第三章濺射鍍膜

第三章濺射鍍膜技術(shù)濺射現(xiàn)象是一百多年前格洛夫（Grove）發(fā)現(xiàn)的。濺射是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子或者分子從表面射出的現(xiàn)象。濺射原子轟擊出來的粒子大多數(shù)呈原子狀態(tài)荷能粒子電子、離子（入射離子）或中性粒子濺射可以鍍膜，也可以進(jìn)行刻蝕。濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀積到被鍍襯底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。目前已廣泛應(yīng)用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)、化合物半導(dǎo)體、碳化物、氮化物及超導(dǎo)薄膜。

?濺射鍍膜的特點(diǎn)

?

濺射的基本原理

輝光放電、濺射特性、濺射鍍膜過程、濺射機(jī)理

?濺射鍍膜的類型

二極濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、對(duì)向靶濺射、反應(yīng)濺射、離子束濺射

?濺射鍍膜厚度的均勻性本章主要內(nèi)容3.1濺射鍍膜的特點(diǎn)濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點(diǎn)：任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)金屬、低蒸氣壓元素和化合物；金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等，塊狀、顆粒狀組分相近的、均勻的合金膜、化合物膜、成分復(fù)雜的超導(dǎo)膜組分完全不同化合物薄膜濺射薄膜與襯底的附著性好；濺射原子的能量較高，高能粒子淀積在基板上進(jìn)行能量交換，產(chǎn)生較高的熱能，增加了濺射原子與基板的附著力；濺射原子會(huì)產(chǎn)生注入現(xiàn)象，在基板上產(chǎn)生偽擴(kuò)散層；基板始終處于等離子區(qū)中被清洗和激活，不牢固的淀積原子被清除，凈化且活化基板表面。濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高；膜層厚度可控性和重復(fù)性好。濺射鍍膜時(shí)的放電電流和靶電流可以分別控制，通過控制靶電流可以控制膜厚。濺射鍍膜的缺點(diǎn)：濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置；成膜速率較低（0.01-0.5m）。3.2濺射的基本原理——輝光放電濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，整個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來源于氣體放電。放電方式：直流二極濺射——直流輝光放電三極濺射——熱陰極支持的輝光放電射頻濺射——射頻輝光放電磁控濺射——環(huán)狀磁場(chǎng)控制下的輝光放電★輝光放電直流輝光放電輝光放電是在真空度約10～1Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間在一定電壓下產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時(shí)，兩電極之間的電壓和電流的關(guān)系復(fù)雜，不能用歐姆定律描述。3.2濺射的基本原理——輝光放電無光放電區(qū)（AB）由于宇宙射線產(chǎn)生的游離離子和電子，當(dāng)在兩極間加上直流電壓，游離離子和電子在直流電壓作用下運(yùn)動(dòng)形成電流，10-16-10-14A。由于此區(qū)域?qū)щ姷话l(fā)光，因此稱為無光放電區(qū)。自然游離的離子和電子是有限的，所以隨電壓增加，電流變化很小。3.2濺射的基本原理——輝光放電3.2濺射的基本原理——輝光放電湯森放電區(qū)（BC）

隨電壓升高，電子運(yùn)動(dòng)速度逐漸加快，由于碰撞使氣體分子開始產(chǎn)生電離，電離為正離子和電子，再被電場(chǎng)加速，再電離，使電流平穩(wěn)地增加。于是在伏-安特性曲線出現(xiàn)湯森放電區(qū)。由于受到電源的高輸出阻抗限制，電壓呈一常數(shù)。電流可在電壓不變的情況下增大。上述兩種情況都以自然電離源為前提，且導(dǎo)電而不發(fā)光。因此，稱為非自持放電。3.2濺射的基本原理——輝光放電過渡區(qū)CD過C點(diǎn)后，發(fā)生“雪崩點(diǎn)火”，離子轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，二次電子與中性氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多的離子，離子再轟擊陰極，陰極產(chǎn)生更多的二次電子，大量的離子和電子產(chǎn)生后，放電達(dá)到自持，氣體被擊穿，開始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速降低，放電呈現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象。3.2濺射的基本原理——輝光放電正常輝光放電區(qū)（DE）繼續(xù)增加電源功率，在D點(diǎn)以后，電流平穩(wěn)增加，電壓維持不變，此時(shí)兩極板間出現(xiàn)輝光。DE區(qū)域叫做正常輝光放電區(qū)。在此區(qū)域，放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積。開始轟擊不均勻，主要集中在靠近陰極邊緣上，或在表面其他不規(guī)則處。隨著功率不斷增大，轟擊區(qū)逐漸擴(kuò)大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹?。正常輝光放電區(qū)DE

