第四章_濺射鍍膜

1、123 “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)，常稱為射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，常稱為濺射原子濺射原子。用于。用于轟擊靶的荷能粒子可以是轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，電子、離子或中性粒子， 因離子在電場下易于加速并獲得所需動(dòng)能，故大多采因離子在電場下易于加速并獲得所需動(dòng)能，故大多采用離子作為轟擊粒子。該離子又稱用離子作為轟擊粒子。該離子又稱入射離子入射離子，這種鍍膜技，這種鍍膜技術(shù)又稱為術(shù)又稱為離子濺射鍍膜或沉積。離子濺射鍍膜或沉積。

2、 與此相反，利用濺射也可以進(jìn)行刻蝕。沉積和刻蝕是與此相反，利用濺射也可以進(jìn)行刻蝕。沉積和刻蝕是濺射過程的兩種應(yīng)用。濺射過程的兩種應(yīng)用。 濺射鍍膜裝置濺射鍍膜裝置：陰極（靶材）、陽極（基片）、：陰極（靶材）、陽極（基片）、 擋板、濺射氣體入口擋板、濺射氣體入口41842年，年，Grove在實(shí)驗(yàn)室中研究電子管陰極腐蝕問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到了在實(shí)驗(yàn)室中研究電子管陰極腐蝕問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到了真空管壁上。真空管壁上。1853年，法拉第在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積年，法拉第在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)放電管玻璃內(nèi)壁上有金屬沉積的現(xiàn)象，對造成這種現(xiàn)象的原因不解，且把

3、它作為有害的現(xiàn)象想法避免。的現(xiàn)象，對造成這種現(xiàn)象的原因不解，且把它作為有害的現(xiàn)象想法避免。1902年，年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物。證明上述金屬沉積是正離子轟擊陰極濺射出的產(chǎn)物。1930s，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室制取薄膜。，已經(jīng)有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室制取薄膜。60年代初，年代初，Bell實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)室和Western Electric公司利用濺射制取集成電路用的公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，膜，開始了濺射技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用。開始了濺射技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用。1963年制作出長度為年制作出長度為10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置。的連續(xù)濺射鍍膜裝置。1965

4、年，年，IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。1969年，年，Battele Pacific Northwest實(shí)驗(yàn)室做成了實(shí)用的三極高速濺射裝置。實(shí)驗(yàn)室做成了實(shí)用的三極高速濺射裝置。1974年，年，J. Chapin實(shí)現(xiàn)了高速、低溫濺射鍍膜，平面磁控濺射。實(shí)現(xiàn)了高速、低溫濺射鍍膜，平面磁控濺射。5與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）任何物質(zhì)均可以濺射；任何物質(zhì)均可以濺射；材料性質(zhì)材料性質(zhì)高熔點(diǎn)、低蒸汽壓的元素和化合物；材料形態(tài)高熔點(diǎn)、低蒸汽壓的元素和化合物；材料形態(tài)塊狀、

5、粉末、粒狀；沒有分解和分餾現(xiàn)象。塊狀、粉末、粒狀；沒有分解和分餾現(xiàn)象。（2）薄膜與基板之間的附著性好；薄膜與基板之間的附著性好；濺射原子的能量比蒸發(fā)原子高濺射原子的能量比蒸發(fā)原子高12個(gè)數(shù)量級(jí)，所以高能粒子沉個(gè)數(shù)量級(jí)，所以高能粒子沉積在基板上進(jìn)行能量交換，有較高的熱能，增強(qiáng)了薄膜與基板積在基板上進(jìn)行能量交換，有較高的熱能，增強(qiáng)了薄膜與基板間的附著力。間的附著力。（3）薄膜密度高，針孔少，純度高薄膜密度高，針孔少，純度高因?yàn)闆]有坩鍋污染；因?yàn)闆]有坩鍋污染；6（4）膜厚可控性和重復(fù)性好膜厚可控性和重復(fù)性好通過控制靶電流和放電通過控制靶電流和放電電流。電流。（5）可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜。

6、可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜?？梢钥梢浴霸谌魏尾牧系幕迳铣练e任何材料的薄膜在任何材料的基板上沉積任何材料的薄膜”，所以，所以在新材料發(fā)現(xiàn)、新功能應(yīng)用、新器件制作方面起著舉足輕在新材料發(fā)現(xiàn)、新功能應(yīng)用、新器件制作方面起著舉足輕重的作用。重的作用。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；（2）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為0.1 5 m/min，而濺射速率為，而濺射速率為0.010.5 m/min；（3）基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響。）基板溫升較高和易受雜質(zhì)氣體影響。 射頻濺射和磁控濺射技術(shù)已經(jīng)克服了

7、后二者的缺點(diǎn)。射頻濺射和磁控濺射技術(shù)已經(jīng)克服了后二者的缺點(diǎn)。 7 濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，整濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，整個(gè)濺射過程都是建立在個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電輝光放電 的基礎(chǔ)之上，即濺射的基礎(chǔ)之上，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)采用的輝光放離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)采用的輝光放電方式有所不同。電方式有所不同。直流二極濺射直流二極濺射利用的是直流輝光放電；利用的是直流輝光放電；三極濺射三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電；是利用熱陰極支持的輝光放電；射頻濺射射頻濺射是利用射頻輝光放電；是利用射頻輝光放電；磁控濺射磁控濺射是利用環(huán)狀磁

8、場控制下的輝光放電。是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。8一一 準(zhǔn)備知識(shí)：氣體放電的過程準(zhǔn)備知識(shí)：氣體放電的過程將真空容器抽真空，到達(dá)將真空容器抽真空，到達(dá)101Pa的某一壓力時(shí)，接通相的某一壓力時(shí)，接通相距為距為d的兩個(gè)電極間的電源，使電壓逐漸上升。當(dāng)電壓低的兩個(gè)電極間的電源，使電壓逐漸上升。當(dāng)電壓低時(shí)，基于宇宙射線和存在于自然界的極微弱放射性物質(zhì)射時(shí)，基于宇宙射線和存在于自然界的極微弱放射性物質(zhì)射線引起的電離，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娏?。線引起的電離，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娏?。隨著電壓增加，隨著電壓增加，當(dāng)加速電子能量大到一定值之后，與中性當(dāng)加速電子能量大到一定值之后，與

9、中性氣體原子（分子）碰撞使之電離氣體原子（分子）碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級(jí)數(shù)，于是電子數(shù)按等比級(jí)數(shù)迅速增加，形成電子的迅速增加，形成電子的繁衍過程，繁衍過程，也稱為雪崩式放電過程。也稱為雪崩式放電過程。但此時(shí)的放電屬于但此時(shí)的放電屬于非自持放電過程非自持放電過程，其特點(diǎn)為，若將原始，其特點(diǎn)為，若將原始電離源除去，放電立即停止。電離源除去，放電立即停止。若將原始電離源去掉放電仍若將原始電離源去掉放電仍能維持，則稱為自持放電過程。能維持，則稱為自持放電過程。91、由非支持放電過渡到自持放電的條件、由非支持放電過渡到自持放電的條件為了維持放電進(jìn)行，兩個(gè)過程必不可少兩個(gè)過程必不可少。（1）過程過

