物理气相淀积

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1、第五章第五章物理气相淀积物理气相淀积1物理气相淀积物理气相淀积利利用用某某种种物物理理过过程程，例例如如蒸蒸发发或或溅溅射射，实实现现物物质质的的转转移移，即即原子或分子由源转移到衬底硅表面上，并淀积成薄膜。原子或分子由源转移到衬底硅表面上，并淀积成薄膜。两种基本的物理气相淀积技术：两种基本的物理气相淀积技术：真空蒸发真空蒸发在在真真空空条条件件下下，加加热热蒸蒸发发源源，使使原原子子或或分分子子从从蒸蒸发发源源表表面面逸逸出出，形形成成蒸蒸气气流流并并入入射射到到硅硅片片(衬衬底底)的的表表面面，凝凝结结成成固固态薄膜。态薄膜。溅射溅射具具有有一一定定能能量量的的入入射射离离子子在在对对固固

2、体体表表面面轰轰击击时时，入入射射离离子子在在与与固固体体表表面面原原子子的的碰碰撞撞过过程程中中将将发发生生能能量量和和动动量量的的转转移移，并并可可能能将将固固体体表表面面的的原原子子溅溅射射出出来来，溅溅射射原原子子沿沿一一定定方方向向射射向衬底，实现薄膜淀积。向衬底，实现薄膜淀积。两种物理气相淀积方法的特点两种物理气相淀积方法的特点内容提要内容提要5.1真空镀膜法的基本原理真空镀膜法的基本原理5.2蒸发源蒸发源5.3气体辉光放电气体辉光放电5.4溅射溅射5.1真空镀膜法的基本原理真空镀膜法的基本原理一、真空蒸发法的优点和缺点一、真空蒸发法的优点和缺点一、真空蒸发法的优点和缺点一、真空蒸

3、发法的优点和缺点真真空空蒸蒸发发就就是是利利用用蒸蒸发发材材料料在在高高温温时时所所具具有有的的饱饱和和蒸蒸气气压进行薄膜制备，也称为压进行薄膜制备，也称为热蒸发热蒸发。优点：优点：设设备备简简单单、操操作作容容易易、制制备备的的薄薄膜膜纯纯度度比比较较高高、厚厚度度控控制较精确、成膜速度快、生长机理简单。制较精确、成膜速度快、生长机理简单。缺点：缺点：制制备备薄薄膜膜与与衬衬底底的的附附着着力力较较小小、工工艺艺重重复复性性不不理理想想、台台阶覆盖能力差。阶覆盖能力差。二、真空蒸发设备二、真空蒸发设备1.真真空空蒸蒸发发设设备备的的三三大大组组成成部部分及功用分及功用1)真真空空系系统统：为

4、为蒸蒸发发过过程程提提供供真真空空环境；环境；2)蒸蒸发发系系统统：放放置置蒸蒸发发源源的的装装置置，以及加热和测温的装置；以及加热和测温的装置；3)基基板板及及加加热热系系统统：该该系系统统是是用用来来放放置置硅硅片片(衬衬底底)，对对衬衬底底加加热热及及测温装置等。测温装置等。至真空系统至真空系统少量气体由抽少量气体由抽空系统倒流空系统倒流真空罩真空罩基片夹和基片夹和加热器加热器2.真空蒸发法制备薄膜的基本过程真空蒸发法制备薄膜的基本过程1)加热蒸发过程加热蒸发过程将将蒸蒸发发源源加加热热至至熔熔点点，使使固固态态源源表表面面原原子子易易于于溢溢出出，转转化为蒸气。化为蒸气。2)气化原子或

5、分子气化原子或分子在蒸发源与基片之间的在蒸发源与基片之间的输运过程输运过程原原子子或或分分子子在在真真空空环环境境中中，由由源源飞飞向向硅硅片片，飞飞行行过过程程中中可可能能与与真真空空室室内内的的残残余余气气体体分分子子发发生生碰碰撞撞，碰碰撞撞次次数数取取决决于于真空度真空度以及硅片之间的距离。以及硅片之间的距离。3)被蒸发的原子或分子在衬底表面的被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程淀积过程飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核和生长的过程。飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核和生长的过程。a)真空真空是是指指在在给给定定空空间间内内低低于于一一个个大大气气压压力力的的气气体体状状态态，也

6、也就就是是该该空空间间的的气气体体分分子子密密度度低低于于该该地地区区大大气气压压的的气气体体分子密度。分子密度。b)测量单位：帕斯卡测量单位：帕斯卡(Pa)1Pa就是就是1m2面积上作用面积上作用1N的压力。的压力。1大气压大气压=1.03105Pac)真空度：表示真空状态下气体的稀薄程度。真空度：表示真空状态下气体的稀薄程度。真空蒸发须在真空蒸发须在较高真空环境较高真空环境中进行，否则蒸发的原子或分中进行，否则蒸发的原子或分子与大量的残余气体分子碰撞，将使薄膜受到严重污染、形成子与大量的残余气体分子碰撞，将使薄膜受到严重污染、形成氧化物、难于形成均匀连续的薄膜。氧化物、难于形成均匀连续的薄