D點(diǎn)之后，電流與電壓無關(guān)，即增大電源功率時(shí)，電壓不變，電流平穩(wěn)增加，此時(shí)兩極板間出現(xiàn)輝光。在此區(qū)域，放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積。最初轟擊不均勻，主要集中在靠近陰極邊緣處，或在表面其它不規(guī)則處。隨著電源功率增大，轟擊面積逐漸擴(kuò)大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹?。這時(shí)電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，即使自然游離源不存在，導(dǎo)電也能繼續(xù)。電流與電壓無關(guān)（與輝光覆蓋面積有關(guān)）電流密度的大小與陰極材料、氣體壓強(qiáng)和種類，陰極的形狀有關(guān)。電流密度不高（濺射選擇非正常放電區(qū)）3.2濺射的基本原理——輝光放電異常輝光放電區(qū)（EF）當(dāng)轟擊覆蓋住整個(gè)陰極表面之后，進(jìn)一步增加功率，放電電壓和電流同時(shí)增加，進(jìn)入非正常輝光放電。特點(diǎn)：電流增大時(shí)，放電電極間電壓升高，且陰極電壓降與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。陰極表面情況：此時(shí)輝光布滿整個(gè)陰極，離子層已無法向四周擴(kuò)散，正離子層向陰極靠攏，距離縮短。此時(shí)若想提高電流密度，必須增加陰極壓降，使正離子有更大的能量轟擊陰極，使陰極更多的二次電子才行。3.2濺射的基本原理——輝光放電弧光放電區(qū)(FG)

