磁控濺射等離子發(fā)光

1、公司公司1磁 控 濺 射 技術(shù)輝光放電等離子技術(shù)與磁控濺射鍍膜1. Introduction 2. Scientific Issues3. Engineering Issues 4. Conclusions 薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系2021-10-312二、發(fā)展概況v 1842年格洛夫（Grove）在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了陰極濺射現(xiàn)象。v 1877年將二級(jí)濺射技術(shù)用于鍍制反射鏡。v 二十世紀(jì)三十年代采用二極濺射技術(shù)鍍制金膜作為導(dǎo)電底層。v 以后出現(xiàn)射頻濺射、三極濺射和磁控濺射。v 1936年和1940年P(guān)enning相繼發(fā)明圓柱和圓筒磁控濺射陰極。-Penning放電、 Penning規(guī)Penni

2、ng離子源相繼出現(xiàn)v 1963年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室采用10米的連續(xù)濺射鍍膜裝置鍍制集成電路的鉭膜，首次實(shí)現(xiàn)了濺射鍍膜產(chǎn)業(yè)化。3Introductionv 濺射（Sputtering）：荷能離子轟擊固體材料表面，使該固體材料的原子被濺射出，并穿越真空環(huán)境，逐個(gè)地沉積到位于該固體材料對(duì)面的基片上形成薄膜；v 靶（Target）：也稱為陰極，即上述固體材料，接-100-1000V的電壓；v 基片（Substrate）:也稱為陽極，可接地、正偏置、負(fù)偏置、加熱或冷卻；v 濺射是一種物理氣相沉積（PVD, physical vapor-deposition）：過程。2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工

3、程學(xué)系4Introductionv 先將系統(tǒng)抽至壓強(qiáng)小于510-3 Pa的真空，再充入Ar至510-1Pa左右，并在陰極加上負(fù)電壓，使Ar電離成Ar+，形成等離子體，Ar+在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下迅速獲得巨大能量，并加速向陰極靶轟擊，Ar+即上述荷能離子；v Ar電離成Ar+的過程，使兩電極之間形成輝光放電等離子體（Glow-discharge plasma）；v DC濺射只能沉積金屬膜；RF濺射既可以沉積金屬膜，也可以沉積絕緣膜；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系5Introductionv 輝光放電等離子體不但可以濺射沉積(deposition)薄膜，反之，也可以用以刻蝕（etchi

4、ng）去除薄膜；v 微電子技術(shù)的發(fā)展是輝光放電等離子技術(shù)發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力（約有1/3的集成電路工藝步驟涉及到輝光放電等離子技術(shù)）；v 輝光放電等離子技術(shù)在光學(xué)、生物學(xué)、信息記錄、航天航空等領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系6濺射鍍膜的特點(diǎn)一、濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)(1/4) 1.任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物。 不論是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材。 由于濺射氧化物等絕緣材料和合金時(shí)，幾乎不發(fā)生分解和分餾，所以可用于制備與靶材料組分相近的薄膜和組分均勻的合金膜，乃至成分復(fù)雜的超導(dǎo)薄膜。

5、此外，采用反應(yīng)濺射法還可制得與靶材完全不同的化合物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。 2 .濺射膜與基板之間的附著性好。（1）濺射原子的能量比蒸發(fā)原子能量高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，高能粒子淀積在基板上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較高的熱能，增強(qiáng)了濺射原子與基板的附著力。（2）一部分高能量的濺射原子將產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，在基板上形成一層濺射原子與基板材料原子相互“混溶”的所謂的擴(kuò)散層。（3）在濺射粒子的轟擊過程中，基板始終處于等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著不牢的淀積原子，凈化且活化基板表面。因此，使得濺射膜層與基板的附著力大大增強(qiáng)。3.濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高。 因?yàn)樵跒R射鍍

6、膜過程中，不存在真空蒸鍍時(shí)無法避免的蒸發(fā)源污染現(xiàn)象。4.膜厚可控性和重復(fù)性好。 由于濺射鍍膜時(shí)可通過控制靶電流來控制膜厚。所以，濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現(xiàn)性好，能夠有效地鍍制預(yù)定厚度的薄膜。5.濺射鍍膜還可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜。Introductionv視頻演示輝光放電等離子技術(shù)1. Introduction 2. Scientific Issues3. Engineering Issues 4. Conclusions 薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系2021-10-3112等離子體v 等離子體(Plasmas)：該專有名詞是Irving Langmuir在1929年用