10、程：開始由陰極表面發(fā)射出一個(gè)電子（初始電子），該電子在電極間電壓的作用下，向陽極加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子能量超過一定值之后，使氣體原子發(fā)生碰撞電離發(fā)生碰撞電離，后者被電離為一個(gè)離子和一個(gè)電子。這樣，一個(gè)電子就變成了兩個(gè)電子，重復(fù)這一過程，即實(shí)現(xiàn)了電子的所謂繁衍電子的所謂繁衍。定義為電子對氣體的體積電離系數(shù)電子對氣體的體積電離系數(shù)，即每一個(gè)電子從陰極到陽極繁衍過程中，單位距離所增加的電子數(shù)。（2）過程過程：正離子正離子在陰極位降的作用下，轟擊陰極表面，產(chǎn)生電子（二次電子）。定義定義為正離子的表面電離為正離子的表面電離（二次電子發(fā)射）系數(shù)（二次電子發(fā)射）系數(shù)，即每一個(gè)正離子轟擊陰極表面而發(fā)射的電子（二次電

11、子）的平均數(shù)。 的大小與陰極材料、離子的種類、電場的強(qiáng)度有關(guān)。以電子為火種，可引發(fā)后續(xù)的過程，產(chǎn)生的離子還可轟擊陰極表面繼續(xù)產(chǎn)生電子。達(dá)到一定條件，即使沒有外達(dá)到一定條件，即使沒有外界因素產(chǎn)生的電子，也能維持放電的界因素產(chǎn)生的電子，也能維持放電的進(jìn)行，即放電進(jìn)入自持階段。進(jìn)行，即放電進(jìn)入自持階段。10（2）非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件：非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的條件：假設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)從單位陰極表面逸出的二次電子數(shù)為n0，相對應(yīng)的陰極電流密度為j0，如圖所示。又假設(shè)距陰極為x的平面上每單位面積的電子數(shù)為nx。為電離系數(shù)，因此，每個(gè)電子在路程dx上所產(chǎn)生的平均電離次數(shù)為dx，而由飛入dx薄層的nx個(gè)

12、電子產(chǎn)生的平均電離次數(shù)應(yīng)為nxdx，即在dx路程內(nèi)由nx個(gè)電子所產(chǎn)生的電子數(shù)用下式表示：設(shè)x=0時(shí)，nx=n0，對上式積分如果陰極和陽極間的距離為d，在均勻電場中，到達(dá)陽極的電子數(shù)為dxndnxxxxenn0dxenn011那么可以算出從陰極逸出的n0個(gè)電子所引起的電離次數(shù)，即所產(chǎn)生的新電子數(shù)新電子數(shù)（或等量的正離子數(shù)）應(yīng)為（或等量的正離子數(shù)）應(yīng)為： 個(gè)正離子轟擊陰極時(shí)，過程將使陰極逸出 個(gè)新電子。因此，從陰極逸出的電子數(shù)將不止是由外界電源所產(chǎn)生的電子數(shù)ni，而且加上由過程產(chǎn)生的二次電子數(shù)，即：如果放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則從陰極逸出的電子數(shù)（二次電子數(shù)）不會(huì)再增加，從陰極逸出的電子

13、數(shù)（二次電子數(shù)）不會(huì)再增加，仍為仍為n1，n0=n1，則：到達(dá)陽極的電子數(shù) ，則有：) 1(000ddennen) 1(0den) 1(0den) 1(01diennn) 1(11dienndenn1) 1(1ddieenn12式中，若分母等于零時(shí)，n為無窮大，其物理意義為， 表示，在陰極發(fā)射出一個(gè)電子，而這一個(gè)電子到達(dá)陽極時(shí)，共產(chǎn)生 次電離碰撞，因而產(chǎn)生同樣數(shù)目的正離子，這些正離子打到陰極后將產(chǎn)生 個(gè)二次電子，這些二次電子的數(shù)目為1。也就是，一個(gè)電子自陰極逸出后產(chǎn)生也就是，一個(gè)電子自陰極逸出后產(chǎn)生的各種直接和間接過程將使陰極再發(fā)射一個(gè)電子，使放電過程不需要外致電離的各種直接和間接過程將使陰極

14、再發(fā)射一個(gè)電子，使放電過程不需要外致電離因素而成為自持放電。因素而成為自持放電。即放電所需的帶電粒子可以自給自足，不需要外界因素作用，因此：為非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電自持放電的條件，上式也是輝光放電輝光放電的初始條件，即氣體發(fā)氣體發(fā)生擊穿的充分條件生擊穿的充分條件。此時(shí)對應(yīng)的電壓為擊穿電壓，又稱起輝電壓（點(diǎn)燃電壓）電壓為擊穿電壓，又稱起輝電壓（點(diǎn)燃電壓）Uz。1) 1(de) 1(de) 1(de1) 1(de13二二 輝光放電輝光放電1 1直流輝光放電直流輝光放電在真空度為0.510Pa的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時(shí)，兩個(gè)電極之間的電壓和電流的關(guān)系不符合歐

15、姆定律，具體如下圖：14AB段段當(dāng)兩電極加上直流電壓時(shí)，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和電子很少，所以當(dāng)兩電極加上直流電壓時(shí)，由于宇宙線產(chǎn)生的游離離子和電子很少，所以電流很小，電流很小，AB區(qū)域稱為區(qū)域稱為“無光無光”放電。放電。無光放電：真空室的兩個(gè)極板之間存在的無光放電：真空室的兩個(gè)極板之間存在的氣體總是有少量游離狀態(tài)的氣體分子氣體總是有少量游離狀態(tài)的氣體分子。當(dāng)陰。當(dāng)陰陽極之間加上電壓后，這些少量的正離子和電子在電場作用下到達(dá)極板，形成電流。陽極之間加上電壓后，這些少量的正離子和電子在電場作用下到達(dá)極板，形成電流。但這些游離的氣體分子數(shù)量恒定，所以但這些游離的氣體分子數(shù)量恒定，所以電流密度隨著

16、電壓的增加沒有多少變化電流密度隨著電壓的增加沒有多少變化，僅為，僅為10-16 A左右。此時(shí)的氣體只導(dǎo)電，不發(fā)光。左右。此時(shí)的氣體只導(dǎo)電，不發(fā)光。15BC段段電壓升高后，電壓升高后，帶電離子和電子獲得了足夠的能量，與中性氣體分子發(fā)帶電離子和電子獲得了足夠的能量，與中性氣體分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電離，電流平穩(wěn)增加生碰撞產(chǎn)生電離，電流平穩(wěn)增加，但電壓在電源高輸出阻抗的限制下呈一常數(shù)。，但電壓在電源高輸出阻抗的限制下呈一常數(shù)?！皽烹妳^(qū)湯森放電區(qū)”（Townsend discharge）。）。湯森放電：電壓繼續(xù)增加，電子的運(yùn)動(dòng)速度越來越快，它與中性氣體之間的碰湯森放電：電壓繼續(xù)增加，電子的運(yùn)動(dòng)速度越來越