異常輝光放電時(shí)，常有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷奈ｋU(xiǎn)。極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路；放電集中在陰極局部，常使陰極燒毀；損害電源。起輝電壓V由巴邢定律知，在氣體成分和電極材料一定的情況下，起輝電壓V只與氣體壓強(qiáng)P和電極距離d的乘積有關(guān)。Vmin3.2濺射的基本原理——輝光放電若氣體P太低或電極間距d太小，二次電子在到達(dá)陽極前不能使氣體分子被碰撞電離，無法形成一定數(shù)量的離子和二次電子，會(huì)使輝光放電熄滅。若氣體P太高或電極間距d太大，二次電子因多次碰撞而得不到加速，也會(huì)使輝光放電熄滅。3.2濺射的基本原理——輝光放電輝光的產(chǎn)生：眾多的電子、原子碰撞導(dǎo)致原子中的軌道電子受激躍遷到高能態(tài)，而后又衰變到基態(tài)并發(fā)射光子，大量的光子形成輝光。當(dāng)電源功率增加，形成輝光放電時(shí)，陰陽兩極間明暗光區(qū)的分布情況，以及暗區(qū)和亮區(qū)對(duì)應(yīng)的電位、場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷和光強(qiáng)分布，如下圖所示。阿斯頓暗區(qū)冷陰極發(fā)射的電子能量很低，約1eV左右，很難與氣體發(fā)生碰撞電離，所以在陰極附近形成一個(gè)黑暗的區(qū)域，稱為阿斯頓暗區(qū)。使用氬、氖之類氣體時(shí)這個(gè)暗區(qū)很明顯。對(duì)于其它氣體，這個(gè)暗區(qū)很窄，難以觀察到。陰極輝光區(qū)電子通過阿斯頓暗區(qū)后，在電場(chǎng)的作用下獲得了足夠的能量，與氣體發(fā)生碰撞，激發(fā)態(tài)的氣體分子衰變與進(jìn)入該區(qū)的離子復(fù)合而形成中性原子放出輝光，形成陰極輝光區(qū)?？唆斂怂拱祬^(qū)隨電子加速獲足夠能量，穿過陰極輝光區(qū)時(shí)與正離子不易發(fā)生復(fù)合，從而形成又一個(gè)暗區(qū)，叫做克魯克斯暗區(qū)。暗區(qū)的寬度與電子的平均自由程有關(guān)。負(fù)輝光區(qū)隨著電子速度增大，很快獲得了足以引起電離的能量，于是離開陰極暗區(qū)后使大量氣體電離，產(chǎn)生大量的正離子。正離子移動(dòng)速度慢，產(chǎn)生積聚，電位升高；與陰極之間的電位差成為陰極壓降。電子在高濃度正離子積聚區(qū)經(jīng)過碰撞速度降低，與正離子復(fù)合幾率增加，形成明亮的負(fù)輝光區(qū)。法拉第暗區(qū)經(jīng)過負(fù)輝光區(qū)后，大多數(shù)動(dòng)能較大的電子因碰撞都已喪失了能量，少數(shù)電子穿過負(fù)輝光區(qū)，形成暗區(qū)。正離子柱法拉第暗區(qū)過后，少數(shù)電子逐漸加速，并使氣體電離；由于電子較少，產(chǎn)生的正離子不會(huì)形成密集的空間電荷。此區(qū)域電壓降很小，類似一個(gè)良導(dǎo)體。輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)3.2濺射的基本原理——輝光放電從陰極發(fā)射的低能電子不能與氣體分子碰撞電離，形成靠近陰極的阿斯頓暗區(qū)。電子經(jīng)過阿斯頓暗區(qū)被加速后，使氣體分子激發(fā)，激發(fā)的氣體分子發(fā)出固有頻率的光，成為陰極輝光。電子進(jìn)一步加速，使氣體電離產(chǎn)生大量的離子和低速自由電子，該區(qū)域不發(fā)光，為克魯克斯暗區(qū)。所形成的低速電子加速后，又激發(fā)氣體分子使之發(fā)光，形成負(fù)輝光區(qū)。與濺射現(xiàn)象有關(guān)的問題：在克魯克斯暗區(qū)周圍形成的正離子沖擊陰極；電壓不變而改變電極間距時(shí)，主要發(fā)生變化的是陽極光柱的長(zhǎng)度，而從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離幾乎不變。其主要原因是兩電極之間電壓的下降幾乎都發(fā)生在陰極到負(fù)輝光區(qū)之間。濺射鍍膜裝置中，陰極和陽極之間距離至少要大于陰極與負(fù)輝光區(qū)的距離。3.2濺射的基本原理——輝光放電低頻輝光放電在低于50kHz的交流電壓條件下，離子有足夠的時(shí)間在每個(gè)半周期內(nèi)，在各個(gè)電極上建立直流輝光放電，稱為低頻直流輝光放電?；驹砼c特性與直流輝光放電相同。3.2濺射的基本原理——輝光放電射頻輝光放電射頻輝光放電的重要特征：在輝光放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離；因而，減少了放電對(duì)二次電子的依賴，并降低了擊穿電壓；射頻電壓能夠通過任何一種類型的阻抗耦合進(jìn)去，所以電極并不需要一定是導(dǎo)體。在一定氣壓下，陰陽極間所加交流電壓的頻率增高到射頻頻率(300KHz～30GHz)，將產(chǎn)生射頻輝光放電。3.2濺射的基本原理——輝光放電在5-30MHz的射頻濺射頻率下將產(chǎn)生射頻放電。電子的質(zhì)量小，會(huì)隨著外電場(chǎng)從射頻場(chǎng)中吸收能量而在場(chǎng)內(nèi)作振蕩運(yùn)動(dòng)。增加了與氣體分子的碰撞幾率，并使電離能力顯著提高，從而使擊穿電壓和維持放電的工作電壓均降低（僅為直流輝光放電的十分之一）；射頻輝光放電可以在較低的氣壓下進(jìn)行，直流輝光放電常在10-1-10-2Pa運(yùn)行。正離子的質(zhì)量大，運(yùn)行速度低，跟不上電源極性的改變，可認(rèn)為正離子在空間不動(dòng)，并形成更強(qiáng)的正空間電荷，對(duì)放電起增強(qiáng)作用。濺射的基本原理——濺射特性★濺射參數(shù)表征濺射特性的參數(shù)1、濺射閾值2、濺射率及其影響因素3、濺射粒子的速度和能量分布4、濺射原子的角度分布5、濺射率的計(jì)算1、濺射閾值

濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須的最小能量。濺射閾值的大小與離子質(zhì)量之間無明顯關(guān)系，主要取決于靶材料。對(duì)于處于周期表中同一周期的元素，濺射閾值隨著原子序數(shù)增加而減小。

濺射的基本原理——濺射特性濺射的基本原理——濺射特性對(duì)絕大多數(shù)金屬靶材，濺射閾值為10~30eV濺射的基本原理——濺射特性2、濺射率濺射率是指正離子轟擊陰極靶時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)。濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)。(1)靶材料

濺射率與靶材料種類的關(guān)系可用周期律來說明。相同條件下，同種離子轟擊不同元素的靶材料，得到的濺射率不同。濺射率呈周期性變化，隨靶材料元素的原子序數(shù)的增大而增加。濺射的基本原理——濺射特性參見表3-2六方晶格結(jié)構(gòu)和表面污染的金屬比面心立方和清潔表面的金屬的濺射率低升華熱大的金屬比升華熱小的金屬的濺射率低濺射的基本原理——濺射特性（2）入射離子能量

入射離子的能量對(duì)濺射率有顯著的影響。當(dāng)入射離子的能量高于某個(gè)定值時(shí)，才會(huì)發(fā)生濺射。入射離子的能量與濺射率的關(guān)系可分三個(gè)區(qū)域，

指數(shù)上升區(qū)；S∝E2（E<100eV）；線性增大區(qū)；S∝E（E>數(shù)百eV）；下降區(qū);

S∝E1/2（E=10-100keV）；存在濺射閾值，閾值能量一般為20~100eV。當(dāng)入射離子的能量小于這個(gè)閾值時(shí)，沒有原子濺射出來。一般當(dāng)入射離子能量為1~10keV時(shí)，濺射率可達(dá)到最大值。

最大值入射離子的能量（E/ev）S閾值濺射的基本原理——濺射特性（3）入射離子種類濺射率依賴于入射離子的種類。靶材中不同成分的濺射率不一樣.入射離子的原子量越大，濺射率就越高。濺射率隨入射離子的Z周期性變化而變。同一周期中凡閉合電子殼層的元素濺射率最大，所以惰性氣體的濺射率最高。濺射率與入射離子的原子序數(shù)的關(guān)系濺射的基本原理——濺射特性（4）入射離子的入射角入射角：離子入射方向與被濺射靶材表面法線間的夾角。隨入射角的增大濺射率逐漸增大。在0~60°間相對(duì)濺射率基本服從1/cosθ規(guī)律。入射角在60~80°濺射率最大。入射角繼續(xù)增加，則濺射率減小，90°時(shí)濺射率為零。

參看書P:72；3-14圖濺射的基本原理——濺射特性（5）靶材溫度濺射率與被濺射靶材的溫度有關(guān)。主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)。低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；高于此溫度時(shí)，濺射率急劇增加。除此之外，還與靶的結(jié)構(gòu)和靶材的結(jié)晶取向、表面形貌、濺射壓強(qiáng)等因素有關(guān)。降低工作氣壓和提高濺射率。濺射的基本原理——濺射特性3、濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速度也是描述濺射特性的重要參數(shù)。濺射原子的能量與靶材料、入射離子能量、種類及濺射原子的方向性等有關(guān)。一般從蒸發(fā)源出來的原子能量約0.1ev，

濺射原子是與高能量（幾百-幾千ev）入射離子

碰撞交換能量飛出的，所以濺射原子有較高的能量。濺射的基本原理——濺射特性重元素靶材濺射出來的原子有較高的能量；而輕元素靶材則有較高的速度；不同靶材具有不同的原子逸出能量，而濺射率高的靶材，通常具有較低的平均逸出能量；在入射離子能量相同時(shí)，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加；入射離子質(zhì)量小，原子逸出能量低；反之亦然。

平均逸出能量隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量超過1keV時(shí)，平均逸出能量趨于恒定；傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量（守恒定律）。濺射原子的能量與速度有如下特點(diǎn)：濺射的基本原理——濺射特性4、濺射原子的角度分布

研究濺射原子的分布，對(duì)了解濺射機(jī)理、建立濺射理論有著重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)控制膜厚分布也非常重要。濺射的熱峰蒸發(fā)理論早期的研究認(rèn)為：