7、來描述大電流真空管中的離化氣體而發(fā)明的。等離子體即離子化的氣體，因其具有特殊性而被認(rèn)為是物體除固相、液相、氣相之外的第四相。v 在人們生活中，等離子體被認(rèn)為是稀有物相；v 而在全宇宙中，99%的物體以等離子形式存在；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系13湯森放電（Townsend Discharge）v 等離子體是導(dǎo)電的，而普通的氣體是不導(dǎo)電的，于是研究等離子體首先要解決的一個(gè)問題是：究竟是什么機(jī)理使得最初絕緣的氣體轉(zhuǎn)化成可以導(dǎo)電的媒質(zhì)？與絕緣固體的介質(zhì)擊穿電壓類似（在絕緣固體兩端的電壓增加到一定程度，該絕緣固體會(huì)被擊穿并開始導(dǎo)電）v 答案：湯森放電（Townsend Disch

8、arge）v Status1：加電場(chǎng)陰極附近的游離電子 開始朝陽極定向運(yùn)動(dòng)，形成初始電流i0； Status2：這些定向運(yùn)動(dòng)的電子被加速并 積聚能量，在奔向陽極的途中可能會(huì)與 氣體分子A碰撞，若電子的能量足夠大： 2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系14湯森放電（Townsend Discharge）v Status1：加電場(chǎng)陰極附近的游離電子 開始朝陽極定向運(yùn)動(dòng)，形成初始電流i0； Status2：這些定向運(yùn)動(dòng)的電子被加速并 積聚能量，在奔向陽極的圖中可能會(huì)與 氣體分子A碰撞，若電子的能量足夠大： Status3: 增加的電子積聚能量后也可產(chǎn) 生類似的碰撞獲得更多的電子和A+；

9、同時(shí)，A+轟擊陰極產(chǎn)生二次電子電流 急劇增加（雪崩），最終擊穿氣體導(dǎo)電 2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系15湯森放電（Townsend Discharge）v 為了能擊穿氣體：電極間的距離d應(yīng)足夠大使電子有足夠的加速時(shí)間來獲得足夠的能量電極應(yīng)足夠?qū)挿乐勾罅康碾娮雍虯+逃離兩電極之件的區(qū)域v Townsend 方程i：放電電流；i0：初始電流；:Townsend離化系數(shù)，單位長(zhǎng)度離化產(chǎn)生的可能性；e：Townsend二次電子發(fā)射系數(shù)，陰極每入射一個(gè)A+產(chǎn)生的二次電子數(shù)分母為零放電電流無窮大擊穿 VB為擊穿電壓 A、B為常數(shù)2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系1611,

10、iVqEeP帕邢定律(Paschens Law)v Pd低端：碰撞太少；v Pd高端：碰撞太頻繁，導(dǎo)致電子不能積聚足夠的能量離化氣體；v 大多數(shù)的濺射系統(tǒng)工作在最小點(diǎn)的靠左邊處2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系17帕邢定律(Paschens Law)v 工程應(yīng)用Tips：若系統(tǒng)難以起輝，尤其是射頻濺射時(shí)，可采用的增加壓強(qiáng)的方法使之起輝（增加Ar氣流量，或主閥節(jié)流）若不希望兩電極間起輝放電，可減小兩電極間的距離d（靶屏蔽罩的設(shè)計(jì)就是利用這一原理）2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系18氣體放電類型v 湯森放電：氣體擊穿的初期，放電電壓比較高，且隨輸入功率的增加變化很小；

11、放電電流隨輸入功率的增加而增加，但比較??；v 正常輝光放電：當(dāng)放電達(dá)到一定值以后，足夠多的電子和離子使得放電可以自持，氣體放電轉(zhuǎn)化為正常輝光放電，此時(shí)的氣體電導(dǎo)率比較大，極板間電壓下降；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系19氣體放電類型v 異常輝光放電：當(dāng)電離度達(dá)到比較高以后，電流隨功率增加變緩，但電壓迅速增加；濺射或等離子刻蝕位于此區(qū)域；v 弧光放電：進(jìn)一步增加功率導(dǎo)致電弧出現(xiàn)，從而放電轉(zhuǎn)化為弧光放電，氣體電導(dǎo)率再次增加，極板間電壓再次下降；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系20直流放電v Aston暗區(qū)：低能電子和高能離子；電子能量很低，不但不足以使氣體分子電離

