1、123 “溅射溅射”是指荷能粒子轰击固体表面（靶），是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。使固体原子（或分子）从表面射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子溅射原子。用于。用于轰击靶的荷能粒子可以是轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，电子、离子或中性粒子，因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采用离子作为轰击粒子。该离子又称用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子入射离子，这种镀膜技，这种镀膜技术又称为术又称为离子溅射镀膜或淀积。离子溅射镀膜或淀积。与此相反，利
2、用溅射也可以进行刻蚀。淀积和刻蚀是与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。淀积和刻蚀是溅射过程的两种应用。溅射过程的两种应用。溅射镀膜装置溅射镀膜装置：阴极（靶材）、阳极（基片）、：阴极（靶材）、阳极（基片）、挡板、溅射气体入口挡板、溅射气体入口34与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：优点：（1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气）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。压元素和化合物。（2）溅射膜与基板之间的附着性好。）溅射膜与基板之间的附着性好。（3）溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。）溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度
3、较高。（4）膜层可控性和重复性好。）膜层可控性和重复性好。缺点：缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.1 5m/min，而溅射速率为，而溅射速率为0.010.5m/min；（3）基板温升较高和易受杂质气体影响。）基板温升较高和易受杂质气体影响。45 溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在个溅射过程都是建立在辉光放电辉光放电 的基础之上，即溅射的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用的辉
4、光放离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用的辉光放电方式有所不同。电方式有所不同。直流二极溅射直流二极溅射利用的是直流辉光放电；利用的是直流辉光放电；三极溅射三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射射频溅射是利是利用射频辉光放电；用射频辉光放电；磁控溅射磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉是利用环状磁场控制下的辉光放电。光放电。一一 准备知识：准备知识：电子与气体分子的碰撞、激发与电离电子与气体分子的碰撞、激发与电离二二 辉光放电辉光放电1 1直流辉光放电直流辉光放电 辉光放电是溅射的基础。辉光放电是溅射的基础。辉光放电是在真空度约为辉光放电是在真空度约为101P
5、a的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种放电现象。的一种放电现象。56图图3-1 表示直流辉光放电的形成过程，亦即两电极之表示直流辉光放电的形成过程，亦即两电极之 间的电压随电流的变化曲线。间的电压随电流的变化曲线。67（1）无光放电）无光放电(AB区域区域)当两电极加上直流电压时，当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离离子和由于宇宙线产生的游离离子和电子是很有限的（这些少量的电子是很有限的（这些少量的正离子和电子在电场下运动，正离子和电子在电场下运动，形成电流），所以开始时电流非常小，仅有形成电流），所以开始时电流非常小，仅有10-161
6、0-14安安培左右。此区是导电而不发光培左右。此区是导电而不发光，无光放电区。，无光放电区。（2）汤森放电区（）汤森放电区（BC区区）随着电压升高，带电离子和电子获得了足够能量，运动随着电压升高，带电离子和电子获得了足够能量，运动速度逐渐加快，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流平速度逐渐加快，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流平稳增加，但电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈一常数。稳增加，但电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈一常数。上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。这种放电方式离的电子和正离子存在
