薄膜物理3-1 磁控濺射原理

1、薄膜物理與技術(shù)： 石市委： ： 物理與材料科學(xué)學(xué)院安徽大學(xué)教師郵箱院系濺射鍍膜濺射鍍膜 第三章一、一、 氣體放電現(xiàn)象描述氣體放電現(xiàn)象描述 氣體放電是濺射過(guò)程的基礎(chǔ)，所以首先討論一下氣體的氣體放電是濺射過(guò)程的基礎(chǔ)，所以首先討論一下氣體的放電過(guò)程。放電過(guò)程。是在真空度為是在真空度為1010 1pa1pa的稀薄氣體中，兩的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。電現(xiàn)象。 在陰陽(yáng)兩極間，由電動(dòng)在陰陽(yáng)兩極間，由電動(dòng)勢(shì)為勢(shì)為E的直流電源提供靶電的直流電源提供靶電壓壓V 和靶電流和靶電流 I，并以電阻，并以電阻R 作為限流電阻。作為限流電阻。 將真空容器

2、抽真空，到將真空容器抽真空，到達(dá)達(dá)101pa101pa時(shí)的某一壓力時(shí)，時(shí)的某一壓力時(shí)，接通相距為接通相距為d d的兩個(gè)電極間的兩個(gè)電極間的電源，使電壓逐漸上升。的電源，使電壓逐漸上升。 當(dāng)電壓較低時(shí)，電路中僅當(dāng)電壓較低時(shí)，電路中僅流過(guò)與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娏鬟^(guò)與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娏?。隨著電壓增加，當(dāng)加速電流。隨著電壓增加，當(dāng)加速電子能量大到一定值之后，與中子能量大到一定值之后，與中性氣體原子（分子）碰撞使之性氣體原子（分子）碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級(jí)數(shù)電離，于是電子數(shù)按等比級(jí)數(shù)迅速增加，形成電子的繁衍過(guò)迅速增加，形成電子的繁衍過(guò)程，也稱(chēng)為雪崩式放電過(guò)程，程，也稱(chēng)為雪崩式放電過(guò)程，但此時(shí)

3、的放電屬于但此時(shí)的放電屬于非自持放電非自持放電過(guò)程過(guò)程，其特點(diǎn)是，若將原始電，其特點(diǎn)是，若將原始電離源除去，放電立即停止。若離源除去，放電立即停止。若將電離源去掉放電仍能維持，將電離源去掉放電仍能維持，則稱(chēng)為則稱(chēng)為自持放電過(guò)程自持放電過(guò)程。 為維持放電進(jìn)行，下述兩個(gè)過(guò)程必不可少：為維持放電進(jìn)行，下述兩個(gè)過(guò)程必不可少：電子的繁衍，開(kāi)始由陰極表面發(fā)射出一個(gè)電子（初始電子），電子的繁衍，開(kāi)始由陰極表面發(fā)射出一個(gè)電子（初始電子），該電子在電極間電壓的作用下，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子能量超過(guò)該電子在電極間電壓的作用下，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子能量超過(guò)一定值后，使氣體原子發(fā)生碰撞電離，后者被電離為一個(gè)離子一定值后，使

4、氣體原子發(fā)生碰撞電離，后者被電離為一個(gè)離子和一個(gè)電子。這樣，一個(gè)電子就變?yōu)閮蓚€(gè)電子，重復(fù)這一過(guò)程和一個(gè)電子。這樣，一個(gè)電子就變?yōu)閮蓚€(gè)電子，重復(fù)這一過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)電子的所謂繁衍。，即實(shí)現(xiàn)電子的所謂繁衍。a)a)二次電子發(fā)射過(guò)程：二次電子發(fā)射過(guò)程：離子離子在陰極電位降的作用下，轟擊陰極表在陰極電位降的作用下，轟擊陰極表面，產(chǎn)生二次電子。面，產(chǎn)生二次電子。 氣體放電時(shí)兩電極間的電壓和電流關(guān)系不滿足歐姆定律，其伏安氣體放電時(shí)兩電極間的電壓和電流關(guān)系不滿足歐姆定律，其伏安特性曲線如圖特性曲線如圖放電曲線分為：放電曲線分為：n湯生放電段（氣體分子開(kāi)始出現(xiàn)電離）湯生放電段（氣體分子開(kāi)始出現(xiàn)電離）n輝光放電段（

5、產(chǎn)生大面積輝光等離子體）輝光放電段（產(chǎn)生大面積輝光等離子體）n弧光放電段（產(chǎn)生高密度弧光等離子體）弧光放電段（產(chǎn)生高密度弧光等離子體） 由于在放電容器中充有少量氣體，因而始終有一部分氣體分子以游離狀態(tài)由于在放電容器中充有少量氣體，因而始終有一部分氣體分子以游離狀態(tài)存在著。當(dāng)兩電極上加直流電壓時(shí)，這些少量的正離子和電子將在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，存在著。當(dāng)兩電極上加直流電壓時(shí)，這些少量的正離子和電子將在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，形成電流。曲線的開(kāi)始階段。形成電流。曲線的開(kāi)始階段。 由于氣體分子在這種情況下的自然游離數(shù)是恒定的，所以，當(dāng)正離子和電由于氣體分子在這種情況下的自然游離數(shù)是恒定的，所以，當(dāng)正離子和電子一產(chǎn)生，便被