7、膜。三、汽化热和蒸气压三、汽化热和蒸气压1.汽化热汽化热真真空空蒸蒸发发系系统统中中，热热源源将将蒸蒸发发材材料料加加热热到到足足够够高高的的温温度度，使使其其原原子子或或分分子子获获得得足足够够的的能能量量，克克服服固固相相(或或液液相相)的的原原子子束束缚缚而而蒸蒸发发到到真真空空中中，并并形形成成具具有有一一定定动动能能的气相原子或分子，这个能量就称为的气相原子或分子，这个能量就称为汽化热汽化热。2.饱和蒸气压及净蒸发的发生条件饱和蒸气压及净蒸发的发生条件在在一一定定温温度度下下，真真空空室室内内蒸蒸发发物物质质的的蒸蒸气气与与液液态态平平衡衡时所表现出来的压力称为时所表现出来的压力称为

8、饱和蒸气压饱和蒸气压。只只有有当当环环境境中中被被蒸蒸发发物物质质的的分分压压降降到到了了平平衡衡时时的的饱饱和和蒸气压以下，才可发生物质的蒸气压以下，才可发生物质的净蒸发净蒸发。3.蒸发温度蒸发温度在一定温度下，各种物质的饱和蒸汽压是不同的。在一定温度下，各种物质的饱和蒸汽压是不同的。一定的饱和蒸汽压必定对应一定的物质温度。一定的饱和蒸汽压必定对应一定的物质温度。规规定定在在饱饱和和蒸蒸汽汽压压为为133.3*10-2Pa时时的的温温度度，称称为为该该物质的物质的蒸发温度蒸发温度。1.淀积高纯薄膜需在高真空度系统中进行的原因淀积高纯薄膜需在高真空度系统中进行的原因1)真真空空度度高高，保保证

9、证被被蒸蒸发发原原子子或或分分子子在在真真空空中中的的输输运运为为直直线，可有效淀积在衬底上；线，可有效淀积在衬底上；2)真真空空度度低低，则则残残余余气气体体中中的的氧氧和和水水汽汽会会使使金金属属原原子子或或分分子子在在输输运运过过程程中中发发生生氧氧化化，同同时时也也将将使使加加热热的的衬衬底底表表面面发生氧化；发生氧化；3)真真空空度度低低，则则系系统统中中残残余余气气体体及及所所含含的的杂杂质质原原子子或或分分子子会淀积在衬底上，影响淀积薄膜的质量。会淀积在衬底上，影响淀积薄膜的质量。四、真空度与分子平均自由程四、真空度与分子平均自由程2.蒸发原子或分子的平均自由程蒸发原子或分子的平

10、均自由程()粒粒子子两两次次碰碰撞撞之之间间飞飞行行的的平平均均距距离离，称称为为蒸蒸发发原原子子或或分分子的平均自由程子的平均自由程；因因此此，在在蒸蒸发发过过程程中中，要要使使系系统统中中残残余余气气体体的的压压强强保保持持在在足足够够低低的的水水平平，才才能能保保证证蒸蒸发发原原子子在在系系统统中中输输运运的的平平均均自自由由程程远远大大于于蒸蒸发发源源到到放放置置硅硅片片的的基基座座距距离离，并并使使有有害杂质的含量降到最低。害杂质的含量降到最低。3.气体平均自由程与气体压强的关系气体平均自由程与气体压强的关系(5.1)k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T绝对温度；绝对温度；d气体分子直径

11、；气体分子直径；气体压强越小，系统真空度越高，蒸发分子或原子的平均气体压强越小，系统真空度越高，蒸发分子或原子的平均自由程越大。自由程越大。五、蒸发速率五、蒸发速率蒸蒸发发速速率率直直接接关关系系到到薄薄膜膜的的淀淀积积速速率率，是是工工艺艺上上的一个重要参数。的一个重要参数。蒸发速率与多种因素相关蒸发速率与多种因素相关温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式等温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式等由由于于物物质质的的平平衡衡蒸蒸气气压压随随着着温温度度的的上上升升增增加加很很快快，故故对对物物质质蒸蒸发发速速率率影影响响最最大大的的因因素素是是蒸蒸发发源源的的温温度度。六、多组分薄膜的蒸发方法六