17、快，它與中性氣體之間的碰撞有可能使分子電離出新的離子和電子，這些新的電子又加入向陽極加速的進(jìn)撞有可能使分子電離出新的離子和電子，這些新的電子又加入向陽極加速的進(jìn)程中，從而碰撞電離出更多的氣體分子。程中，從而碰撞電離出更多的氣體分子。B點(diǎn)電壓點(diǎn)電壓Ub即為點(diǎn)燃電壓即為點(diǎn)燃電壓Uz。上述兩種放電，都以有自然電離源為前提，如果沒有游離的電子和正離子存在，上述兩種放電，都以有自然電離源為前提，如果沒有游離的電子和正離子存在，則放電不會(huì)發(fā)生。即，非自持放電。則放電不會(huì)發(fā)生。即，非自持放電。 16CE段段“雪崩點(diǎn)火雪崩點(diǎn)火”，離子轟擊陰極時(shí)，釋放出二次電子，二次電子與中性氣離子轟擊陰極時(shí)，釋放出二次電子，

18、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，產(chǎn)生出新的更多的二次體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子，這些離子再轟擊陰極，產(chǎn)生出新的更多的二次電子。電子。等產(chǎn)生出了足夠的離子和電子后，等產(chǎn)生出了足夠的離子和電子后，放電達(dá)到自持放電達(dá)到自持，氣體開始起輝。兩級(jí)，氣體開始起輝。兩級(jí)間電流劇增，而電壓迅速下降，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。間電流劇增，而電壓迅速下降，呈現(xiàn)負(fù)阻特性?！斑^渡區(qū)過渡區(qū)”。17帕邢定律及點(diǎn)燃電壓帕邢定律及點(diǎn)燃電壓1889年帕邢（Paschen）在測量擊穿電壓對擊穿距離和氣體壓力的依賴關(guān)系發(fā)現(xiàn)：在下圖所示的兩個(gè)平行平板電極上加以直流電壓后，在極間形成均勻電場。令極間距離為d，壓力為

19、p，如果氣體成分和電極材料一定，氣體恒溫，那么擊穿電壓擊穿電壓Uz是是pd的函數(shù)的函數(shù)，而不單獨(dú)是p，d這兩個(gè)變量的函數(shù)。當(dāng)改變pd時(shí)，Uz有一極小值Uzmin。這便是氣體放電的帕邢定律。18氣體放電有非支持轉(zhuǎn)入自持放電的條件是： 。使氣體放電的使氣體放電的極間電壓稱為自持放電點(diǎn)燃電壓極間電壓稱為自持放電點(diǎn)燃電壓，也稱為擊穿電壓，用Uz表示。氣體點(diǎn)燃時(shí) ，則：一定的氣體，電離電位Ui為定值，故設(shè)AUi=Az。電場強(qiáng)度E=Uz/d，代入上式后：1) 1(de1) 1(depEAUiAped/)11ln(1)11ln(ln(ln)ln()11ln(ApdpdAUpdAezzZUApdz19此式表明

20、，Uz是pd乘積的函數(shù)，不單獨(dú)是p或者d的函數(shù)。不同氣體的Uz=f(pd)曲線如圖所示。此曲線稱為帕邢曲線帕邢曲線。由圖可知，同一氣體的帕邢曲線是有最低點(diǎn)的。在曲線的左部，隨pd減小，Uz上升很快。右半部隨pd增加，Uz上升緩慢。pd的單位為1.33Pam：氣體最低點(diǎn)燃電壓Uzmin和與之對應(yīng)的pdk值不僅與氣體有關(guān)，也與也與陰極材料有關(guān)陰極材料有關(guān)。20在真空容器中，若無空間電荷時(shí)，兩極間電位分布如圖所示，OA0成直線分布。放電后，在空間產(chǎn)生的正離子和電子的密度差不多。由于電子質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)速度大，由于電子質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)速度大，向陽極遷移率大。正離子則相反，質(zhì)量大，向陰極運(yùn)動(dòng)速度小，所以堆積在陽

21、極附向陽極遷移率大。正離子則相反，質(zhì)量大，向陰極運(yùn)動(dòng)速度小，所以堆積在陽極附近，這種正的空間電荷效應(yīng)使兩極間電場畸變，相當(dāng)于使陽極近，這種正的空間電荷效應(yīng)使兩極間電場畸變，相當(dāng)于使陽極A向陰極向陰極K移動(dòng)，形成移動(dòng)，形成等效陽極。等效陽極。兩級(jí)間電壓主要分布在陰極和等效陽極之間，也近似為直線分布，稱為陰極位降。如圖中OA1，OA2所示。等效陽極到陰極的距離用d1、d2表示，也稱為陰也稱為陰極位降區(qū)寬度。極位降區(qū)寬度。等效陽極實(shí)際改變了電場強(qiáng)度等效陽極實(shí)際改變了電場強(qiáng)度E，在氣體點(diǎn)燃之前，場強(qiáng)E=Uz/d，在Uz作用下使電子得到了足夠能量將氣體點(diǎn)燃，進(jìn)入自持放電階段。在放電發(fā)展過程中，由于正空間

22、電荷的作用，形成的等效陽極逐漸靠近陰極K，即陽極相當(dāng)由A處移至A1處，再移至A2處。由于陰陽極由于陰陽極之間距離的縮短使場強(qiáng)增加，之間距離的縮短使場強(qiáng)增加，E2=Uz/d2。當(dāng)氣體壓強(qiáng)。當(dāng)氣體壓強(qiáng)p不改變時(shí)，電子平均自由程不改變時(shí)，電子平均自由程不變，所以電子能量不變，所以電子能量eE2eE。但電子原來具有的能量eE足以使氣體電離，無需更多的能量，降低極間電壓Uz仍可持續(xù)放電過程。因此，一旦將氣體點(diǎn)燃后，兩極間電壓因此，一旦將氣體點(diǎn)燃后，兩極間電壓Uz將自動(dòng)沿帕將自動(dòng)沿帕邢曲線降至邢曲線降至Uzmin。此時(shí)等效陽極和陰極間距離用。此時(shí)等效陽極和陰極間距離用dk表表示。示。放電便進(jìn)入了穩(wěn)定的正常

23、輝光放電壓。Uzmin是維持正常輝光放電所需電壓。因此，當(dāng)氣體點(diǎn)燃后，極因此，當(dāng)氣體點(diǎn)燃后，極間電壓將出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。間電壓將出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。陰陰極極陽陽極極21EF段段在在E點(diǎn)以后，電流平穩(wěn)增加，而電壓維持不變。這時(shí)兩極之間出現(xiàn)輝光。點(diǎn)以后，電流平穩(wěn)增加，而電壓維持不變。這時(shí)兩極之間出現(xiàn)輝光。“正正常輝光放電區(qū)常輝光放電區(qū)”。在此階段，放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積。最初，轟擊不均勻，主要集在此階段，放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積。最初，轟擊不均勻，主要集中在陰極邊緣附近或表面不規(guī)則處。但隨著電源功率的增加，轟擊區(qū)逐漸增大，直到陰中在陰極邊緣附近或表面不規(guī)則處。但隨著電源功率的增加，轟擊區(qū)逐漸增大，直到陰極

