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1、第五章、 離子濺射鍍膜,第一節(jié) 濺射的定義用帶有幾百電子伏特以上動能的粒子或粒子束轟擊固體表面，使靠近固體表面的原子獲得入射粒子所帶能量的一部分而脫離固體進入到真空中，這種現(xiàn)象稱為濺射。,一、等離子體和輝光放電,濺射一般是在輝光放電過程中產(chǎn)生的，輝光放電是濺射技術(shù)的基礎(chǔ)。,輝光放電：真空度為10-110-2 Torr，兩電極間加高壓，產(chǎn)生輝光放電。電流電壓之間不是線性關(guān)系，不服從歐姆定律。,直流輝光放電伏安特性曲線,A-B:電流小，主要是游離狀態(tài)的電子，離子導電；電子原子碰撞為彈性碰撞；B-C: 增加電壓，粒子能量增加，達到電離所需能量；碰撞產(chǎn)生更多的帶電粒子；電源的輸出阻抗限制電壓(類似穩(wěn)壓

2、源)。,非自持放電,C-D: 起輝（雪崩）；離子轟擊產(chǎn)生二次電子，電流迅速增大，極板間壓降突然減小(極板間電阻減小從而使分壓下降)；D-E: 電流與極板形狀、面積、氣體種類相關(guān)，與電壓無關(guān)；隨電流增大，離子轟擊區(qū)域增大；極板間電壓幾乎不變；可在較低電壓下維持放電；E-F: 異常輝光放電區(qū)；電流隨電壓增大而增大；電壓與電流、氣體壓強相關(guān)（可控制區(qū)域，濺射區(qū)域）；F-G: 弧光放電過渡區(qū)；擊穿或短路放電；,自持放電,正常輝光放電和異常輝光放電的特性對比,輝光放電示意圖,阿斯頓暗區(qū)：慢電子區(qū)域；陰極輝光：激發(fā)態(tài)氣體發(fā)光；克魯克斯暗區(qū)：氣體原子電離區(qū)，電子離子濃度高(電壓降主要在前面的三個區(qū)域：陰極位

3、降區(qū))；負輝光：電離；電子離子復合；正離子濃度高；法拉第暗區(qū)：慢電子區(qū)域，壓降低，電子不易加速；,濺射原子的聯(lián)級碰撞示意圖,第二節(jié) 濺射機制,(1) 從單晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦規(guī)律，而趨向于晶體密度最高的方向；(2) 濺射系數(shù)不僅決定于轟擊離子的能量，同時也決定于其質(zhì)量；(3) 存在其一臨界能量，在它之下不能產(chǎn)生濺射；(4) 離子能量很高時，濺射系數(shù)減??；(5) 濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子能量高許多倍；(6) 沒有發(fā)現(xiàn)電子轟擊產(chǎn)生濺射。,濺射機制：,局部加熱蒸發(fā)機制動能直接傳遞機制,1. 濺射閾值：將靶材原子濺射出來所需的入射離子最小能量值。與入射離子的質(zhì)量關(guān)系不大，但與靶材有關(guān)

4、，濺射閾值隨靶材序數(shù)增加而減小，2040eV。,濺射參數(shù)：濺射閾值，濺射產(chǎn)額(濺射率)，沉積速率，濺射原子的能量,第三節(jié) 濺射參數(shù),薄膜的沉積速率與濺射率成正比，所以濺射率是衡量濺射過程效率的參數(shù)。,濺射產(chǎn)額（Sputtering Yield）,經(jīng)驗公式：,2.濺射產(chǎn)額(濺射率)S,濺射率的計算式,(1)離子能量E 1keV，在垂直入射時的濺射率： 式中: U0為是靶材元素的勢壘高度，也是靶材元素的升華能； a(M2/M1)只與M2/M1相關(guān)的常數(shù)。 Eth是原子從晶格點陣被碰離產(chǎn)生級聯(lián)碰撞所必須的能量閾值， Sn(E)是彈性碰撞截面: Sn(E)=4Z1Z2e212M1/(M1+M2) Sn

5、() Z1為轟擊離子的原子序數(shù)； Z2為靶材的原子序數(shù)； 12稱湯姆遜費米屏蔽半徑(可據(jù)Z1Z2等參數(shù)計算得到)； 是一個無量綱參數(shù)，稱為折合能量； Sn()稱為核阻止截面。 與Sn()的關(guān)系可查表得到。,經(jīng)驗公式：,濺射率的計算式,(2)離子能量E1keV，在垂直入射時，濺射率的表達式為： S=(3/42)Tm/V0 (3-3)式中：Tm=4M1M2E/(M1+M2)2, 最大傳遞能量； M1和M2分別是靶原子和入射離子的質(zhì)量。 V0是靶材元素的勢壘高度，也是靶材元素的升華能； 是與M2M1有關(guān)的量，對于不同的質(zhì)量比，其值在0-1.5之間。,實際的濺射率計算,式中：W為t時間內(nèi)靶材的質(zhì)量損失

