薄膜沉積的共性問(wèn)題第二講

薄膜沉積的共性問(wèn)題第二講第1頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2等離子體在薄膜沉積中的作用基本概念離子、電子共存，整體呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)形成方式電子加速到一定能量，與氣體分子碰撞，使其電離或者激發(fā)（未被電離而處于激發(fā)狀態(tài)）。激發(fā)閥值或者離化閥值----能使氣體分子激發(fā)和電離的電子具有的最低能量值。（電子能量≥離化閥值）離化率----引起氣體電離的碰撞次數(shù)與總碰撞次數(shù)的比值。離化率隨電子能量的不同而變化。碰撞過(guò)程中：（a）發(fā)生有效地離化；（b）激發(fā)氣體分子為激發(fā)原子、原子團(tuán)或者分子等，形成活性基，增加等離子體的活性；（c）被激發(fā)原子或者分子經(jīng)過(guò)極短的弛豫時(shí)間，返回平衡狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的輝光。第2頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3等離子體的形成方法形成低溫等離子體的基本方法：

使電子帶有最容易引起離化和激發(fā)的能量，由這種荷能電子碰撞氣體原子，使其離化或激發(fā)，同時(shí)要求產(chǎn)生的等離子體具有較高的密度、均勻的分布、便于利用的形式以及良好的可控制性。第3頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4等離子體的形成方式熱電子發(fā)射型二極放電型磁控放電型無(wú)極放電型ECR放電型由熱陰極發(fā)射的電子被陽(yáng)極加速，在奔向陽(yáng)極的過(guò)程中與氣體分子發(fā)生碰撞，使后者離化或者激發(fā)，形成等離子體。工作氣壓在100Pa-0.01Pa。離子入射冷陰極會(huì)激發(fā)出γ電子，該電子在向陽(yáng)極移動(dòng)的過(guò)程中，與氣體分子發(fā)生碰撞，使后者離化或者激發(fā)，形成等離子體工作氣壓在100Pa-1Pa。原理與二極放電型一樣，只是在陰極背面放置磁場(chǎng)，形成互相垂直的電磁場(chǎng)，使電子做圓周運(yùn)動(dòng)，增加碰撞機(jī)會(huì)，從而增加離化率。工作氣壓在100Pa-10-12Pa。在絕緣管外周繞以高頻線圈，利用線圈產(chǎn)生的高頻電磁波，在絕緣管內(nèi)部形成等離子體。工作氣壓在1000Pa-0.1Pa。ECR即電子回旋共振，其是由電子回旋共振產(chǎn)生氣體放電進(jìn)而形成等離子體得方式。工作氣壓在1Pa-10-3Pa。第4頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四51853年Grove就觀察到了濺射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成份完全相同。但當(dāng)時(shí)他并不知道產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物理原因。1902年，Goldstein

才指出產(chǎn)生這種濺射現(xiàn)象的原因是由于陰極受到電離氣體中的離子的轟擊而引起的，并且他完成了第一個(gè)離子束濺射實(shí)驗(yàn)。到了1960年以后，人們開(kāi)始重視對(duì)濺射現(xiàn)象的研究，其原因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理過(guò)程直接相關(guān)，而且它具有重要的應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆的器壁保護(hù)、表面分析技術(shù)及薄膜制備等都涉及到濺射現(xiàn)象。1969年，Sigmund在總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，對(duì)Thompson的理論工作進(jìn)行了推廣，建立了原子線性級(jí)聯(lián)碰撞的理論模型，并由此得到了原子濺射產(chǎn)額的公式。1974年，H.H.Andersen和H.L.Bay研究（實(shí)驗(yàn)）了低能重離子輻照固體表面，可以產(chǎn)生非線性濺射現(xiàn)象，通常稱為“熱釘扎”(thermalizedspike)效應(yīng)。濺射鍍膜的發(fā)展歷程第5頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6濺射鍍膜概述在真空室中，荷能粒子(電場(chǎng)加速的正離子)打在固體表面時(shí)，與表面的原子、分子交換能量，從而使這些原子、分子飛濺出來(lái)，落在襯底上形成薄膜。1、膜層與基體的附著力強(qiáng)2、方便制取高熔點(diǎn)物質(zhì)的薄膜3、在大面積連續(xù)基板上可制取均勻的膜層4、容易控制膜的成分，可制取各種不同成分和配比的合金模5、可以進(jìn)行反應(yīng)濺射、制取多種化合物膜，可方便鍍制多層膜6、便于工業(yè)化生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化操作第6頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二濺射與二次離子入射離子轟擊固體時(shí)，會(huì)直接或間接迫使固體表面許多原子運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程稱為級(jí)聯(lián)碰撞。當(dāng)表面原子獲得足夠能量和動(dòng)量而背離表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，就引發(fā)表面粒子(原子、離子、基團(tuán))發(fā)射，稱為濺射。離子濺射可用來(lái)剝蝕樣品，配合俄歇電子能譜分析可確定樣品成分隨深度的變化情況，即材料的縱深剖析。離子濺射第7頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四8離子束與材料的相互作用入射離子濺射產(chǎn)額與入射離子的能量、入射角、靶原子質(zhì)量和入射離子質(zhì)量之比、入射離子的種類靶濺射產(chǎn)額與靶原子的原子序數(shù)相關(guān)，即原子量和在周期表中所處的位置、靶表面原子的結(jié)合狀態(tài)、結(jié)晶取向以及靶材的成分。濺射產(chǎn)物

入射離子

濺射出陰極靶原子產(chǎn)生二次電子濺射掉表面沾污，即濺射清洗離子被電子中和并以高能中性原子或以金屬原子的形式從陰極表面反射進(jìn)入陰極表面并改變表面性能

濺射出的表面原子

被散射回陰極被電子或者亞穩(wěn)態(tài)原子碰撞電離后，加速返回到陰極或產(chǎn)生濺射作用或在陰極區(qū)損失掉以荷能中性粒子的形式沉積到基片或其他某些部位，即濺射鍍膜第8頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四9濺射產(chǎn)額濺射過(guò)程可以用濺射產(chǎn)額這個(gè)物理量來(lái)定量地描述，其定義為平均每入射一個(gè)粒子從靶表面濺射出來(lái)的原子數(shù)，即

濺射產(chǎn)額依賴于靶材料的結(jié)構(gòu)、成份及表面形貌，同時(shí)還與入射離子的能量、電荷態(tài)和種類有關(guān)。

第9頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四10一般地，濺射產(chǎn)額隨入射離子能量的變化有如下特征：（1）存在一個(gè)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(méi)有原子被濺射出來(lái)。通常當(dāng)入射離子的能量為1~10keV時(shí)，濺射產(chǎn)額可以達(dá)到一個(gè)最大值。（2）當(dāng)入射離子的能量超過(guò)10keV時(shí)，濺射產(chǎn)額開(kāi)始隨入射離子的能量增加而下降。濺射產(chǎn)額的影響因素第10頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期四11濺射產(chǎn)額的影響因素濺射產(chǎn)額依入射離子的種類和靶材的不同而異！濺射產(chǎn)額在一定的靶材和入射離子條件下，與入射角有關(guān)，隨著入射角的增大而減?。R射產(chǎn)額與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)入射方向平行于低的晶體學(xué)指數(shù)的方向時(shí)