濺射原子的角度分布符合那森余弦定律，與入射離子的方向性無關(guān)。

即：濺射的發(fā)生是因?yàn)楦吣芰康霓Z擊離子產(chǎn)生了局部的高溫區(qū)，從而導(dǎo)致了靶材料的蒸發(fā)，所以逸出原子呈余弦分布。濺射的基本原理——濺射特性濺射原子的角分布不同靶材料的角分布與余弦分布的偏差也不同。后來的研究發(fā)現(xiàn)，用低能原子轟擊時(shí)，逸出原子的分布不遵守余弦規(guī)律。垂直于靶面方向逸出的原子數(shù)，明顯少于按余弦分布分布時(shí)應(yīng)有的原子數(shù)。對(duì)于不同的靶材，角分布與余弦分布的偏差也不相同。濺射的基本原理——濺射特性濺射原子的逸出角分布與晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明：濺射原子逸出的主方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，直接影響濺射率。單晶材料原子密排面是最主要的逸出方向；面心立方體結(jié)構(gòu)逸出主方向是[110]晶向，其次是[100]、[111]晶向。多晶靶與單晶靶濺射原子的角分布明顯不同.單晶靶材可看到濺射原子明顯有擇優(yōu)取向的角分布，多晶靶材顯示出近似于余弦分布。濺射的基本原理——濺射特性5、濺射率的表達(dá)式計(jì)算濺射率需要考慮荷能粒子（入射離子和濺射原子）在表面附近的能量產(chǎn)生的低能濺射原子的數(shù)目這些濺射原子中到達(dá)基板表面的數(shù)目到達(dá)基板表面的濺射原子中能量超過結(jié)合能的原子數(shù)目通過離子與固體相互作用的物理過程，可以得到如下表達(dá)式：（1）離子能量小于1keV，在垂直入射時(shí)，濺射率為式中，為最大傳遞能量，靶材元素的勢(shì)壘高度，是與靶材原子質(zhì)量和入射離子質(zhì)量之比相關(guān)的常數(shù)。濺射的基本原理——濺射特性（2）離子能量大于1keV，在垂直入射時(shí)，濺射率為?2（3）一般情況下，濺射率的計(jì)算可由下式處理式中，為靶材的損失量，原子量，為離子電流，為濺射時(shí)間。設(shè)為刻蝕速率，樣品面積，為材料密度，為離子電流密度，則濺射的基本原理——濺射鍍膜過程★濺射鍍膜過程靶材濺射過程、逸出粒子的形態(tài)濺射粒子的遷移過程濺射粒子的成膜過程1.

靶材的濺射過程

入射高能粒子轟擊靶，將動(dòng)量轉(zhuǎn)給靶材原子，把靶材原子從靶表面撞出發(fā)生濺射。只有靶材原子吸收的能量超過其結(jié)合能，濺射才能發(fā)生。

實(shí)際的濺射過程非常復(fù)雜，除正常濺射還有許多附加效應(yīng)。如：入射高能粒子可能從表面反射；轟擊過程捕獲電子成為中性粒子；離子轟擊引起靶原子中的電子溢出（次級(jí)電子）；離子注入產(chǎn)生輻射射線等。濺射的基本原理——濺射鍍膜過程濺射的基本原理——濺射鍍膜過程2.

濺射粒子的遷移過程陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)作用下加速，飛向基片過程中與濺射氣體原子(He)發(fā)生碰撞，電離出大量的正離子和電子。

電子飛向基片,正離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（分子）沉積在基片上成膜。濺射過程中，必須保證一定的氣體壓力。要使濺射粒子平均自由程大于靶與基片間距。否則，濺射粒子在遷移過程中將發(fā)生多次碰撞，降低靶材原子的動(dòng)能，增加靶材的散射損耗。

詳細(xì)討論請(qǐng)參閱書

P:80-81。

濺射的基本原理——濺射機(jī)理1.