12、，連使氣體分子激發(fā)的能力也沒有，故沒有光，呈暗區(qū)；v 陰極輝光區(qū)：電子已經(jīng)獲得了足夠的能量激發(fā)氣體分子，高能態(tài)去激則發(fā)光，故呈高亮態(tài)，包圍在整個(gè)陰極周圍；v 陰極暗區(qū)：電子和離子的加速區(qū)；抵達(dá)本區(qū)域的電子，能量較高，有利于電離而不利于激發(fā)，因此發(fā)光微弱；v 負(fù)輝光區(qū)：二次電子與中性粒子相互作用；電子能量較為分散，既富于低能量的電子也富于高能量的電子。v 法拉第暗區(qū)：電子能量很低，不發(fā)生激發(fā)或電離，因此是暗區(qū)；v 正柱區(qū)：正輝光區(qū)，非必要區(qū)；v 陽極暗區(qū)：非典型區(qū)；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系21產(chǎn)生等離子體的其他方式v 交流放電：低頻放電、中頻放電、射頻放電；v 脈沖放電：

13、恒流、恒壓；v 微波放電：微波及電子回旋共振(ECR)；v 射頻感應(yīng)耦合等離子體；v 介質(zhì)阻擋放電等離子體；v 大氣壓放電等離子體；v 2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系22等離子體物理學(xué)的基本概念v 電子濃度（ne）、離子濃度（ni）、中性粒子濃度（no）v 概念1：電中性，ne=niv 概念2：弱離化，fi=ne/(ne+no),典型值為10-4v 概念3：德拜長(zhǎng)度（Debye Length），也叫德拜半徑,是描述等離子體中電荷的作用尺度的典型長(zhǎng)度，是等離子體的重要參量，常用D表示。德拜長(zhǎng)度首先是由荷蘭物理學(xué)家彼得德拜提出的，反映了等離子體中一個(gè)重要的特性電荷屏蔽效應(yīng)。當(dāng)所討

14、論的尺度大于德拜長(zhǎng)度時(shí)，可以將等離子體看作是整體電中性的，反之，則是帶有電荷的。換言之，德拜半徑就是電荷能夠起作用的最遠(yuǎn)的距離。通常所說的“德拜球”就是以德拜長(zhǎng)度為半徑的球體， 它表示了一個(gè)球體范圍，在該球體范圍以外 電荷都是被屏蔽的。2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系23等離子體物理學(xué)的基本概念v 概念4：等離子體頻率，在等離子體中，當(dāng)正負(fù)電荷分離時(shí)，離子由于質(zhì)量大，可視為固定不動(dòng)，而電子會(huì)在靜電力的作用下產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振蕩，稱為等離子體振蕩。 在冷等離子體（即忽略電子熱運(yùn)動(dòng)影響）中，振蕩頻率e為： 等離子體頻率用來表征等離子體中的電子對(duì)電場(chǎng)擾動(dòng)的響應(yīng)的快慢。v 德拜長(zhǎng)度與等離子體頻

15、率的乘積為電子運(yùn)動(dòng)速度；v 概念5：等離子體溫度，電子的平均能量2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系24等離子體物理學(xué)的基本概念v等離子體的判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)離化氣體滿足以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該離化氣體可被判斷為等離子體：標(biāo)準(zhǔn)1：系統(tǒng)尺寸遠(yuǎn)大于德拜長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)2：德拜球內(nèi)的電子需足夠多，一般為4104標(biāo)準(zhǔn)3：電子之間的相互作用遠(yuǎn)強(qiáng)于電子與中性粒子的相互作用（等離子中的粒子運(yùn)動(dòng)是被電磁場(chǎng)，而非氣體流動(dòng)力學(xué)所控制）2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系25等離子體鞘層v 由于電子和離子的質(zhì)量、速度的差異使得浸沒在等離子體的中的懸浮電極相對(duì)于等離子體而言處于負(fù)電位，因此陰極和陽極表面的懸浮電位

