第7章濺射鍍膜20131030

1、第第7章章 濺射鍍膜濺射鍍膜 所謂所謂“濺射濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱(chēng)為射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱(chēng)為濺射原子濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因?yàn)殡x子在電場(chǎng)下易于加速并獲得所需動(dòng)粒子，因?yàn)殡x子在電場(chǎng)下易于加速并獲得所需動(dòng)能，因此大多采用離子作為轟擊粒子。該粒子又能，因此大多采用離子作為轟擊粒子。該粒子又稱(chēng)稱(chēng)入射離子入射離子。由于直接實(shí)現(xiàn)濺射的機(jī)構(gòu)是離子，所以這種鍍膜由于直接實(shí)現(xiàn)

2、濺射的機(jī)構(gòu)是離子，所以這種鍍膜技術(shù)又稱(chēng)為技術(shù)又稱(chēng)為離子濺射鍍膜離子濺射鍍膜或淀積。或淀積。 現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各種薄膜的制備之中，如用于現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各種薄膜的制備之中，如用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)薄制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)薄膜，以及化合物半導(dǎo)體薄膜、碳化物及氮化物薄膜，以及化合物半導(dǎo)體薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至高膜，乃至高TC超導(dǎo)薄膜等超導(dǎo)薄膜等7.1 濺射鍍膜的特點(diǎn)濺射鍍膜的特點(diǎn) 濺射鍍膜與真空蒸發(fā)鍍膜相比，有如下特點(diǎn)：濺射鍍膜與真空蒸發(fā)鍍膜相比，有如下特點(diǎn)： 1) 任何物質(zhì)均可以濺射。尤其是高熔點(diǎn)、低蒸任何物質(zhì)均可以濺射。尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和

3、化合物。不論是金屬、半導(dǎo)體、絕緣氣壓元素和化合物。不論是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材。狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材。 由于濺射氧化物等絕緣材料和合金時(shí)，幾乎不發(fā)由于濺射氧化物等絕緣材料和合金時(shí)，幾乎不發(fā)生分解和分餾，所以可用于制備與靶材料組分均生分解和分餾，所以可用于制備與靶材料組分均勻的合金膜，乃至成分復(fù)雜的超導(dǎo)薄膜。勻的合金膜，乃至成分復(fù)雜的超導(dǎo)薄膜。 此外，采用反應(yīng)濺射法還可以制得與靶材完全不此外，采用反應(yīng)濺射法還可以制得與靶材完全不同的化合物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和同的化合物薄

4、膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。硅化物等。 2) 濺射膜與基板之間的附著性好。由于濺射原子的能量濺射膜與基板之間的附著性好。由于濺射原子的能量比蒸發(fā)原子能量高比蒸發(fā)原子能量高12個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，高能粒子淀積在個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，高能粒子淀積在基板上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較高的熱能，增強(qiáng)了濺射原子基板上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較高的熱能，增強(qiáng)了濺射原子與基板的附著力。與基板的附著力。 加之，一部分高能量的濺射原子將產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)加之，一部分高能量的濺射原子將產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，在基板上形成一層濺射原子與基板材料相互象，在基板上形成一層濺射原子與基板材料相互“混溶混溶”的所謂偽擴(kuò)散層。的所謂偽

5、擴(kuò)散層。 此外，在濺射粒子的轟擊過(guò)程中，基板始終處于等離子區(qū)此外，在濺射粒子的轟擊過(guò)程中，基板始終處于等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著不牢的的淀積原子，凈化且中被清洗和激活，清除了附著不牢的的淀積原子，凈化且活化基板表面。因此，使得濺射膜層與基板的附著力大大活化基板表面。因此，使得濺射膜層與基板的附著力大大增強(qiáng)。增強(qiáng)。 3) 濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高，因?yàn)闉R射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高，因?yàn)樵跒R射鍍膜過(guò)程中，不存在真空蒸鍍時(shí)無(wú)法避免的坩堝污在濺射鍍膜過(guò)程中，不存在真空蒸鍍時(shí)無(wú)法避免的坩堝污染現(xiàn)象。染現(xiàn)象。 4) 膜厚可控性和重復(fù)性好。由于濺射鍍膜時(shí)的放電電流和膜厚可

6、控性和重復(fù)性好。由于濺射鍍膜時(shí)的放電電流和靶電流可分別控制，通過(guò)控制靶電流則可控制膜厚。所以，靶電流可分別控制，通過(guò)控制靶電流則可控制膜厚。所以，濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現(xiàn)性好，能夠?yàn)R射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現(xiàn)性好，能夠有效地鍍制預(yù)定厚度的薄膜。此外，濺射鍍膜還可以在較有效地鍍制預(yù)定厚度的薄膜。此外，濺射鍍膜還可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜。大面積上獲得厚度均勻的薄膜。7.2 濺射的基本原理濺射的基本原理 濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，而整個(gè)濺射過(guò)程都是建立在而整個(gè)濺射過(guò)程都是建立在輝光放電輝光放電(glow

7、discharge)的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來(lái)源于氣的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來(lái)源于氣體放電。體放電。 不同的濺射技術(shù)所采用的輝光放電方式有所不同。不同的濺射技術(shù)所采用的輝光放電方式有所不同。直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射直流二極濺射利用的是直流輝光放電；三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射是利用射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場(chǎng)控制下射頻輝光放電；磁控濺射是利用環(huán)狀磁場(chǎng)控制下的輝光放電。的輝光放電。7.2.1 直流輝光放電直流輝光放電 濺射是在輝光放電中產(chǎn)生的。因此濺射是在輝光放電中產(chǎn)生的。因此,輝光放輝光放電是濺射的基礎(chǔ)。輝光放

8、電是在真空度約電是濺射的基礎(chǔ)。輝光放電是在真空度約為為101Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。 氣體放電時(shí)，兩電極間的電壓和電流的關(guān)氣體放電時(shí)，兩電極間的電壓和電流的關(guān)系不能用簡(jiǎn)單的歐姆定律來(lái)描述，因?yàn)槎挡荒苡煤?jiǎn)單的歐姆定律來(lái)描述，因?yàn)槎咧g不是簡(jiǎn)單的直線(xiàn)關(guān)系。者之間不是簡(jiǎn)單的直線(xiàn)關(guān)系。1.直流輝光放電的電流電壓特性放電區(qū)間分成幾個(gè)區(qū)放電區(qū)間分成幾個(gè)區(qū).1) 無(wú)光放電區(qū)無(wú)光放電區(qū)AB在低壓的氣體中。由于宇宙射線(xiàn)產(chǎn)生了一部分游離正離子和電子，在低壓的氣體中。由于宇宙射線(xiàn)產(chǎn)生了一部分游離正離子和電子，氣體

9、中始終存在一部分正離子和電子。當(dāng)在兩電極加上直流電壓時(shí)，氣體中始終存在一部分正離子和電子。當(dāng)在兩電極加上直流電壓時(shí)，這些少量的正離子和電子將在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)形成電流。此時(shí)，這些少量的正離子和電子將在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)形成電流。此時(shí)，電子、電子、離子與中性氣體分子之間的碰撞是彈性碰撞離子與中性氣體分子之間的碰撞是彈性碰撞。這些少量的正離子、這些少量的正離子、電子量是恒定的，即使升高電壓，電流密度仍很小，一般僅為電子量是恒定的，即使升高電壓，電流密度仍很小，一般僅為10-15-10-16A/cm2左右，此區(qū)只導(dǎo)電不發(fā)光，所以稱(chēng)為左右，此區(qū)只導(dǎo)電不發(fā)光，所以稱(chēng)為“無(wú)光放電無(wú)光放電區(qū)區(qū)”。2) 湯森放電區(qū)湯森放電