24、面上的電流密度均勻?yàn)橹?。極面上的電流密度均勻?yàn)橹埂］x光放電：隨著電壓繼續(xù)增加，電流一直增加直到輝光放電：隨著電壓繼續(xù)增加，電流一直增加直到C點(diǎn)，電壓突然降低，此時(shí)表明氣體點(diǎn)，電壓突然降低，此時(shí)表明氣體已被擊穿，已被擊穿，Ub是擊穿電壓（點(diǎn)燃電壓）。是擊穿電壓（點(diǎn)燃電壓）。被擊穿的氣體發(fā)光放電稱為輝光放電被擊穿的氣體發(fā)光放電稱為輝光放電。這時(shí)的。這時(shí)的電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，而不是自然的游離離子和電子，所以電子和正離子來源于電子的碰撞和正離子的轟擊，而不是自然的游離離子和電子，所以稱為自持放電。此時(shí)的電流密度與電壓無關(guān)，而與極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)，與陰稱為自持放電。此時(shí)的

25、電流密度與電壓無關(guān)，而與極板上產(chǎn)生輝光的表面積有關(guān)，與陰極材料及其形狀、氣體種類和壓強(qiáng)有關(guān)。極材料及其形狀、氣體種類和壓強(qiáng)有關(guān)。Un即即Uzmin由于正常輝光放電時(shí)的電流密度仍比較小，所以有時(shí)濺射選擇在由于正常輝光放電時(shí)的電流密度仍比較小，所以有時(shí)濺射選擇在異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)工作。工作。22FG段段“異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)”。整個(gè)陰極表面都在離子轟擊的范圍內(nèi)后，繼續(xù)增。整個(gè)陰極表面都在離子轟擊的范圍內(nèi)后，繼續(xù)增加功率，會(huì)使放電區(qū)內(nèi)的電流密度隨著電壓的增加而增加。加功率，會(huì)使放電區(qū)內(nèi)的電流密度隨著電壓的增加而增加。異常輝光放電：在整個(gè)陰極表面都受到離子的轟擊后，電流密度將和電壓同

26、時(shí)異常輝光放電：在整個(gè)陰極表面都受到離子的轟擊后，電流密度將和電壓同時(shí)繼續(xù)增加，陰極電壓的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。因?yàn)榇藭r(shí)輝光已經(jīng)布繼續(xù)增加，陰極電壓的大小與電流密度和氣體壓強(qiáng)有關(guān)。因?yàn)榇藭r(shí)輝光已經(jīng)布滿整個(gè)陰極表面，再增加電流，離子層無法向周圍擴(kuò)散，便向陰極靠攏，使得滿整個(gè)陰極表面，再增加電流，離子層無法向周圍擴(kuò)散，便向陰極靠攏，使得二者的距離縮短。如果要進(jìn)一步增大電流密度，就需增加陰極壓降，給予離子二者的距離縮短。如果要進(jìn)一步增大電流密度，就需增加陰極壓降，給予離子更大的能量轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子。更大的能量轟擊陰極，使陰極產(chǎn)生更多的二次電子。23G點(diǎn)以后點(diǎn)以后“弧光放電區(qū)

27、弧光放電區(qū)”。此時(shí)的兩極電壓突然降低到很小的數(shù)值，電流越。此時(shí)的兩極電壓突然降低到很小的數(shù)值，電流越大，電壓越小，電流主要由外電阻決定。大，電壓越小，電流主要由外電阻決定?；」夥烹姡寒惓］x光放電在有些因素的影響下，有可能變化為弧光放電。此時(shí)弧光放電：異常輝光放電在有些因素的影響下，有可能變化為弧光放電。此時(shí)兩級(jí)板之間的電壓陡降，電流又在增加，相當(dāng)于極間短路。放電集中在陰極的兩級(jí)板之間的電壓陡降，電流又在增加，相當(dāng)于極間短路。放電集中在陰極的某個(gè)區(qū)域，可能使局部電流密度過高而燒毀陰極靶。而且，較大的電流也可能某個(gè)區(qū)域，可能使局部電流密度過高而燒毀陰極靶。而且，較大的電流也可能損壞電源。損壞電源。

28、24注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)（1）盡量避免電流密度達(dá)到）盡量避免電流密度達(dá)到0.1A/cm2，出現(xiàn)弧光放電。，出現(xiàn)弧光放電。（2）在異常輝光放電階段，大量離子在負(fù)輝光區(qū)域中。）在異常輝光放電階段，大量離子在負(fù)輝光區(qū)域中。如果在這一區(qū)域正好有其他物體存在，就會(huì)對陰極造成如果在這一區(qū)域正好有其他物體存在，就會(huì)對陰極造成陰影，影響放電的均勻性。陰影，影響放電的均勻性。（3）陰極附近的其他物體可能受到離子的轟擊而產(chǎn)生其）陰極附近的其他物體可能受到離子的轟擊而產(chǎn)生其他雜質(zhì)混入沉積的薄膜中。無關(guān)零件應(yīng)遠(yuǎn)離陰極和沉積他雜質(zhì)混入沉積的薄膜中。無關(guān)零件應(yīng)遠(yuǎn)離陰極和沉積區(qū)。區(qū)。25二二 直流輝光放電區(qū)域劃分直流輝光放電區(qū)

29、域劃分輝光放電是氣體的自持放電過程輝光放電是氣體的自持放電過程（1）阿斯頓暗區(qū)：從陰極表面發(fā)出的電子，剛從陰極跑出，能量較低，不足以使）阿斯頓暗區(qū)：從陰極表面發(fā)出的電子，剛從陰極跑出，能量較低，不足以使氣體原子激發(fā)或者電離。氣體原子激發(fā)或者電離。（2）陰極輝光區(qū)：電子加速到能量足夠引起氣體原子激發(fā)，然后激發(fā)態(tài)的氣體原）陰極輝光區(qū)：電子加速到能量足夠引起氣體原子激發(fā)，然后激發(fā)態(tài)的氣體原子衰變和進(jìn)入此區(qū)域的離子復(fù)合產(chǎn)生輝光。子衰變和進(jìn)入此區(qū)域的離子復(fù)合產(chǎn)生輝光。 （3）陰極暗區(qū)（克魯克斯暗區(qū)）：電子能量進(jìn)一步加大到引起氣體原子電離，產(chǎn)）陰極暗區(qū)（克魯克斯暗區(qū)）：電子能量進(jìn)一步加大到引起氣體原子電離

30、，產(chǎn)生大量離子和電子，但不發(fā)生可見光。由于電子質(zhì)量小，容易被加速，可迅速離生大量離子和電子，但不發(fā)生可見光。由于電子質(zhì)量小，容易被加速，可迅速離開陰極暗區(qū)，而離子的質(zhì)量較大，向陰極移動(dòng)的速度較慢，所以正離子組成了空開陰極暗區(qū)，而離子的質(zhì)量較大，向陰極移動(dòng)的速度較慢，所以正離子組成了空間電荷并在該處聚集起來，正空間電荷的存在使電場嚴(yán)重變形，形成等效陽極。間電荷并在該處聚集起來，正空間電荷的存在使電場嚴(yán)重變形，形成等效陽極。使此區(qū)域的電位升高，與陰極形成很大的電位差（陰極輝光放電的陰極壓降），使此區(qū)域的電位升高，與陰極形成很大的電位差（陰極輝光放電的陰極壓降），陰極的壓降主要在此區(qū)域。該區(qū)域的電場