16、低于等離子體電位，從而在陰極和陽極表面形成鞘層；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系26等離子體化學(xué)v 若氣體非惰性，則如何？ 2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系27等離子體化學(xué)2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系28濺射的物理機(jī)制2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系29濺射的物理機(jī)制vMomentum Transfer 與 hot-spot 之爭(zhēng)1852年，Grove首次發(fā)現(xiàn)濺射現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)提出Momentum transfer理論解釋之；后來，Momentum transfer理論逐漸被hot-spot理論所排擠；最近的研究表明，濺射的許多現(xiàn)

17、象只能被Momentum transfer理論所解釋；v但截至目前為止，人們并未完全了解濺射現(xiàn)象，如靶的表面改性等2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系30濺射的物理機(jī)理v證明濺射是Momentum transfer的依據(jù)：濺射產(chǎn)額（濺射出的原子數(shù)量/入射離子數(shù)量）不但取決于入射離子的能量，也取決于入射離子的質(zhì)量；濺射產(chǎn)額對(duì)入射離子的入射角敏感；閾值能量的存在，當(dāng)入射離子的能量低于這一閾值能量時(shí)，無論如何增大入射離子的流量都不能產(chǎn)生濺射；濺射出原子的能量遠(yuǎn)大于蒸發(fā)原子的能量；多晶材料不同取向的平面有不同的濺射產(chǎn)額；合金靶濺射出來的薄膜組分取決于合金各組分的濺射產(chǎn)額，而非個(gè)組分的熱蒸氣

18、壓；濺射產(chǎn)額對(duì)靶面溫度不敏感；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系31濺射與濺射產(chǎn)額v碰撞的動(dòng)量轉(zhuǎn)移：當(dāng)載能離子與固體表面相互作用的過程中，將發(fā)生載能離子的能量和動(dòng)量向固體表面原子轉(zhuǎn)移；v表面原子的濺射：當(dāng)表面原子獲得足夠大的動(dòng)能而脫離基體表面，從而產(chǎn)生表面原子的濺射；v濺射產(chǎn)額：S=被濺射出的原子數(shù)量/入射離子數(shù)量2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系32濺射的碰撞機(jī)制v 單原子碰撞機(jī)制(Single Knock-on)：當(dāng)入射離子的能量比較低(1keV)時(shí)，表面原子的濺射以單原子碰撞機(jī)制為主；v 線性級(jí)聯(lián)碰撞機(jī)制：當(dāng)入射離子的能量相對(duì)較高時(shí)(1keV 幾十keV)時(shí)，

19、表面原子的濺射以線性級(jí)聯(lián)碰撞機(jī)制為主；v 熱峰機(jī)制(spike)：高能離子與物質(zhì)相互作用機(jī)制；2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系33動(dòng)量轉(zhuǎn)移機(jī)理2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系34濺射特性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具有的最小能量。 實(shí)驗(yàn)表明，不同的入射離子，它們的濺射閾值變化很小；而對(duì)于不同靶材，濺射閾值的變化比較明顯。即濺射閾值與離子質(zhì)量之間無明顯的依賴關(guān)系，而主要取決于靶材料。對(duì)處于周期表中同一周期的元素(靶材料)，濺射閾值隨著原子序數(shù)增加而減小。 對(duì)絕大多數(shù)金屬來說

20、，濺射閾值為10-30eV,相當(dāng)于升華熱的 4 倍左右。（如表3-1）表3-1 一些金屬元素的閾值能量(eV)2濺射率及影響濺射率的因素 濺射率是描述濺射特性的一個(gè)最重要物理參量。 它表示正離子轟擊靶陰極時(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)，常用S表示。 濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，單晶靶材還與表面取向有關(guān)。(1)影響濺射率的因素靶材料 濺射率與靶材料種類的關(guān)系可用靶材料元素在周期表中的位置來說明。在相同條件下，用同一種離子對(duì)不同元素的靶材料轟擊，得到不相同的濺射率，并且還發(fā)現(xiàn)濺射率呈周期性變化，其一