7、，则放电不会发生。这种放电方式又称为非自持放电。又称为非自持放电。78（3）过渡区）过渡区（CD区域区域）离子轰击阴极，释放出二次电子，离子轰击阴极，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的更多的二次电子。阴极，又产生新的更多的二次电子。一旦产生了足够多的离子和电子后，一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，发生放电达到自持，发生“雪崩点火雪崩点火”，气体开始起辉，两极间电流剧增，气体开始起辉，两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现电压迅速下降，放电呈现负阻特性。负阻特性。（4）正
8、常辉光放电区）正常辉光放电区（DE区域）区域）当电流增至当电流增至C点时，极板两端电压突然降低，电流突然增大，并同时出现带有颜点时，极板两端电压突然降低，电流突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压VB称为称为击穿电压。击穿电压。在在D点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压维持不变，而电流平稳点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压维持不变，而电流平稳增加。击穿后气体的发光放电称为增加。击穿后气体的发光放电称为辉光放电。辉光放电。89特点：特点：（1）电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰电子和正离子是来源于电
9、子的碰撞和正离子的轰 击，即使自然游离源不存在，导电也击，即使自然游离源不存在，导电也 将继续下去。将继续下去。（2）维持辉光放电的电压较低，且不变）维持辉光放电的电压较低，且不变。（3）电流的增大与电压无关，只与阴极板上产生辉光）电流的增大与电压无关，只与阴极板上产生辉光 的表面积有关。的表面积有关。（4）正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有）正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类有 关。气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小也有影关。气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小也有影 响。电流密度随气体压强增加而增大。凹面形阴极的正响。电流密度随气体压强增加而增大。凹面形阴极的正
10、 常辉光放电电流密度，要比平板形阴极大数十倍左右。常辉光放电电流密度，要比平板形阴极大数十倍左右。由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所以有由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所以有时溅射选择在时溅射选择在非正常辉光放非正常辉光放 电区电区工作。工作。910（5）非正常辉光放电区）非正常辉光放电区（EF区域）区域）E点以后，当离子轰击点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，继续增加电源功率，会使两极间的电流随着电压会使两极间的电流随着电压的增大而增大的增大而增大，进入非正常，进入非正常辉光放电状态。辉光放电状态。特点：特点：电流增大时，两放电极板间电压升
11、高，且阴极电压的大小与电流密度电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压的大小与电流密度和气体压强有关。和气体压强有关。此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。要想向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子。极产生更多的二次电子。1011n巴邢定律巴邢定律-在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压在