6、電極拉過(guò)去。即使再升高電壓，到達(dá)電極的電子與離子數(shù)目不子一產(chǎn)生，便被電極拉過(guò)去。即使再升高電壓，到達(dá)電極的電子與離子數(shù)目不變。此時(shí)的電流密度很小，一股情況下僅有變。此時(shí)的電流密度很小，一股情況下僅有1010-16-16-10-10-11-11安培左右。此區(qū)是導(dǎo)電而安培左右。此區(qū)是導(dǎo)電而不發(fā)光，所以稱(chēng)為無(wú)光放電區(qū)。不發(fā)光，所以稱(chēng)為無(wú)光放電區(qū)。 1 1、無(wú)光放電無(wú)光放電 2、湯森放電湯森放電 隨著電壓逐漸升高，電離粒子的運(yùn)動(dòng)速度也隨之加快，即電流隨電壓上升隨著電壓逐漸升高，電離粒子的運(yùn)動(dòng)速度也隨之加快，即電流隨電壓上升而增加。當(dāng)這部分電離粒子的速度達(dá)到飽和時(shí)，電流不再隨電壓升高而增加。而增加。當(dāng)這

7、部分電離粒子的速度達(dá)到飽和時(shí)，電流不再隨電壓升高而增加。此時(shí)，電流達(dá)到了一個(gè)飽和值，曲線中第一個(gè)垂直段此時(shí)，電流達(dá)到了一個(gè)飽和值，曲線中第一個(gè)垂直段( (AB段段) )。 當(dāng)電壓繼續(xù)升當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來(lái)，在碰撞高時(shí)，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來(lái)，在碰撞趨于頻繁的同時(shí)，外電路轉(zhuǎn)移給電子與離子的能量也在逐漸增加。趨于頻繁的同時(shí)，外電路轉(zhuǎn)移給電子與離子的能量也在逐漸增加。 此時(shí)，一方面此時(shí)，一方面離子對(duì)陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子離子對(duì)陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射，而電子能的發(fā)射，而電子能量也增加到足夠高的水平，它

8、們與氣體分子的碰撞量也增加到足夠高的水平，它們與氣體分子的碰撞開(kāi)始導(dǎo)致后者發(fā)生電離開(kāi)始導(dǎo)致后者發(fā)生電離。這些均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過(guò)程使得這些均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過(guò)程使得離子和電子離子和電子的數(shù)目迅速增加。的數(shù)目迅速增加。這時(shí)，隨著放電電流的迅速增加，電壓的變化卻不大。這時(shí)，隨著放電電流的迅速增加，電壓的變化卻不大。湯森放電湯森放電 上述兩種情況的放電，都以有自然電離源為前提，如果沒(méi)有游離的電子上述兩種情況的放電，都以有自然電離源為前提，如果沒(méi)有游離的電子和正離子存在，則放電不會(huì)發(fā)生。因此，這種放電方式又稱(chēng)為和正離子存在，則放電不會(huì)發(fā)生。因此，這種放電方式又稱(chēng)為非自持放電。非自持

9、放電。 在湯生放電階段的后期，放電開(kāi)始進(jìn)入電暈放電階段。這時(shí)，在電場(chǎng)強(qiáng)度在湯生放電階段的后期，放電開(kāi)始進(jìn)入電暈放電階段。這時(shí)，在電場(chǎng)強(qiáng)度較高的電極尖端部位開(kāi)始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。較高的電極尖端部位開(kāi)始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。電暈放電電暈放電 在湯生放電階段之后，氣體會(huì)突然發(fā)生放電在湯生放電階段之后，氣體會(huì)突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象擊穿現(xiàn)象（雪崩點(diǎn)火）；氣體（雪崩點(diǎn)火）；氣體開(kāi)始具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，我們將這種具備了開(kāi)始具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，我們將這種具備了定的導(dǎo)電能力的氣體稱(chēng)為等離定的導(dǎo)電能力的氣體稱(chēng)為等離子體。子體。 “雪崩點(diǎn)火雪崩點(diǎn)火”后，離子轟擊陰極釋放出二次電子，二次電子與中性氣體后，離

10、子轟擊陰極釋放出二次電子，二次電子與中性氣體分子碰撞產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生出新的更多的二次電分子碰撞產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生出新的更多的二次電子。子。3、正常輝光放電正常輝光放電 一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達(dá)到自持，氣體開(kāi)始起輝，一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，放電達(dá)到自持，氣體開(kāi)始起輝，兩極間電流劇增，電壓迅速下降兩極間電流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)，放電呈現(xiàn)負(fù)阻特性。負(fù)阻特性。曲線曲線CD區(qū)域叫做區(qū)域叫做過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡區(qū)。 在在D點(diǎn)以后，放電區(qū)由原來(lái)只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整點(diǎn)以后，放電區(qū)由原來(lái)只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整個(gè)電極