10、區(qū)BC在兩極電壓逐漸升高，電子的運(yùn)動(dòng)速度加快，電子與中性氣在兩極電壓逐漸升高，電子的運(yùn)動(dòng)速度加快，電子與中性氣體分子之間的碰撞不再是低速時(shí)的彈性碰撞，而是體分子之間的碰撞不再是低速時(shí)的彈性碰撞，而是使氣體電使氣體電離，電離產(chǎn)生正離子與電子，離，電離產(chǎn)生正離子與電子，所產(chǎn)生的電子和原有電子繼續(xù)所產(chǎn)生的電子和原有電子繼續(xù)使氣體分子被電離，電離使離子、電子數(shù)增大，電流平穩(wěn)地使氣體分子被電離，電離使離子、電子數(shù)增大，電流平穩(wěn)地增加，但電壓卻保持不變。增加，但電壓卻保持不變。上述兩種情況，都是以自然電離源為前提，如果沒(méi)有游離的上述兩種情況，都是以自然電離源為前提，如果沒(méi)有游離的電子和正離子。則放電不會(huì)發(fā)

11、生，因此，這種放電方式又稱(chēng)電子和正離子。則放電不會(huì)發(fā)生，因此，這種放電方式又稱(chēng)為非自發(fā)放電。為非自發(fā)放電。3) 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)CD當(dāng)電容器兩端電壓進(jìn)一步增加時(shí)，當(dāng)至當(dāng)電容器兩端電壓進(jìn)一步增加時(shí)，當(dāng)至C點(diǎn)發(fā)生點(diǎn)發(fā)生“雪崩點(diǎn)雪崩點(diǎn)火火”。離子轟擊陰極離子轟擊陰極,釋放出二次電子，二次電子與中性氣體釋放出二次電子，二次電子與中性氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生出新的更多的二次電子。出新的更多的二次電子。一旦產(chǎn)生了足夠的離子和電子，突一旦產(chǎn)生了足夠的離子和電子，突然出現(xiàn)帶顏色的輝光，然出現(xiàn)帶顏色的輝光，放電達(dá)到，放電達(dá)到自持自持

12、。兩極間電。兩極間電流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)負(fù)阻特性。此時(shí)流劇增，電壓迅速下降，放電呈現(xiàn)負(fù)阻特性。此時(shí)C點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓叫擊穿電壓，起輝電壓，也稱(chēng)氣體擊穿，擊穿后氣體的電壓叫擊穿電壓，起輝電壓，也稱(chēng)氣體擊穿，擊穿后氣體的發(fā)光稱(chēng)為輝光放電。的發(fā)光稱(chēng)為輝光放電。CD區(qū)為過(guò)渡區(qū)。區(qū)為過(guò)渡區(qū)。4) 輝光放電輝光放電DE在進(jìn)入輝光放電區(qū)，增大電源功率，放電管兩管電壓保持不變，而電在進(jìn)入輝光放電區(qū)，增大電源功率，放電管兩管電壓保持不變，而電流平穩(wěn)增加。在正常輝光放電時(shí)，放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積。最初，流平穩(wěn)增加。在正常輝光放電時(shí)，放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積。最初，轟擊是不均勻的，轟擊集中在靠近陰極邊

13、緣處，或在其它不規(guī)則處。轟擊是不均勻的，轟擊集中在靠近陰極邊緣處，或在其它不規(guī)則處。隨著電源功率的增大，隨著電源功率的增大，轟擊區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至陰極面上電流密度幾乎轟擊區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至陰極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹?。均勻?yàn)橹埂］x光放電時(shí)，電子和正離子是來(lái)源于電子的碰撞和正離子的轟擊陰極，輝光放電時(shí)，電子和正離子是來(lái)源于電子的碰撞和正離子的轟擊陰極，即使自然游離源不存在，導(dǎo)電也將繼續(xù)下去。而且維持輝光放電的電即使自然游離源不存在，導(dǎo)電也將繼續(xù)下去。而且維持輝光放電的電壓很低，且不變，此時(shí)電流的增大顯然與電壓無(wú)關(guān)，而只與陰極板上壓很低，且不變，此時(shí)電流的增大顯然與電壓無(wú)關(guān)，而只與陰極板上產(chǎn)生的輝光面

14、積有關(guān)。產(chǎn)生的輝光面積有關(guān)。由于正常輝光放電時(shí)電流密度仍很小，所以在濺射等方面均是選擇在由于正常輝光放電時(shí)電流密度仍很小，所以在濺射等方面均是選擇在非正常輝光放電工作區(qū)。非正常輝光放電工作區(qū)。5) 非正常輝光放電區(qū)非正常輝光放電區(qū)在轟擊覆蓋住整個(gè)陰極表面之后，進(jìn)一步增加功率，放電的在轟擊覆蓋住整個(gè)陰極表面之后，進(jìn)一步增加功率，放電的電壓和電流密度將同時(shí)增加，進(jìn)入非正常輝光放電狀態(tài)。其電壓和電流密度將同時(shí)增加，進(jìn)入非正常輝光放電狀態(tài)。其特點(diǎn)是：電流增大時(shí)，兩放電極板電壓升高，且陰極電壓降特點(diǎn)是：電流增大時(shí)，兩放電極板電壓升高，且陰極電壓降的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。因?yàn)榈拇笮∨c電流密度和氣體

15、壓強(qiáng)有關(guān)。因?yàn)榇藭r(shí)輝光已布滿(mǎn)整此時(shí)輝光已布滿(mǎn)整個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無(wú)法向四周擴(kuò)散，個(gè)陰極，再增加電流時(shí)，離子層已無(wú)法向四周擴(kuò)散，這樣，這樣，正離子層便向陰極靠攏，使正離子層便向陰極靠攏，使正離子層與陰極間距距離縮短，正離子層與陰極間距距離縮短，此時(shí)若要想提高電流密度，則必須增大陰極壓降使正離子有此時(shí)若要想提高電流密度，則必須增大陰極壓降使正離子有更大的能量去轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子才行。更大的能量去轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子才行。6) 弧光放電區(qū)弧光放電區(qū)異?；」夥烹姇r(shí)，在某些因素影響下，常有轉(zhuǎn)變?yōu)榛」猱惓；」夥烹姇r(shí)，在某些因素影響下，常有轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷奈ｋU(xiǎn)。此時(shí)

16、，極間電壓陡降，電流突然增大，相放電的危險(xiǎn)。此時(shí)，極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路。且放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電當(dāng)于極間短路。且放電集中在陰極的局部地區(qū)，致使電流密度過(guò)大而將陰極燒毀。同時(shí)，驟然增大的電流有損流密度過(guò)大而將陰極燒毀。同時(shí)，驟然增大的電流有損壞電源的危險(xiǎn)?；」夥烹娫跉庀喑练e中的應(yīng)用，仍在進(jìn)壞電源的危險(xiǎn)?；」夥烹娫跉庀喑练e中的應(yīng)用，仍在進(jìn)一步研究之中。一步研究之中。2. 輝光放電的特性與輝光 1) 由于從冷陰極發(fā)射的電子能由于從冷陰極發(fā)射的電子能量只有量只有1eV左右，很少發(fā)生電左右，很少發(fā)生電離碰撞，所以在陰極附近形成離碰撞，所以在陰極附近形成阿斯頓暗區(qū)阿斯頓暗區(qū)

