电子科大薄膜物理(赵晓辉)第三章溅射技术分析.ppt

第三章 Sputtering/溅射 1 什么是溅射? 1、定义： ①所谓溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。 ②用带有几十电子伏特以上动能的粒子束照射固体表面，使靠近固体表面的原子获得能量而从表面射出的现象。 2 ①荷能粒子为 几十个电子伏特的粒子 －－说明入射粒子的能量范围 ②入射粒子或粒子束，一般意义上的溅射就是指离子溅射。 ③出射原子靠近表面 3 2.定义比较 4 镀膜 SIMS分析 刻蚀，清洗 占靶产物的85-90％ 3.离子轰击固体表面的效应 3.1 等离子体－溅射如何发生? 1. 什么是等离子体? 物质的“第四态” 部分电离的气体 5 冰，此时其微观基本组元（分子）的热运动动能小于组元之间的相互作用势能，因而相互束缚，在空间的相对位置固定，是固体状态 水，分子热运动能与分子间相互作用势能相当。分子可以自由地移动，但在边界面上大多数分子还不能可以克服表面束缚能，因而存在一个明显的表面，是液体状态 水的四种状态 6 蒸汽，分子热运动能克服分子间的相互作用势垒，包括表面的束缚能，分子因此变成彼此自由的个体，它们将占据最大可能占据的空间，是气体状态. 当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离子体状态。 7 等离子体空间 2. 如何生成等离子体? 从中性的气体分子或原子开始 存在少量的自由电子 热能可生成更多的自由电子 8 ① 需要采用以下方式对气体施加能量: 热: 温度4000 ℃ 辐射 电场 磁场 等离子体的形成: 引入电场加速自由电子 加速的自由电子与气体分子发生碰撞 碰撞后，会发生: a. dissociation/解离 b. Ionization/电离 c. Excitation/激发 9 3. 等离子体的电价 实际上，作为气态介质的等离子体包含有: 中性气体原子或分子 离子 自由的激发态电子 光子 净电荷为零 带电离子相对很少：~ 1,000,000 个中性原子中可能有一个带电（离子） 10 11 电离度由萨哈（Saha）方程给出， ni、no:离子与原子的密度，T为温度、Ei为电离能 温度单位电子伏特与开尔文（K）的换算关系为: 1 eV = 11600 K （根据波尔兹曼常数换算） 取no=3×1025/m-3，T＝0.03eV， Ei＝14.5eV（氮气），则ni/no约为10－122 电离度 12 4. 等离子体鞘层 对于1Pa左右的辉光放电： 原子、电子、正离子的总密度：3× 1014个/cm3； 其中10-4的比例为电子和离子。 产生的是冷等离子体：电子和原子及正离子温度不等 Te＝23000K，Ti=300-500K。 离子的能量低，加上质量大， 所以其运动速度远远低于电子： 平均速度：Ve＝9.5 ×105m/s， Vi＝500m/s。 等离子体鞘层： 13 任何与等离子体接触的表面自动处于一个负电位，并在其表面伴随有正电荷的积累。 14 鞘层电压： 典型值：～10V，并变化不大。 在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片， 电子受到减速，需大的能量方能到达基片。 鞘层厚度d：与电子密度、温度、压降有关；∝（Vp-V）2/3~3/4 直流辉光放电 的电位分布和 等离子体鞘层 气体分子分解为更小的“自由基”： M + e- = M1 + M2 + e- 自由基是高能量的化学物质。 尽管成电中性，但是并不稳定。 容易与其他物质发生反应而达到稳定状态。 15 5. 等离子体化学 如图所示，Cl自由基生成。稳定态为 Cl2. 单个 Cl 不稳定，易与Al反应 Al(s) + 3Cl(g) ? AlCl3 (g) 这就是Al刻蚀工艺。 16 ① Dissociation/解离 Dissociation ?? Recombination 如果化学反应中有剩余自由基的话，他们会自动复合形成稳定态：CCl3 + Cl ? CCl4 等离子体中自由基可以用于： Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)/等离子体增强化学气相沉积 化学反应生成 固体 Plasma Etching and Plasma Cleaning/等离子体刻蚀和等离子体清洁 化学反应生成 蒸汽 17 逆反应 Recombination/复合 电子被从中性原子和分子上敲下来M + e- = M+ + 2e- 生成带正电的颗粒称为“离子”。 因为带电，所以可用电场操控。 18 ②Ionization/电离 每