11、表面擴(kuò)展。在這一階段，電流與電壓無(wú)關(guān)，而只與陰極板上產(chǎn)生個(gè)電極表面擴(kuò)展。在這一階段，電流與電壓無(wú)關(guān)，而只與陰極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)。且氣體中輝光的表面積有關(guān)。且氣體中導(dǎo)電粒子的數(shù)目大量增加導(dǎo)電粒子的數(shù)目大量增加，粒子碰撞過(guò)程，粒子碰撞過(guò)程伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會(huì)發(fā)出伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會(huì)發(fā)出明顯的輝光明顯的輝光。 維持輝維持輝光放電的電壓較低，且不變。從光放電的電壓較低，且不變。從D到到E之間區(qū)域叫做之間區(qū)域叫做“正常輝光放電區(qū)正常輝光放電區(qū)”。 在正常輝光放電時(shí)放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積；最初，轟擊是不均勻的，在正常輝光放電時(shí)放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積；最初

12、，轟擊是不均勻的，轟擊集中在靠近陰極邊緣處，或在表面其他不規(guī)則處。隨著電源功率的增轟擊集中在靠近陰極邊緣處，或在表面其他不規(guī)則處。隨著電源功率的增大轟擊區(qū)逐漸擴(kuò)大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹?。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?。正常輝光正常輝光放電時(shí)放電時(shí)的的電流密度仍比較小電流密度仍比較小，所以在濺射等方面均是選擇在，所以在濺射等方面均是選擇在非正常非正常輝光放電區(qū)工作。輝光放電區(qū)工作。4、異常輝光放電異常輝光放電 E點(diǎn)以后，當(dāng)離子轟擊覆蓋整個(gè)陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率，點(diǎn)以后，當(dāng)離子轟擊覆蓋整個(gè)陰極表面后，繼續(xù)增加電源功率，會(huì)使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度同時(shí)增大，即兩

13、極間的電流隨著電壓的會(huì)使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度同時(shí)增大，即兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，增大而增大，EF這一區(qū)域稱(chēng)這一區(qū)域稱(chēng)“異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)”。 異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的放電形式，因?yàn)樗梢蕴峁┟娣e較大、分布較為均勻的等離子體，放電形式，因?yàn)樗梢蕴峁┟娣e較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實(shí)現(xiàn)大面積的均勻?yàn)R射和薄膜沉積。有利于實(shí)現(xiàn)大面積的均勻?yàn)R射和薄膜沉積。 因?yàn)榇藭r(shí)輝光已布滿整個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無(wú)法向四周擴(kuò)散，因?yàn)榇藭r(shí)輝光已布滿整個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無(wú)法向四周擴(kuò)散，

14、這樣，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短此時(shí)若要想提高這樣，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距離縮短此時(shí)若要想提高電流密度，則必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極使陰極產(chǎn)生電流密度，則必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極使陰極產(chǎn)生更多的二次電子才行。更多的二次電子才行。 在在F F點(diǎn)以后，整個(gè)特性都改變了，兩極間電壓將會(huì)再次突然大幅點(diǎn)以后，整個(gè)特性都改變了，兩極間電壓將會(huì)再次突然大幅度下降，降至很小的數(shù)值，而電流強(qiáng)度則會(huì)伴隨有劇烈的增加，其大度下降，降至很小的數(shù)值，而電流強(qiáng)度則會(huì)伴隨有劇烈的增加，其大小幾乎是由外電阻的大小來(lái)決定，而且電流越大，極間電壓

15、越小，小幾乎是由外電阻的大小來(lái)決定，而且電流越大，極間電壓越小，F(xiàn)GFG區(qū)域稱(chēng)為區(qū)域稱(chēng)為“弧光放電區(qū)弧光放電區(qū)”。此時(shí)，相當(dāng)于極間短路。且放電集中在陰。此時(shí)，相當(dāng)于極間短路。且放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過(guò)大而可能將陰極燒毀。同時(shí)，驟然增極的局部地區(qū)，致使電流密度過(guò)大而可能將陰極燒毀。同時(shí)，驟然增大的電流有損壞電源的危險(xiǎn)。大的電流有損壞電源的危險(xiǎn)。5、弧光放電弧光放電 此時(shí)，等離子體的分布區(qū)域發(fā)生急劇的收縮，陰極表面開(kāi)始出現(xiàn)很此時(shí)，等離子體的分布區(qū)域發(fā)生急劇的收縮，陰極表面開(kāi)始出現(xiàn)很多小的多小的(直徑約直徑約10m)、孤立的電弧放電斑點(diǎn)。在陰極斑點(diǎn)內(nèi)，電流的密、孤立的電弧放電斑點(diǎn)。在