21、般規(guī)律是：濺射率隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。圖3-4濺射率與靶材元素原子序數(shù)的關(guān)系 由圖3-4可以看出：1）銅、銀、金的濺射率較大；碳、硅、鈦、釩、鋯、鈮、鉭、鎢等元素的濺射率較??；2）在用400eV 的 Xe+ 離子轟擊時(shí)，銀的濺射率為最大，碳為最小。3）具有六方晶格結(jié)構(gòu)(如鎂、鋅、鈦等)的金屬要比面心立方(如鎳、鉑、銅、銀、金、鋁等)的金屬的濺射率低；4）表面污染(如氧化層)的金屬比清潔表面的金屬的濺射率低；5）升華熱大的金屬要比升華熱小的濺射率低。表3-2 各種靶材元素的濺射率各種材料的濺射產(chǎn)額2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系43（2）影響濺射率的因素入射離子能量 入射

22、離子能量大小對(duì)濺射率影響顯著。當(dāng)入射離子能量高于某一個(gè)臨界值(濺射閾值)時(shí)，才發(fā)生濺射。 圖3-5為濺射率S與入射離子能量E之間的典型關(guān)系曲線。曲線可分為三個(gè)區(qū)域： S正比于E2 : ETE500 eV (ET為濺射閾值) S正比于E : 500 eV E1000 eV S正比于E1/2 : 1000 eV E5000 eV圖3-5 濺射率S與入射離子能量E之間的典型關(guān)系曲線 濺射率S最初隨轟擊離子能量的增加而指數(shù)上升；其后出現(xiàn)一個(gè)線性增大區(qū)，并逐漸達(dá)到一個(gè)平坦的最大值并呈飽和狀態(tài)；如果再增加E則因產(chǎn)生離子注入效應(yīng)而使S值開始下降。入射離子對(duì)濺射產(chǎn)額的影響v入射離子能量對(duì)濺射產(chǎn)額的影響：當(dāng)入射

23、離子能量在幾十keV時(shí)，濺射產(chǎn)額最大;2021-10-31薄膜電子學(xué)信息與電子工程學(xué)系46圖3-6 用Ar離子轟擊銅時(shí)， 離子能量E與濺射率S的典型關(guān)系曲線可分成三部分：.沒有或幾乎沒有濺射的低能區(qū)域；.E=7010000eV，這是濺射率隨離子能量增大而增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜；.E30keV，濺射率隨離子能量的增加而下降。 圖3-6中能量范圍擴(kuò)大到100keV，這一曲線可分成三部分： 第一部分是沒有或幾乎沒有濺射的低能區(qū)域；第二部分的能量從70eV增至10keV，這是濺射率隨離子能量增大而增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜的能量值大部分在這一范圍內(nèi)；第三部分是30keV以上，這時(shí)濺射率隨離子能

24、量的增加而下降。 如前所述，這種下降據(jù)認(rèn)為是由于轟擊離子此時(shí)深入到晶格內(nèi)部，將大部分能量損失在靶材體內(nèi)，而不是消耗在靶表面的緣故。轟擊離子愈重，出現(xiàn)這種下降時(shí)的能量值就愈高。(3)影響濺射率的因素入射離子種類 濺射率與入射離子種類的關(guān)系： 1)依賴于入射離子的原子量，入射離子的原子量越大，則濺射率越高； 2)與入射離子的原子序數(shù)有關(guān)，呈現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性變化的關(guān)系。這和濺射率與靶材料的原子序之間存在的關(guān)系相類似。 3)在周期表每一橫排中，凡電子殼層填滿的元素作為入射離子時(shí)，就有最大的濺射率。因此，惰性氣體的濺射率最高。 一般情況下，入射離子多采用惰性氣體，同時(shí)還能避免與靶材料起化學(xué)反應(yīng)

25、。通常選用氬為工作氣體。圖3-7 濺射率與入射離子的原子序數(shù)的關(guān)系 (4)影響濺射率的因素入射離子的入射角 入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角。 圖3-8為Ar+的入射角與幾種金屬的濺射率的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)曲線可見：1) 隨著入射角的增加濺射率逐漸增大，在0-600之間的相對(duì)濺射率基本上服從1/cos 規(guī)律,既S()/S(0)=1/cos , S()和S(0)分別為角和垂直入射時(shí)的濺射率。 Ar+的入射角與幾種金屬的濺射率的關(guān)系 2) 600時(shí)的值為垂直入射(=0)時(shí)的2倍左右。 3) 當(dāng)入射角為600- 800時(shí)，濺射率最大。 4)入射角再增加時(shí)，濺射率急劇減小，當(dāng)?shù)扔?00時(shí)

