演讲稿第3章 溅射法.ppt

溅射的基本原理 溅射：是利用气体辉光放电过程中产生的荷能粒子（正离子）轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射，把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的沉积。 溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。 优选文档 * 1 溅射产额 （1）溅射产额的定义 靶材释放出来的各种粒子中，主要是溅射出来的单个原子，另外还有少量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有1%-10%。 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 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，同时还与入射离子的能量、电荷态和种类有关。 优选文档 * （2）溅射产额的影响因素 a、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。 （a) 各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在10~40eV，只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。如下表： 溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。 优选文档 * (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。如下图 图 3.9 优选文档 * b、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。 图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag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Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。 溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。 优选文档 * 图是加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的变化情况。可以看出，元素的溅射产额呈现明显的周期性，即随着元素外层d电子数的增加，其溅射产额提高，因而Cu、Ag、Au等元素的溅射产额明显高于Ti、Zr、Nb、Mo、W等元素。 优选文档 * c、离子入射角度对溅射产额的影响 图3.11 随着离子入射方向与靶面法线间夹角θ的增加，溅射产额先呈现1/cos θ 规律的增加，即倾斜入射有利于提高溅射产额。当入射角θ接近80度角时，产额迅速下降。离子入射角对溅射产额的影响如图3.11。 优选文档 * d、靶材温度对溅射产额的影响 在一定的温度范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。 但是，当温度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。 原因可能与温度升高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阀值减小有关。 因此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射靶材的温升。 优选文档 * 2 合金的溅射与沉积 （1）合金的溅射 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的优点就是：易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。 原因：a、不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压相差太大； b、更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流，从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应：溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射速率上升。最终的结果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物质的成分却与靶材的原始成分相同。 例如，对于成分为80%Ni-20%Fe的合金靶，1keV的Ar+离子溅射，溅射产额分别为：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。经过一段时间的预溅射之后，靶材表面的成分比将逐渐变为Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即70.2%Ni-29.8%Fe。在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。 优选文档 * （2）溅射法的主要特点 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的主要特点有： a 、在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因此溅射出的原子将从中获得很大的能量，在沉积时，高能量的原子对衬底的撞击提高了原子自身在薄膜表面的扩散能力，使薄膜的组织更致密、附着力也得到明显改善。当然这也会引起衬