熱蒸發(fā)理論熱蒸發(fā)理論(早期理論)

濺射現(xiàn)象是荷能正離子在電場(chǎng)加速下轟擊靶材表面，將能量傳給碰撞處的原子，使靶表面碰撞處很小區(qū)域內(nèi)，發(fā)生瞬間強(qiáng)烈的高溫，使該區(qū)域的靶材料熔化發(fā)生蒸發(fā)。

可以解釋濺射某些現(xiàn)象和規(guī)律，如：濺射率與靶材料間的蒸發(fā)熱和轟擊粒子的能量關(guān)系、濺射原子的余弦分布規(guī)律等。不能解釋：濺射率與粒子入射角間的關(guān)系；濺射率與入射離子質(zhì)量關(guān)系;

單晶材料濺射時(shí)，濺射原子非余弦分布規(guī)律等問題。濺射的基本原理——濺射機(jī)理各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濺射完全是個(gè)動(dòng)量轉(zhuǎn)移過程。所以濺射也稱為:

物理濺射。

對(duì)于低能離子濺射過程，離子同靶原子間的相互作用主要是原子間的

彈性碰撞，特別是金屬靶材料，因此也稱為：

碰撞濺射。碰撞濺射的示意圖真空+固體濺射粒子(離子或中性粒子)注入離子滲透深度入射離子碰撞濺射knock-onsputtering

2.

動(dòng)量轉(zhuǎn)移理論濺射的基本原理——濺射機(jī)理

動(dòng)量轉(zhuǎn)移理論認(rèn)為：

對(duì)于低能離子碰撞靶時(shí)，不能從固體表面直接濺射出原子。而是把能量轉(zhuǎn)移給被碰撞的靶原子，引起晶格點(diǎn)陣上的原子的鏈瑣式碰撞。這種碰撞將沿著晶格點(diǎn)陣的各個(gè)方向進(jìn)行。因碰撞在原子最密排列點(diǎn)陣方向上最有效，所以，晶體表面原子從鄰近原子那里獲得越來越大的能量，最終從固體表面濺射出來。E0,M1,Z1

被濺射出來的原子

濺射原子彈性碰撞物理過程

很好解釋熱蒸發(fā)理論不能解釋的各種現(xiàn)象和規(guī)律。濺射的基本原理——濺射機(jī)理碰撞濺射分類單一碰撞濺射模型（線性）

線性碰撞級(jí)聯(lián)濺射模型（線性二級(jí)碰撞模型）“熱釘扎”濺射模型

（非線性濺射模型）單一線性碰撞濺射模型在離子同靶原子的碰撞過程中，反沖原子得到的能量比較低，使它不能進(jìn)一步產(chǎn)生新的反沖原子而直接被濺射出去。入射離子的能量在幾十電子伏內(nèi)，且離子的能量是在一次或幾次碰撞中損失掉．沒考慮原子間的功函數(shù)、原子間碰撞性質(zhì)隨能量不同而不同等問題。只能在濺射能量范圍內(nèi)近似闡明濺射過程，不能完全反映濺射的實(shí)際過程。單一碰撞濺射濺射的基本原理——濺射機(jī)理初始反沖原子得到能量較高，它可進(jìn)一步與其它靜止原子相碰撞，產(chǎn)生一系列新的級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)。但級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)密度較低，以至于運(yùn)動(dòng)原子主要同靜止原子間碰撞，而運(yùn)動(dòng)原子間的碰撞是次要的。對(duì)于線性碰撞級(jí)聯(lián)，入射離子能量范圍一般在keV-MeV，且級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)主要是在離子的路徑周圍產(chǎn)生的。

線性碰撞級(jí)聯(lián)濺射

西格曼德（Sigmund）模型線性碰撞級(jí)聯(lián)濺射濺射的基本原理——濺射機(jī)理當(dāng)反沖原子的密度非常高，以至于在一定區(qū)域內(nèi)大部分原子都在運(yùn)動(dòng)。熱釘扎濺射通常是由中等能量的重離子轟擊固體表面而造成是一種反常濺射或非線性濺射

現(xiàn)象。

熱釘扎濺射模型

1974年發(fā)現(xiàn)

低能重離子輻照固體表面，可產(chǎn)生非線性濺射現(xiàn)象，稱為“熱釘扎”效應(yīng)。

“熱釘扎”效應(yīng)濺射的基本原理——濺射機(jī)理假設(shè)：入射離子在固體表面產(chǎn)生的原子級(jí)聯(lián)運(yùn)動(dòng)是線性的，采用二體碰撞理論來描述。對(duì)于中等能量重離子轟擊固體表面，固體中移位原子間的平均自由程接近于晶格中原子的空間尺度，這時(shí)二體碰撞近似理論不再成立。