12、气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V 只与气体只与气体 压强压强P 和电极距离和电极距离 d 的的乘积乘积有关有关（见图（见图3-2所示）所示）。n在大多数辉光放电溅射过程中要求气体压强低，压强与间距在大多数辉光放电溅射过程中要求气体压强低，压强与间距乘积一般都在最小值的左边，故需要相当高的起辉电压。在乘积一般都在最小值的左边，故需要相当高的起辉电压。在极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体压强以启极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体压强以启动放电动放电。1112（6）弧光放电区（）弧光放电区（FG区域区域）两极间电压降至很小的数值，电流大小几乎是由外电两极间电压降至很小的数
13、值，电流大小几乎是由外电阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。危害：危害：（1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间 短路；短路；（2）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度 过大而将阴极烧毁；过大而将阴极烧毁；（3）骤然增大的电流有损坏电源的危险）骤然增大的电流有损坏电源的危险；u辉光放电图辉光放电图1414u辉光放电图辉光放电图15(1)阿斯顿暗区阿斯顿暗区-靠近阴极的一层极薄区域，由于从阴极发靠近阴极的一层极薄区域，由于从阴极发 射的电子能量只有射的电子能量只有1e
14、V左右，左右，不能发生激不能发生激 发和电离。发和电离。(2)阴极辉光区阴极辉光区-紧靠阿斯顿暗区，辉光是在加速电子碰撞紧靠阿斯顿暗区，辉光是在加速电子碰撞气气 体分子后，由于激发态的体分子后，由于激发态的 气体分子衰变气体分子衰变 和进入该和进入该 区的区的 离子复合离子复合 而形成中性原子所造成的。而形成中性原子所造成的。(3)克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区-随着电子继续加速，很快获得了足以引随着电子继续加速，很快获得了足以引 起气体电离的能量，在此空间起气体电离的能量，在此空间产生大量的正离子产生大量的正离子，而正而正 离子的质量较大，向阴极的运动速度较慢，故由正离子离子的质量较大，向阴极的运
15、动速度较慢，故由正离子 组成了组成了空间电荷并在该处聚集起来，使该区域电位升高空间电荷并在该处聚集起来，使该区域电位升高,与阴极形成很大与阴极形成很大电位差电位差(阴极压降阴极压降),引起的电场畸变。引起的电场畸变。(4)负辉光区负辉光区-进入负辉区的电子可分为两类：快电子（数量进入负辉区的电子可分为两类：快电子（数量 少，能量大）和慢电子（数量多，能量小）。慢电子形少，能量大）和慢电子（数量多，能量小）。慢电子形 成负空间电荷区，形成负电位梯度。在负辉区产生激发成负空间电荷区，形成负电位梯度。在负辉区产生激发 碰撞，电子与正离子复合几率增多。碰撞，电子与正离子复合几率增多。1516(5)法拉
16、第暗区法拉第暗区-大部分电子已在负辉区中经历多次碰撞损大部分电子已在负辉区中经历多次碰撞损 失了能量，慢电子不足以引起电离和激发。失了能量，慢电子不足以引起电离和激发。(6)阳极光柱，阳极光柱，在负辉光区与阳极之间，几乎没有电压降。在负辉光区与阳极之间，几乎没有电压降。是少数电子逐渐加速并在空间与气体分子碰撞而产生电是少数电子逐渐加速并在空间与气体分子碰撞而产生电 离，形成电子与正离子密度相等的区域，空间电荷作用离，形成电子与正离子密度相等的区域，空间电荷作用 不存在，电压降较小，类似一个良导体。唯一的作用是不存在，电压降较小，类似一个良导体。唯一的作用是 连接负辉光区和阳极。连接负辉光区和阳
17、极。阴极位降区阴极位降区包括：包括：阿斯顿暗区、阴极辉光区、阿斯顿暗区、阴极辉光区、克鲁克斯暗区、负辉光区克鲁克斯暗区、负辉光区辉光放电阴极附近的分子状态辉光放电阴极附近的分子状态 如图如图3-4所示。所示。与溅射现象有关的与溅射现象有关的重要问题主要有两个：重要问题主要有两个：a.在克鲁克暗区周围所形成的正离子冲击阴极；在克鲁克暗区周围所形成的正离子冲击阴极；1617b.当两极间的电压不变而改变两极间的距离时，当两极间的电压不变而改变两极间的距离时，主要发生变化的是由等离子体构成的阳极光主要发生变化的是由等离子体构成的阳极光 柱部分的长度柱部分的长度,而从阴极到负辉光区的距离是而从阴极到负辉
18、光区的距离是 几乎不改变的。几乎不改变的。一般的溅射法一般的溅射法：使由辉光放电产生的正离子撞击阴：使由辉光放电产生的正离子撞击阴极，把阴极原子溅射出来极，把阴极原子溅射出来。阴极与阳极之间的距离，。阴极与阳极之间的距离，至少必须比阴极与负辉光区之间的距离要长。至少必须比阴极与负辉光区之间的距离要长。2 2低频交流辉光放电低频交流辉光放电在频率低于在频率低于50kHz的交流电压条件下，离子有足够的交流电压条件下，离子有足够的活动性，且有充分的时间在每个半周期的时间内，的活动性，且有充分的时间在每个半周期的时间内，在各个电极上建立的直流辉光放电。在各个电极上建立的直流辉光放电。173.射频辉光放