17、。 2) 緊靠阿斯頓暗區(qū)的是比較明緊靠阿斯頓暗區(qū)的是比較明亮的亮的陰極輝光陰極輝光區(qū)，它是在加速區(qū)，它是在加速電子碰撞氣體分子后，激發(fā)態(tài)電子碰撞氣體分子后，激發(fā)態(tài)氣體分子衰變、進(jìn)入該區(qū)的離氣體分子衰變、進(jìn)入該區(qū)的離子復(fù)合物而形成中性原子所造子復(fù)合物而形成中性原子所造成的。成的。 3) 隨著電子繼續(xù)加速，為獲得隨著電子繼續(xù)加速，為獲得足夠動(dòng)能，穿過(guò)陰極輝光區(qū)后，足夠動(dòng)能，穿過(guò)陰極輝光區(qū)后，與正離子不易復(fù)合，所以又出與正離子不易復(fù)合，所以又出現(xiàn)一個(gè)暗區(qū)，叫做現(xiàn)一個(gè)暗區(qū)，叫做克魯克斯暗克魯克斯暗區(qū)區(qū)。克魯克斯暗區(qū)的寬度與電。克魯克斯暗區(qū)的寬度與電子的平均自由程（即壓強(qiáng)）有子的平均自由程（即壓強(qiáng)）有關(guān)

18、。關(guān)。 4) 隨著電子速度的增大，很隨著電子速度的增大，很快獲得了足以引起電離的能快獲得了足以引起電離的能量，于是離開(kāi)陰極暗區(qū)后便量，于是離開(kāi)陰極暗區(qū)后便大量產(chǎn)生電離，大量產(chǎn)生電離，在此空間由在此空間由于電離而產(chǎn)生大量正離子。于電離而產(chǎn)生大量正離子。由于正離子的質(zhì)量較大，由于正離子的質(zhì)量較大，故故向陰極的運(yùn)動(dòng)速度較慢。向陰極的運(yùn)動(dòng)速度較慢。 所以，由正離子組成了空間所以，由正離子組成了空間電荷并在該處聚集起來(lái)，使電荷并在該處聚集起來(lái)，使該區(qū)域的電位升高，而與陰該區(qū)域的電位升高，而與陰極形成很大電位差，此電位極形成很大電位差，此電位差常稱(chēng)為差常稱(chēng)為陰極輝光放電的陰陰極輝光放電的陰極壓降。極壓降。

19、正是由于在此區(qū)域正是由于在此區(qū)域的正離子濃度很大，所以電的正離子濃度很大，所以電子經(jīng)過(guò)碰撞之后速度降低，子經(jīng)過(guò)碰撞之后速度降低，使電子與正離子的復(fù)合幾率使電子與正離子的復(fù)合幾率增多，從而造成有增多，從而造成有明亮輝光明亮輝光的負(fù)輝光區(qū)的負(fù)輝光區(qū)。 5) 經(jīng)過(guò)負(fù)輝光區(qū)后，多數(shù)動(dòng)能經(jīng)過(guò)負(fù)輝光區(qū)后，多數(shù)動(dòng)能較大的電子都已喪失了能量，較大的電子都已喪失了能量，只有少數(shù)電子穿過(guò)負(fù)輝光區(qū)和只有少數(shù)電子穿過(guò)負(fù)輝光區(qū)和陽(yáng)極。在負(fù)輝光區(qū)與陽(yáng)極之間陽(yáng)極。在負(fù)輝光區(qū)與陽(yáng)極之間是是法拉第暗區(qū)和陽(yáng)極光柱法拉第暗區(qū)和陽(yáng)極光柱，這，這些區(qū)域幾乎沒(méi)有電壓降，唯一些區(qū)域幾乎沒(méi)有電壓降，唯一的作用是連接負(fù)輝光和陽(yáng)極。的作用是連接

20、負(fù)輝光和陽(yáng)極。 這是因?yàn)樵诜ɡ诎祬^(qū)后，少這是因?yàn)樵诜ɡ诎祬^(qū)后，少數(shù)電子逐漸加速并在空間與氣數(shù)電子逐漸加速并在空間與氣體分子碰撞而產(chǎn)生電離。體分子碰撞而產(chǎn)生電離。 由于電子數(shù)較少，產(chǎn)生的正離由于電子數(shù)較少，產(chǎn)生的正離子不會(huì)形成密集的空間電荷，子不會(huì)形成密集的空間電荷，所以在這一較大空間內(nèi)，形成所以在這一較大空間內(nèi)，形成電子與正離子密度相等的區(qū)域。電子與正離子密度相等的區(qū)域?？臻g電荷作用不存在，使得此空間電荷作用不存在，使得此區(qū)間的電壓降很小，很類(lèi)似一區(qū)間的電壓降很小，很類(lèi)似一個(gè)良導(dǎo)體。個(gè)良導(dǎo)體。 在濺射過(guò)程中，基板在濺射過(guò)程中，基板（陽(yáng)極）常處于負(fù)輝光（陽(yáng)極）常處于負(fù)輝光區(qū)。陰極和基板之間的

21、區(qū)。陰極和基板之間的距離至少應(yīng)是克魯克暗距離至少應(yīng)是克魯克暗區(qū)寬度的區(qū)寬度的34倍。當(dāng)兩倍。當(dāng)兩極間的電壓不變而只改極間的電壓不變而只改變其距離時(shí)，陰極到負(fù)變其距離時(shí)，陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離幾乎不變。輝光區(qū)的距離幾乎不變。 必須指出，圖必須指出，圖3-3所列所列的放電區(qū)結(jié)構(gòu)是屬于長(zhǎng)的放電區(qū)結(jié)構(gòu)是屬于長(zhǎng)間隙的情況，而濺射時(shí)間隙的情況，而濺射時(shí)的情況屬于短間隙輝光的情況屬于短間隙輝光放電，這時(shí)并不存在法放電，這時(shí)并不存在法拉第暗區(qū)和正離子柱。拉第暗區(qū)和正離子柱。3.輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)與濺射現(xiàn)象有關(guān)的重要問(wèn)題主要有兩個(gè)：一個(gè)是在克魯克斯暗區(qū)周?chē)闻c濺射現(xiàn)象有關(guān)的重要問(wèn)題主要有兩個(gè)：一個(gè)是在克

22、魯克斯暗區(qū)周?chē)纬傻恼x子沖擊陰極；成的正離子沖擊陰極；另一個(gè)是當(dāng)兩極板間的電壓不變而改變兩極間的距離時(shí)，主要發(fā)生變化的另一個(gè)是當(dāng)兩極板間的電壓不變而改變兩極間的距離時(shí)，主要發(fā)生變化的是由等離子體構(gòu)成的陽(yáng)極光柱部分的長(zhǎng)度，而是由等離子體構(gòu)成的陽(yáng)極光柱部分的長(zhǎng)度，而從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離是從陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離是幾乎不改變的。幾乎不改變的。這是由于兩電極間的電壓的下降幾乎都發(fā)生在陰極到負(fù)輝這是由于兩電極間的電壓的下降幾乎都發(fā)生在陰極到負(fù)輝光區(qū)之間的緣故。因而使由輝光放電產(chǎn)生的正離子撞擊陰極，把陰極原子光區(qū)之間的緣故。因而使由輝光放電產(chǎn)生的正離子撞擊陰極，把陰極原子濺射出來(lái)，這就是一般的濺射法。

