磁控溅射等离子发光综述课件.ppt

1、公司公司1磁 控 溅 射 技术辉光放电等离子技术与磁控溅射镀膜1.Introduction 2.Scientific Issues3.Engineering Issues 4.Conclusions 薄膜电子学信息与电子工程学系2023-9-32二、发展概况v 1842年格洛夫（Grove）在实验室中发现了阴极溅射现象。v 1877年将二级溅射技术用于镀制反射镜。v 二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀制金膜作为导电底层。v 以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅射。v 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和圆筒磁控溅射阴极。-Penning放电、Penning规Penning离子源相继

2、出现v 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续溅射镀膜装置镀制集成电路的钽膜，首次实现了溅射镀膜产业化。3Introductionv 溅射（Sputtering）：荷能离子轰击固体材料表面，使该固体材料的原子被溅射出，并穿越真空环境，逐个地沉积到位于该固体材料对面的基片上形成薄膜；v 靶（Target）：也称为阴极，即上述固体材料，接-100-1000V的电压；v 基片（Substrate）:也称为阳极，可接地、正偏置、负偏置、加热或冷却；v 溅射是一种物理气相沉积（PVD,physical vapor-deposition）：过程。2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系4Introd

3、uctionv 先将系统抽至压强小于510-3 Pa的真空，再充入Ar至510-1Pa左右，并在阴极加上负电压，使Ar电离成Ar+，形成等离子体，Ar+在强电场的作用下迅速获得巨大能量，并加速向阴极靶轰击，Ar+即上述荷能离子；v Ar电离成Ar+的过程，使两电极之间形成辉光放电等离子体（Glow-discharge plasma）；v DC溅射只能沉积金属膜；RF溅射既可以沉积金属膜，也可以沉积绝缘膜；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系5Introductionv 辉光放电等离子体不但可以溅射沉积(deposition)薄膜，反之，也可以用以刻蚀（etching）去除薄膜；v 微电

4、子技术的发展是辉光放电等离子技术发展的最大驱动力（约有1/3的集成电路工艺步骤涉及到辉光放电等离子技术）；v 辉光放电等离子技术在光学、生物学、信息记录、航天航空等领域都有大量的应用；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系6溅射镀膜的特点一、溅射镀膜的优点(1/4)1.任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不论是金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材。由于溅射氧化物等绝缘材料和合金时，几乎不发生分解和分馏，所以可用于制备与靶材料组分相近的薄膜和组分均匀的合金膜，乃至成分复杂的超导薄膜。此外，采用反应溅射法还可制得与靶材完

5、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.溅射膜与基板之间的附着性好。（1）溅射原子的能量比蒸发原子能量高1-2个数量级，因此，高能粒子淀积在基板上进行能量转换，产生较高的热能，增强了溅射原子与基板的附着力。（2）一部分高能量的溅射原子将产生不同程度的注入现象，在基板上形成一层溅射原子与基板材料原子相互“混溶”的所谓的扩散层。（3）在溅射粒子的轰击过程中，基板始终处于等离子区中被清洗和激活，清除了附着不牢的淀积原子，净化且活化基板表面。因此，使得溅射膜层与基板的附着力大大增强。3.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。因为在溅射镀膜过程中，不存在真空蒸镀时无法避免的蒸发源

6、污染现象。4.膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时可通过控制靶电流来控制膜厚。所以，溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好，能够有效地镀制预定厚度的薄膜。5.溅射镀膜还可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜。Introductionv视频演示辉光放电等离子技术1.Introduction 2.Scientific Issues3.Engineering Issues 4.Conclusions 薄膜电子学信息与电子工程学系2023-9-312等离子体v 等离子体(Plasmas)：该专有名词是Irving Langmuir在1929年用来描述大电流真空管中的离化气体而发明的。等离子体即离子化

7、的气体，因其具有特殊性而被认为是物体除固相、液相、气相之外的第四相。v 在人们生活中，等离子体被认为是稀有物相；v 而在全宇宙中，99%的物体以等离子形式存在；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系13汤森放电（Townsend Discharge）v 等离子体是导电的，而普通的气体是不导电的，于是研究等离子体首先要解决的一个问题是：究竟是什么机理使得最初绝缘的气体转化成可以导电的媒质？与绝缘固体的介质击穿电压类似（在绝缘固体两端的电压增加到一定程度，该绝缘固体会被击穿并开始导电）v 答案：汤森放电（Townsend Discharge）v Status1：加电场阴极附近的游离电子 开始