31、強(qiáng)度很大，正離子加速轟擊陰極，產(chǎn)生陰極的壓降主要在此區(qū)域。該區(qū)域的電場強(qiáng)度很大，正離子加速轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。以上三區(qū)總稱陰極區(qū)。二次電子發(fā)射。以上三區(qū)總稱陰極區(qū)。video26（4）負(fù)輝光區(qū)：在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的電子多數(shù)能量不大，進(jìn)入負(fù)輝區(qū)后，可以和離子）負(fù)輝光區(qū)：在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的電子多數(shù)能量不大，進(jìn)入負(fù)輝區(qū)后，可以和離子復(fù)合或產(chǎn)生激發(fā)碰撞。因此有大量的激發(fā)發(fā)光和復(fù)合發(fā)光。此區(qū)域的光最強(qiáng)。復(fù)合或產(chǎn)生激發(fā)碰撞。因此有大量的激發(fā)發(fā)光和復(fù)合發(fā)光。此區(qū)域的光最強(qiáng)。（5）法拉第暗區(qū)：大部分電子在上一區(qū)損失了能量，而此區(qū)的電場強(qiáng)度較弱，不足）法拉第暗區(qū)：大部分電子在上一區(qū)損失了能量，而此區(qū)的電場強(qiáng)度

32、較弱，不足以引起激發(fā)，從而產(chǎn)生暗區(qū)。以引起激發(fā)，從而產(chǎn)生暗區(qū)。（6）正離子柱：少數(shù)電子逐漸加速，并在空間與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離。因?yàn)殡娮樱┱x子柱：少數(shù)電子逐漸加速，并在空間與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離。因?yàn)殡娮訑?shù)量少，產(chǎn)生的正離子不多，形成正離子與電子密度相等的區(qū)域，類似于一個(gè)良導(dǎo)體，數(shù)量少，產(chǎn)生的正離子不多，形成正離子與電子密度相等的區(qū)域，類似于一個(gè)良導(dǎo)體，成為等離子體。成為等離子體。陰陽極的電位降主要發(fā)生在負(fù)輝區(qū)之前。維持輝光放電的電離大部分在陰極暗區(qū)。這陰陽極的電位降主要發(fā)生在負(fù)輝區(qū)之前。維持輝光放電的電離大部分在陰極暗區(qū)。這是是PVD、CVD等薄膜沉積所用的氣體放電中，我們最感興趣的兩個(gè)區(qū)

33、域。等薄膜沉積所用的氣體放電中，我們最感興趣的兩個(gè)區(qū)域。27陰極位降區(qū)陰極位降區(qū)陰極位降區(qū)是維持輝光放電不可缺少的部分，自持放電主要陰極位降區(qū)是維持輝光放電不可缺少的部分，自持放電主要在這個(gè)區(qū)域中進(jìn)行。在輝光放電濺射鍍膜和離子鍍膜中，入在這個(gè)區(qū)域中進(jìn)行。在輝光放電濺射鍍膜和離子鍍膜中，入射離子的能量是由陰極位降確定的。粗略估計(jì)，可以認(rèn)為陰射離子的能量是由陰極位降確定的。粗略估計(jì)，可以認(rèn)為陰極位降近似等于放電電壓。陰極位降的大小又與維持輝光放極位降近似等于放電電壓。陰極位降的大小又與維持輝光放電所必需的二次電子的放出效果，電子在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的一電所必需的二次電子的放出效果，電子在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的一

34、次電離效果相聯(lián)系。因此，陰極位降即放電電壓的大小要由次電離效果相聯(lián)系。因此，陰極位降即放電電壓的大小要由陰極材料，放電氣體離子的種類，放電氣壓，陰極電流密度陰極材料，放電氣體離子的種類，放電氣壓，陰極電流密度來決定。來決定。28輝光放電的產(chǎn)生條件：輝光放電的產(chǎn)生條件：（1）放電開始前，放電間隙中電場是均勻的或不均勻性不）放電開始前，放電間隙中電場是均勻的或不均勻性不大；大；（2）放電主要靠陰極發(fā)射電子的過程來維持；）放電主要靠陰極發(fā)射電子的過程來維持；（3）放電氣壓）放電氣壓P一般需要保持在一般需要保持在4102 Pa范圍內(nèi)。太高，范圍內(nèi)。太高，可能出現(xiàn)弧光放電，太低可能不能產(chǎn)生放電現(xiàn)象?？赡?/p>

35、出現(xiàn)弧光放電，太低可能不能產(chǎn)生放電現(xiàn)象。（4）輝光放電電流密度一般為）輝光放電電流密度一般為10-1102 mA/cm2,而電壓為而電壓為3005000V，屬于高電壓、小電流密度放電。，屬于高電壓、小電流密度放電。29輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)：輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)：阿斯頓暗區(qū)：阿斯頓暗區(qū)：從陰極發(fā)射的電子的初始能量只有從陰極發(fā)射的電子的初始能量只有1eV左右，所以與氣體分子不發(fā)左右，所以與氣體分子不發(fā)生相互作用，因此中性分子居多，且處于基態(tài)；其次還有些濺射原子。生相互作用，因此中性分子居多，且處于基態(tài)；其次還有些濺射原子。陰極輝光區(qū)：陰極輝光區(qū)：電子的能量進(jìn)一步增加，使氣體分子激發(fā)，當(dāng)

36、其躍遷回到基態(tài)就發(fā)電子的能量進(jìn)一步增加，使氣體分子激發(fā)，當(dāng)其躍遷回到基態(tài)就發(fā)出光波。還有一部分進(jìn)入到此區(qū)域的離子發(fā)生和電子復(fù)合發(fā)光。所以此處激發(fā)態(tài)出光波。還有一部分進(jìn)入到此區(qū)域的離子發(fā)生和電子復(fù)合發(fā)光。所以此處激發(fā)態(tài)原子最多，其次是在電場作用下遷移來的離子。原子最多，其次是在電場作用下遷移來的離子。30克魯克斯暗區(qū)克魯克斯暗區(qū)：電子的能量逐漸增加，使大量的氣體分子電離。此處的離子數(shù)：電子的能量逐漸增加，使大量的氣體分子電離。此處的離子數(shù)量最多。量最多。負(fù)輝光區(qū)負(fù)輝光區(qū)：在克魯克斯暗區(qū)產(chǎn)生的大量低速電子加速后又獲得能量，激發(fā)氣體：在克魯克斯暗區(qū)產(chǎn)生的大量低速電子加速后又獲得能量，激發(fā)氣體分子發(fā)光

37、。所以此區(qū)的激發(fā)原子再次增多。分子發(fā)光。所以此區(qū)的激發(fā)原子再次增多。31濺射現(xiàn)象的兩個(gè)主要問題：濺射現(xiàn)象的兩個(gè)主要問題：（1）克魯克斯暗區(qū)形成的大量正離子會(huì)在電場作用下沖）克魯克斯暗區(qū)形成的大量正離子會(huì)在電場作用下沖擊陰極；擊陰極；（2）當(dāng)兩極板之間的電壓不變，距離改變時(shí)，陰極到負(fù)）當(dāng)兩極板之間的電壓不變，距離改變時(shí)，陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離幾乎不變，變化的主要是陽極光柱的長度。輝光區(qū)的距離幾乎不變，變化的主要是陽極光柱的長度。因?yàn)閮蓸O間的壓降主要發(fā)生在陰極到負(fù)輝區(qū)之間。因此陽因?yàn)閮蓸O間的壓降主要發(fā)生在陰極到負(fù)輝區(qū)之間。因此陽極（基板）至少應(yīng)放在負(fù)輝光區(qū)以外遠(yuǎn)離陰極的一邊。極（基板）至少應(yīng)放在負(fù)輝