6、(g)，m為靶材的原子量，I離子電流(A),影響濺射率的因素,濺射率是描述濺射特性的一個最重要物理參量。 它表示正離子轟擊靶陰極時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)，常用S表示。 濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，單晶靶材還與表面取向有關(guān)。,(1)影響濺射率的因素靶材料,濺射率與靶材料種類的關(guān)系可用靶材料元素在周期表中的位置來說明。在相同條件下，用同一種離子對不同元素的靶材料轟擊，得到不相同的濺射率，并且還發(fā)現(xiàn)濺射率呈周期性變化，其一般規(guī)律是：濺射率隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大（同一周期）。,濺射率與靶材元

7、素原子序數(shù)的關(guān)系曲線,（2）影響濺射率的因素入射離子能量,入射離子能量大小對濺射率影響顯著。當入射離子能量高于某一個臨界值(濺射閾值)時，才發(fā)生濺射。 圖3-5為濺射率S與入射離子能量E之間的典型關(guān)系曲線。曲線可分為三個區(qū)域： S正比于E2 : ETE500 eV (ET為濺射閾值) S正比于E : 500 eV E1000 eV S正比于E1/2 : 1000 eV E5000 eV,濺射率S與入射離子能量E之間的典型關(guān)系曲線,濺射率S最初隨轟擊離子能量的增加而指數(shù)上升；其后出現(xiàn)一個線性增大區(qū)，并逐漸達到一個平坦的最大值并呈飽和狀態(tài)；如果再增加E則因產(chǎn)生離子注入效應而使S值開始下降。,用Ar

8、離子轟擊銅時， 離子能量E與濺射率S的典型關(guān)系,曲線可分成三部分：.沒有或幾乎沒有濺射的低能區(qū)域；.E=7010keV，這是濺射率隨離子能量增大而增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜；.E30keV，濺射率隨離子能量的增加而下降。,圖3-6中能量范圍擴大到100keV，這一曲線可分成三部分： 第一部分是沒有或幾乎沒有濺射的低能區(qū)域；第二部分的能量從70eV增至10keV，這是濺射率隨離子能量增大而增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜的能量值大部分在這一范圍內(nèi)；第三部分是30keV以上，這時濺射率隨離子能量的增加而下降。 如前所述，這種下降據(jù)認為是由于轟擊離子此時深入到晶格內(nèi)部，將大部分能量損失在靶材體內(nèi)，而不

9、是消耗在靶表面的緣故。轟擊離子愈重，出現(xiàn)這種下降時的能量值就愈高。,(3)影響濺射率的因素入射離子種類,濺射率與入射離子種類的關(guān)系： 1)依賴于入射離子的原子量，入射離子的原子量越大，則濺射率越高； 2)與入射離子的原子序數(shù)有關(guān)，呈現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性變化的關(guān)系。這和濺射率與靶材料的原子序之間存在的關(guān)系相類似。 3)在周期表每一橫排中，凡電子殼層填滿的元素作為入射離子時，就有最大的濺射率。因此，惰性氣體的濺射率最高。 一般情況下，入射離子多采用惰性氣體，同時還能避免與靶材料起化學反應。通常選用氬為工作氣體。,濺射率與入射離子的原子序數(shù)的關(guān)系,實驗及結(jié)論,在常用的入射離子能量范圍 (500

10、2keV)內(nèi)，各種惰性氣體的濺射率大體相同。,(4)影響濺射率的因素入射離子的入射角,入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角。 如下圖可見：1) 隨著入射角的增加濺射率逐漸增大，在0-600之間的相對濺射率基本上服從1/cos 規(guī)律,既S()/S(0)=1/cos , S()和S(0)分別為角和垂直入射時的濺射率。,Ar+的入射角與幾種金屬的濺射率的關(guān)系,2) 600時的值為垂直入射(=0)時的2倍左右。 3) 當入射角為600- 800時，濺射率最大。 4)入射角再增加時，濺射率急劇減小，當?shù)扔?00時，濺射率為零。,Ar+的入射角與幾種金屬的濺射 率的關(guān)系,實驗結(jié)論(1/3)

11、,1、濺射率與離子入射角的典型關(guān)系曲線如圖3-9所示。表明： 對于不同的靶材和入射離子而言，對應的最大濺射率S值，有一個最佳的入射角m。,濺射率與離子入射角的典型關(guān)系,實驗結(jié)論(2/3),2、另外，大量實驗結(jié)果表明，不同入射角的濺射率值S()，和垂直入射時的濺射率值S(0)，對于不同靶材和入射離子的種類，有以下結(jié)果：1) 對于輕元素靶材,S()/S(0) 比值變化顯著；2)重離子入射時,S()/S(0)的比值變化顯著；3)隨著入射離子能量的增加， S()/S(0)呈最大值的角度逐漸增大；4)S()/S(0)的最大值，在入射離子的加速電壓超過2kV時，急劇減小。,實驗結(jié)論(3/3),3、一般說來

