薄膜物理 第3章溅射法

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1、第3章 薄膜的物理气相沉积（2）溅射法 被溅射出来的原子被溅射出来的原子E0 , M1, Z1本章主要内容： 3.1 溅射物理的发展史 3.2 气体放电现象 3.3 物质的溅射现象 3.4 溅射装置 3.1 溅射物理的发展史溅射物理的发展史 1853年年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因 。1902年，年，Goldstein 才指出产生这种溅射现

2、象的原因是才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。完成了第一个离子束溅射实验。到了到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。象。

3、1969年，年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的在总结了大量的实验工作的基础上，对基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。到了原子溅射产额的公式。1974年年，H.H. Andersen 和和H. L. Bay 研究研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为非线性溅射现象，通常称为“热钉扎热钉扎” (thermalized spike) 效应。效应。3.2 气体放电现象气体放电现象

4、 在讨论气体放电现象之前，我们先考思一下直流电场作用下物质的溅射现象。如图3.1所示真空系统，在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。 气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨论一下气体放电过程。设有如图3.2a那样的一个直流气体放电体系。 开始：开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。

5、 随电压升高：随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）； 汤生放电：汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。 汤生放电后期称为电晕放电。辉光放电：辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，

6、放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。弧光放电：弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。3.3物质的溅射现象物质的溅射现象图图3.7（教材第（教材第58页）页）示意性地画出了在离子轰击条件下，固体表面可能发生的一系列的物理过程，溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的物理过程之一。当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个，其一是物质的溅射，

7、其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。物质原子的溅射是这一小节重点讨论的内容1 溅射产额溅射产额（1）溅射产额的定义）溅射产额的定义 溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即每入射一个粒子溅射出来的原子数Y溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌

8、，同时还与入射离子的能量、射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态和种类有关。电荷态和种类有关。（2）溅射产额的影响因素溅射产额的影响因素a、入射离子能量、入射离子能量 入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响，如图入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响，如图3.9所示。所示。（a) 各种物质都有自已的溅射阈值，大部分金属的溅射阈值在各种物质都有自已的溅射阈值，大部分金属的溅射阈值在1040eV，只有只有当入射离子的能量超过这个阈值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质当入射离子的能量超过这个阈值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质的溅射阈值与它

9、的升华热有一定的比例关系。的溅射阈值与它的升华热有一定的比例关系。表表3.1是各种金属在不同入射离是各种金属在不同入射离子的情况下的溅射阈值和升华热的数据。子的情况下的溅射阈值和升华热的数据。 (b) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。如下图如下图 图 3.9b、入射离子种类和被溅射物质种类、入射离子种类和被溅射物质种类 入射离子种类和被溅射物质种类对物质的溅射产额也有很大的影响。

10、入射离子种类和被溅射物质种类对物质的溅射产额也有很大的影响。（a）图）图3.10a是在加速电压为是在加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。溅射产额的变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。 图图3.10（b）图）图3.10b是在是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击加速电压条件下各种入射离子轰击Ag表面时得到表面时得到的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑

11、，多数情况下子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均采用均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。c、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响图图3.12图图3.11（b）在溅射过程中，溅射产额随粒子的运动方）在溅射过程中，溅射产额随粒子的运动方向呈现如图向呈现如图3.12所示的欠余弦分布，即在表面法所示的欠余弦分布，即在表面法线方向上溅射的产额稍低。尤其是当入射离子能线方向上溅射的产额稍低。尤其是当入射离子能量较低时，这种欠余弦分布的特征更为明显。量较低时，这种欠余弦分布的特征更为明显。（a）随着离子入射方向与靶