.PIII技術的1003、濺射離子原子plasma濺射中性粒子二次電子3、濺射離子原子plasma濺射中性二次電子1013.1濺射現象

當級聯運動的原子運動到固體表面時，如果其能量大于表面的勢壘，它將克服表面的束縛而飛出表面層，這就是濺射現象。濺射出來的粒子除了是原子外，也可以是原子團。濺射出來的原子進入鞘層后，與鞘層內的離子碰撞后將發(fā)生電離，形成新的離子。濺射原子或原子團也可以穿過鞘層進入等離子體，并捕獲等離子體中的電子，形成帶負電的粒子或粒子團，通常稱為“塵埃粒子”。塵埃粒子的存在將造成對等離子體的污染，這對采用等離子體技術制備高質量的薄膜材料是非常有害的。3.1濺射現象1023.2濺射沉積3.1技術需求被蒸發(fā)材料不允許熔化：例如合金、化合物容易燒損。低溫沉積3.2定義：用離子轟擊靶材表面，靶材的原子從靶材表面被擊出的現象稱為濺射，從靶材表面濺射出的原子沉積在基體表面形成薄膜稱為濺射鍍膜。3.2濺射沉積3.1技術需求1033.3濺射產額1)定義：

指一個入射離子所擊出的靶材的原子數，又稱為濺射率或濺射系數。2）濺射產額的大小:入射離子能量轟擊離子原子序數靶材料原子序數離子入射角工作氣體壓強3.3濺射產額1)定義：1043）濺射產額曲線3）濺射產額曲線1054）SputteringYieldforargonionbombardmentat600eVTargetYieldTargetYieldTargetYieldTargetYieldBe0.56AMo0.54Al2O30.18CdS1.2Al0.83Ru0.67SiO21.34GaAs0.9Ti0.54Rh0.77TiO20.96GaP0.95V0.55Pd1.32V2O30.45GaSb0.9Cr1.05Ag1.98Cr2O30.18InSb0.55Fe0.97Hf0.39Fe2O30.71SiC1.84）SputteringYieldforargoni1063.4濺射清洗用于去除表面的雜質3.4濺射清洗用于去除表面的雜質1073.5直流二極濺射主要問題：等離子體密度低濺射沉積速率低3.5直流二極濺射主要問題：1083.6三極濺射熱燈絲陰極也和真空室相連，接地（電位為零），輔助陽極為+50~100V；在與氬原子碰撞時，使氬原子電離，建立非自持的熱陰極輝光放電基體與熱燈絲陰極均處與同電位三極濺射的電流密度比二極濺射高很多三極濺射的鍍膜速率可達二極濺射的2倍3.6三極濺射熱燈絲陰極也和真空室相連，接地（電位為零1093.7射頻濺射1）技術需求絕緣材料的濺射2）射頻濺射原理3.7射頻濺射1）技術需求1103）射頻濺射特點射頻濺射的頻率一般在5~30MHz，我國定為13.56MHz靶材上產生自偏壓效應濺射速率比二極濺射高；可濺射金屬及絕緣材料3）射頻濺射特點射頻濺射的頻率一般在5~30MHz，我國定為1113.8磁控濺射1）技術需求

高的濺射沉積速率2）技術原理3.8磁控濺射1）技術需求1121）平面磁控濺射靶1）平面磁控濺射靶1132）圓柱磁控濺射靶2）圓柱磁控濺射靶1143）非平衡磁控濺射3）非平衡磁控濺射1154)反應磁控濺射1）技術需求：制備化合物薄膜采用純金屬作為濺射靶材2）方式：直流反應磁控濺射射頻反應磁控濺射中頻反應磁控濺射3）主要問題：靶材中毒陽極消失靶面和電極表面打火4)反應磁控濺射1）技術需求：1164)中頻反應磁控濺射4)中頻反應磁控濺射1173.9離子拋光大氣等離子體拋光聚焦離子束拋光3.9離子拋光大氣等離子體拋光1184.PlasmaEtchingfeedgasesabsorptionReactionwithSurfaceDiffusionofproductsfromsurfaceSubsequentsurfacereactionsdesorptionMaterialremovalE-FieldionsCathodeRFPowerExhaust13.56MHzStraightSidewalls4.PlasmaEtchingfeedabsorpti119第2章等離子體與材料的相互作用課件120集成電路發(fā)展趨勢:加工晶圓的面積更大特征尺寸越來越小集成度越來越高對等離子體源的要求:高的刻蝕率高度的均勻性高度的各向異性高度的選擇性較低的介質損傷等離子體刻蝕工藝的趨勢集成電路發(fā)展趨勢:對等離子體源的要求:等離子體刻蝕工藝的趨勢121刻蝕過程Si+F-SiF刻蝕過程Si+F-SiF122第2章等離子體與材料的相互作用課件123第2章等離子體與材料的相互作用課件124第2章等離子體與材料的相互作用課件125第2章等離子體與材料的