16、陰極斑點(diǎn)內(nèi)，電流的密度可以達(dá)到度可以達(dá)到108Acm2的數(shù)量級(jí)。的數(shù)量級(jí)。 在弧光放電過(guò)程中、陰極斑點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，并引起陰極表在弧光放電過(guò)程中、陰極斑點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，并引起陰極表面局部溫度大幅度地升高。面局部溫度大幅度地升高。 這不僅會(huì)導(dǎo)致陰極熱電子發(fā)射能力的大幅度提高，而且還會(huì)導(dǎo)致陰這不僅會(huì)導(dǎo)致陰極熱電子發(fā)射能力的大幅度提高，而且還會(huì)導(dǎo)致陰極物質(zhì)自身的熱蒸發(fā)。與此相比，在陽(yáng)極表面上，電流的分布并不象在極物質(zhì)自身的熱蒸發(fā)。與此相比，在陽(yáng)極表面上，電流的分布并不象在陰極表面上那樣集中。但即使如此，冷卻不陰極表面上那樣集中。但即使如此，冷卻不 足也會(huì)造成放電斑點(diǎn)處溫度足也會(huì)造成放電斑

17、點(diǎn)處溫度過(guò)高和電極材料的蒸發(fā)。過(guò)高和電極材料的蒸發(fā)。 在實(shí)際的氣體放電中，伏安特性決定于許多因素。如氣體的種類(lèi)和壓力、電極材料和形狀尺寸、電極表面狀態(tài)、放電回路中的電源、電壓、功率和限流電阻的大小等。在濺射鍍膜、離子鍍等與氣體放電有關(guān)的裝置設(shè)計(jì)、調(diào)試以及運(yùn)行過(guò)程中，也都要考慮這些因素?；」夥烹娫跉庀喑练e中的應(yīng)用仍在進(jìn)一步研究之中?；」夥烹娫跉庀喑练e中的應(yīng)用仍在進(jìn)一步研究之中。 在輝光放電時(shí)，電極之間有明顯的放電輝光產(chǎn)生，其典型的區(qū)在輝光放電時(shí)，電極之間有明顯的放電輝光產(chǎn)生，其典型的區(qū)域劃分如圖所示。從陰極至陽(yáng)極的整個(gè)放電區(qū)域可以被劃分為陰極域劃分如圖所示。從陰極至陽(yáng)極的整個(gè)放電區(qū)域可以被劃分為

18、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第（輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第（ Faraday Faraday ）暗區(qū)、陽(yáng)極柱）暗區(qū)、陽(yáng)極柱區(qū)、陽(yáng)極暗區(qū)和陽(yáng)極輝光區(qū)等八個(gè)發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。區(qū)、陽(yáng)極暗區(qū)和陽(yáng)極輝光區(qū)等八個(gè)發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。6 6、 輝光放電現(xiàn)象及等離子體鞘層輝光放電現(xiàn)象及等離子體鞘層 其中，暗區(qū)相當(dāng)于離子和電子從電場(chǎng)獲取能量的加速區(qū)，而輝其中，暗區(qū)相當(dāng)于離子和電子從電場(chǎng)獲取能量的加速區(qū)，而輝光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。光區(qū)相當(dāng)于不同粒子發(fā)生碰撞、復(fù)合、電離的區(qū)域。以上對(duì)于放電區(qū)的劃分只是一種比較典型的情況，實(shí)際上具體以上對(duì)于放電區(qū)的劃分只是一種比較典型的情況，

19、實(shí)際上具體的放電情況可根據(jù)放電容器的尺寸、氣體的種類(lèi)、氣壓、電極的布置、的放電情況可根據(jù)放電容器的尺寸、氣體的種類(lèi)、氣壓、電極的布置、電極材料的不同有所不同。電極材料的不同有所不同。 放電擊穿之后的氣體，已成為具有一定導(dǎo)電能力放電擊穿之后的氣體，已成為具有一定導(dǎo)電能力的的等離子體等離子體，它是一種由離子、電子以及中性原子和，它是一種由離子、電子以及中性原子和原子團(tuán)組成，而宏觀上對(duì)外呈電中性的物質(zhì)的存在形原子團(tuán)組成，而宏觀上對(duì)外呈電中性的物質(zhì)的存在形式。式。 廣義上可定義為廣義上可定義為: 帶正電的粒子與帶負(fù)電的粒子帶正電的粒子與帶負(fù)電的粒子具有幾乎相同的數(shù)密度，整體呈電中性狀態(tài)的粒子集具有幾乎

20、相同的數(shù)密度，整體呈電中性狀態(tài)的粒子集聚體。按電離程度，等離子體可分為聚體。按電離程度，等離子體可分為部分電離及弱電部分電離及弱電離離等離子體和等離子體和完全電離完全電離等離子體兩大類(lèi)。等離子體兩大類(lèi)。 1 1） 等離子體等離子體 部分及弱電離等離子體部分及弱電離等離子體中，大部分為中性粒子，只有部分或極中，大部分為中性粒子，只有部分或極少量中性粒子被電離；少量中性粒子被電離； 完全電離等離子體完全電離等離子體中，幾乎所有中性粒子中，幾乎所有中性粒子,都被電離，而呈現(xiàn)離都被電離，而呈現(xiàn)離子態(tài)、電子態(tài)，帶電粒子密度為子態(tài)、電子態(tài)，帶電粒子密度為10101015個(gè)個(gè)/cm3。 薄膜技術(shù)中，所利用的