12、,入射角度與濺射率的關(guān)系： 對金、銀、銅、鉑等影響較?。?對鋁、鐵、鈦、鉭等影響較大； 對鎳、鎢等的影響為中等。,對實驗結(jié)論的幾種解釋,對于上述濺射率隨離子入射角的變化，可從以下兩方面進行解釋：1）具有的能量的入射離子轟擊靶材，將引起靶材表面原子的級聯(lián)碰撞，導致某些原子被濺射。該級聯(lián)碰撞的擴展范圍不僅與入射離子能量有關(guān)，還與離子的入射角有關(guān)。顯然，在大入射角情況下，級聯(lián)碰撞主要集中在很淺的表面層，妨礙了級聯(lián)碰撞范圍的擴展。結(jié)果低能量的反沖原子的生成率很低，致使濺射率急劇下降。2）入射離子以彈性反射方式從靶面反射。離子的反射方向與入射角有關(guān)。因此，反射離子對隨后入射離子的屏蔽阻擋作用與入射角有關(guān)

13、。在入射角為600-800時，其阻擋作用最小而轟擊效果最好，故此時濺射率S呈最大值。,(5)影響濺射率的因素靶材溫度,濺射率與靶材溫度的依賴關(guān)系，主要與靶材物質(zhì)的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)：在低于此溫度時，濺射率幾乎不變；超過此溫度時，濺射率將急劇增加。 因此，在濺射時，應注意控制靶材溫度，防止出現(xiàn)濺射率急劇增加現(xiàn)象的產(chǎn)生。（以保證濺射率不突變）,濺射率與靶材溫度的關(guān)系,圖3-10是用45keV的氙離子(Xe4)對幾種靶材進行轟擊時，所得濺射率與靶材溫度的關(guān)系曲線。 由圖可見，在濺射時，應注意控制靶材溫度，防止出現(xiàn)濺射率急劇增加現(xiàn)象的產(chǎn)生。,濺射率與靶材溫度的關(guān)系(用45keV的Xe4對靶進行轟

14、擊時),濺射率除與上述五種因素有關(guān)外，還與靶的結(jié)構(gòu)和靶材的結(jié)晶取向、表面形貌、濺射壓強等因素有關(guān)。 綜上所述，為了保證濺射薄膜的質(zhì)量和提高薄膜的淀積速度，應當盡量降低工作氣體的壓力和提高濺射率。,3. 濺射原子的能量和速度,濺射原子的能量和速度也是描述濺射特性的重要物理參量。 一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子的能量為0.1eV左右。而在濺射中，由于濺射原子是與高能量入射離子交換動量而飛濺出來的，所以，濺射原子具有較大的能量。如以1000eV加速的Ar+離子濺射鋁等輕金屬元素時,逸出原子的能量約為10eV,而濺射鎢、鉬、鉑時,逸出原子的能量約為35eV。一般認為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子能量大1-2

15、個數(shù)量級，約為5-10 eV。,濺射原子的能量和速度特點(1/3)：,實驗結(jié)果: (1)重元素靶材被濺射出來的原子有較高的逸出能量，而輕元素靶材則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，而濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；,濺射原子的能量和速度特點(2/3)：,(3)在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量的增加而線性增加，輕入射離子濺射出的原子的逸出能量較低，約為10eV，而重入射離子濺射出的原子的逸出能量較大，平均達到30- 40eV；,濺射原子的能量和速度特點(3/3)：,(4)濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當入射離子能量達到

16、1keV以上時，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；(5)在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量；(6) 靶材的結(jié)晶取向和晶體結(jié)構(gòu)，對濺射原子的逸出能量影響不大。,4濺射原子的角度分布（1/4）,研究濺射原子的分布，有助于了解濺射機理和建立濺射理論，在實際應用上也有助于控制膜厚的分布。 早期的濺射理論認為濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，從而導致靶材料的蒸發(fā)，因此，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律。這種理論稱為濺射的熱峰蒸發(fā)理論。,4濺射原子的角度分布（2/4）,進一步研究發(fā)現(xiàn)，在用低能離子轟擊時，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)，明顯地少于按余弦分布時應有的逸出原子數(shù)。 靶材料不同，角分布與余弦分布的偏差也不相同。 而且改變轟擊離子的入射角時，逸出原子數(shù)在入射的正反射方向顯著增加，與余弦分布的偏差明顯增大。,4濺射原子的角度分布（3/4）,實驗結(jié)果還表明，濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。這也直接影響到濺射率。 對于單晶靶材料，通常，最主要的逸出方向是原子排列最緊密的方向，其次是次緊密的方向。,4濺射原子的角度分布（4/4）,半導體單晶材料逸出原子