19、电射频辉光放电（530MHz的射频溅射频率下）特征：（1）减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压 （2）溅射材料范围拓宽，可以溅射包括介质材料在内的任何材料 为了溅射沉积绝缘材料，将直流电源换成交流电源后由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。19 三溅射特性三溅射特性 表
20、征溅射特性的参量主要有表征溅射特性的参量主要有溅射阀值、溅射率溅射阀值、溅射率以及以及溅射粒子的速度溅射粒子的速度和和能量能量等。等。1溅射阀值溅射阀值 溅射阀值溅射阀值指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须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。入射离子不同时溅射阀值变化很小，具有的最小能量。入射离子不同时溅射阀值变化很小，而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显，即溅射阀值主溅射阀值主要取决于靶材料要取决于靶材料，与离子质量无明显依赖关系。与离子质量无明显依赖关系。绝大多数金属的溅射阈值绝大多数金属的溅射阈值为为1030eV,相当于升华热相当于升华热的
21、的4倍倍（表（表3-1、图、图3-7、图、图3-8）1920202121222溅射率溅射率溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时，平均每个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。又称正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产溅射产额或溅射系数额或溅射系数，常用，常用S表示。表示。溅射率与溅射率与入射离子入射离子种类、能量、角度及种类、能量、角度及靶材靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。单晶靶材还与表面取向有关。（1）靶材料）靶材料(表表 3-2、图图 3-9)a.溅射率溅射率S 随靶材
22、元素原子序数增加而增大。随靶材元素原子序数增加而增大。b.晶格结构不同，晶格结构不同，S不同。不同。c.与表面清洁度有关，清洁度高，与表面清洁度有关，清洁度高，S大。大。d.升华热大，升华热大，S小。小。222323242425 （2）入射离子能量）入射离子能量（图图 3-10、3-11）2526（3）入射离子种类）入射离子种类（图图 3-12）入射离子的原子量越入射离子的原子量越大，大，溅射率越高溅射率越高；溅射率也与入射；溅射率也与入射离子的原子序数呈现周期性变化的关系。离子的原子序数呈现周期性变化的关系。2627 （4）入射离子的入射角）入射离子的入射角 入射角是指离子入射角是指离子入射
23、方向入射方向与被溅射靶材与被溅射靶材表面表面法线法线之间的之间的夹角夹角。不同入射角不同入射角的溅射率值的溅射率值S()，和垂直入射时的溅射，和垂直入射时的溅射率值率值S(0)，对于不同靶材和入射离子的种类，有以下结，对于不同靶材和入射离子的种类，有以下结果：果：a.对于对于轻元素靶材轻元素靶材，S()/S(0)的比值的比值变化显著变化显著；b.重离子入射重离子入射时，时，S()/S(0)的比值的比值变化显著变化显著；c.随着随着入射离子能量增加入射离子能量增加，S()/S(0)呈最大呈最大 值的角度逐渐增大，值的角度逐渐增大，但是但是S()/S(0)的最大值的最大值 在入射离子的加速电压超过
24、在入射离子的加速电压超过2kV时，时，急剧减小急剧减小。272828 （5）靶材温度）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，在华能相关的某温度值有关，在低于低于此温度时，溅射率几乎此温度时，溅射率几乎不变不变。但是，。但是，超过此温度超过此温度时，溅射率将时，溅射率将急剧增大急剧增大。(图图 3-15)2930 3溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度（1）溅射原子溅射原子的能量比的能量比蒸发原子蒸发原子的能量大：的能量大：一般由一般由蒸发源蒸发蒸发源蒸发出来的原子的能量为出来的原子的能量为 0.1ev
25、左右。左右。溅射溅射中，由于溅射原子是与高能量（几百中，由于溅射原子是与高能量（几百-几千几千 ev）入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，入射离子交换能量而飞溅出来的，所以，溅射原子具有溅射原子具有 较大的能量。较大的能量。一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子一般认为，溅射原子的能量比热蒸发原子 能量大能量大 1-2 个数量级，约个数量级，约5-10 ev。（2）影响溅射原子的能量的影响溅射原子的能量的因素：因素：溅射原子的能量与溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类靶材料、入射离子的种类和和能量能量（如（如图图3-16、3-17、3-18、3-19、3-20)以及以及溅射原子的方溅射原子的方