8、朝阳极定向运动，形成初始电流i0；Status2：这些定向运动的电子被加速并 积聚能量，在奔向阳极的途中可能会与 气体分子A碰撞，若电子的能量足够大：2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系14汤森放电（Townsend Discharge）v Status1：加电场阴极附近的游离电子 开始朝阳极定向运动，形成初始电流i0；Status2：这些定向运动的电子被加速并 积聚能量，在奔向阳极的图中可能会与 气体分子A碰撞，若电子的能量足够大：Status3:增加的电子积聚能量后也可产 生类似的碰撞获得更多的电子和A+；同时，A+轰击阴极产生二次电子电流 急剧增加（雪崩），最终击穿气体导电 20

9、23-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系15汤森放电（Townsend Discharge）v 为了能击穿气体：电极间的距离d应足够大使电子有足够的加速时间来获得足够的能量电极应足够宽防止大量的电子和A+逃离两电极之件的区域v Townsend 方程i：放电电流；i0：初始电流；:Townsend离化系数，单位长度离化产生的可能性；e：Townsend二次电子发射系数，阴极每入射一个A+产生的二次电子数分母为零放电电流无穷大击穿 VB为击穿电压 A、B为常数2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系1611,iVqEeP帕邢定律(Paschens Law)v Pd低端：碰撞太少；v Pd高端

10、：碰撞太频繁，导致电子不能积聚足够的能量离化气体；v 大多数的溅射系统工作在最小点的靠左边处2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系17帕邢定律(Paschens Law)v 工程应用Tips：若系统难以起辉，尤其是射频溅射时，可采用的增加压强的方法使之起辉（增加Ar气流量，或主阀节流）若不希望两电极间起辉放电，可减小两电极间的距离d（靶屏蔽罩的设计就是利用这一原理）2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系18气体放电类型v 汤森放电：气体击穿的初期，放电电压比较高，且随输入功率的增加变化很小；放电电流随输入功率的增加而增加，但比较小；v 正常辉光放电：当放电达到一定值以后，足够多的电

11、子和离子使得放电可以自持，气体放电转化为正常辉光放电，此时的气体电导率比较大，极板间电压下降；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系19气体放电类型v 异常辉光放电：当电离度达到比较高以后，电流随功率增加变缓，但电压迅速增加；溅射或等离子刻蚀位于此区域；v 弧光放电：进一步增加功率导致电弧出现，从而放电转化为弧光放电，气体电导率再次增加，极板间电压再次下降；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系20直流放电v Aston暗区：低能电子和高能离子；电子能量很低，不但不足以使气体分子电离，连使气体分子激发的能力也没有，故没有光，呈暗区；v 阴极辉光区：电子已经获得了足够的能量激发气体分

12、子，高能态去激则发光，故呈高亮态，包围在整个阴极周围；v 阴极暗区：电子和离子的加速区；抵达本区域的电子，能量较高，有利于电离而不利于激发，因此发光微弱；v 负辉光区：二次电子与中性粒子相互作用；电子能量较为分散，既富于低能量的电子也富于高能量的电子。v 法拉第暗区：电子能量很低，不发生激发或电离，因此是暗区；v 正柱区：正辉光区，非必要区；v 阳极暗区：非典型区；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系21产生等离子体的其他方式v 交流放电：低频放电、中频放电、射频放电；v 脉冲放电：恒流、恒压；v 微波放电：微波及电子回旋共振(ECR)；v 射频感应耦合等离子体；v 介质阻挡放电等离子

13、体；v 大气压放电等离子体；v 2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系22等离子体物理学的基本概念v 电子浓度（ne）、离子浓度（ni）、中性粒子浓度（no）v 概念1：电中性，ne=niv 概念2：弱离化，fi=ne/(ne+no),典型值为10-4v 概念3：德拜长度（Debye Length），也叫德拜半径,是描述等离子体中电荷的作用尺度的典型长度，是等离子体的重要参量，常用D表示。德拜长度首先是由荷兰物理学家彼得德拜提出的，反映了等离子体中一个重要的特性电荷屏蔽效应。当所讨论的尺度大于德拜长度时，可以将等离子体看作是整体电中性的，反之，则是带有电荷的。换言之，德拜半径就是电荷能够

