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1、第三章 薄膜的物理气相沉积（） 溅射法及其他PVD方法 利用带有电荷的离子在电场中加速后 具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅 射的物质做成的靶电极。在离子能量合适 的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰 撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出 来的原子带有一定的动能，并且会沿着一 定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积 。 1 2 随着退火温度升高 3 第一节 气体放电现象与等离子体 第二节 物质的溅射现象 第三节 溅射沉积装置 第四节 其他PVD方法 4 第一节 气体放电现象与等离子体 一、气体放电现象 二、气体放电过程 三、辉光放电现象及等离子体鞘层 四、非自持放电与自持放电 5 溅射气体至真
2、空泵 阳极 衬底 溅射靶 绝缘 辉光放电区 V（DC） 6 一、气体放电现象 (gas discharge) 原子激发能（excitation energy）: 原子中电子从基态能 级激发到激发态能级所需能量。 原子电离能（ionization energy）：原子在外界因素作用 下失去一个或几个电子而形成自由电子和正离子所需 要的能量。碰撞电离、光电离（中性复合、激发态恢 复导致分级电离）、热电离。 金属（阴极）表面电离能（逸出功work function，work of emission ）: 金属表面释放电子所需能量。正离子碰撞 阴极（一个以上电子）、光电效应、强场（103kV/cm ）
3、发射（field emission）、热电子发射。 7 气体放电中的碰撞过程 等离子体中高速运动的电子与其他粒子 的碰撞是维持气体放电的主要微观机制。 1、弹性碰撞 2、非弹性碰撞 8 1、弹性碰撞 参加碰撞的粒子的总动能E和总动量P保持不 变，并且不存在粒子内能的变化，即没有粒子的 激发、电离或复合过程发生。 在两个粒子的弹性碰撞过程中，运动着的粒 子1将部分动能转移给静止着的粒子2，碰撞后的 能量满足如下的关系: 其中M为相应粒子的质量，E为粒子在碰撞后的动能， 为碰撞前粒子1与运动方向与碰撞瞬间两粒子中心连线 的夹角。 9 辉光放电等离子体中大多数碰撞： 高速电子与低速原子和离子的弹性碰
4、撞 由于M1M2，(电子质量远小于原子和 离子质量) 表明：气体分子和离子从高速运动的电子处获 得的能量较小，或者说每次碰撞发生能量大转 移是极小的，不会造成气体分子的电离。 10 由于M2/（M1+M2）近似等于1，而（1/2）M1v12正 是碰撞前电子的动能，因此非弹性碰撞可以使电子 将大部分能量转移给其他质量较大的粒子，如离子 或原子引起其激发或电离。因此电子与其它粒子的 非弹性碰撞过程是维持溅射自持放电过程的主要机 制。 2、非弹性碰撞 碰撞过程中有部分电子动能将转化为粒子 的内能增加U，其最大值为: 11 （3）分解反应： 在这一碰撞过程中，分子被分解成为两个反应 基团，其化学活性将
5、远高于原来的分子。 （2）激发过程： 其中的星号表示相应的粒子已处于能量较高的 激发态。 （1）电离过程： 这一过程使得电子数目增加，从而使得放电过 程得以继续，上式的反过程被称为复合。 12 二、气体放电基本过程 假设有一个直流放电系统，设电极之间电 动势为E，直流电源提供电压V和电流I，并 以电阻R作为限流电阻，则 V=E-IR 13 1、开始时：电极之间几乎没有电流通过，只有极少量 的电离粒子在电场作用下定向运动，在宏观上表现出 很微弱的电流。 2、随着电压的逐渐升高：电离粒子达到饱和，电流达 到一个饱和值，它取决于气体中原来已经电离原子数 。 放电过程的五个阶段： 14 3、当电压继续