26、向性向性(如如 图图 3-21)有关。有关。303131323233同一离子轰击不同材料时，溅射原子平均逸出能量和平同一离子轰击不同材料时，溅射原子平均逸出能量和平均逸出速度如均逸出速度如图图319和和图图320所示。原子序数所示。原子序数Z20时，时，各元素的各元素的平均逸出能量差别增大平均逸出能量差别增大，而，而平均速度差别较小平均速度差别较小。3334由由图图321可见，不同方向逸出原子的能量分布可见，不同方向逸出原子的能量分布不相同的。不相同的。3435 溅射原子的溅射原子的能量能量和和速度速度具有以下几个具有以下几个特点：特点：(1)重元素靶材重元素靶材被溅射出来的原子有被溅射出来的
27、原子有较高的逸出能量较高的逸出能量，而，而 轻元素靶材轻元素靶材则有则有高的原子逸出速度高的原子逸出速度；(图图 3-19、3-20)(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,溅射率高的靶材溅射率高的靶材 料，通常有较低的平均原子逸出能量；料，通常有较低的平均原子逸出能量；(表表3-2、图、图3-19)(3)在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线 性增加，性增加，轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，约约 为为10 ev，而，而重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大，
28、重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大，平均达到平均达到3040ev，与溅射率的情形相类似；，与溅射率的情形相类似；(图图 3-12)3536 （4）溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量）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增加而增大，当入射离子能量达到1kev以上时，以上时，平均逸出能量逐渐趋于恒定值；平均逸出能量逐渐趋于恒定值；(图图 3-16)（5）在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这）在倾斜方向逸出的原子具有较高的能量，这 符合溅射的碰撞过程遵循动量和能量守恒定律符合溅射的碰撞过程遵循动量和能量守恒定律。(图图 3-13、3-14)*此外，此外，实验
29、结果表明，靶材的结晶取向与晶体实验结果表明，靶材的结晶取向与晶体 结构对逸出能量影响不大结构对逸出能量影响不大。溅射率高的靶材料溅射率高的靶材料 通常具有较低的平均逸出能量通常具有较低的平均逸出能量。36374溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布 早期早期的溅射理论（的溅射理论（溅射的热峰蒸发理论）溅射的热峰蒸发理论）认为：认为：溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了溅射的发生是由于高能量的轰击离子产生了局部高温区局部高温区，从而从而导致靶材料的蒸发导致靶材料的蒸发，逸出原子呈现，逸出原子呈现余弦分布余弦分布规律，并且规律，并且与入射离子的方向性无关（参见与入射离子的方向性无关（参见图图 3-
30、22 中虚线部分）中虚线部分）。进一步研究进一步研究发现：发现：（1）用低能离子轰击时，逸出原子的分布）用低能离子轰击时，逸出原子的分布并不服从余弦分布并不服从余弦分布定律。垂直于靶表面方向定律。垂直于靶表面方向逸出的原子数明显地逸出的原子数明显地少少于于 按余弦分按余弦分布时应有的逸出原子布时应有的逸出原子 数（数（图图3-23）；（2）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同）对于不同的靶材料，角分布与余弦分布的偏差不相同；（3）改变改变轰击离子的轰击离子的入射角入射角时，逸出原子数在入射的正反射时，逸出原子数在入射的正反射 方向显著增加（方向显著增加（图图3-22）。（4）溅射原子
31、的逸出主要）溅射原子的逸出主要方向与晶体结构方向与晶体结构有关有关。373838393941四溅射过程四溅射过程 溅射过程包括溅射过程包括靶的溅射靶的溅射、逸出粒子的形态逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移溅射粒子向基片的迁移和和在基板上成膜的过程在基板上成膜的过程。1 1靶材的溅射过程靶材的溅射过程当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子发生溅射。这是靶材在溅射时发生溅射。这是靶材在溅射时主要发生的一个过程。主要发生的一个过程。实际上，实