14、起作用的最远的距离。通常所说的“德拜球”就是以德拜长度为半径的球体，它表示了一个球体范围，在该球体范围以外 电荷都是被屏蔽的。2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系23等离子体物理学的基本概念v 概念4：等离子体频率，在等离子体中，当正负电荷分离时，离子由于质量大，可视为固定不动，而电子会在静电力的作用下产生简谐振荡，称为等离子体振荡。在冷等离子体（即忽略电子热运动影响）中，振荡频率e为：等离子体频率用来表征等离子体中的电子对电场扰动的响应的快慢。v 德拜长度与等离子体频率的乘积为电子运动速度；v 概念5：等离子体温度，电子的平均能量2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系24等离子

15、体物理学的基本概念v等离子体的判断标准，当离化气体满足以下三个标准时，该离化气体可被判断为等离子体：标准1：系统尺寸远大于德拜长度标准2：德拜球内的电子需足够多，一般为4104标准3：电子之间的相互作用远强于电子与中性粒子的相互作用（等离子中的粒子运动是被电磁场，而非气体流动力学所控制）2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系25等离子体鞘层v 由于电子和离子的质量、速度的差异使得浸没在等离子体的中的悬浮电极相对于等离子体而言处于负电位，因此阴极和阳极表面的悬浮电位低于等离子体电位，从而在阴极和阳极表面形成鞘层；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系26等离子体化学v 若气体非惰性，

16、则如何？2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系27等离子体化学2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系28溅射的物理机制2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系29溅射的物理机制vMomentum Transfer 与 hot-spot 之争1852年，Grove首次发现溅射现象，当时提出Momentum transfer理论解释之；后来，Momentum transfer理论逐渐被hot-spot理论所排挤；最近的研究表明，溅射的许多现象只能被Momentum transfer理论所解释；v但截至目前为止，人们并未完全了解溅射现象，如靶的表面改性等2023-9-3薄膜电子学信息

17、与电子工程学系30溅射的物理机理v证明溅射是Momentum transfer的依据：溅射产额（溅射出的原子数量/入射离子数量）不但取决于入射离子的能量，也取决于入射离子的质量；溅射产额对入射离子的入射角敏感；阈值能量的存在，当入射离子的能量低于这一阈值能量时，无论如何增大入射离子的流量都不能产生溅射；溅射出原子的能量远大于蒸发原子的能量；多晶材料不同取向的平面有不同的溅射产额；合金靶溅射出来的薄膜组分取决于合金各组分的溅射产额，而非个组分的热蒸气压；溅射产额对靶面温度不敏感；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系31溅射与溅射产额v碰撞的动量转移：当载能离子与固体表面相互作用的过程中，

18、将发生载能离子的能量和动量向固体表面原子转移；v表面原子的溅射：当表面原子获得足够大的动能而脱离基体表面，从而产生表面原子的溅射；v溅射产额：S=被溅射出的原子数量/入射离子数量2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系32溅射的碰撞机制v 单原子碰撞机制(Single Knock-on)：当入射离子的能量比较低(1keV)时，表面原子的溅射以单原子碰撞机制为主；v 线性级联碰撞机制：当入射离子的能量相对较高时(1keV 几十keV)时，表面原子的溅射以线性级联碰撞机制为主；v 热峰机制(spike)：高能离子与物质相互作用机制；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系33动量转移机理2

19、023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系34溅射特性表征溅射特性的参量主要有：溅射阈值溅射率溅射粒子的速度和能量1.溅射阈值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。实验表明，不同的入射离子，它们的溅射阈值变化很小；而对于不同靶材，溅射阈值的变化比较明显。即溅射阈值与离子质量之间无明显的依赖关系，而主要取决于靶材料。对处于周期表中同一周期的元素(靶材料)，溅射阈值随着原子序数增加而减小。对绝大多数金属来说，溅射阈值为10-30eV,相当于升华热的 4 倍左右。（如表3-1）表3-1 一些金属元素的阈值能量(eV)2溅射率及影响溅射率的因素 溅射率是描述溅射特性的一个最重

