薄膜技术薄膜技术-4 溅射沉积技术溅射沉积技术-1 物理气相沉积（物理气相沉积（PVD ）示意图）示意图 溅射沉积溅射沉积 3.3.沉积沉积 1.1.离子产生离子产生 2.2.溅射溅射 主要内容主要内容 气体放电与等离子体气体放电与等离子体 等离子体物质的溅射现象等离子体物质的溅射现象 溅射沉积装置溅射沉积装置 什么是等离子体？什么是等离子体？ 人造等离子体：等离子体电视 人造等离子体：霓虹灯 地球上的等离子体：极光 地球上的等离子体：极光 太空中等离子体：太阳 宇宙99%物质为等离子体 等离子体的概念和特点等离子体的概念和特点 概念：由概念：由电离电离产生的产生的正离子正离子和和电子电子以及以及中性中性 气体分子气体分子组成的组成的离子化气体状离子化气体状物质。物质。 特点特点 整体上呈整体上呈电中性电中性 良好的良好的导电性导电性 低温等离子：低温等离子：轻度电离的等离子体，离子温轻度电离的等离子体，离子温 度一般远低于电子温度（度一般远低于电子温度（egeg：日光灯、：日光灯、溅射溅射 沉积工艺沉积工艺） 高温等离子体：高温等离子体：高度电离的等离子体，离子高度电离的等离子体，离子 温度和电子温度都很高（温度和电子温度都很高（egeg：太阳）：太阳） 等离子体的分类等离子体的分类 等离子体的产生和维持等离子体的产生和维持 等离子体的产生：等离子体的产生： 气体放电气体放电：气体在电场的作用下发生电离的过程；：气体在电场的作用下发生电离的过程； 原理：当具有一定能量的电子与气体分子碰撞过程原理：当具有一定能量的电子与气体分子碰撞过程 中中，将可能使得气体分子的外层电子丢失形成离子将可能使得气体分子的外层电子丢失形成离子。 等离子的维持：等离子的维持： 原理：等离子体中高速运动的电子与其他粒子持续原理：等离子体中高速运动的电子与其他粒子持续 碰撞碰撞。 等离子体的产生和维持等离子体的产生和维持 靶靶基片基片 汤生放电汤生放电：气体击穿的初期，放电电压比较高，且随输入功率的增加：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，但较小。变化很小；放电电流随输入功率的增加而增加，但较小。 汤生放电汤生放电 反常辉反常辉 光放电光放电 正常辉光正常辉光 放电放电 弧光弧光 放电放电 等离子体的产生和维持等离子体的产生和维持 气体击穿气体击穿 正常辉光放电正常辉光放电：出现足够多的电子和离子使放电可自持，气体电导率：出现足够多的电子和离子使放电可自持，气体电导率 较大，极板间电压下降较大，极板间电压下降 汤生放电汤生放电 反常辉反常辉 光放电光放电 正常辉光正常辉光 放电放电 弧光弧光 放电放电 等离子体的产生和维持等离子体的产生和维持 气体击穿气体击穿 反常辉光放电反常辉光放电：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。电压迅速增加。 汤生放电汤生放电 反常辉反常辉 光放电光放电 正常辉光正常辉光 放电放电 弧光弧光 放电放电 等离子体的产生和维持等离子体的产生和维持 气体击穿气体击穿 弧光放电弧光放电：进一步增加功率导致电弧出现，从而放电转化为弧光放电，：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。气体电导率再次增加，极板间电压再次下降。 汤生放电汤生放电 反常辉反常辉 光放电光放电 正常辉光正常辉光 放电放电 弧光弧光 放电放电 等离子体的产生和维持等离子体的产生和维持 气体击穿气体击穿 等离子体的鞘层等离子体的鞘层 电子和离子的质量电子和离子的质量、速速 度的差异使浸没在等离子体度的差异使浸没在等离子体 的中的悬浮电极相对于等离的中的悬浮电极相对于等离 子体处于负电位子体处于负电位，阴极和阳阴极和阳 极表面的悬浮电位低于等离极表面的悬浮电位低于等离 子体电位子体电位，从而在阴极和阳从而在阴极和阳 极表面形成极表面形成鞘层鞘层。等离子体等离子体 鞘层内鞘层内，空间电荷和电势分空间电荷和电势分 布非均匀布非均匀。 