26、，濺射率為零。圖3-8 實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1/3)1、濺射率與離子入射角的典型關(guān)系曲線如圖3-9所示。表明： 1)對(duì)于不同的靶材和入射離子而言，對(duì)應(yīng)的最大濺射率S值，有一個(gè)最佳的入射角m。 2)不同的離子加速電壓，對(duì)入射角m值也存在一定影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)論(2/3)2、另外，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同入射角的濺射率值S()，和垂直入射時(shí)的濺射率值S(0)，對(duì)于不同靶材和入射離子的種類，有以下結(jié)果：1) 對(duì)于輕元素靶材,S()/S(0) 比值變化顯著；2)重離子入射時(shí),S()/S(0)的比值變化顯著；3)隨著入射離子能量的增加， S()/S(0)呈最大值的角度逐漸增大；4)S()/S(0)的最大值，在入射離子的加

27、速電壓超過2kV時(shí)，急劇減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)論(3/3)3、一般說來,入射角度與濺射率的關(guān)系： 對(duì)金、銀、銅、鉑等影響較小； 對(duì)鋁、鐵、鈦、鉭等影響較大； 對(duì)鎳、鎢等的影響為中等。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的幾種解釋 對(duì)于上述濺射率隨離子入射角的變化，可從以下兩方面進(jìn)行解釋：1）入射離子所具有的能量轟擊靶材，將引起靶材表面原子的級(jí)聯(lián)碰撞，導(dǎo)致某些原子被濺射。該級(jí)聯(lián)碰撞的擴(kuò)展范圍不僅與入射離子能量有關(guān)，還與離子的入射角有關(guān)。顯然，在大入射角情況下，級(jí)聯(lián)碰撞主要集中在很淺的表面層，妨礙了級(jí)聯(lián)碰撞范圍的擴(kuò)展。結(jié)果低能量的反沖原子的生成率很低，致使濺射率急劇下降。2）入射離子以彈性反射方式從靶面反射。離子的反射方向與入射角有

28、關(guān)。因此，反射離子對(duì)隨后入射離子的屏蔽阻擋作用與入射角有關(guān)。在入射角為600-800時(shí)，其阻擋作用最小而轟擊效果最好，故此時(shí)濺射率S呈最大值。(5)影響濺射率的因素靶材溫度 濺射率與靶材溫度的依賴關(guān)系，主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)：在低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變；超過此溫度時(shí)，濺射率將急劇增加。 因此，在濺射時(shí)，應(yīng)注意控制靶材溫度，防止出現(xiàn)濺射率急劇增加現(xiàn)象的產(chǎn)生。（以保證濺射率不突變）濺射率與靶材溫度的關(guān)系 圖3-10是用45keV的氙離子(Xe4)對(duì)幾種靶材進(jìn)行轟擊時(shí)，所得濺射率與靶材溫度的關(guān)系曲線。 由圖可見，在濺射時(shí)，應(yīng)注意控制靶材溫度，防止出現(xiàn)濺射率急劇增加現(xiàn)象的產(chǎn)生。濺

29、射率與靶材溫度的關(guān)系 濺射率除與上述五種因素有關(guān)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)。 綜上所述，為了保證濺射薄膜的質(zhì)量和提高薄膜的淀積速度，應(yīng)當(dāng)盡量降低工作氣體的壓力和提高濺射率。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物理參量。 一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子的能量為0.1eV左右。而在濺射中，由于濺射原子是與高能量入射離子交換動(dòng)量而飛濺出來的，所以，濺射原子具有較大的能量。如以1000eV加速的Ar+離子濺射鋁等輕金屬元素時(shí),逸出原子的能量約為10eV,而濺射鎢、鉬、鉑時(shí),逸出原子的能量約為35eV。一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子