23、濺射出來(lái)，這就是一般的濺射法。陰極與陽(yáng)極之間的距離，至少必須比陰極與負(fù)輝光區(qū)之間的距離要長(zhǎng)。陰極與陽(yáng)極之間的距離，至少必須比陰極與負(fù)輝光區(qū)之間的距離要長(zhǎng)。 3. 巴邢曲線(xiàn)巴邢曲線(xiàn) 形成輝光放電的關(guān)鍵的形成輝光放電的關(guān)鍵的擊穿電壓擊穿電壓,取決取決于二次電子的平均自由程和陰陽(yáng)極之于二次電子的平均自由程和陰陽(yáng)極之間的距離。為了引起最初的間的距離。為了引起最初的“雪崩雪崩”，每個(gè)每個(gè)二次電子必須產(chǎn)生約二次電子必須產(chǎn)生約1020個(gè)離子。個(gè)離子。在氣體成分和電極材料一定的條件下，在氣體成分和電極材料一定的條件下，由巴邢定律知，起輝電壓由巴邢定律知，起輝電壓V只與氣體壓只與氣體壓強(qiáng)強(qiáng)P和電極距離和電極距離

24、d的乘積有關(guān)。的乘積有關(guān)。從圖可以看出，電壓有一最小值。若從圖可以看出，電壓有一最小值。若氣體壓強(qiáng)太低或極間距離太小，二次氣體壓強(qiáng)太低或極間距離太小，二次電子在到達(dá)陽(yáng)極前不能使足夠的氣體電子在到達(dá)陽(yáng)極前不能使足夠的氣體分子被碰撞電離，形成一定數(shù)量的離分子被碰撞電離，形成一定數(shù)量的離子和二次電子，會(huì)使輝光放電熄滅。子和二次電子，會(huì)使輝光放電熄滅。氣壓太高或極間距離太大，二次電子氣壓太高或極間距離太大，二次電子因多次碰撞而得不到加速，也不能產(chǎn)因多次碰撞而得不到加速，也不能產(chǎn)生輝光。生輝光。在大多數(shù)輝光放電濺射過(guò)程中要求氣在大多數(shù)輝光放電濺射過(guò)程中要求氣體壓強(qiáng)低，壓強(qiáng)與間距乘積一般都在體壓強(qiáng)低，壓強(qiáng)

25、與間距乘積一般都在最小值的右邊，故需要相當(dāng)高的起輝最小值的右邊，故需要相當(dāng)高的起輝電壓。在極間間距小的電極結(jié)構(gòu)中，電壓。在極間間距小的電極結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要瞬時(shí)地增加氣體壓強(qiáng)以啟動(dòng)經(jīng)常需要瞬時(shí)地增加氣體壓強(qiáng)以啟動(dòng)放電。放電。7.2.2 低頻輝光放電低頻輝光放電 一般很少采用低頻交流輝光放電進(jìn)行濺射。一般很少采用低頻交流輝光放電進(jìn)行濺射。在頻率低于在頻率低于50KHz的交流電壓條件下，離的交流電壓條件下，離子有足夠的活動(dòng)性，且有充分的時(shí)間在每子有足夠的活動(dòng)性，且有充分的時(shí)間在每個(gè)半周的時(shí)間內(nèi)，在各個(gè)電極上建立直流個(gè)半周的時(shí)間內(nèi)，在各個(gè)電極上建立直流輝光放電。這種放電稱(chēng)為低頻交流輝光放輝光放電。這種

26、放電稱(chēng)為低頻交流輝光放電。這一放電基本上與直流輝光放電相同，電。這一放電基本上與直流輝光放電相同，只是兩個(gè)電極交替地成為陰極和陽(yáng)極。只是兩個(gè)電極交替地成為陰極和陽(yáng)極。 7.2.3 射頻輝光放電射頻輝光放電 在一定氣壓下，當(dāng)陰陽(yáng)極間所加交流電壓的頻率在一定氣壓下，當(dāng)陰陽(yáng)極間所加交流電壓的頻率增高到射頻頻率時(shí)，即可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放增高到射頻頻率時(shí)，即可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。電。5-30MHz 。 射頻輝光放電有兩個(gè)重要的特征：射頻輝光放電有兩個(gè)重要的特征： 第一，在輝光放電空間產(chǎn)生的電子，獲得了足夠第一，在輝光放電空間產(chǎn)生的電子，獲得了足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離。因而，減少了放電的能量，足

27、以產(chǎn)生碰撞電離。因而，減少了放電對(duì)二次電子的依賴(lài)，并且降低了擊穿電壓。對(duì)二次電子的依賴(lài)，并且降低了擊穿電壓。 第二，射頻電壓能夠通過(guò)任何一種類(lèi)型的阻抗耦第二，射頻電壓能夠通過(guò)任何一種類(lèi)型的阻抗耦合進(jìn)去，所以電極并不需要是導(dǎo)體。因而，可以合進(jìn)去，所以電極并不需要是導(dǎo)體。因而，可以濺射包括介質(zhì)材料在內(nèi)的任何材料。因此，射頻濺射包括介質(zhì)材料在內(nèi)的任何材料。因此，射頻輝光放電在濺射技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛。輝光放電在濺射技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛。一般，在一般，在530MHz的射頻頻率下，將產(chǎn)生的射頻頻率下，將產(chǎn)生射頻放電。這時(shí)外加電壓的變化周期小于射頻放電。這時(shí)外加電壓的變化周期小于電離和消電離所需的時(shí)間（一

28、般在電離和消電離所需的時(shí)間（一般在10-6秒秒左右），等離子體濃度來(lái)不及變化。左右），等離子體濃度來(lái)不及變化。由于電子質(zhì)量小，很容易跟隨外電場(chǎng)從射由于電子質(zhì)量小，很容易跟隨外電場(chǎng)從射頻場(chǎng)中吸收能量并在場(chǎng)內(nèi)作振蕩運(yùn)動(dòng)。頻場(chǎng)中吸收能量并在場(chǎng)內(nèi)作振蕩運(yùn)動(dòng)。但是，電子在放電空間的運(yùn)動(dòng)路程不是簡(jiǎn)但是，電子在放電空間的運(yùn)動(dòng)路程不是簡(jiǎn)單的由一個(gè)電極到另一個(gè)電極的距離，而單的由一個(gè)電極到另一個(gè)電極的距離，而是在放電空間不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的是在放電空間不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的路程。因此，增加了氣體分子的碰撞幾率，路程。因此，增加了氣體分子的碰撞幾率，并使電離能力顯著提高，從而使并使電離能力顯著提高，從而使擊

29、穿電壓擊穿電壓和維持放電的工作電壓均降低和維持放電的工作電壓均降低（其工作電（其工作電壓只有直流輝光放電的壓只有直流輝光放電的1/10）。）。所以射頻放電的自持要比直流放電容易得所以射頻放電的自持要比直流放電容易得多。通常，多。通常，射頻輝光放電可以在較低的氣射頻輝光放電可以在較低的氣壓下進(jìn)行壓下進(jìn)行，例如，直流輝光放電常在，例如，直流輝光放電常在100-101Pa運(yùn)行，射頻輝光放電可以在運(yùn)行，射頻輝光放電可以在10-1-10-2Pa運(yùn)行。運(yùn)行。另外，由于正離子質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)速度低，另外，由于正離子質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)速度低，跟不上電源極性的改變，所以可近似認(rèn)為跟不上電源極性的改變，所以可近似認(rèn)為正離子

30、在空間不動(dòng)，并形成更強(qiáng)的正空間正離子在空間不動(dòng)，并形成更強(qiáng)的正空間電荷，對(duì)放電起增強(qiáng)作用。電荷，對(duì)放電起增強(qiáng)作用。 雖然大多數(shù)正離子的活動(dòng)性甚小，可以忽雖然大多數(shù)正離子的活動(dòng)性甚小，可以忽略它們對(duì)電極的轟擊。但是，若有一個(gè)或略它們對(duì)電極的轟擊。但是，若有一個(gè)或兩個(gè)電極通過(guò)兩個(gè)電極通過(guò)電容耦合電容耦合到射頻振蕩器上，到射頻振蕩器上，將在該電極上建立一個(gè)脈動(dòng)的負(fù)電壓。將在該電極上建立一個(gè)脈動(dòng)的負(fù)電壓。 由于電子和離子遷移率的差別，輝由于電子和離子遷移率的差別，輝光放電的光放電的I-V特性類(lèi)似于一個(gè)有漏電特性類(lèi)似于一個(gè)有漏電的二極管整流器。的二極管整流器。 也就是說(shuō)，在通過(guò)電容器引入射頻也就是說(shuō)，在