此時(shí)表面級(jí)聯(lián)區(qū)沉積的能量密度相當(dāng)高，以至產(chǎn)生一個(gè)可超過表面熔化和蒸發(fā)點(diǎn)的有效溫度，濺射過程進(jìn)入熱釘扎區(qū)，使濺射率變得反常的高。

熱釘扎濺射的理論解釋Au+

Au圖：Au的反常濺射的自濺射率的實(shí)驗(yàn)值。當(dāng)Au離子能量達(dá)幾千keV

時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西格曼德線性級(jí)聯(lián)理論給出的結(jié)果。濺射鍍膜的類型因電極不同可以分為：二極濺射靶材為良導(dǎo)體三極濺射四極濺射磁控濺射施加磁場(chǎng)來改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，束縛并延長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而提高電子對(duì)工作氣體的電離效率和濺射沉積率。射頻濺射絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體任何一類靶材反應(yīng)濺射法濺射鍍膜的類型——二級(jí)直流濺射★二級(jí)濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流二極濺射射頻二極濺射電離效應(yīng)靶與基板的距離以大于陰極暗區(qū)的3-4倍為宜。濺射鍍膜的類型——二級(jí)直流濺射特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以獲得大面積均勻薄膜?？刂茀?shù)：功率、電壓、壓力、電極間距等。缺點(diǎn)濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，放電電流隨電壓和氣壓變化，工藝重復(fù)性差；真空系統(tǒng)多采用擴(kuò)散泵，殘留氣體對(duì)膜層污染較嚴(yán)重，純度較差；（設(shè)法在10-1Pa下產(chǎn)生輝光）基片溫度升高，淀積速率低；（冷卻靶、控制入射離子能量）靶材必須是良導(dǎo)體。濺射鍍膜的類型——偏壓濺射★直流偏壓濺射結(jié)構(gòu)：基片施加負(fù)偏壓。特點(diǎn)：1.提高薄膜純度；2.提高附著力。

3.改變薄膜的性質(zhì)濺射鍍膜的類型——三極或四極濺射★三極或四極濺射二極直流濺射只能在高氣壓下進(jìn)行，因?yàn)樗且蕾囯x子轟擊陰極所發(fā)射的次級(jí)電子來維持輝光放電。當(dāng)氣壓下降（1.3-2.7Pa）時(shí)，陰極暗區(qū)擴(kuò)大，電子自由程增加，等離子體密度下降，輝光放電將無法維持?！峁┮粋€(gè)額外的電子源（三極或四極濺射）負(fù)電位熱陰極發(fā)射的電子與陽極產(chǎn)生等離子體靶相對(duì)于該等離子體為負(fù)電位為把陰極發(fā)射的電子全部吸引過來，陽極上加正偏壓，20V左右。為使放電穩(wěn)定，增加第四個(gè)電極——穩(wěn)定化電極濺射鍍膜的類型——三極或四極濺射濺射鍍膜的類型——三極或四極濺射穩(wěn)定電極電位濺射鍍膜的類型——三極或四極濺射特點(diǎn)：1.靶電流和靶電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)，克服了二極濺射的缺點(diǎn)；2.靶電壓低（幾百伏），濺射損傷?。?.濺射過程不依賴二次電子，由熱陰極發(fā)射電流控制，提高了濺射參數(shù)的可控性和工藝重復(fù)性；缺點(diǎn)：不能抑制電子轟擊對(duì)基片的影響（溫度升高）；燈絲污染問題；不適合反應(yīng)濺射等。濺射鍍膜的類型——射頻濺射★射頻濺射射頻濺射的機(jī)理和特性可以用射頻輝光放電解釋。等離子體中的電子容易在射頻場(chǎng)中吸收能量并在電場(chǎng)內(nèi)振蕩，與工作氣體的碰撞幾率增大，從而使擊穿電壓和放電電壓顯著降低。濺射鍍膜的類型——射頻濺射特點(diǎn)：1.電子與工作氣體分子碰撞電離幾率非常大，擊穿電壓和放電電壓顯著降低，比直流濺射小一個(gè)數(shù)量級(jí)；2.能淀積包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體在內(nèi)的幾乎所有材料；3.濺射過程不需要次級(jí)電子來維持放電。缺點(diǎn)：當(dāng)離子能量高時(shí)，次級(jí)電子數(shù)量增大，有可能成為高能電子轟擊基片，導(dǎo)致發(fā)熱，影響薄膜質(zhì)量。濺射鍍膜的類型——磁控濺射★磁控濺射磁控濺射是70年代發(fā)展起來的一種高速濺射技術(shù)。磁控濺射可以使淀積速率提高。氣體電離從0.3-0.5%提高到5-6%。濺射鍍膜的類型——磁控濺射磁控濺射工作原理磁控濺射技術(shù)中使用了磁控靶。磁控靶濺射鍍膜的類型——磁控濺射在陰極靶的表面上形成一個(gè)正交的電磁場(chǎng)。濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速成為高能電子，但是它并不直接飛向陽極，而在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下作擺線運(yùn)動(dòng)。高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞能量，并成為低能電子。濺射鍍膜的類型——磁控濺射E=0