12、、多组分薄膜的蒸发方法利利用用蒸蒸发发法法制制备备多多组组分分薄薄膜膜的的方方法法主主要要有有：单单源源蒸发法、多源同时蒸发法、多源顺序蒸发法。蒸发法、多源同时蒸发法、多源顺序蒸发法。(a)单源蒸发单源蒸发(b)多源同时蒸发多源同时蒸发(c)多源顺序蒸发多源顺序蒸发圆片圆片合金膜合金膜分层淀积分层淀积挡板挡板1、单源蒸发法、单源蒸发法按按薄薄膜膜组组分分比比例例的的要要求求制制成成合合金金靶靶，之之后后对对合合金金靶靶进进行蒸发、凝结形成固态薄膜。行蒸发、凝结形成固态薄膜。基基本本要要求求：合合金金靶靶各各组组分分材材料料的的蒸蒸气气压压应应该该接接近近，以以保证淀积薄膜的组分比例与合金靶接近

13、。保证淀积薄膜的组分比例与合金靶接近。2、多源同时蒸发法、多源同时蒸发法把把薄薄膜膜所所需需材材料料放放在在不不同同坩坩埚埚中中，在在不不同同温温度度下下同同时时蒸发。克服了单源蒸发法的使用局限性。蒸发。克服了单源蒸发法的使用局限性。3、多源顺序蒸发法、多源顺序蒸发法把把薄薄膜膜所所需需材材料料放放在在不不同同坩坩埚埚中中，按按顺顺序序蒸蒸发发，并并根根据据薄薄膜膜组组分分控控制制相相应应层层的的厚厚度度，之之后后通通过过高高温温退退火火形形成所需要的多组分薄膜。成所需要的多组分薄膜。硅片须能承受蒸发后的热退火。硅片须能承受蒸发后的热退火。5.2蒸发源蒸发源按按真真空空蒸蒸发发设设备备对对蒸蒸

14、发发源源加加热热方方式式的的不不同同，真真空空蒸发法可分为：蒸发法可分为：电阻加热法电阻加热法电子束蒸发源电子束蒸发源激光加热源激光加热源高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源加热蒸发原理、特点加热蒸发原理、特点(优点或缺点优点或缺点)、适用情况、适用情况一、电阻加热源一、电阻加热源原原理理：利利用用电电流流通通过过加加热热源源时时所所产产生生的的焦焦耳耳热热来来加加热蒸发材料。热蒸发材料。直接加热源直接加热源加热体和待蒸发材料的载体为同一物体；加热体和待蒸发材料的载体为同一物体；加热材料：钨、钼、钽、石墨。加热材料：钨、钼、钽、石墨。间接加热源间接加热源待蒸发材料放入坩埚中间接加热；待蒸发材料

15、放入坩埚中间接加热；坩埚为耐高温的陶瓷材料和石墨。坩埚为耐高温的陶瓷材料和石墨。1、对加热材料的要求、对加热材料的要求1)熔点高熔点高：加热源材料的熔点须高于蒸发材料的蒸发温度。：加热源材料的熔点须高于蒸发材料的蒸发温度。2)饱饱和和蒸蒸气气压压低低：防防止止高高温温下下加加热热材材料料随随蒸蒸发发材材料料一一起起蒸蒸发发而而成成为杂质进入淀积膜中。为杂质进入淀积膜中。3)化化学学性性能能稳稳定定：加加热热材材料料不不与与蒸蒸发发材材料料发发生生化化学学反反应应。若若加加热热材料和蒸发材料形成共熔点合金，则会降低加热材料的寿命。材料和蒸发材料形成共熔点合金，则会降低加热材料的寿命。2、蒸发材料

16、对加热材料的、蒸发材料对加热材料的“湿润性湿润性”湿湿润润：熔熔化化的的蒸蒸发发材材料料在在加加热热源源材材料料上上有有扩扩展展倾倾向向，称称为为易易湿湿润。润。在湿润性好的情况下，材料蒸发面积大，且稳定，为面蒸发；在湿润性好的情况下，材料蒸发面积大，且稳定，为面蒸发；在湿润性差的情况下，材料蒸发面积小，不稳定，为点蒸发。在湿润性差的情况下，材料蒸发面积小，不稳定，为点蒸发。二、电子束蒸发源二、电子束蒸发源原理原理基基于于电电子子在在电电场场作作用用下下，获获得得动动能能轰轰击击处处于于阳阳极极的的蒸蒸发发材料，使蒸发材料加热气化。材料，使蒸发材料加热气化。(示意图示意图p125图图5.4)适