31、通過(guò)電容器引入射頻電壓時(shí)，將有一個(gè)大的初始電流存電壓時(shí)，將有一個(gè)大的初始電流存在，而在第二個(gè)半周內(nèi)僅有一個(gè)相在，而在第二個(gè)半周內(nèi)僅有一個(gè)相對(duì)較小的離子電流通過(guò)。對(duì)較小的離子電流通過(guò)。 所以，通過(guò)電容器傳輸電荷時(shí)，電所以，通過(guò)電容器傳輸電荷時(shí)，電極表面的電位必然自動(dòng)偏置為負(fù)極極表面的電位必然自動(dòng)偏置為負(fù)極性，直到有效電流（各周的平均電性，直到有效電流（各周的平均電流）為零。平均直流電位流）為零。平均直流電位V的數(shù)值的數(shù)值近似地與所加峰值電壓相等。近似地與所加峰值電壓相等。如果在射頻濺射裝置中，將濺射靶與基片完全對(duì)稱(chēng)配置，正離子以均如果在射頻濺射裝置中，將濺射靶與基片完全對(duì)稱(chēng)配置，正離子以均等的幾

32、率轟擊濺射靶和基片，濺射成膜是不可能的。等的幾率轟擊濺射靶和基片，濺射成膜是不可能的。實(shí)際上，只要求靶上得到濺射，那么這個(gè)濺射靶電極必須絕緣起來(lái)，實(shí)際上，只要求靶上得到濺射，那么這個(gè)濺射靶電極必須絕緣起來(lái)，并通過(guò)電容耦合到射頻電源上去。另一電極并通過(guò)電容耦合到射頻電源上去。另一電極(真空室壁）為直接耦合電真空室壁）為直接耦合電極（即接地電極），而且靶面積必須比直接耦合電極小。極（即接地電極），而且靶面積必須比直接耦合電極小。設(shè)輝光放電空間與靶之間的電壓為設(shè)輝光放電空間與靶之間的電壓為 Vc，輝光放電空間與直接耦合電極，輝光放電空間與直接耦合電極之間的電壓為之間的電壓為Vd（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖3-6）。

33、則兩個(gè)電壓之間存在如下近似理論關(guān)系）。則兩個(gè)電壓之間存在如下近似理論關(guān)系 式中，式中，Ac 和和Ad分別為容性耦合電極（即濺射靶）和直接耦合電極（即分別為容性耦合電極（即濺射靶）和直接耦合電極（即接地電極）的面積。接地電極）的面積。4/(/)cddcVVAA Ac 為容性耦合電極（即濺射靶）為容性耦合電極（即濺射靶） Ad直接耦合電極（即接地電極）的面積。直接耦合電極（即接地電極）的面積。 實(shí)際上，由于直接耦合電極是整個(gè)系統(tǒng)的地端，包括底實(shí)際上，由于直接耦合電極是整個(gè)系統(tǒng)的地端，包括底板、真空室壁等在內(nèi)，板、真空室壁等在內(nèi)，AdAc。所以，二者之間在實(shí)際。所以，二者之間在實(shí)際上并不具有上并不具

34、有4次方的關(guān)系。因此，平均殼層在靶電位和地次方的關(guān)系。因此，平均殼層在靶電位和地之間變化，如圖之間變化，如圖3-6所示。所以射頻輝光放電時(shí)等離子體所示。所以射頻輝光放電時(shí)等離子體中離子對(duì)接地零件只有微小的沖擊，而對(duì)濺射靶卻進(jìn)行中離子對(duì)接地零件只有微小的沖擊，而對(duì)濺射靶卻進(jìn)行強(qiáng)烈轟擊并使之產(chǎn)生濺射。強(qiáng)烈轟擊并使之產(chǎn)生濺射。 4/(/)cddcVVAA7.3 濺射特性濺射特性當(dāng)入射離子在與靶材的碰撞過(guò)程中，將當(dāng)入射離子在與靶材的碰撞過(guò)程中，將動(dòng)量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量動(dòng)量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量超過(guò)其結(jié)合能時(shí)，才可能使靶原子發(fā)生超過(guò)其結(jié)合能時(shí)，才可能使靶原子發(fā)生濺射。這是靶材這種濺射

35、時(shí)主要發(fā)生的濺射。這是靶材這種濺射時(shí)主要發(fā)生的一個(gè)過(guò)程。一個(gè)過(guò)程。實(shí)際上，濺射過(guò)程十分復(fù)雜，當(dāng)高能入實(shí)際上，濺射過(guò)程十分復(fù)雜，當(dāng)高能入射離子轟擊固體表面時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生如圖射離子轟擊固體表面時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生如圖3-26所示的許多效應(yīng)。例如所示的許多效應(yīng)。例如: 入射離子可能從靶表面發(fā)射入射離子可能從靶表面發(fā)射; 或在轟擊過(guò)程中捕獲電子后成為中性原或在轟擊過(guò)程中捕獲電子后成為中性原子或分子，從表面反射；子或分子，從表面反射；離子轟擊靶引起靶表面逸出電子，即所離子轟擊靶引起靶表面逸出電子，即所謂次級(jí)電子；謂次級(jí)電子；離子深入靶表面產(chǎn)生注入效應(yīng)，稱(chēng)離子離子深入靶表面產(chǎn)生注入效應(yīng)，稱(chēng)離子注入；注入；此外還能使

36、靶表面結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化此外還能使靶表面結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化;以及使靶表面吸附的氣體解吸和在高能以及使靶表面吸附的氣體解吸和在高能離子入射時(shí)產(chǎn)生輻射射線(xiàn)等。離子入射時(shí)產(chǎn)生輻射射線(xiàn)等。離子轟擊固體表面所產(chǎn)生各種效應(yīng)及其發(fā)生幾率離子轟擊固體表面所產(chǎn)生各種效應(yīng)及其發(fā)生幾率 421010321010m1m （）1 10dnm0.1 1541010k效應(yīng)效應(yīng)名稱(chēng)名稱(chēng)發(fā)生幾率發(fā)生幾率濺射濺射濺射率濺射率SS=0.110離子濺射離子濺射一次離子發(fā)射系數(shù)一次離子發(fā)射系數(shù)離子濺射離子濺射被中和的一次離子發(fā)被中和的一次離子發(fā)射系數(shù)射系數(shù)m離子注入離子注入離子注入系數(shù)離子注入系數(shù)離子注入離子注入離子注入深度離子注入深

37、度d二次電子二次電子發(fā)射發(fā)射二次電子發(fā)射系數(shù)二次電子發(fā)射系數(shù)二次離子二次離子發(fā)射發(fā)射二次離子發(fā)射系數(shù)二次離子發(fā)射系數(shù)k1濺射閥值濺射閥值所謂濺射閥值是指靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。濺射閥值的測(cè)定所謂濺射閥值是指靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。濺射閥值的測(cè)定十分困難，隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，目前已能測(cè)出低于十分困難，隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，目前已能測(cè)出低于10-5原子原子/離子的濺射率。離子的濺射率。 圖圖3-7是用不同能量是用不同能量 Ar+離子轟擊各種金屬元素靶材時(shí)得到的濺射率曲線(xiàn)。離子轟擊各種金屬元素靶材時(shí)得到的濺射率曲線(xiàn)。圖圖3-8是不同種類(lèi)的入射離子以不同能