20、要物理参量。它表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。溅射率与入射离子的种类、能量、入射角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。(1)影响溅射率的因素靶材料 溅射率与靶材料种类的关系可用靶材料元素在周期表中的位置来说明。在相同条件下，用同一种离子对不同元素的靶材料轰击，得到不相同的溅射率，并且还发现溅射率呈周期性变化，其一般规律是：溅射率随靶材元素原子序数增加而增大。图3-4溅射率与靶材元素原子序数的关系 由图3-4可以看出：1）铜、银、金的溅射率较大；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等元素的

21、溅射率较小；2）在用400eV 的 Xe+离子轰击时，银的溅射率为最大，碳为最小。3）具有六方晶格结构(如镁、锌、钛等)的金属要比面心立方(如镍、铂、铜、银、金、铝等)的金属的溅射率低；4）表面污染(如氧化层)的金属比清洁表面的金属的溅射率低；5）升华热大的金属要比升华热小的溅射率低。表3-2 各种靶材元素的溅射率各种材料的溅射产额2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系43（2）影响溅射率的因素入射离子能量 入射离子能量大小对溅射率影响显著。当入射离子能量高于某一个临界值(溅射阈值)时，才发生溅射。图3-5为溅射率S与入射离子能量E之间的典型关系曲线。曲线可分为三个区域：S正比于E2:E

22、TE500 eV(ET为溅射阈值)S正比于E:500 eV E1000 eV S正比于E1/2:1000 eV E5000 eV图3-5 溅射率S与入射离子能量E之间的典型关系曲线 溅射率S最初随轰击离子能量的增加而指数上升；其后出现一个线性增大区，并逐渐达到一个平坦的最大值并呈饱和状态；如果再增加E则因产生离子注入效应而使S值开始下降。入射离子对溅射产额的影响v入射离子能量对溅射产额的影响：当入射离子能量在几十keV时，溅射产额最大;2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系46图3-6 用Ar离子轰击铜时，离子能量E与溅射率S的典型关系曲线可分成三部分：.没有或几乎没有溅射的低能区域；.

23、E=7010000eV，这是溅射率随离子能量增大而增大的区域，用于溅射淀积薄膜；.E30keV，溅射率随离子能量的增加而下降。图3-6中能量范围扩大到100keV，这一曲线可分成三部分：第一部分是没有或几乎没有溅射的低能区域；第二部分的能量从70eV增至10keV，这是溅射率随离子能量增大而增大的区域，用于溅射淀积薄膜的能量值大部分在这一范围内；第三部分是30keV以上，这时溅射率随离子能量的增加而下降。如前所述，这种下降据认为是由于轰击离子此时深入到晶格内部，将大部分能量损失在靶材体内，而不是消耗在靶表面的缘故。轰击离子愈重，出现这种下降时的能量值就愈高。(3)影响溅射率的因素入射离子种类

24、溅射率与入射离子种类的关系：1)依赖于入射离子的原子量，入射离子的原子量越大，则溅射率越高；2)与入射离子的原子序数有关，呈现出随离子的原子序数周期性变化的关系。这和溅射率与靶材料的原子序之间存在的关系相类似。3)在周期表每一横排中，凡电子壳层填满的元素作为入射离子时，就有最大的溅射率。因此，惰性气体的溅射率最高。一般情况下，入射离子多采用惰性气体，同时还能避免与靶材料起化学反应。通常选用氩为工作气体。图3-7 溅射率与入射离子的原子序数的关系(4)影响溅射率的因素入射离子的入射角 入射角是指离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角。图3-8为Ar+的入射角与几种金属的溅射率的关系。由实验曲

25、线可见：1)随着入射角的增加溅射率逐渐增大，在0-600之间的相对溅射率基本上服从1/cos 规律,既S()/S(0)=1/cos,S()和S(0)分别为角和垂直入射时的溅射率。Ar+的入射角与几种金属的溅射率的关系 2)600时的值为垂直入射(=0)时的2倍左右。3)当入射角为600-800时，溅射率最大。4)入射角再增加时，溅射率急剧减小，当等于900时，溅射率为零。图3-8 实验结论(1/3)1、溅射率与离子入射角的典型关系曲线如图3-9所示。表明：1)对于不同的靶材和入射离子而言，对应的最大溅射率S值，有一个最佳的入射角m。2)不同的离子加速电压，对入射角m值也存在一定影响。实验结论(