本质原因是离子电子质量巨大差异本质原因是离子电子质量巨大差异 直流溅射靶材和基体表面电势分布 等离子体的鞘层等离子体的鞘层 磁控溅射中靶与基片间的等离子体鞘层磁控溅射中靶与基片间的等离子体鞘层 主要内容主要内容 气体放电与等离子体气体放电与等离子体 等离子体物质的溅射现象等离子体物质的溅射现象 溅射沉积装置溅射沉积装置 溅射过程示意图溅射过程示意图 能量粒子能量粒子 被溅射出的被溅射出的 原子原子 碰撞碰撞 溅射溅射：离子轰击靶材：离子轰击靶材，使靶材中的原子飞溅使靶材中的原子飞溅，离开靶材的过程离开靶材的过程。 溅射物理过程溅射物理过程 离子轰击后，离子轰击后， 靶材中原子一定能飞溅出来吗？靶材中原子一定能飞溅出来吗？ 溅射物理过程溅射物理过程 入射离子能量入射离子能量低低：沉积沉积（离子在靶材表面沉积）（离子在靶材表面沉积） 入射离子能量入射离子能量中中：溅射溅射（靶材原子飞溅）（靶材原子飞溅） 入射离子能量入射离子能量高高：离子注入离子注入（离子进入靶材内部）（离子进入靶材内部） 为什么？为什么？ eg: P58 eg: P58 图图3.83.8 总阻止本领示意图（总阻止本领示意图（T TOTALOTAL STOPPINGSTOPPING POWERPOWER） 核阻止本领在低能量下起主要作用核阻止本领在低能量下起主要作用 电子阻止本领在高能量下起主要作用电子阻止本领在高能量下起主要作用 25 核阻止和电子阻核阻止和电子阻 止的能量相等止的能量相等 溅射物理过程溅射物理过程 伴随离子轰击而引起的各种现象伴随离子轰击而引起的各种现象 溅射物理过程溅射物理过程 维持等离子体维持等离子体 一个离子轰击后，一个离子轰击后， 靶材中几个原子能飞溅出来？靶材中几个原子能飞溅出来？ 定义：定义：溅射产额溅射产额(S)=(S)=被溅射原子数量被溅射原子数量/ /入射离子数量入射离子数量 溅射产额溅射产额 影响因素：影响因素： 入射离子入射离子（能量、入射角度、种类）（能量、入射角度、种类） 靶材靶材（种类、晶向、温度）（种类、晶向、温度） 溅射产额溅射产额 入射离子能量的影响入射离子能量的影响：入射离子能量在：入射离子能量在10keV时，溅射时，溅射 产额最大产额最大 离子入射角度的影响：离子入射角度的影响： 入射方向与样品法向的入射方向与样品法向的 夹角为夹角为60o 70o时时，溅溅 射产额最大射产额最大 溅射产额溅射产额 入射离子种类的影响：溅射产额随入射原子序入射离子种类的影响：溅射产额随入射原子序 数的增加而周期性增加数的增加而周期性增加 溅射产额溅射产额 ： 靶材种类的影响：靶材种类的影响： 溅射产额与元素的溅射产额与元素的 升华热具有一定的升华热具有一定的 联系联系 溅射产额溅射产额 溅 射 产 额 溅 射 产 额 升 华 热 的 倒 数 升 华 热 的 倒 数 靶材晶向的影响：靶材晶向的影响： 不同的晶体取向，不同的晶体取向， 溅射产额不同溅射产额不同 溅射产额溅射产额 溅射产额溅射产额 靶材温度的影响：靶材温度不同，溅射产额不同。靶材温度的影响：靶材温度不同，溅射产额不同。 溅射出原子的溅射出原子的 空间分布和能量分布如何？空间分布和能量分布如何？ 满足欠余弦分布；与入射离子的能量有关满足欠余弦分布；与入射离子的能量有关 溅射出原子的角度分布溅射出原子的角度分布 大多数粒子能量集中在几个大多数粒子能量集中在几个eV；与入射离子的质量；与入射离子的质量 和能量有关；与被溅射原子的质量有关。和能量有关；与被溅射原子的质量有关。 溅射出原子的能量分布溅射出原子的能量分布 合金溅射和沉积和蒸发方法的区别？合金溅射和沉积和蒸发方法的区别？ 靶材靶材 Cu-42%Ni合金溅射表面成分变化合金溅射表面成分变化 溅射将导致合金表面的成分发生偏离，并趋于平衡成分溅射将导致合金表面的成分发生偏离，并趋于平衡成分 合金溅射的成分自动补偿效应合金溅射的成分自动补偿效应 溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降 溅射产额低的物质富集，溅射速率上升，溅射产额低的物质富集，溅射速率上升， 溅射出来物质成分与靶材原始成分相同。溅射出来物质成分与靶材原始成分相同。