薄膜沉積的共性問題第二講

1、牡丹江大學光伏學院教育訓練計劃河北東旭投資集團有限公司2011. 03.0112等離子體在薄膜沉積中的作用 基本概念離子、電子共存，整體呈電中性的物質狀態(tài)形成方式電子加速到一定能量，與氣體分子碰撞，使其電離或者激發(fā)（未被電離而處于激發(fā)狀態(tài)）。激發(fā)閥值或者離化閥值-能使氣體分子激發(fā)和電離的電子具有的最低能量值。（電子能量離化閥值）離化率-引起氣體電離的碰撞次數與總碰撞次數的比值。離化率隨電子能量的不同而變化。碰撞過程中：（a）發(fā)生有效地離化；（b）激發(fā)氣體分子為激發(fā)原子、原子團或者分子等，形成活性基， 增加等離子體的活性；（c）被激發(fā)原子或者分子經過極短的弛豫時間，返回平衡狀態(tài)， 同時發(fā)出相應的

2、輝光。 3等離子體的形成方法形成低溫等離子體的基本方法： 使電子帶有最容易引起離化和激發(fā)的能量，由這種荷能電子碰撞氣體原子，使其離化或激發(fā)，同時要求產生的等離子體具有較高的密度、均勻的分布、便于利用的形式以及良好的可控制性。4等離子體的形成方式熱電子發(fā)射型二極放電型磁控放電型無極放電型ECR放電型由熱陰極發(fā)射的電子被陽極加速，在奔向陽極的過程中與氣體分子發(fā)生碰撞，使后者離化或者激發(fā)，形成等離子體。工作氣壓在100Pa-0.01Pa。離子入射冷陰極會激發(fā)出電子，該電子在向陽極移動的過程中，與氣體分子發(fā)生碰撞，使后者離化或者激發(fā)，形成等離子體工作氣壓在100Pa-1Pa。原理與二極放電型一樣，只是

3、在陰極背面放置磁場，形成互相垂直的電磁場，使電子做圓周運動，增加碰撞機會，從而增加離化率。工作氣壓在100Pa-10-12Pa。在絕緣管外周繞以高頻線圈，利用線圈產生的高頻電磁波，在絕緣管內部形成等離子體。工作氣壓在1000Pa-0.1Pa。ECR即電子回旋共振，其是由電子回旋共振產生氣體放電進而形成等離子體得方式。工作氣壓在1Pa-10-3Pa。51853年Grove就觀察到了濺射現象，發(fā)現在氣體放電室的器壁上有一層金屬沉積物，沉積物的成份與陰極材料的成份完全相同。但當時他并不知道產生這種現象的物理原因 。1902年，Goldstein 才指出產生這種濺射現象的原因是由于陰極受到電離氣體中的

4、離子的轟擊而引起的，并且他完成了第一個離子束濺射實驗。到了1960年以后，人們開始重視對濺射現象的研究，其原因是它不僅與帶電粒子同固體表面相互作用的各種物理過程直接相關，而且它具有重要的應用，如核聚變反應堆的器壁保護、表面分析技術及薄膜制備等都涉及到濺射現象。1969年，Sigmund 在總結了大量的實驗工作的基礎上，對Thompson的理論工作進行了推廣，建立了原子線性級聯碰撞的理論模型，并由此得到了原子濺射產額的公式。1974年，H.H. Andersen 和H. L. Bay 研究（實驗）了低能重離子輻照固體表面，可以產生非線性濺射現象，通常稱為“熱釘扎” (thermalized sp

5、ike) 效應。 濺射鍍膜的發(fā)展歷程6濺射鍍膜概述在真空室中，荷能粒子(電場加速的正離子)打在固體表面時，與表面的原子、分子交換能量，從而使這些原子、分子飛濺出來，落在襯底上形成薄膜。1、膜層與基體的附著力強2、方便制取高熔點物質的薄膜3、在大面積連續(xù)基板上可制取均勻的膜層4、容易控制膜的成分，可制取各種不同成分和配比的合金模5、可以進行反應濺射、制取多種化合物膜，可方便鍍制多層膜6、便于工業(yè)化生產，易于實現連續(xù)化、自動化操作二 濺射與二次離子 入射離子轟擊固體時，會直接或間接迫使固體表面許多原子運動，此過程稱為級聯碰撞。當表面原子獲得足夠能量和動量而背離表面運動時，就引發(fā)表面粒子(原子、離子

6、、基團)發(fā)射，稱為濺射。離子濺射可用來剝蝕樣品，配合俄歇電子能譜分析可確定樣品成分隨深度的變化情況，即材料的縱深剖析。離子濺射8離子束與材料的相互作用入射離子濺射產額與入射離子的能量、入射角、靶原子質量和入射離子質量之比、入射離子的種類靶濺射產額與靶原子的原子序數相關，即原子量和在周期表中所處的位置、靶表面原子的結合狀態(tài)、結晶取向以及靶材的成分。濺射產物 入射離子 濺射出陰極靶原子 產生二次電子 濺射掉表面沾污，即濺射清洗 離子被電子中和并以高能中性原 子或以金屬 原子的形式從陰極表 面反射 進入陰極表面并改變表面性能 濺射出的表面原子 被散射回陰極 被電子或者亞穩(wěn)態(tài)原子碰撞電離 后，加速返回

7、到陰極或產生濺射 作用或在陰極區(qū)損失掉 以荷能中性粒子的形式沉積到基 片或其他某些部位，即濺射鍍膜9濺射產額 濺射過程可以用濺射產額這個物理量來定量地描述，其定義為平均每入射一個粒子從靶表面濺射出來的原子數，即 濺射產額依賴于靶材料的結構、成份及表面形貌，同時還與入射離子的能量、電荷態(tài)和種類有關。 10一般地，濺射產額隨入射離子能量的變化有如下特征： （1）存在一個濺射閾值，閾值能量一般為20100 eV。當入射離子的能量小于這個閾值時，沒有原子被濺射出來。通常當入射離子的能量為110 keV時，濺射產額可以達到一個最大值。 （2）當入射離子的能量超過10 keV 時，濺射產額開始隨入射離子的能量增加而下降。 濺射產額的影響因素11濺射產額的影響因素 濺射產額依入射離子的種類和靶材的不同而異！ 濺射產額在一定的靶材和入射離子條件下，與入 射角有關，隨著入射角的增大而減??！