26、2/3)2、另外，大量实验结果表明，不同入射角的溅射率值S()，和垂直入射时的溅射率值S(0)，对于不同靶材和入射离子的种类，有以下结果：1)对于轻元素靶材,S()/S(0)比值变化显著；2)重离子入射时,S()/S(0)的比值变化显著；3)随着入射离子能量的增加，S()/S(0)呈最大值的角度逐渐增大；4)S()/S(0)的最大值，在入射离子的加速电压超过2kV时，急剧减小。实验结论(3/3)3、一般说来,入射角度与溅射率的关系：对金、银、铜、铂等影响较小；对铝、铁、钛、钽等影响较大；对镍、钨等的影响为中等。对实验结论的几种解释 对于上述溅射率随离子入射角的变化，可从以下两方面进行解释：1）

27、入射离子所具有的能量轰击靶材，将引起靶材表面原子的级联碰撞，导致某些原子被溅射。该级联碰撞的扩展范围不仅与入射离子能量有关，还与离子的入射角有关。显然，在大入射角情况下，级联碰撞主要集中在很浅的表面层，妨碍了级联碰撞范围的扩展。结果低能量的反冲原子的生成率很低，致使溅射率急剧下降。2）入射离子以弹性反射方式从靶面反射。离子的反射方向与入射角有关。因此，反射离子对随后入射离子的屏蔽阻挡作用与入射角有关。在入射角为600-800时，其阻挡作用最小而轰击效果最好，故此时溅射率S呈最大值。(5)影响溅射率的因素靶材温度 溅射率与靶材温度的依赖关系，主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关：在低于此温度

28、时，溅射率几乎不变；超过此温度时，溅射率将急剧增加。因此，在溅射时，应注意控制靶材温度，防止出现溅射率急剧增加现象的产生。（以保证溅射率不突变）溅射率与靶材温度的关系 图3-10是用45keV的氙离子(Xe4)对几种靶材进行轰击时，所得溅射率与靶材温度的关系曲线。由图可见，在溅射时，应注意控制靶材温度，防止出现溅射率急剧增加现象的产生。溅射率与靶材温度的关系 溅射率除与上述五种因素有关外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、溅射压强等因素有关。综上所述，为了保证溅射薄膜的质量和提高薄膜的淀积速度，应当尽量降低工作气体的压力和提高溅射率。3.溅射原子的能量和速度 溅射原子的能量和速度也是描述

29、溅射特性的重要物理参量。一般由蒸发源蒸发出来的原子的能量为0.1eV左右。而在溅射中，由于溅射原子是与高能量入射离子交换动量而飞溅出来的，所以，溅射原子具有较大的能量。如以1000eV加速的Ar+离子溅射铝等轻金属元素时,逸出原子的能量约为10eV,而溅射钨、钼、铂时,逸出原子的能量约为35eV。一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子能量大1-2个数量级，约为5-10 eV。溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类和能量以及溅射原子的方向性等都有关。图3-11是不同能量的Hg+轰击 Ag靶时溅射原子的能量分布情况。其能量的分布近似麦克斯违尔分布，大部分溅射原子的能量小于10eV，高能量部分有一拖长

30、的尾巴，平均能量为10-40eV。轰击离子的能量增加，高能量尾巴也拖得更长。当入射离子能量大于1000eV时，所逸出原子的平均能量不再增大。实验一：不同能量的Hg+轰击 Ag靶时 溅射原子的能量分布（图3-11）实验二：1200eV Kr+轰击不同靶材时 逸出原子的能量分布（图3-12）图3-12 是用能量为1200eV的Kr+离子轰击不同元素靶材时，得到的逸出溅射原子的能量分布曲线。Rh、Pd、Ag在元素周期表中是相邻元素，原子量大体相等，但能量分布曲线却有较大差异。实验三：不同入射离子轰击不同靶材时 逸出原子的能量分布（图3-13）图3-13是不同入射离子轰击不同靶材时，逸出原子的能量分布

31、曲线。可见它们具有相近似的能量分布规律，但能量值的分布范围不相同。实验四：1200eV Kr+轰击不同靶材时 溅射原子的平均逸出能量 由图3-14可见，用同一离子轰击不同材料靶，当原子序数Z20时，各元素的溅射原子的平均逸出能量的差别增大。（图3-14）实验五：1200eV Kr+轰击不同靶材时 溅射原子的平均逸出速度 由图3-15可见，用同一离子轰击不同材料靶，当靶材原子序数Z20时，各元素的溅射原子的平均逸出速度的差别较小。（图3-15）实验六：用Hg+垂直轰击Cu多晶靶时，与表面法 线成不同角度方向溅射原子的能量分布 由图3-16可见，不同方向逸出原子的能量分布也是不相同的。（图3-16