21、薄膜技術(shù)中，所利用的幾乎都是部分電離及弱電離等離子體幾乎都是部分電離及弱電離等離子體，在這種等離子體中，只要電離度達(dá)到在這種等離子體中，只要電離度達(dá)到1% ,其導(dǎo)電率其導(dǎo)電率 就與完全電離等就與完全電離等離子體相同。我們的討論主要針對(duì)這類(lèi)等離子體。離子體相同。我們的討論主要針對(duì)這類(lèi)等離子體。 對(duì)于對(duì)于 1Pa 左右氣壓下的輝光放電而言，理想氣體定律給出電子、左右氣壓下的輝光放電而言，理想氣體定律給出電子、離子與中性粒子的總密度應(yīng)該是離子與中性粒子的總密度應(yīng)該是 3x1014 個(gè)個(gè)/ cm3 ，但這中間只有大約，但這中間只有大約 1/10000比例的電子和離子。比例的電子和離子。 在等離子體中，

22、除了離子、電子之外，還有處于激發(fā)態(tài)的原子、分在等離子體中，除了離子、電子之外，還有處于激發(fā)態(tài)的原子、分子，以及由分子解離而形成的活性基。被激發(fā)的原子和分子等在返回基子，以及由分子解離而形成的活性基。被激發(fā)的原子和分子等在返回基態(tài)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生態(tài)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生原子所固有的發(fā)光。原子所固有的發(fā)光。在等離子體中或反應(yīng)器壁面上，在等離子體中或反應(yīng)器壁面上，還不斷發(fā)生著離子與電子間的復(fù)合。等離子體處于上述還不斷發(fā)生著離子與電子間的復(fù)合。等離子體處于上述電離與復(fù)合的平電離與復(fù)合的平衡狀態(tài)衡狀態(tài)。 與常態(tài)的物質(zhì)相比，等離子體處于高溫、高能量、高活性狀態(tài)。與常態(tài)的物質(zhì)相比，等離子體處于高溫、高能量、高活性

23、狀態(tài)。 等離子體中的氣體分子（原子）、離子、電子處于不停的相互碰撞等離子體中的氣體分子（原子）、離子、電子處于不停的相互碰撞及運(yùn)動(dòng)之中。及運(yùn)動(dòng)之中。 電子與離子具有不同速度的一個(gè)直接后果是形成電子與離子具有不同速度的一個(gè)直接后果是形成等離子鞘層。等離子鞘層。 這是因?yàn)槿魏翁幱诘入x子體中的物體，如靶材和這是因?yàn)槿魏翁幱诘入x子體中的物體，如靶材和襯底，均會(huì)受到等離子體中各種粒子的轟擊。襯底，均會(huì)受到等離子體中各種粒子的轟擊。由由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，因而轟擊物體表面的于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，因而轟擊物體表面的電子數(shù)目將遠(yuǎn)大于離子數(shù)目，物體表面將剩余出電子數(shù)目將遠(yuǎn)大于離子數(shù)目，物體表面將剩余出多余

24、的負(fù)電荷而呈現(xiàn)負(fù)電位。多余的負(fù)電荷而呈現(xiàn)負(fù)電位。 電位的建立將排斥電子并吸附離子，使得到達(dá)物電位的建立將排斥電子并吸附離子，使得到達(dá)物體表面的電子數(shù)目減少，離子數(shù)目增加，直到到體表面的電子數(shù)目減少，離子數(shù)目增加，直到到達(dá)物體表面的電子與離子數(shù)目相等時(shí)，物體表面達(dá)物體表面的電子與離子數(shù)目相等時(shí)，物體表面的電位才達(dá)到平衡。的電位才達(dá)到平衡。 這導(dǎo)致浸沒(méi)在等離子體中的物質(zhì)，包括陰極和陽(yáng)這導(dǎo)致浸沒(méi)在等離子體中的物質(zhì)，包括陰極和陽(yáng)極，外表面無(wú)一例外地相對(duì)于等離子體本身處于極，外表面無(wú)一例外地相對(duì)于等離子體本身處于負(fù)電位，即在其表面形成了一個(gè)排斥電子的等離負(fù)電位，即在其表面形成了一個(gè)排斥電子的等離子體鞘層

25、，其厚度依賴于電子的密度和溫度，其子體鞘層，其厚度依賴于電子的密度和溫度，其典型的數(shù)值大約典型的數(shù)值大約 100 um。2) 2) 等離子鞘層等離子鞘層3) 直流輝光放電裝置的電位分布直流輝光放電裝置的電位分布 氣體放電進(jìn)入輝光放電階段即進(jìn)入穩(wěn)定的自持放電過(guò)程，但仔細(xì)觀察時(shí)，氣體放電進(jìn)入輝光放電階段即進(jìn)入穩(wěn)定的自持放電過(guò)程，但仔細(xì)觀察時(shí)，在從陰極附近到陽(yáng)極之間，發(fā)光的顏色及亮度的分布是不均勻的，極間電位、在從陰極附近到陽(yáng)極之間，發(fā)光的顏色及亮度的分布是不均勻的，極間電位、場(chǎng)強(qiáng)、電荷分布也不均勻。其電位分布如下圖場(chǎng)強(qiáng)、電荷分布也不均勻。其電位分布如下圖. . 這種極間電位、場(chǎng)強(qiáng)、電荷分這種極間電