38、光區(qū)以外遠(yuǎn)離陰極的一邊。32正常輝光放電和異常輝光放電：正常輝光放電和異常輝光放電：特性特性正常輝光放電正常輝光放電異常輝光放電異常輝光放電陰極位降大小和電流無關(guān)和氣壓無關(guān)與電流成正比隨氣壓的提高而減小陰極位降區(qū)寬度和電流無關(guān)和氣壓成反比隨電流增加而減小隨電壓增高而減小電流密度和電流無關(guān)隨氣壓增加而增加隨電壓升高而增大隨氣壓增高而增大陰極斑點(diǎn)面積與電流成正比陰極全部布滿輝光正常輝光放電的陰極位降區(qū)寬度正常輝光放電的陰極位降區(qū)寬度dk由下式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定：式中，式中，A為常數(shù)?？芍?，為常數(shù)?？芍?，dk與與p成反比。正常輝光放電的電流密度一定。因此，成反比。正常輝光放電的電流密度一定。因此，在一

39、定氣壓時(shí)，在一定氣壓時(shí)，dk一定。一定。Apjdk)11ln(82. 033異常輝光放電的陰極位降異常輝光放電的陰極位降Uka和陰極位降區(qū)寬度和陰極位降區(qū)寬度dka由下式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定：akaakajHpGdpFjEU整理二式得：整理二式得：式中，式中，E，F(xiàn)，G，H為常數(shù)，可由下表查知為常數(shù)，可由下表查知EUHFGdpkaka34射頻輝光放電：射頻輝光放電：概念：概念：交流電壓的頻率增加到射頻頻率時(shí)，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。交流電壓的頻率增加到射頻頻率時(shí)，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。特征：特征：（1）放電空間產(chǎn)生的電子可以獲得足夠的能量，從而產(chǎn)生碰撞電離。減少了對）放電空間產(chǎn)生的電

40、子可以獲得足夠的能量，從而產(chǎn)生碰撞電離。減少了對二次電子的依賴，降低了擊穿電壓。二次電子的依賴，降低了擊穿電壓。（2）射頻電壓可以通過任何類型的阻抗耦合進(jìn)去，所以電極并不需要是良好的）射頻電壓可以通過任何類型的阻抗耦合進(jìn)去，所以電極并不需要是良好的導(dǎo)體。所以可以實(shí)現(xiàn)任何材料的濺射，應(yīng)用非常廣泛。導(dǎo)體。所以可以實(shí)現(xiàn)任何材料的濺射，應(yīng)用非常廣泛。放電過程：放電過程：一般射頻頻率達(dá)到一般射頻頻率達(dá)到530MHz范圍，就可產(chǎn)生射頻放電。此時(shí)外加電范圍，就可產(chǎn)生射頻放電。此時(shí)外加電壓的變化周期很短，而且小于電離和消電離所需的時(shí)間。壓的變化周期很短，而且小于電離和消電離所需的時(shí)間。對等離子體，對等離子體，

41、其濃度來不及變化；其濃度來不及變化；對離子，對離子，質(zhì)量大，來不及進(jìn)行有效移動(dòng)，可近似認(rèn)為不動(dòng)。正離子在空間不動(dòng)，質(zhì)量大，來不及進(jìn)行有效移動(dòng)，可近似認(rèn)為不動(dòng)。正離子在空間不動(dòng)，形成更強(qiáng)的正空間電荷，對放電起增強(qiáng)作用。形成更強(qiáng)的正空間電荷，對放電起增強(qiáng)作用。對電子，對電子，質(zhì)量小，容易在電場作用下在射頻場內(nèi)來回振蕩。經(jīng)過放電空間的路質(zhì)量小，容易在電場作用下在射頻場內(nèi)來回振蕩。經(jīng)過放電空間的路程較長，因此能增加與氣體分子的碰撞幾率，使電離能力顯著提高，降低擊穿程較長，因此能增加與氣體分子的碰撞幾率，使電離能力顯著提高，降低擊穿電壓和工作電壓。電壓和工作電壓。低頻交流輝光放電低頻交流輝光放電概念：概

42、念：在頻率低于在頻率低于50kHz的交流電壓下，離子有足夠的活動(dòng)性，也有足夠的時(shí)間的交流電壓下，離子有足夠的活動(dòng)性，也有足夠的時(shí)間在每個(gè)半周的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生輝光放電。與直流放電的區(qū)別僅僅在于兩個(gè)電極交替在每個(gè)半周的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生輝光放電。與直流放電的區(qū)別僅僅在于兩個(gè)電極交替地成為陰極和陽極。實(shí)際用處不大。地成為陰極和陽極。實(shí)際用處不大。35三三 濺射的特性濺射的特性 表征濺射特性的參量主要有表征濺射特性的參量主要有濺射閥值、濺射率濺射閥值、濺射率以及以及濺射粒子的速度濺射粒子的速度和和能量能量等。等。1濺射閾值濺射閾值 濺射閾值濺射閾值指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有指使靶材原子發(fā)生濺射的

43、入射離子所必須具有的最小能量。入射離子不同時(shí)濺射閾值變化很小，而對不同的最小能量。入射離子不同時(shí)濺射閾值變化很小，而對不同靶材濺射閥值的變化比較明顯，即靶材濺射閥值的變化比較明顯，即濺射閾值主要取決于靶材濺射閾值主要取決于靶材料料，與離子質(zhì)量無明顯依賴關(guān)系。與離子質(zhì)量無明顯依賴關(guān)系。 絕大多數(shù)金屬的濺射閾值絕大多數(shù)金屬的濺射閾值為為1030eV, 相當(dāng)于升華熱的相當(dāng)于升華熱的4倍倍濺射閾值與離子質(zhì)量沒有明顯的依賴關(guān)系，而主要取決于靶濺射閾值與離子質(zhì)量沒有明顯的依賴關(guān)系，而主要取決于靶材。材。對于同一周期的元素，濺射閾值隨著原子序數(shù)的增加而對于同一周期的元素，濺射閾值隨著原子序數(shù)的增加而減小減小

44、。362濺射率濺射率濺射率濺射率表示正離子轟擊靶陰極時(shí)，平均每個(gè)正離子能從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)。又稱陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，常用，常用S表表示。示。濺射率與濺射率與入射離子入射離子種類、能量、角度及種類、能量、角度及靶材靶材的類型、晶的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)，單晶靶材還單晶靶材還與表面取向有關(guān)。與表面取向有關(guān)。（1）靶材料）靶材料 a.濺射率濺射率S 隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。隨靶材元素原子序數(shù)增加而增大。 b.晶格結(jié)構(gòu)不同，晶格結(jié)構(gòu)不同，S不同。不