30、能量大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，約為5-10 eV。 濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類和能量以及濺射原子的方向性等都有關(guān)。 圖3-11是不同能量的Hg+轟擊 Ag靶時(shí)濺射原子的能量分布情況。 其能量的分布近似麥克斯違爾分布，大部分濺射原子的能量小于10eV，高能量部分有一拖長(zhǎng)的尾巴，平均能量為10-40eV。 轟擊離子的能量增加，高能量尾巴也拖得更長(zhǎng)。當(dāng)入射離子能量大于1000eV時(shí)，所逸出原子的平均能量不再增大。實(shí)驗(yàn)一：不同能量的Hg+轟擊 Ag靶時(shí) 濺射原子的能量分布（圖3-11）實(shí)驗(yàn)二：1200eV Kr+ 轟擊不同靶材時(shí) 逸出原子的能量分布（圖3-12） 圖3-12 是用能量為1200eV

31、的Kr+離子轟擊不同元素靶材時(shí)，得到的逸出濺射原子的能量分布曲線。 Rh、Pd、Ag在元素周期表中是相鄰元素，原子量大體相等，但能量分布曲線卻有較大差異。實(shí)驗(yàn)三：不同入射離子轟擊不同靶材時(shí) 逸出原子的能量分布（圖3-13） 圖3-13是不同入射離子轟擊不同靶材時(shí)，逸出原子的能量分布曲線。 可見它們具有相近似的能量分布規(guī)律，但能量值的分布范圍不相同。實(shí)驗(yàn)四： 1200eV Kr+ 轟擊不同靶材時(shí) 濺射原子的平均逸出能量 由圖3-14可見，用同一離子轟擊不同材料靶，當(dāng)原子序數(shù)Z20時(shí)，各元素的濺射原子的平均逸出能量的差別增大。（圖3-14）實(shí)驗(yàn)五： 1200eV Kr+ 轟擊不同靶材時(shí) 濺射原子的

32、平均逸出速度 由圖3-15可見，用同一離子轟擊不同材料靶，當(dāng)靶材原子序數(shù)Z20時(shí)，各元素的濺射原子的平均逸出速度的差別較小。（圖3-15）實(shí)驗(yàn)六：用Hg+垂直轟擊Cu多晶靶時(shí)，與表面法 線成不同角度方向?yàn)R射原子的能量分布 由圖3-16可見，不同方向逸出原子的能量分布也是不相同的。（圖3-16）濺射原子的能量和速度特點(diǎn)(1/3)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果: (1)重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，而輕元素靶材則有高的原子逸出速度； (2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量，而濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；濺射原子的能量和速度特點(diǎn)(2/3)：(3)在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離

33、子質(zhì)量的增加而線性增加，輕入射離子濺射出的原子的逸出能量較低，約為10eV，而重入射離子濺射出的原子的逸出能量較大，平均達(dá)到30- 40eV，與濺射率的情形相類似；濺射原子的能量和速度特點(diǎn)(3/3)：(4)濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量達(dá)到1keV以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；(5)在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量；(6) 靶材的結(jié)晶取向和晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)濺射原子的逸出能量影響不大。4濺射原子的角度分布（1/4） 研究濺射原子的分布，有助于了解濺射機(jī)理和建立濺射理論，在實(shí)際應(yīng)用上也有助于控制膜厚的分布。 早期的濺射理論認(rèn)為濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離

34、子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，從而導(dǎo)致靶材料的蒸發(fā)，因此，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律。這種理論稱為濺射的熱峰蒸發(fā)理論。 4濺射原子的角度分布（2/4） 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在用低能離子轟擊時(shí)，逸出原子的分布并不遵從余弦分布規(guī)律,垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)，明顯地少于按余弦分布時(shí)應(yīng)有的逸出原子數(shù)。 靶材料不同，角分布與余弦分布的偏差也不相同。 且，改變轟擊離子的入射角時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加，與余弦分布的偏差明顯增大。4濺射原子的角度分布（3/4） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。這也直接影響到濺射率。 對(duì)于單晶靶材料，通常，最主要的逸出方向是原子排列最緊密的方向，其次是次緊密的方向。 4濺射原子的角度分布（4/4） 半導(dǎo)體單晶材料逸出原子的角分布與金屬類似，也存在與結(jié)晶構(gòu)造有關(guān)的主要逸出方向，即具有各向異性的特點(diǎn)，但不如金屬那樣明顯。 多晶靶材與單晶靶材濺射原子的角分布有明顯的不同： 對(duì)于單晶靶可觀察到濺射原子明顯的擇優(yōu)取向，而多晶固體差不多顯示一種余