32、际上，溅射过程十分复杂溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体，当高能入射离子轰击固体表面时，会产生如表面时，会产生如图图 3-26 所示的所示的许多效应许多效应。除了靶材的中。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最终淀积为薄膜之外，其他一些效性粒子，即原子或分子最终淀积为薄膜之外，其他一些效应会应会对溅射膜层的生长产生很大的影响。对溅射膜层的生长产生很大的影响。414242442 2溅射粒子的迁移过程溅射粒子的迁移过程在迁移过程中，溅射粒子与工作气体分子发生碰撞的平均自由程：在迁移过程中，溅射粒子与工作气体分子发生碰撞的平均自由程：由于由于 ，所以所以 44 溅射镀膜的气体压力为溅射镀膜的气体压
33、力为10110-1Pa,此时溅射粒子的平均自由此时溅射粒子的平均自由程为程为110cm，因此，靶与基片的距离应与该值大致相等。否则，溅，因此，靶与基片的距离应与该值大致相等。否则，溅射粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，这样，既降低了靶材原子的动射粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，这样，既降低了靶材原子的动能，又增加靶材的散射损失。能，又增加靶材的散射损失。尽管溅射原子在向基片的迁移输运过程中，会因与工作气体尽管溅射原子在向基片的迁移输运过程中，会因与工作气体分子碰撞而降低其能量，但是，由于溅射出的靶材原子能量远远高于分子碰撞而降低其能量，但是，由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量，所以蒸
34、发原子的能量，所以溅射过程中淀积在基片上靶材原子的能量仍比溅射过程中淀积在基片上靶材原子的能量仍比较大较大，其值相当于蒸发原子能量的几十至上百倍。，其值相当于蒸发原子能量的几十至上百倍。463 3溅射粒子的成膜过程溅射粒子的成膜过程薄膜的生长过程将在第七章中介绍，这里主要叙述靶材粒子入薄膜的生长过程将在第七章中介绍，这里主要叙述靶材粒子入射到基片上在沉积成膜过程中应当射到基片上在沉积成膜过程中应当考虑的几个问题考虑的几个问题。（1 1）淀积速率）淀积速率Q Q 淀积速率淀积速率 Q Q 是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的厚度到基片
35、上的厚度.Q=CISQ=CIS (3-16)(3-16)C-C-与溅射与溅射装置有关的特征常数，装置有关的特征常数，I-离子流，离子流，S-溅射率溅射率 对于一定的溅射装置（即对于一定的溅射装置（即C确定值）和一定的工作气体，确定值）和一定的工作气体，该该淀积淀积速率速率 Q Q 与溅射率与溅射率 S 与与离子电流离子电流I I 的乘积的乘积成正比。成正比。提高淀积速率提高淀积速率的的有效办法是有效办法是提高离子电流提高离子电流I I 。在不增高电压的条件下，增加在不增高电压的条件下，增加I I 就只就只有有增高工作气体的压力增高工作气体的压力，但，但较多地增加气体压力反而会降低较多地增加气体
36、压力反而会降低溅射率溅射率。4647图图327示出了示出了气体压力与溅射率的关系曲线气体压力与溅射率的关系曲线。当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。这是这是由于靶材粒子的背返射和散射增大所引起的。事实上，在由于靶材粒子的背返射和散射增大所引起的。事实上，在大约大约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中，只有的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中，只有10%左右才能够穿越阴极暗区。所以，左右才能够穿越阴极暗区。所以，由溅射率来选择气由溅射率来选择气压的最佳值是比较恰当的。压的最佳值是比较恰当的。4748（2）淀积薄膜的纯度）淀积薄膜的纯度 为了
37、提高淀积薄膜的纯度，必须尽量减少淀积到基片上杂质的量为了提高淀积薄膜的纯度，必须尽量减少淀积到基片上杂质的量（杂质主要指真空室的残余气体）。因为，通常有约百分之几的溅（杂质主要指真空室的残余气体）。因为，通常有约百分之几的溅射气体分子注入淀积薄膜中，特别在基片加偏压时。若真空室容积射气体分子注入淀积薄膜中，特别在基片加偏压时。若真空室容积为为V，残余气体分压为，残余气体分压为 ，氩气分压为，氩气分压为 ，送入真空室的残送入真空室的残余气体量为余气体量为 ，氩气量为，氩气量为 ，则有，则有 (3-17)由此可见，欲降低残余气体压力由此可见，欲降低残余气体压力 ，提高薄膜的纯度，可采取，提高薄膜的