38、量轟擊同一鎢靶的濺射曲線(xiàn)。是不同種類(lèi)的入射離子以不同能量轟擊同一鎢靶的濺射曲線(xiàn)。入射離子不同時(shí)濺射閥值變化很小，而對(duì)于不同靶材濺射閥值的變化比較明顯。也就是說(shuō)，入射離子不同時(shí)濺射閥值變化很小，而對(duì)于不同靶材濺射閥值的變化比較明顯。也就是說(shuō)，濺射閥值與濺射閥值與 入射離子質(zhì)量之間無(wú)明顯的依賴(lài)關(guān)系，而主要取決于靶材料。入射離子質(zhì)量之間無(wú)明顯的依賴(lài)關(guān)系，而主要取決于靶材料。對(duì)處于周期表中同一周期的元素，濺射閥值隨著原子序數(shù)增加而減小。對(duì)絕大多數(shù)金屬來(lái)對(duì)處于周期表中同一周期的元素，濺射閥值隨著原子序數(shù)增加而減小。對(duì)絕大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，濺射閥值為說(shuō)，濺射閥值為1030eV,相當(dāng)于升華熱的相當(dāng)于升華熱的4倍

39、左右。表倍左右。表3-1列出了幾種金屬的濺射閥值。列出了幾種金屬的濺射閥值。2濺射率濺射率描述濺射特性的一個(gè)最重要的物理參量，它表示正離子轟擊靶陰極描述濺射特性的一個(gè)最重要的物理參量，它表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)，又稱(chēng)濺射系數(shù)或?yàn)R時(shí)，平均每個(gè)正離子能從陰極上打出的原子數(shù)，又稱(chēng)濺射系數(shù)或?yàn)R射產(chǎn)額，常以射產(chǎn)額，常以s表示。表示。（1）與靶材有關(guān)）與靶材有關(guān) 即同一種離子對(duì)不同元素的靶材轟擊得到不同的濺射率，其基本規(guī)即同一種離子對(duì)不同元素的靶材轟擊得到不同的濺射率，其基本規(guī)律是，濺射率呈周期性變化，隨靶材原子序數(shù)增加而增大。律是，濺射率呈周期性變化，隨靶材原子序數(shù)增

40、加而增大。 （2）濺射率隨入射離子能量影響顯著。）濺射率隨入射離子能量影響顯著。當(dāng)入射離子能量高于某一臨界值時(shí)（濺射閥值）時(shí)，才發(fā)生濺射。當(dāng)入射離子能量高于某一臨界值時(shí)（濺射閥值）時(shí)，才發(fā)生濺射。如圖如圖3-10所示。該曲線(xiàn)可分為三個(gè)區(qū)域：所示。該曲線(xiàn)可分為三個(gè)區(qū)域：即濺射率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(gè)線(xiàn)即濺射率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(gè)線(xiàn)性增大區(qū)，并逐漸達(dá)到一個(gè)平坦的最大值并呈飽和狀態(tài)。如果再增性增大區(qū)，并逐漸達(dá)到一個(gè)平坦的最大值并呈飽和狀態(tài)。如果再增加加E則因產(chǎn)生離子注入效應(yīng)而使則因產(chǎn)生離子注入效應(yīng)而使S值開(kāi)始下降。值開(kāi)始下降。 21 / 2SES

41、ESE500(500100010005000TTEEEeVEeVeVEeV為濺射閥值）用用Ar離子轟擊銅時(shí)，離子能量與濺射率的典型關(guān)系如圖離子轟擊銅時(shí)，離子能量與濺射率的典型關(guān)系如圖3-11所示，圖所示，圖中能量范圍擴(kuò)大到中能量范圍擴(kuò)大到100KeV，這一曲線(xiàn)可分為三部分：，這一曲線(xiàn)可分為三部分：第一部分是幾乎沒(méi)有濺射的低能區(qū)域第一部分是幾乎沒(méi)有濺射的低能區(qū)域;第二部分的能量從第二部分的能量從70eV增至增至10KeV，這是濺射率隨離子能量增大的，這是濺射率隨離子能量增大的區(qū)域，用于濺射淀積薄膜的能量值大部分在這一范圍內(nèi)；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)；第三部分是第三部分是3

42、0KeV以上的，這時(shí)濺射率隨離子能量的增加而下降。以上的，這時(shí)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(rèn)為是由于轟擊離子此時(shí)深入到晶格內(nèi)部，將如前所述，這種下降據(jù)認(rèn)為是由于轟擊離子此時(shí)深入到晶格內(nèi)部，將大部分能量損失在靶材體內(nèi)，而不是消耗在靶表面的緣故。大部分能量損失在靶材體內(nèi)，而不是消耗在靶表面的緣故。（3）入射離子種類(lèi)。濺射率依賴(lài)于入射離子的原子量，原子量）入射離子種類(lèi)。濺射率依賴(lài)于入射離子的原子量，原子量越大，則濺射率越高。濺射率也與入射離子的原子序數(shù)有關(guān)，呈越大，則濺射率越高。濺射率也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。現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性

43、變化的關(guān)系。在周期表每一排中，凡電子殼層填滿(mǎn)的元素就有最大的濺射率。在周期表每一排中，凡電子殼層填滿(mǎn)的元素就有最大的濺射率。因此，惰性氣體的濺射率最高，而位于元素周期表的每一列中間因此，惰性氣體的濺射率最高，而位于元素周期表的每一列中間部位元素的濺射率最小。部位元素的濺射率最小。在一般情況下，入射離子大多采用惰性氣體?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，通在一般情況下，入射離子大多采用惰性氣體。考慮到經(jīng)濟(jì)性，通常選用氬為工作氣體。另外，使用惰性氣體還有一個(gè)好處是，可常選用氬為工作氣體。另外，使用惰性氣體還有一個(gè)好處是，可避免與靶材料起化學(xué)反應(yīng)。避免與靶材料起化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，在常用的入射離子能量范圍內(nèi)（實(shí)驗(yàn)表明，

44、在常用的入射離子能量范圍內(nèi)（5002000eV），各），各種惰性氣體的濺射率大體相同。種惰性氣體的濺射率大體相同。（4） 入射離子的入射角入射離子的入射角 入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法入射角是指離子入射方向與被濺射靶材表面法線(xiàn)之間的夾角。圖線(xiàn)之間的夾角。圖3-13示出了示出了Ar離子對(duì)幾種金屬的濺射率與入射角的關(guān)離子對(duì)幾種金屬的濺射率與入射角的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著入射角的增加濺射率逐漸增大，系?？梢钥闯?，隨著入射角的增加濺射率逐漸增大，60時(shí)的時(shí)的S值約為垂值約為垂直入射時(shí)的直入射時(shí)的2倍倍當(dāng)入射角為當(dāng)入射角為60-80時(shí)，濺射率最大，入射角再增加時(shí)，濺射率急劇時(shí)，濺射率最大，入射