6、升高时：离子与阴极之间以及电子与气体 分子之间的碰撞变得重要起来。 1) 电子碰撞开始导致气体分子电离， 2) 离子对于阴极的碰撞产生二次电子 结果：碰撞过程导致离子和电子 数目呈雪崩式的增加 。这时，放电电流 I 迅速增加，电压U变化不大。这 种放电过程被称为汤生放电（Townsend discharge） 。 15 关于电晕：在110kV以上的变电所和线路 上，时 常能听到“咝咝”的放电声和淡蓝色的光环，这就 是电晕。电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均 匀的电场，在不均匀的电场周围曲率半径小的电极 附近当电压升高到一定值时，由于空气游离就会发 生放电，形成电晕。 在汤生放电的后期，放电开
7、始进入电晕(corona)放电阶段 。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些 跳跃的电晕光斑，因此， 这一阶段被称为电晕放电。 16 4、辉光放电（glow discharge） （1）正常辉光放电 汤生放电之后，气体突然发生放电击穿 （breakdown）现象。电路的电流大幅度增加， 同时放电电压显著下降。这是由于这时的气体 已被击穿，因而气体电阻将随着电离度的增加 而显著下降，放电区由原来只集中于阴极的边 缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一 阶段，导电粒子的数目大大增加，在碰撞过程 中的能量也足够高，因此会产生明显的辉光。 17 （2）异常辉光放电 电流的继续增加将使得辉光区
8、域扩展到整个放 电长度上，辉光亮度提高，电流增加的同时电压也 开始上升。这是由于放电已扩展至整个电极区域以 后，再增加电流就需要相应地提高外电压。 （注：一般溅射法常采用异常辉光放电，实现大面 积均匀溅射和薄膜沉积。） 18 5、随着电流的继续增加，放电电压将再次突然 大幅度下降，电流剧烈增加。表明等离子体 导电能力进一步提高。等离子体分布区域发 生急剧收缩，阴极表面开始出现很多小的、 孤立的电弧放电斑点。这 时，放电现象开始 进入电弧放电阶段(arc discharge)。 19 假设真空放电室中安置两个电极，通 入压强为0.1-10Pa的Ar，当外加直流高 压超过着火电压时，气体就由绝缘体
9、 变成导体，电流突然上升，两极间电 压突然下降，此时两极间就会出现明 暗相间的光层，这就是辉光放电。 三、辉光放电现象及等离子体鞘层 20 辉光放电区域划分 从阴极至阳极依次为：阿斯顿暗区，阴极辉光区， 克鲁克斯阴极暗区，负辉光区，法拉第暗区，正辉 光区，阳极暗区和阳极辉光区共八个发光强度不同 的区域。 21 辉光放电时区域的典型划分： 暗区相当于离子和电子从电场获取能量的加速区 。 辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的 区域。 阴极辉光是由向阴极运动的正离子与阴极发射出 的二次电子发生复合所产生的。 阴极暗区是二次电子和离子的主要加速区,该区 电压降占整个放电电压的大部分。 负辉区是发
10、光最强的区域，是已获加速的电子与 气体原子发生碰撞而电离的区域。 22 等离子体是具有一定导电能力的气体 。它是一种由离子、电子以及中性原 子和原子团(cluster)组成，而宏观上对 外呈现出电中性的物质存在形态。 是物质存在的又一种聚集态。所以人 们又把等离子体称为物质的第四态， 或称为等离子态。 等离子体（plasma） 23 等离子体的获得方法： 1）热致电离产生等离子体：任何物质加热到足够高的 温度后都能产生电离。当粒子所具有的动能，在粒子间 的碰撞中足以引起相碰粒子中的一个粒子产生电离时， 才能得到等离子体。 2）气体放电产生等离子体：在工程上和实验室广泛采 用的是气体放电方法产生
11、等离子体。 性质：1、各种带电粒子之间存在着静电相互作 用，对外显示出整体连续性。 2、质量较大的重粒子，包括离子、中性 原子和原子团的能量远远低于电子的能量，处 于非热平衡状态。 24 电子与离子具有不同速度的一个直接后果是 形成所谓的等离子鞘层(sheath)，即任何处于 等离子体中或其附近的物体都呈现出负电位 ，并且在物体的表面附近出现正电荷积累。 25 气体放电有自持放电和非自持放电两种。 非自持放电：靠外界电离因素（如火焰、 紫外线、伦琴射线或放射性等）的作用， 使气体电离而产生导电的。当消除外界因 素后，则放电就停止。 自持放电：不依赖外界电离条件仅由外 施电压作用即可维持的一种气