38、纯度，可采取提高本底真空度提高本底真空度和和增加送氩量增加送氩量这两项有效措施这两项有效措施。本底真空度为底真空度为 较合适较合适A rPcPcQArQccQP V/cArcArPP QQArArQP VcP3410 10 Pa4849（3）淀积过程中的污染）淀积过程中的污染 在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真空区内（）是很必要的。即便如此，仍可存在空区内（）是很必要的。即便如此，仍可存在许多许多污染源存在：污染源存在：a.真空壁和真空室中的其他零件可能会有真空壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体、水吸附气体、水汽和二氧化碳。汽和二氧
39、化碳。由于辉光中电子和离子的轰击作用，这些由于辉光中电子和离子的轰击作用，这些气体可能气体可能重新释出重新释出。因此，可能接触辉光的一切表面都必。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在淀积过程中须在淀积过程中适当冷却适当冷却，以便使其在淀积的最初几分钟，以便使其在淀积的最初几分钟内达到热平衡，也可在抽气过程中进行高温烘烤。内达到热平衡，也可在抽气过程中进行高温烘烤。b.在溅射气压下，扩散泵在溅射气压下，扩散泵抽气效力很低抽气效力很低，扩散泵油的回，扩散泵油的回流现象可能十分严重。流现象可能十分严重。410 Pa4950c.基片表面的颗粒物质基片表面的颗粒物质对薄膜的影响是会产生针孔和形对薄膜的影
40、响是会产生针孔和形 成淀积污染。因此，淀积前应对基片进行彻底的清洗，成淀积污染。因此，淀积前应对基片进行彻底的清洗，尽可能保证基片不受污染或携带微粒状污物。尽可能保证基片不受污染或携带微粒状污物。（4）成膜过程中的溅射条件控制）成膜过程中的溅射条件控制 应选择溅射率高、对靶材呈惰性、价廉、高纯的应选择溅射率高、对靶材呈惰性、价廉、高纯的溅射气体溅射气体 或或 工作气体工作气体。应注意应注意溅射电压溅射电压及及基片电位基片电位（接地、悬浮或偏压）对薄膜（接地、悬浮或偏压）对薄膜特性的严重影响。特性的严重影响。溅射电压溅射电压不仅影响淀积速率，而且还严重不仅影响淀积速率，而且还严重影响薄膜的结构；
41、影响薄膜的结构；基片电位基片电位则直接影响入射的电子流或离子则直接影响入射的电子流或离子流。流。5051基片温度基片温度直接影响膜层的生长及特性。直接影响膜层的生长及特性。在溅在溅 射淀积之前对靶进行射淀积之前对靶进行预溅射预溅射是使靶表面净化是使靶表面净化 的有效方的有效方 法。法。此外此外，在溅射过程中，还应注意溅射设备中存在，在溅射过程中，还应注意溅射设备中存在的诸如的诸如电场、磁场、气氛、靶材、基片温度、几何电场、磁场、气氛、靶材、基片温度、几何结构、真空度结构、真空度等参数间的相互影响。等参数间的相互影响。5152五溅射机理五溅射机理溅射现象很早就为人们所认识，通过大量实验溅射现象很
42、早就为人们所认识，通过大量实验研究，对这一重要物理现象得出研究，对这一重要物理现象得出以下几点结论以下几点结论：（1）溅射率随入射离子的能量增加而增大；而在离子能量）溅射率随入射离子的能量增加而增大；而在离子能量 增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅射率将随增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅射率将随 之减小；之减小；(图图3-10、3-11)（2）溅射率的大小与入射粒子的质量有关；）溅射率的大小与入射粒子的质量有关；(图图 3-12)（3）当入射离子的能量低于某一临界值（阈值）时，不会）当入射离子的能量低于某一临界值（阈值）时，不会 发生溅射；发生溅射；(图图3-11)52（4）溅射原子
43、的能量比蒸发原子的大许多倍；）溅射原子的能量比蒸发原子的大许多倍；(图图3-16)（5）入射原子的能量低时，溅射原子角度分布就不完全符）入射原子的能量低时，溅射原子角度分布就不完全符 合于余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。合于余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大 的方向。的方向。(图图3-22、3-23、3-24)（6）因为电子的质量小，所以，即使用具有极高能量的电）因为电子的质量小，所以，即使用具有极高能量的电 子轰击靶材时，也不会产生溅射现象。子轰击靶材时，也不会产生溅射现象。54解释