45、角再增加時(shí)，濺射率急劇減小，當(dāng)?shù)扔跍p小，當(dāng)?shù)扔?0濺射率為零。這種變化情況的曲線(xiàn)見(jiàn)圖濺射率為零。這種變化情況的曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-14所示，即所示，即對(duì)于不同的靶材和入射離子而言，對(duì)應(yīng)的最大濺射率對(duì)于不同的靶材和入射離子而言，對(duì)應(yīng)的最大濺射率S值，有一個(gè)最大的值，有一個(gè)最大的入射角入射角m。 （5） 靶材溫度靶材溫度 濺射率與靶材溫度的依賴(lài)關(guān)系，濺射率與靶材溫度的依賴(lài)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(shí)，濺射率幾乎不變。但是，超過(guò)此溫低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變。但是，超過(guò)此溫度時(shí)，濺射率將急劇增加?？梢哉J(rèn)為，這和濺射與度時(shí)，濺射率

46、將急劇增加?？梢哉J(rèn)為，這和濺射與熱蒸發(fā)二者的復(fù)合作用有關(guān)。熱蒸發(fā)二者的復(fù)合作用有關(guān)。 濺射率除與上述因素有關(guān)外，還與靶的結(jié)構(gòu)和靶材的結(jié)晶取向、表面形貌、濺射濺射率除與上述因素有關(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(qiáng)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，壓強(qiáng)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(yīng)當(dāng)盡量降低工作氣體的壓力和提高濺射率。應(yīng)當(dāng)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 濺射原子所具有的能量和速度也是描述濺射特性的重要物濺射原子所具有的能量和速度也是描述濺射特性的重要物理參

47、數(shù)。一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的原子的能量為理參數(shù)。一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的原子的能量為0.1eV左左右。右。 而在濺射中，由于濺射原子是與高能量（幾百而在濺射中，由于濺射原子是與高能量（幾百幾千幾千eV）入射離子交換動(dòng)量而飛濺出來(lái)的，所以，濺射原子具有較入射離子交換動(dòng)量而飛濺出來(lái)的，所以，濺射原子具有較大的能量。大的能量。 如以如以1000eV加速的加速的Ar+離子濺射鋁等輕金屬元素時(shí)，逸出離子濺射鋁等輕金屬元素時(shí)，逸出原子的能量約為原子的能量約為10eV，而濺射鎢、鉬、鉑時(shí)，逸出原子，而濺射鎢、鉬、鉑時(shí)，逸出原子的能量約為的能量約為35eV。 一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子能量大一般認(rèn)為，濺

48、射原子的能量比熱蒸發(fā)原子能量大12個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，約為量級(jí)，約為510eV。因此，濺射薄膜具有許多優(yōu)點(diǎn)。因此，濺射薄膜具有許多優(yōu)點(diǎn)。濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類(lèi)和能量、濺射原子的方向?yàn)R射原子的能量與靶材料、入射離子的種類(lèi)和能量、濺射原子的方向性等都有關(guān)。性等都有關(guān)。1）入射離子不同能量：入射離子不同能量：Hg+離子轟擊離子轟擊Ag單晶靶后逸出的單晶靶后逸出的Ag原子能量原子能量分布情況。分布情況。其能量的分布近似麥克斯威爾分布，大部分濺射原子的能量小于其能量的分布近似麥克斯威爾分布，大部分濺射原子的能量小于100eV，高能量部分有一拖長(zhǎng)的尾巴，平均能量為，高能量部分有一拖長(zhǎng)的尾巴，平均

49、能量為1040eV。 轟擊離子的能量增加，高能量的尾巴也拖得更長(zhǎng)。當(dāng)入射離子能轟擊離子的能量增加，高能量的尾巴也拖得更長(zhǎng)。當(dāng)入射離子能量大于量大于1000eV時(shí)，所逸出原子的平均能量不再增大。時(shí)，所逸出原子的平均能量不再增大。 2）元素靶材：元素靶材： 用能量為用能量為1200eV的離子轟擊不同元素靶的離子轟擊不同元素靶材得到的逸出濺射原子能量分布曲線(xiàn)如圖材得到的逸出濺射原子能量分布曲線(xiàn)如圖3-17所示。所示。Rh,Pd,Ag在元素周期表中是相鄰元素，原子量大體相等，在元素周期表中是相鄰元素，原子量大體相等，但能量分布曲線(xiàn)卻有較大差異。但能量分布曲線(xiàn)卻有較大差異。 同一離子轟擊同一離子轟擊不同

50、材料不同材料時(shí)，濺射原子的平均逸出時(shí)，濺射原子的平均逸出能量和平均逸出速度分別如圖能量和平均逸出速度分別如圖3-19和圖和圖3-20所示，所示，由圖可見(jiàn)，當(dāng)原子序由圖可見(jiàn)，當(dāng)原子序Z20時(shí)，各元素的平均逸出時(shí)，各元素的平均逸出能量差別增大，而平均速度的差別較小。另外由能量差別增大，而平均速度的差別較小。另外由圖圖3-21可見(jiàn)，不同方向逸出原子的能量分布也是可見(jiàn)，不同方向逸出原子的能量分布也是不同的。不同的。 不同的不同的種類(lèi)入射離子轟擊種類(lèi)入射離子轟擊靶材時(shí)，逸出原子的能靶材時(shí)，逸出原子的能量分布示于圖量分布示于圖3-18，可見(jiàn)它們具有相近似的能量，可見(jiàn)它們具有相近似的能量分布規(guī)律，但能量值的

51、分布范圍不同。分布規(guī)律，但能量值的分布范圍不同。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濺射原子的能量和速度具有以下幾個(gè)特實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濺射原子的能量和速度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：點(diǎn)： 重元素靶材被濺射出來(lái)的原子有較高的逸出能量，而輕元重元素靶材被濺射出來(lái)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；素靶材則有高的原子逸出速度； 不同靶材料具有不相同的原子逸出能量，而濺射率高的靶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；材料，通常有較低的平均原子逸出能量； 在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線(xiàn)性增在相同轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線(xiàn)性增加，輕入射離

52、子濺射出的原子其逸出能量較低，約為加，輕入射離子濺射出的原子其逸出能量較低，約為10eV，而重入射離子濺射出的原子逸出能量較大，平均，而重入射離子濺射出的原子逸出能量較大，平均達(dá)到達(dá)到3040eV，與濺射率的情形相類(lèi)似。，與濺射率的情形相類(lèi)似。 濺射原子的平均逸出能量，隨著入射離子能量增加而增大，濺射原子的平均逸出能量，隨著入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量達(dá)到當(dāng)入射離子能量達(dá)到1KeV以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值；于恒定值； 在傾斜方向逸出的原子具有極高的逸出能量，這符合濺射在傾斜方向逸出的原子具有極高的逸出能量，這符合濺射的碰撞過(guò)程遵循動(dòng)量和能量守恒定律

53、。的碰撞過(guò)程遵循動(dòng)量和能量守恒定律。 此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶材的取向與晶體結(jié)構(gòu)對(duì)逸出能量此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶材的取向與晶體結(jié)構(gòu)對(duì)逸出能量影響不大。濺射率高的材料通常具有較低的平均逸出能量。影響不大。濺射率高的材料通常具有較低的平均逸出能量。 7.4 濺射鍍膜類(lèi)型濺射鍍膜類(lèi)型 常用的分類(lèi)方法將濺射鍍膜分為以下幾類(lèi)：常用的分類(lèi)方法將濺射鍍膜分為以下幾類(lèi)：直流二極濺射，直流偏壓濺射，三極或四直流二極濺射，直流偏壓濺射，三極或四極濺射，射頻濺射，磁控濺射，對(duì)向靶濺極濺射，射頻濺射，磁控濺射，對(duì)向靶濺射，反應(yīng)濺射，離子束濺射。濺射鍍膜的射，反應(yīng)濺射，離子束濺射。濺射鍍膜的方式較多，見(jiàn)表方式較多，見(jiàn)表3