45、同。 c.與表面清潔度有關(guān)，清潔度高，與表面清潔度有關(guān)，清潔度高，S大。大。 d.升華熱大，升華熱大，S小。小。3738（2 2）入射離子能量）入射離子能量離子能量在閾值離子能量在閾值500eV 500eV 之間，濺射產(chǎn)額與離子能量的平方呈正比；之間，濺射產(chǎn)額與離子能量的平方呈正比；500eV500eV1keV1keV之間，濺射產(chǎn)額與離子能量呈正比；之間，濺射產(chǎn)額與離子能量呈正比；1keV1keV50keV50keV之間，濺射產(chǎn)額與離子能量的平方根呈正比；之間，濺射產(chǎn)額與離子能量的平方根呈正比；離子能量繼續(xù)增加，離子能量繼續(xù)增加，因?yàn)楫a(chǎn)生離子注入效因?yàn)楫a(chǎn)生離子注入效應(yīng)。濺射產(chǎn)額下降。應(yīng)。濺射產(chǎn)

46、額下降。轟擊離子越重，出現(xiàn)轟擊離子越重，出現(xiàn)下降的能量越高。下降的能量越高。39一般的，濺射率（一般的，濺射率（S）和入射離子能量）和入射離子能量E有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：其中，其中，Eth是原子從晶格點(diǎn)陣被碰離位，產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)所必需的能量閾是原子從晶格點(diǎn)陣被碰離位，產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)所必需的能量閾值，是值，是Us和質(zhì)量比和質(zhì)量比M2/M1的函數(shù)，的函數(shù)，M2樣品原子質(zhì)量，樣品原子質(zhì)量，M1入射離子質(zhì)量。入射離子質(zhì)量。Sn(E)彈性碰撞阻止截面，彈性碰撞阻止截面，Us是表面結(jié)合能。是表面結(jié)合能。)(1)()/(042. 02/112EEESUMMSthns3/223/210212221211

47、2218853. 0,)88. 6708. 1(335. 61)718. 2lg(411. 34)(ZZaaMMMeZZaESSMMMeZaZESnnn其中，其中，a0是氫原子第一是氫原子第一玻爾軌道半徑，其數(shù)值玻爾軌道半徑，其數(shù)值大約為大約為0.529，e是電是電子電量，子電量，Z1和和Z2分別是分別是入射離子和樣品原子的入射離子和樣品原子的原子序數(shù)。原子序數(shù)。40和和Eth可由下列關(guān)系式給出：可由下列關(guān)系式給出：因此，對于單原子樣品的濺射，利用上述半經(jīng)驗(yàn)公式，求出濺射率的因此，對于單原子樣品的濺射，利用上述半經(jīng)驗(yàn)公式，求出濺射率的大小是完全可能的。大小是完全可能的。115. 3/;)/(7

48、91. 2809. 5115. 3/;)/(46.11143. 4163. 2/;)/(6092. 04137. 0163. 2/;)/(0842. 01019. 0124816. 012125004. 012121708. 012129805. 012MMMMMMMMUEMMMMMMMMsth41（3）入射離子的種類）入射離子的種類入射離子的原子量越大，濺射率越高。周期表的同一行中，入射離子的原子量越大，濺射率越高。周期表的同一行中，電子殼層填滿的元素（惰性氣體）有最大的濺射率。周期電子殼層填滿的元素（惰性氣體）有最大的濺射率。周期表的同一列中，中間部位元素的濺射率最小。表的同一列中，中間部

49、位元素的濺射率最小。一般采用一般采用惰性氣體惰性氣體作為入射離子，作為入射離子，既既有較高的濺射率，有較高的濺射率，也能避免與靶材發(fā)也能避免與靶材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。生化學(xué)反應(yīng)?？紤]考慮到成本，一般選用到成本，一般選用氬氣氬氣。各種惰性氣。各種惰性氣體的濺射率差別不體的濺射率差別不大。大。42（4）入射離子的入射角）入射離子的入射角概念：入射離子的入射方向與靶材表面法線之間的夾角。概念：入射離子的入射方向與靶材表面法線之間的夾角。入射角在入射角在6080時(shí)，濺射速率最大，時(shí)，濺射速率最大，90 時(shí)為時(shí)為0。對。對于不同的靶材和入射離子，存在最佳入射角度。于不同的靶材和入射離子，存在最佳入射角度。43

50、輕元素靶材和重入射離子，角度變化對濺射率更靈敏。輕元素靶材和重入射離子，角度變化對濺射率更靈敏。隨著入射離子能量的增加，最大濺射率對應(yīng)的入射角度越大。隨著入射離子能量的增加，最大濺射率對應(yīng)的入射角度越大。解釋：入射離子所具有的能量轟擊靶材，將引起靶表面原子解釋：入射離子所具有的能量轟擊靶材，將引起靶表面原子的級(jí)聯(lián)碰撞。此級(jí)聯(lián)碰撞的擴(kuò)展范圍與入射離子的角度有關(guān)。的級(jí)聯(lián)碰撞。此級(jí)聯(lián)碰撞的擴(kuò)展范圍與入射離子的角度有關(guān)。在在大入射角情況下大入射角情況下，級(jí)聯(lián)碰撞集中在淺表面層，妨礙了碰撞，級(jí)聯(lián)碰撞集中在淺表面層，妨礙了碰撞范圍的拓展，使濺射率下降；范圍的拓展，使濺射率下降；小入射角情況下小入射角情況下

51、，離子以彈性，離子以彈性方式從表面反射出來，反射離子對后來的入射離子有屏蔽阻方式從表面反射出來，反射離子對后來的入射離子有屏蔽阻擋作用，所以在入射角為擋作用，所以在入射角為6080時(shí)，阻擋作用最小，時(shí)，阻擋作用最小，轟擊效果最好。轟擊效果最好。44 （5）靶材溫度）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)，在華能相關(guān)的某溫度值有關(guān)，在低于低于此溫度時(shí)，濺射率幾乎此溫度時(shí)，濺射率幾乎不變不變。但是，。但是，超過此溫度超過此溫度時(shí)，濺射率將時(shí)，濺射率將急劇增大急劇增大。45 3濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速

52、度（1） 濺射原子濺射原子的能量比的能量比蒸發(fā)原子蒸發(fā)原子的能量大：的能量大： 一般由一般由蒸發(fā)源蒸發(fā)蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子的能量為出來的原子的能量為 0.1ev 左右。左右。 濺射濺射中，由于濺射原子是與高能量（幾百中，由于濺射原子是與高能量（幾百-幾千幾千 ev） 入射離子交換能量而飛濺出來的，所以，入射離子交換能量而飛濺出來的，所以，濺射原子具有濺射原子具有 較大的能量。較大的能量。一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子一般認(rèn)為，濺射原子的能量比熱蒸發(fā)原子 能量大能量大 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)，約個(gè)數(shù)量級(jí)，約5-10 ev。 （2）影響濺射原子的能量的影響濺射原子的能量的因素：因素： 濺射原子的能