26、位、場(chǎng)強(qiáng)、電荷分布的不均勻布的不均勻, ,導(dǎo)致從陰極附近到陽(yáng)極之間，輝光外貌、顏色及亮度的分布的不均導(dǎo)致從陰極附近到陽(yáng)極之間，輝光外貌、顏色及亮度的分布的不均勻。勻。 在輝光放電等離子體中，電子的速度與能量高于離子的速度與能量。因此，電子不僅是等離子體導(dǎo)電過(guò)程中的主要載流子，而且在粒子的相互碰撞、電離過(guò)程中也起著極為重要的作用。在鞘層中，電子密度較低，因而碰撞、電離概率較小而構(gòu)成暗區(qū)。在整個(gè)放電通道中，也是電子充當(dāng)著主要的導(dǎo)電和碰撞電離的作用。二二 表征濺射特性的基本參數(shù)表征濺射特性的基本參數(shù)表征濺射特性的基本參數(shù)主要有濺射閾值、濺射率、濺射原子的能量和速度等。濺射閾值濺射閾值是指使靶材原子發(fā)

27、生濺射的人射離子所必須具有的最小能量。不同靶材的濺射閾值有明顯不同。濺射閾值隨入射離子的變化很小。對(duì)處于周期表同一周期中的元素，濺射閾值隨著原子序數(shù)的增加而減小。1.表2-11列出了某些金屬元素的濺射閾值。2. 濺射率濺射率濺射率濺射率表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶陰極表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶陰極上打出（濺射出）的原子個(gè)數(shù)，又稱(chēng)上打出（濺射出）的原子個(gè)數(shù)，又稱(chēng)濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額或或?yàn)R射系數(shù)濺射系數(shù)，常用，常用 S S 表示。表示。濺射率與人射離子的種類(lèi)、能量、角度，以及靶材的類(lèi)型，晶格濺射率與人射離子的種類(lèi)、能量、角度，以及靶材的類(lèi)型，晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱

28、大小等因素有關(guān)，如果靶材是單晶靶材，濺射結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，如果靶材是單晶靶材，濺射率還與晶體的取向有關(guān)。率還與晶體的取向有關(guān)。入射離子種類(lèi)入射離子種類(lèi)與濺射率的關(guān)系與濺射率的關(guān)系 濺射率依賴于人射離子的原子量，原子量越大，則濺射率越高。同時(shí)，也與入射離子的原子序數(shù)有關(guān)，呈現(xiàn)出隨著離子的原子序數(shù)周期性變化的關(guān)系。 圖2-27說(shuō)明，在周期表每一排中，凡電子殼層填滿的元素就有最大的濺射率。因此，惰性氣體的濺射率最高。而位于元素周期表的每一列中間部位元素的濺射率最小，如 Al、Ti 、Zr等。所以，在一般情況下，入射離子大多采用惰性氣體，考慮到經(jīng)濟(jì)性，通常選用Ar為工作氣體，同時(shí)，

29、惰性氣體可以避免與靶材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。2）入射離子能量入射離子能量與濺射率的關(guān)系與濺射率的關(guān)系 入射離子能量大小對(duì)濺射率有顯著影響。當(dāng)入射離子能量高于某一個(gè)臨界值（即濺射閾值）時(shí)，才發(fā)生濺射。 圖 2-25 為濺射率與人射離子能量之間的典型關(guān)系曲線。結(jié)果表明，當(dāng)人射離子能量較小時(shí)，濺射率隨入射離子能量的增加而呈指數(shù)上升，其后，隨人射離子能量的增加出現(xiàn)一個(gè)線性增大區(qū)，之后逐漸達(dá)到一個(gè)平坦的最大值并呈飽和狀態(tài)。如果再增加 E 則因離子注人效應(yīng)反而使 S 值開(kāi)始下降。用 Ar 離子轟擊銅時(shí)，離子能量與濺射率的關(guān)系如圖 2-26 所示，圖中能量范圍擴(kuò)大到 100keV ，這一曲線可分成三部分：第一部分是

30、幾乎沒(méi)有濺射的低能區(qū)域；第二部分的能量從 70eV 至 10keV ，這是濺射率隨離子能量增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜的能量值大都在這一范圍內(nèi)；第三部分是 30keV 以上，這時(shí)濺射率隨離子能量的增加而下降。此時(shí)轟擊離子深人到靶材內(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。3）入射離子）入射離子入射角入射角與濺射率的關(guān)系與濺射率的關(guān)系入射角是離子入射方向與被濺射的靶材表面的法線之間的夾角。圖 2-29 給出了用 Ar+離子濺射時(shí)，幾種金屬的濺射率與人射角的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著入射角的增加濺射率逐漸增大，在 0-60o之間的相對(duì)濺射率基本上服從 1/ cos的規(guī)律，0o-60o時(shí)的 S