32、）溅射原子的能量和速度特点(1/3)：实验结果:(1)重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而轻元素靶材则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，而溅射率高的靶材料，通常有较低的平均原子逸出能量；溅射原子的能量和速度特点(2/3)：(3)在相同轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量的增加而线性增加，轻入射离子溅射出的原子的逸出能量较低，约为10eV，而重入射离子溅射出的原子的逸出能量较大，平均达到30-40eV，与溅射率的情形相类似；溅射原子的能量和速度特点(3/3)：(4)溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量增加而增大，当入射离子能量达到1keV以上时，平均逸出

33、能量逐渐趋于恒定值；(5)在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量；(6)靶材的结晶取向和晶体结构，对溅射原子的逸出能量影响不大。4溅射原子的角度分布（1/4）研究溅射原子的分布，有助于了解溅射机理和建立溅射理论，在实际应用上也有助于控制膜厚的分布。早期的溅射理论认为溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了局部高温区，从而导致靶材料的蒸发，因此，逸出原子呈现余弦分布规律。这种理论称为溅射的热峰蒸发理论。4溅射原子的角度分布（2/4）进一步研究发现，在用低能离子轰击时，逸出原子的分布并不遵从余弦分布规律,垂直于靶表面方向逸出的原子数，明显地少于按余弦分布时应有的逸出原子数。靶材料不同，角分布与余弦分

34、布的偏差也不相同。且，改变轰击离子的入射角时，逸出原子数在入射的正反射方向显著增加，与余弦分布的偏差明显增大。4溅射原子的角度分布（3/4）实验结果还表明，溅射原子的逸出主要方向与晶体结构有关。这也直接影响到溅射率。对于单晶靶材料，通常，最主要的逸出方向是原子排列最紧密的方向，其次是次紧密的方向。4溅射原子的角度分布（4/4）半导体单晶材料逸出原子的角分布与金属类似，也存在与结晶构造有关的主要逸出方向，即具有各向异性的特点，但不如金属那样明显。多晶靶材与单晶靶材溅射原子的角分布有明显的不同：对于单晶靶可观察到溅射原子明显的择优取向，而多晶固体差不多显示一种余弦分布。合金靶溅射2023-9-3薄

35、膜电子学信息与电子工程学系77合金靶溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系78溅射与蒸发的比较2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系79辉光放电等离子技术1.Introduction 2.Scientific Issues3.Engineering Issues 4.Conclusions 薄膜电子学信息与电子工程学系2023-9-380直流溅射二级溅射v放电电流与气压和偏压的关系：i K(P)Vm；K(P)随气压的增加而增加，m5或更大；离子平均能量随气压的增加而下降，溅射产额降低；沉积率在100mTorr附近最大；v薄膜生长速率：Pdensity功率密度(W/cm2)、g阴

36、-阳极间距、E 平均溅射能量e汤生二次电子发射系数、原子密度，与材料有关溅射原子热化的平均距离，与气体压强有关；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系81直流溅射二级溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系82直流溅射二级溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系83直流溅射三极、空心v三极溅射：溅射原理：利用灯丝热电子发射离化气体产生等离子体，通过靶负偏压溅射靶材料；缺点：等离子体密度不均匀优点：可以在低气压下放电；v空心溅射：溅射原理：放电等离子体在空心阴极内部产生溅射；依靠空心阴极内部的负辉光区加速电子，增强气体电离率；电流密度比平面辉光放电高1 2个数量级；2023

37、-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系84交流溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系85v 直流溅射对导电性好的材料具有比较高的溅射率；但当有活性气体存在时，由于表面氧化导致溅射率下降；而且对绝缘材料不能溅射；交流溅射可以弥补这一不足；v 交流溅射的频率划分：低频溅射：1MHz，离子的运动跟不上电场的变化，而电子随电场的变化产生振荡产生自偏压，导致阴极溅射；射频溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系86射频溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系87射频溅射v 增加接地面积可以减少器壁溅射，降低薄膜污染；2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系88射频溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系89磁控溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系90磁控溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系91磁控溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系92磁控溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系93反应溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系94反应溅射2023-9-3薄膜电子学信息与电子工程学系95