44、溅射现象的解释溅射现象的两种两种较为成熟的较为成熟的理论理论：1 1热蒸发理论热蒸发理论 早期认为：早期认为：溅射现象是被电离气体的荷能正离子，在电场的加溅射现象是被电离气体的荷能正离子，在电场的加速下轰击靶表面，而将能量传递给碰撞处的原子，结果导致表面碰速下轰击靶表面，而将能量传递给碰撞处的原子，结果导致表面碰撞处很小区域内，发生瞬间强烈的局部高温，从而使这个区域的靶撞处很小区域内，发生瞬间强烈的局部高温，从而使这个区域的靶材料熔化，发生热蒸发。材料熔化，发生热蒸发。*在一定程度上在一定程度上解释了解释了溅射的某些规律和溅射现象，如溅射的某些规律和溅射现象，如溅射率与靶材料溅射率与靶材料的蒸
45、发热的蒸发热和和轰击离子的能量关系、溅射原子的余弦分布规律轰击离子的能量关系、溅射原子的余弦分布规律等。等。*不能解释不能解释溅射率与离子入射角的关系、单晶材料溅射时，溅射原子的角溅射率与离子入射角的关系、单晶材料溅射时，溅射原子的角分布的非余弦分布规律、以及溅射率与入射离子质量的关系等。分布的非余弦分布规律、以及溅射率与入射离子质量的关系等。54552 2动量转移理论动量转移理论 低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给动量转移给被碰撞的原子被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链琐式碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵，引起
46、晶格点阵上原子的链琐式碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。同时，的各个方向进行。同时，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结结果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果这个能量大于原这个能量大于原子的结合能子的结合能，原子就从固体表面被溅射出来。，原子就从固体表面被溅射出来。5556 溅射镀膜的方式较多，从溅射镀膜的方式较多，从电极结构电极结构上可分为二上可分为二极溅射、三或四极溅射和磁控溅射；极溅射、三或四极溅射和磁控溅射；射频溅射射频溅射制备制备绝缘薄膜而研制的；绝
47、缘薄膜而研制的；反应溅射反应溅射可制备化合物薄膜；可制备化合物薄膜；为了提高薄膜纯度而分别研究出为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对称偏压溅射、非对称交流溅射交流溅射和和吸气溅射吸气溅射等；近年来为进行磁性薄膜的等；近年来为进行磁性薄膜的高速低温制备，还研究开发成功高速低温制备，还研究开发成功对向靶溅射装置对向靶溅射装置。5657一二极溅射一二极溅射 被溅射的靶（阴极）和成膜的基板及其固定被溅射的靶（阴极）和成膜的基板及其固定架（阳极）构成了溅射装置的两个极架（阳极）构成了溅射装置的两个极。因溅射过。因溅射过程发生在阴极，程发生在阴极，又称阴极溅射。又称阴极溅射。5758射频二极溅射射频
48、二极溅射 ：使用使用射频电源射频电源直流二极溅射直流二极溅射 ：使用直流电源使用直流电源 平面二极溅射平面二极溅射 ：靶和基板固定架都是平板状靶和基板固定架都是平板状同轴二极溅射同轴二极溅射 ：靶和基板都是同轴圆柱状布置靶和基板都是同轴圆柱状布置直流二极溅射原理：直流二极溅射原理：*用膜材制成阴极靶，并接上负高压，为了在辉光放电过程用膜材制成阴极靶，并接上负高压，为了在辉光放电过程 中使靶表面保持可控的负高压，中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导体。靶材必须是导体。*工作时，先将真空室工作时，先将真空室预抽预抽到高真空（如到高真空（如1010-3-3PaPa），然后，），然后，通入氩气通入
49、氩气使真空室内压力维持在使真空室内压力维持在1 110Pa10Pa时，接通电源使时，接通电源使在在 阴极和阳极间产生异常辉光放电，并建立起等离子区，其阴极和阳极间产生异常辉光放电，并建立起等离子区，其 中带正电的氩离子受到电场加速而轰击阴极靶，从而使靶中带正电的氩离子受到电场加速而轰击阴极靶，从而使靶 材产生溅射材产生溅射。5859 *直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产 生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依靠正离子轰击阴极进所产生的二次电子，经而放电是依靠正离子轰击阴
50、极进所产生的二次电子，经 阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。因此，因此，在溅射镀膜过程中，电离效应是必备的条件在溅射镀膜过程中，电离效应是必备的条件。*直流二极溅射的工作参数为直流二极溅射的工作参数为溅射功率、放电电压、气体溅射功率、放电电压、气体 压力和电极间距压力和电极间距。溅射时主要监视功率、电压和气压参。溅射时主要监视功率、电压和气压参 数。当电压一定时，放电电流与气体压强的关系如数。当电压一定时，放电电流与气体压强的关系如 图图332所示。所示。59606061优点：优点：结构简单，可获得大面积膜厚均匀的结构简单，可获得大