53、量與濺射原子的能量與靶材料、入射離子的種類靶材料、入射離子的種類和和能量能量以以及及濺射原子的方向性濺射原子的方向性有關(guān)。有關(guān)。46不同能量的離子轟擊相同靶材時(shí)，濺射原子能量分布呈麥克不同能量的離子轟擊相同靶材時(shí)，濺射原子能量分布呈麥克斯韋分布，平均能量為斯韋分布，平均能量為1040eV；入射離子能量大于；入射離子能量大于1000eV后，平均能量不再增加。后，平均能量不再增加。相同能量的離子轟擊不同靶材時(shí)，濺射原子的平均能量與靶相同能量的離子轟擊不同靶材時(shí)，濺射原子的平均能量與靶材有關(guān)。材有關(guān)。47同種離子轟擊不同靶材時(shí)，濺射原子的平均逸出能量在原同種離子轟擊不同靶材時(shí)，濺射原子的平均逸出能量

54、在原子序數(shù)大于子序數(shù)大于20后，差別較大。平均逸出速度差異較小。后，差別較大。平均逸出速度差異較小。48濺射原子的濺射原子的能量能量和和速度速度具有以下幾個(gè)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)重元素靶材重元素靶材被濺射出來的原子有被濺射出來的原子有較高的逸出能量較高的逸出能量，而，而輕元素靶材輕元素靶材則有則有高的原子逸出速度高的原子逸出速度；(2)不同靶材料具有不相同的原子逸出能量不同靶材料具有不相同的原子逸出能量,濺射率高的靶材料，通常有較濺射率高的靶材料，通常有較低的平均原子逸出能量；低的平均原子逸出能量；(3)在相同的轟擊能量下，原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，在相同的轟擊能量下，原子逸

55、出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加，輕入輕入射離子濺射出的原子其逸出能量較低，射離子濺射出的原子其逸出能量較低，約為約為10 eV ，而，而重入射離子濺射出重入射離子濺射出的原子其逸出能量較大，的原子其逸出能量較大，平均達(dá)到平均達(dá)到3040eV，與濺射率的情形相類似；，與濺射率的情形相類似；(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(dāng)入射離子濺射原子的平均逸出能量，隨入射離子能量增加而增大，當(dāng)入射離子能量達(dá)到能量達(dá)到1keV以上時(shí)，平均逸出能量逐漸趨于恒定值以上時(shí)，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能量，這符合濺射的碰撞過程遵循在傾斜方向逸出的原子具有

56、較高的能量，這符合濺射的碰撞過程遵循動(dòng)量和能量守恒定律動(dòng)量和能量守恒定律。* 此外，此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶材的結(jié)晶取向與晶體結(jié)構(gòu)對逸出能量影響不大實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶材的結(jié)晶取向與晶體結(jié)構(gòu)對逸出能量影響不大。濺射率高的靶材料通常具有較低的平均逸出能量濺射率高的靶材料通常具有較低的平均逸出能量。494濺射原子的角度分布濺射原子的角度分布 早期早期的濺射理論（的濺射理論（濺射的熱峰蒸發(fā)理論）濺射的熱峰蒸發(fā)理論）認(rèn)為：認(rèn)為： 濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了濺射的發(fā)生是由于高能量的轟擊離子產(chǎn)生了局部高溫區(qū)局部高溫區(qū)，從而從而導(dǎo)致靶材料的蒸發(fā)導(dǎo)致靶材料的蒸發(fā)，逸出原子呈現(xiàn)，逸出原子呈現(xiàn)余弦分布余弦分

57、布規(guī)律，并且規(guī)律，并且與入射離子的方向性無關(guān)與入射離子的方向性無關(guān)。 進(jìn)一步研究進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：（1）用低能離子轟擊時(shí)，逸出原子的分布）用低能離子轟擊時(shí)，逸出原子的分布并不服從余弦分布并不服從余弦分布定律。垂直于靶表面方向定律。垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)明顯地逸出的原子數(shù)明顯地少少于按余弦分于按余弦分布時(shí)應(yīng)有的逸出原子布時(shí)應(yīng)有的逸出原子 數(shù)數(shù)（2）對于不同的靶材料，角分布與余弦分布的偏差不相同）對于不同的靶材料，角分布與余弦分布的偏差不相同 （3）改變改變轟擊離子的轟擊離子的入射角入射角時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射時(shí)，逸出原子數(shù)在入射的正反射 方向顯著增加方向顯著增加（4）濺射原子的逸

58、出主要）濺射原子的逸出主要方向與晶體結(jié)構(gòu)方向與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)有關(guān)。5051四濺射過程四濺射過程 濺射過程包括濺射過程包括靶的濺射靶的濺射、逸出粒子的形態(tài)逸出粒子的形態(tài)、 濺射粒子向基片的遷移濺射粒子向基片的遷移和和在基板上成膜的過程在基板上成膜的過程。1 1靶材的濺射過程靶材的濺射過程當(dāng)入射離子在與靶材的碰撞過程中，將動(dòng)量傳遞給靶材當(dāng)入射離子在與靶材的碰撞過程中，將動(dòng)量傳遞給靶材原子，使其獲得的能量超過其結(jié)合能時(shí)，才可能使靶原子原子，使其獲得的能量超過其結(jié)合能時(shí)，才可能使靶原子發(fā)生濺射。這是靶材在濺射時(shí)發(fā)生濺射。這是靶材在濺射時(shí)主要發(fā)生的一個(gè)過程。主要發(fā)生的一個(gè)過程。 實(shí)際上，實(shí)際上，濺射過程十

59、分復(fù)雜濺射過程十分復(fù)雜，當(dāng)高能入射離子轟擊固體，當(dāng)高能入射離子轟擊固體表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如圖圖 所示的所示的許多效應(yīng)許多效應(yīng)。除了靶材的中性粒。除了靶材的中性粒子，即原子或分子最終淀積為薄膜之外，其他一些效應(yīng)會(huì)子，即原子或分子最終淀積為薄膜之外，其他一些效應(yīng)會(huì)對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。52其他過程：其他過程：入射離子從靶表面發(fā)射；入射離子從靶表面發(fā)射；入射離子在轟擊過程中捕獲電子后成為中性原子或分子，從入射離子在轟擊過程中捕獲電子后成為中性原子或分子，從表面反射；表面反射；離子轟擊靶引起靶表面逸出次級(jí)電子；離子轟擊靶引起靶表面逸出次級(jí)電子；離子

60、深入靶表面產(chǎn)生注入效應(yīng)；吸附氣體的解析；離子深入靶表面產(chǎn)生注入效應(yīng)；吸附氣體的解析；輻射射線等。輻射射線等。除了中性離子沉積成薄膜除了中性離子沉積成薄膜外，其他效應(yīng)會(huì)對濺射膜外，其他效應(yīng)會(huì)對濺射膜層的生長產(chǎn)生很大的影響。層的生長產(chǎn)生很大的影響。而且，這些效應(yīng)同樣會(huì)作而且，這些效應(yīng)同樣會(huì)作用于待鍍的基片上。因?yàn)橛糜诖兊幕?。因?yàn)橐话慊拥兀鄬τ陉栆话慊拥兀鄬τ陉枠O處于負(fù)電位。極處于負(fù)電位。532 2濺射粒子的遷移過程濺射粒子的遷移過程 靶材受到轟擊所逸出的粒子中，靶材受到轟擊所逸出的粒子中，正離子正離子由于由于反向電場反向電場的作用不能到的作用不能到達(dá)基片表面，其余的粒子均會(huì)向基片