31、 值約為垂直入射時(shí)的2倍。當(dāng)入射角為60o-80o 時(shí)，濺射率最大；入射角再增加時(shí)，濺射率急劇減小，當(dāng)?shù)扔?90o時(shí)，濺射率為0。即對(duì)于不同的靶材和不同的入射離子而言，對(duì)應(yīng)于最大濺射率的 S 值有一個(gè)最佳的入射角度。4）靶材料靶材料與濺射率的關(guān)系與濺射率的關(guān)系在相同條件下，同一種離子轟擊不同元素的靶材料，得到不同的濺射率，靶材的濺射率呈現(xiàn)周期性靶材的濺射率呈現(xiàn)周期性變化，一般是隨靶材元素變化，一般是隨靶材元素原子序數(shù)增大而增大原子序數(shù)增大而增大，如圖 2-23 所示。由圖可知：銅、銀、金的濺射率較大；碳、硅、鈦、鈮、鉭、鎢等元素的濺射率較??；在用 400eV 的 Xe+離子轟擊時(shí)，銀的濺射率為

32、最大，碳的為最小。5）靶材溫度靶材溫度與濺射率的關(guān)系與濺射率的關(guān)系濺射率與靶材溫度也緊密相關(guān)。對(duì)于某一給定的材料，當(dāng)靶材溫度低于與靶材升華能相關(guān)的某一溫度時(shí)，濺射率幾乎不變。但是，超過(guò)此溫度時(shí)，濺射率將急劇增加。圖2-31 是用 45keV 的離子（ Xe+）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。因此在濺射時(shí)應(yīng)控制靶材溫度，防止發(fā)生濺射率急劇增加的現(xiàn)象。6）影響濺射率的其它因素）影響濺射率的其它因素濺射率還與靶材的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶取向、表面形貌、濺射壓強(qiáng)靶材的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶取向、表面形貌、濺射壓強(qiáng)等因素有關(guān)。在濺射鍍膜過(guò)程中，為了保證濺射薄膜的質(zhì)量和提高薄膜的沉積速度，應(yīng)當(dāng)盡量降低工作氣

33、體的壓力，提高靶材濺射率。3 . 濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速度濺射原子從靶材中濺射出來(lái)的原子。濺射原子所具有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、入射離子的種類(lèi)和能量以及濺射原子的方向性等都有關(guān)。一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的原子的能量為 0.leV 左右。而在濺射中，由于濺射原子是與高能量入射離子交換能量而飛濺出來(lái)的，所以，濺射原子具有較大的動(dòng)能，約為5eV-10eV。正因?yàn)槿绱?，濺射法制膜才具有許多的優(yōu)點(diǎn)。不同種類(lèi)入射離子轟擊不同的靶材時(shí)，逸出原子的能量分布在圖 2-33中給出。由圖 2-33可以看出，濺射原子具有相近的能量分布規(guī)律，但能量值所在的分布范圍不同

34、。 不同能量的 Hg+離子轟擊 Ag單晶靶材后，逸出的 Ag 原子能量分布情況如圖 2-34 所示。其能量分布近似于麥克斯韋分布，大部分濺射原子的能量小于 100 eV ，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)人射離子能量大于 l000eV 時(shí)，所逸出的原子的平均能量不再增大。同一離子轟擊不同材料時(shí)，濺射原子的平均逸出能量 E(eV)和平均逸出速度分別如圖 2-36 和圖 2-37 所示。圖 2-36 和圖 2-37 表明，當(dāng)原子序數(shù) Z 20 時(shí)，各元素的平均逸出能量差別較大，而平均逸出速度的差別則較小。濺射鍍膜中濺射原子的能量和速

35、度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：濺射鍍膜中濺射原子的能量和速度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：重元素靶材被濺射出來(lái)的原子有較高的逸出能量，而輕元素靶材則有較高的原子逸出速度；不同靶材具有不同的原子逸出能量，靶材的取向與晶體結(jié)構(gòu)對(duì)逸出能量影響不大，而濺射率高的靶材，通常有較低的平均原子逸出能量； 在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨人射離子質(zhì)量的增加而線性增加，輕人射離子濺射出的原子其逸出能量較低，約為 10eV ，而重人射離子濺射出的原子其逸出能量較大，平均在 30eV 以上；濺射原子的平均逸出能量，隨人射離子能量增大而增大，當(dāng)人射離子能量達(dá)到 IkeV 以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值。在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸

36、出能。4. 濺射原子的角度分布濺射原子的角度分布早期克努曾（ Knudsen ）研究認(rèn)為，濺射原子角度分布符合余弦定律。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)，明顯少于按余弦分布時(shí)應(yīng)有的逸出原子數(shù)，其結(jié)果如圖 3-38 所示。4. 濺射原子的角度分布濺射原子的角度分布對(duì)于不同的靶材料，角分布與余弦分布的偏差也不相同，而且，改變轟擊離子的人射角時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加，如圖 2-39 中實(shí)線所示。三、濺射過(guò)程與濺射鍍膜三、濺射過(guò)程與濺射鍍膜濺射過(guò)程包括靶的濺射、逸出粒子的形態(tài)、濺射粒子向基片的遷移和在基片上成膜等過(guò)程。