Balongy-axis

v0

alongz-axisE=0

Balongy-axis

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alongyz-plane濺射鍍膜的類型——磁控濺射Ealongx-axis

Balongy-axis

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alongyz-planeEalongx-axis

Balongy-axis

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inz-directionE/B=0.02濺射鍍膜的類型——磁控濺射Ealongx-axis

Balongy-axis

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inz-directionE/B=0.1xyz濺射鍍膜的類型——磁控濺射濺射鍍膜的類型——磁控濺射特點(diǎn)：在陰極靶的表面形成一個(gè)正交的電磁場(chǎng)；電離效率高（電子一般經(jīng)過大約上百米的飛行才能到達(dá)陽極，碰撞頻率約為10-7

s-1）；可以在低真空（10-1Pa，濺射電壓數(shù)百伏，靶流可達(dá)到幾十毫安/m2）實(shí)現(xiàn)高速濺射；低溫、高速。濺射鍍膜的類型——磁控濺射磁控濺射源類型圓柱狀磁控濺射源平面磁控濺射源

S槍（錐型磁控濺射源）濺射鍍膜的類型——磁控濺射平面磁控濺射靶濺射鍍膜的類型——磁控濺射磁控濺射靶的最基本要求是：在陰極表面形成環(huán)形磁場(chǎng)，對(duì)靶面發(fā)射的二次電子進(jìn)行有效控制。

環(huán)行磁場(chǎng)區(qū)域一般稱為跑道，磁力線從跑道外環(huán)指向內(nèi)環(huán)（或由內(nèi)環(huán)指向外環(huán)），橫貫跑道。二次電子在跑道內(nèi)作擺線運(yùn)動(dòng)。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻造成了離子密度的不均勻，進(jìn)而形成靶面不均勻?yàn)R射。濺射鍍膜的類型——磁控濺射濺射鍍膜的類型——磁控濺射平面磁控濺射靶的工作特性濺射鍍膜的類型——磁控濺射最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力線分布條件下功率變化電流電壓陰極電壓恒定情況下，濺射功率平面磁控濺射的工作參數(shù)：濺射電壓300～800V電流密度4～50mA/cm2氬氣壓力0.13～1.3Pa濺射功率1～36W/cm2基片與靶的距離4～10cm在此條件下，得到的單元素材料的濺射速率為103～104?/KW·min濺射鍍膜的類型——磁控濺射磁控濺射存在的問題：不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁性材料的低溫高速濺射靶材為絕緣材料時(shí)，會(huì)使基板升溫靶的利用率較低（30%）濺射鍍膜的類型——磁控濺射濺射鍍膜的類型——對(duì)向靶濺射★對(duì)向靶濺射對(duì)于磁性材料，要實(shí)現(xiàn)低溫、高速濺射鍍膜，由于靶的磁阻很低，磁場(chǎng)幾乎完全從靶中通過，不可能在靶面上形成平行的磁場(chǎng)。采用對(duì)向靶濺射技術(shù)，可以解決上述問題。對(duì)向靶濺射具有濺射速率高、基板溫度低、可淀積磁性薄膜等優(yōu)點(diǎn)。濺射鍍膜的類型——反應(yīng)濺射★反應(yīng)濺射一般描述與反應(yīng)蒸發(fā)相類似，在濺射過程中引入反應(yīng)氣體，就可以控制生成薄膜的組成和特性，稱為“反應(yīng)濺射”。濺射淀積高純介質(zhì)薄膜和各種化合物薄膜，必須先有高純靶。高純的氧化物、氮化物、碳