54、-5 1. 直流二極濺射直流二極濺射 被濺射的靶（陰極）和成膜的基板及其固定架被濺射的靶（陰極）和成膜的基板及其固定架（陽(yáng)極）構(gòu)成了濺射裝置的兩個(gè)極，所以稱(chēng)為二（陽(yáng)極）構(gòu)成了濺射裝置的兩個(gè)極，所以稱(chēng)為二極濺射。極濺射。 使用直流電源則稱(chēng)為直流二極濺射，因?yàn)闉R射過(guò)使用直流電源則稱(chēng)為直流二極濺射，因?yàn)闉R射過(guò)程發(fā)生在陰極，故又稱(chēng)為陰極濺射。程發(fā)生在陰極，故又稱(chēng)為陰極濺射。 使用射頻電源時(shí)稱(chēng)為射頻二極濺射使用射頻電源時(shí)稱(chēng)為射頻二極濺射. 靶和基板固定架都是平板狀的稱(chēng)為平面二極濺射靶和基板固定架都是平板狀的稱(chēng)為平面二極濺射 若二者是同軸圓柱狀布置就稱(chēng)為同軸二極濺射。若二者是同軸圓柱狀布置就稱(chēng)為同軸二極濺

55、射。 用膜材制成陰極靶，并接上負(fù)高壓。為了在輝光放電過(guò)程用膜材制成陰極靶，并接上負(fù)高壓。為了在輝光放電過(guò)程中使靶表面保持可控的負(fù)高壓，靶材必須是導(dǎo)體。工作時(shí)，中使靶表面保持可控的負(fù)高壓，靶材必須是導(dǎo)體。工作時(shí)，先將真空室預(yù)抽到髙真空（如先將真空室預(yù)抽到髙真空（如10-3Pa），然后，通入氬氣），然后，通入氬氣使真空室內(nèi)壓力維持在使真空室內(nèi)壓力維持在110Pa時(shí)，接通電源使在陰極和時(shí)，接通電源使在陰極和陽(yáng)極間產(chǎn)生輝光放電，并建立起等離子區(qū)，其中帶正電的陽(yáng)極間產(chǎn)生輝光放電，并建立起等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子受到電場(chǎng)加速而轟擊陰極靶，從而使靶材產(chǎn)生濺射。氬離子受到電場(chǎng)加速而轟擊陰極靶，從而使靶材產(chǎn)

56、生濺射。 直流二極濺射雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得大面積膜厚均勻的薄直流二極濺射雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜。但是這種裝置存在著以下缺點(diǎn)：膜。但是這種裝置存在著以下缺點(diǎn)： 濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，放電電流易隨電壓和氣壓變化，濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制，放電電流易隨電壓和氣壓變化，工藝重復(fù)性差；工藝重復(fù)性差； 濺射裝置的排氣系統(tǒng)，一般多采用油擴(kuò)散泵，但在直流二濺射裝置的排氣系統(tǒng)，一般多采用油擴(kuò)散泵，但在直流二極濺射的壓力范圍內(nèi)，擴(kuò)散泵幾乎不起作用，主閥處于關(guān)極濺射的壓力范圍內(nèi)，擴(kuò)散泵幾乎不起作用，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣速率小，所以殘留氣體對(duì)膜層污染較嚴(yán)重，閉狀態(tài)，排氣速率小，所以殘留氣體對(duì)膜層污染較

57、嚴(yán)重，薄膜純度較差；薄膜純度較差； 基片溫升高（達(dá)數(shù)百度左右）、淀積速率低；基片溫升高（達(dá)數(shù)百度左右）、淀積速率低； 靶材必須是良導(dǎo)體。靶材必須是良導(dǎo)體。 為了克服這些缺點(diǎn)，可采取如下措施：為了克服這些缺點(diǎn)，可采取如下措施： 設(shè)法在設(shè)法在10-1Pa以上的真空度下產(chǎn)生輝光放電，同時(shí)形成滿(mǎn)以上的真空度下產(chǎn)生輝光放電，同時(shí)形成滿(mǎn)足濺射要求的高密度等離子體；足濺射要求的高密度等離子體； 加強(qiáng)靶的冷卻，在減少熱輻射的同時(shí)，盡量減少或減弱由加強(qiáng)靶的冷卻，在減少熱輻射的同時(shí)，盡量減少或減弱由靶放出的高速電子對(duì)基板的轟擊；靶放出的高速電子對(duì)基板的轟擊； 選擇適當(dāng)?shù)娜肷潆x子能量。選擇適當(dāng)?shù)娜肷潆x子能量。2.

58、三極或四極濺射三極或四極濺射 二極直流濺射只能在較高氣壓下進(jìn)行，因二極直流濺射只能在較高氣壓下進(jìn)行，因?yàn)樗且蕾?lài)離子轟擊陽(yáng)極所發(fā)射的次級(jí)電為它是依賴(lài)離子轟擊陽(yáng)極所發(fā)射的次級(jí)電子來(lái)維持輝光放電。如果氣壓降到子來(lái)維持輝光放電。如果氣壓降到 時(shí)，則陰極暗區(qū)擴(kuò)時(shí)，則陰極暗區(qū)擴(kuò)大，電子自由程增加，等離子體密度降低，大，電子自由程增加，等離子體密度降低，輝光放電便無(wú)法維持。輝光放電便無(wú)法維持。1.32.7(1020)PamTorr 三極濺射克服了二極濺射的缺點(diǎn)，它在真空室內(nèi)三極濺射克服了二極濺射的缺點(diǎn)，它在真空室內(nèi)附加一個(gè)熱陰極，由它發(fā)射電子并和陽(yáng)極產(chǎn)生等附加一個(gè)熱陰極，由它發(fā)射電子并和陽(yáng)極產(chǎn)生等離子體。

59、離子體。 同時(shí)使靶相對(duì)于該等離子體為負(fù)電位，用等離子同時(shí)使靶相對(duì)于該等離子體為負(fù)電位，用等離子體中的正離子轟擊靶材而進(jìn)行濺射。如果為了引體中的正離子轟擊靶材而進(jìn)行濺射。如果為了引入熱電子并使放電穩(wěn)定，再附加第四電極入熱電子并使放電穩(wěn)定，再附加第四電極穩(wěn)定穩(wěn)定化電極，即稱(chēng)為四極濺射?；姌O，即稱(chēng)為四極濺射。三極濺射裝置在三極濺射裝置在100伏至數(shù)百伏的靶電壓下也能工作。由于靶電壓低，伏至數(shù)百伏的靶電壓下也能工作。由于靶電壓低，對(duì)基片的濺射損傷小，適宜用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路，并已取對(duì)基片的濺射損傷小，適宜用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路，并已取得良好效果。得良好效果。另外，還因?yàn)槿龢O濺射的進(jìn)行不

60、再依賴(lài)于陰極所發(fā)射的二次電子，所另外，還因?yàn)槿龢O濺射的進(jìn)行不再依賴(lài)于陰極所發(fā)射的二次電子，所以濺射速率可以由熱陰極的發(fā)射電流控制，提高了濺射參數(shù)的可控性以濺射速率可以由熱陰極的發(fā)射電流控制，提高了濺射參數(shù)的可控性和工藝重復(fù)性。和工藝重復(fù)性。 但是，三（四）極濺射還不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基板的轟但是，三（四）極濺射還不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基板的轟擊，特別在高速濺射的情況下，基板的溫升較高；擊，特別在高速濺射的情況下，基板的溫升較高；而且燈絲壽命短，也還存在燈絲的不純物使膜層沾污等問(wèn)題。此外，而且燈絲壽命短，也還存在燈絲的不純物使膜層沾污等問(wèn)題。此外，這種濺射方式并不適于反應(yīng)濺射，特別