37、 當(dāng)人射離子在與靶材的碰撞過(guò)程中，將動(dòng)量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量超過(guò)其結(jié)合能時(shí)，就可能使靶原子發(fā)生濺射。這是靶材在濺射時(shí)主要發(fā)生的一個(gè)過(guò)程。實(shí)際上，濺射過(guò)程是非常復(fù)雜的，當(dāng)高能人射離子轟擊固體表面時(shí)，要產(chǎn)生許多效應(yīng)，圖2-4。給出了這些效應(yīng)的示意圖。1. 濺射過(guò)程濺射過(guò)程實(shí)際上，濺射過(guò)程是非常復(fù)雜的，當(dāng)高能人射離子轟擊固體表面時(shí)，要產(chǎn)生許多效應(yīng)，圖 2-4 。給出了這些效應(yīng)的示意圖。例如人射離子可能從靶表面反射，或在轟擊過(guò)程中捕獲電子后成為中性原子或分子再?gòu)谋砻娣瓷?；離子轟擊靶材引起靶表面逸出電子，即產(chǎn)生所謂次級(jí)電子；離子深人靶表面產(chǎn)生離子注人效應(yīng)；此外還能使靶表面結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化，以

38、及使靶表面吸附的氣體解吸和在高能離子人射時(shí)產(chǎn)生輻射電子等。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最終淀積為薄膜之外，其他一些效應(yīng)會(huì)對(duì)濺射膜層的生長(zhǎng)產(chǎn)生很大影響。1. 濺射過(guò)程濺射過(guò)程表 2-14 給出了用能量為 10eV-l00eV的Ar+離子對(duì)某些金屬表面進(jìn)行轟擊時(shí)，平均每個(gè)人射離子所產(chǎn)生各種效應(yīng)及其發(fā)生概率的大致情況。1. 濺射過(guò)程濺射過(guò)程圖2-40中所示的各種效應(yīng)或現(xiàn)象，在濺射過(guò)程中，在基片上同樣可能發(fā)生。因?yàn)樵谳x光放電鍍膜工藝中，基片的自偏壓和接地極一樣，都將形成相對(duì)于周?chē)h(huán)境為負(fù)的電位。所以，在考慮基片在濺射過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象時(shí)，也可將基片視為濺射靶，只不過(guò)二者在程度上有很大差異。1. 濺射

39、過(guò)程濺射過(guò)程2. 遷移過(guò)程遷移過(guò)程靶材受到轟擊時(shí)所逸出的粒子中，正離子由于反向電場(chǎng)的作用不能到達(dá)基片表面，其余的粒子均會(huì)向基片遷移。濺射鍍膜的氣體壓力為 10Pa-10-1Pa，此時(shí)濺射離子的平均自由程約為1-10cm ，因此，靶與基片的距離應(yīng)與該值大致相等。否則，濺射粒子在遷移過(guò)程中將產(chǎn)生多次碰撞，這樣，既降低了靶材原子的動(dòng)能，又增加了靶材的散射損失。盡管濺射原子在向基片的遷移輸運(yùn)過(guò)程中，會(huì)因與工作氣體分子碰撞而降低其能量，但是，由于濺射出的靶材原子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射過(guò)程中淀積在基片上的靶材原子的能量仍比較大，甚至可達(dá)蒸發(fā)原子能量的上百倍。3、成膜過(guò)程、成膜過(guò)程 薄膜生長(zhǎng)形

40、成的過(guò)程在本課程中將有專(zhuān)門(mén)的章節(jié)介紹，這里主要介紹靶材粒子人射到基片上成膜過(guò)程中應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題。 1) 沉積速率沉積速率D 沉積速率D是指從靶材上濺射出來(lái)的物質(zhì)，在單位時(shí)間內(nèi)沉積到基片上的厚度，D與濺射速度 S 成正比。 D = CIS式中， C 為與濺射裝置有關(guān)的特征常數(shù)； I 為離子電流。 對(duì)于一定的濺射裝置（即 C 為確定值）和一定的工作氣體，提高淀積速率的有效辦法是提高離子電流 I 。但是，在不增高電壓的情況下，增加 I 值就只有增高工作氣體的壓強(qiáng)。圖 2-41 給出了氣體壓強(qiáng)與濺射率的關(guān)系曲線.由圖 2-41可以看出，當(dāng)壓強(qiáng)增高到一定值時(shí)，濺射率將開(kāi)始明顯下降。這是由于靶材粒子的背反射和散射增大所引起的。所以，應(yīng)由濺射率來(lái)選擇合適的氣壓值，但應(yīng)注意氣壓升高對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。2 ）淀積薄膜的純度）淀積薄膜的純度為了提高淀積薄膜的純度，必須盡量減少淀到基片上的雜質(zhì)的量。這里所指的雜質(zhì)主要是殘余氣體。因?yàn)?，通常有約百分之幾的濺射氣體分子注人淀積到薄膜中，特別在基片加偏壓