12、体放电。利 用气体放电产生等离子体时，普遍采用气 体自持放电过程，如火花放电、电弧放电 和辉光放电等。 四、非自持放电与自持放电 26 气体放电条件 只有当气体压力和电极间距的乘积pd为某 一数值时，气体最容易发生放电击穿。描述这 一规律的曲线叫帕邢（Paschen）曲线。相应 的规律叫帕邢规律。 27 气体击穿电压： 汤生放电理论的适用范围：气压较低、pd值较 小。pd过小或过大，放电机理将出现变化。 28 均匀电场气体放电的汤生放电理论 非自持放电电流 I=I0ed，其中为电离系数 ： 它代表一个电子沿着电场方向行经1 cm长度 上，平均发生的碰撞电离次数。 29 非弹性碰撞过程的分类 过
13、程：电子碰撞电离引起电子崩； 过程：正离子碰撞电离引起离子崩； 过程：正离子撞击、光电效应引起阴极表面电离 综合考虑过程和过程后的放电电流 I=I0ed/1-(ed -1) 系数 表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子， 阴极金属平均释放出的自由电子数。 30 自持放电条件： (ed -1)， ed 1 ed -1是从阴极产生的一个电子 消失在阳极之前，由过程所形成的 正离子数； (ed -1) 则表示这些正离 子消失在阴极之前，由过程又在阴 极上释放出的电子数。 31 每个电子消失时，都能由自身引 起的过程重新造出一个“替身”，这样 就能不再凭借外电离因素，而依靠放 电间隙本身的过程使电离维持发
14、展， 即转入自持放电。 受空间电荷（鞘层）的影响，放电 转入自持后电流不是趋于无穷大，而 是只建立起一定的放电电流。 32 第二节 物质的溅射现象 一、简 介 二、溅射产额 三、合金的溅射和沉积 33 溅射（sputtering）法的原理： 利用带有电荷的离子在电场中加速后具 有一定的动能的特点，将离子引向欲被溅 射的靶电极。在离子能量合适的情况下， 入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过 程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的 原子将带有一定的动能，并且会沿着一定 的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜 的沉积。 一、简 介 34 溅射气体至真空泵 阳极 衬底 溅射靶 绝缘 辉光放电区 V（DC）
15、 35 直流电压作用下的溅射现象： 1、靶材：阴极(cathode) 衬底：阳极(anode)或悬浮电 极 2、靶材与衬底之间加有数千伏的直流电压 3、预抽真空以后充入适当的惰性气体（如Ar） 4、极间高压作用下阴极发射电子(含二次电子)，电子 与Ar原子碰撞并使后者电离为Ar+离子 5、电子飞向阳极，Ar+离子在高压电场的加速作用下 高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程 中释放出其能量。离子的高速撞击使大量的靶材原 子获得了相当高的能量，使其可以脱离靶材的束缚 而飞向衬底。 36 正向大角散射 碰撞和通道效应 引起的离子注入 多级碰撞 散射 表面多原子 散射 表面吸附杂质的 去除和表
16、面活化 表面原子 溅射位移 溅射和原子 位移诱发空位 吸附杂质注入 薄膜物质原 子的自注入 表面扩散和溅射 引起的空位填充 抑制岛状 组织生长 离子轰击物体表面时发生的现象 37 38 发生哪种物理过程取决于入射离子的种类和 能量。溅射对应的离子能量区域为几十 几万eV。 39 对于溅射过程来说发生的重要现象： 1）物质的溅射； 2）二次电子的发射。（离子轰击引起二次电 子发射，这些电子在电场作用下获得能量进 而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光 放电过程。） 40 二、溅射产额 溅射是一个离子轰击物质表面，并在 碰撞过程中发生能量与动量转移，最终将 物质表面原子激发出来的复杂过程。 溅射产额= 被溅射出来的原子数 入射离子数 溅射产额衡量溅射过程效率的一个参数。 41 溅射产额影响因素 入射离子能量 入射离子种类和被溅射物质种类 离子入射角度 靶材温度 42 1、入射离子能量 43 （1）只有当入射离子的能量超过一定的阈值 (threshold)以后，才会出现被