17、用情况适用情况制作制作高熔点高熔点的薄膜材料和的薄膜材料和高纯高纯薄膜。薄膜。优点优点可使熔点高达可使熔点高达3000以上的材料蒸发，且蒸发速率高；以上的材料蒸发，且蒸发速率高；被被蒸蒸发发材材料料放放置置于于水水冷冷的的坩坩埚埚，可可避避免免容容器器材材料料的的蒸蒸发发、容器材料与蒸发材料的反应，实现高纯薄膜制备；容器材料与蒸发材料的反应，实现高纯薄膜制备；热热效效率率高高，热热量量直直接接加加到到蒸蒸发发材材料料表表面面，热热传传导导和和热热辐辐射的损失少。射的损失少。图图5.4电子束蒸发源示意图电子束蒸发源示意图缺点缺点电电子子枪枪发发出出的的一一次次电电子子和和蒸蒸发发材材料料发发出出

18、的的二二次次电电子子，使蒸发原子和残余气体分子电离；使蒸发原子和残余气体分子电离；化合物受到电子轰击会部分发生分解；化合物受到电子轰击会部分发生分解；电子束蒸发设备结构复杂、价格昂贵；电子束蒸发设备结构复杂、价格昂贵；加速电压过高所产生的软加速电压过高所产生的软X射线对人体有一定伤害。射线对人体有一定伤害。三、激光加热源三、激光加热源原理原理利利用用高高功功率率的的连连续续或或脉脉冲冲激激光光束束作作为为能能源源对对蒸蒸发发材材料料进进行行加加热。热。适用情况适用情况适用于蒸发适用于蒸发成份成份比较比较复杂的合金或化合物材料复杂的合金或化合物材料。特点特点加热温度高。聚焦后的激光束功率密度高达

19、加热温度高。聚焦后的激光束功率密度高达106W/cm2以上；以上；可可避避免免坩坩埚埚污污染染。激激光光束束的的光光斑斑很很小小，被被蒸蒸发发材材料料是是局局部部受受热气化，可提高淀积薄膜的纯度；热气化，可提高淀积薄膜的纯度；可保证含有不同熔点淀积材料的化合物薄膜成份的比例；可保证含有不同熔点淀积材料的化合物薄膜成份的比例；易于获得高真空度；易于获得高真空度；设备昂贵。设备昂贵。四、高频感应加热蒸发源四、高频感应加热蒸发源原理原理通通过过高高频频感感应应对对装装有有蒸蒸发发材材料料的的坩坩埚埚进进行行加加热热，使使蒸蒸发发材材料料在在高高频频电电磁磁场场的的感感应应下下产产生生强强大大的的涡涡

20、流流损损失失和和磁滞损失磁滞损失，致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。，致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。特点特点蒸发速率大；蒸发速率大；蒸发源温度均匀、稳定，不易产生飞溅；蒸发源温度均匀、稳定，不易产生飞溅；温度控制精度高，操作简单；温度控制精度高，操作简单；大功率高频电源，价格昂贵；大功率高频电源，价格昂贵；需屏蔽高频电磁场，防止外界电磁干扰。需屏蔽高频电磁场，防止外界电磁干扰。5.3气体辉光放电气体辉光放电溅射溅射具具有有一一定定能能量量的的入入射射离离子子在在对对固固体体表表面面轰轰击击时时，入入射射离离子子在在与与固固体体表表面面原原子子的的碰碰撞撞过过程程中中将将发发生生能能量量和和动动

21、量量的的转转移移，并并可可能能将将固固体体表表面面的的原原子子溅溅射射出出来来，称称这这种现象为溅射。种现象为溅射。溅射与热蒸发的区别溅射与热蒸发的区别热蒸发是由能量转化引起的，溅射含有动量的转换。热蒸发是由能量转化引起的，溅射含有动量的转换。溅溅射射过过程程都都是是建建立立在在辉辉光光放放电电的的基基础础上上，即即射射向向固固体体表表面面的的离离子子都都是是来来源源于于气气体体放放电电，只只是是不不同同的的溅溅射射技技术术所所采采用用的辉光放电方式有所不同。的辉光放电方式有所不同。一、直流辉光放电一、直流辉光放电在在一一圆圆柱柱形形玻玻璃璃管管内内的的两两端端装装上上两两个个平平板板电电极极

22、，里里面面充充以以气气压压约约为为几几Pa到到几几十十Pa的的气气体体，在在电电极极加加上上直直流流电电压压。平平板电极间电压与电流的关系如下图所示。板电极间电压与电流的关系如下图所示。2004006008001000abcdefg10-1310-510-410-111010-12暗流暗流汤生汤生放电放电辉光放电辉光放电电弧电弧放电放电着火点着火点电压电压V/V电流电流I/A放电模式放电模式无光放电区无光放电区汤生放电区汤生放电区辉光放电区辉光放电区反常辉光放电区反常辉光放电区电弧放电区电弧放电区1、无光放电区、无光放电区电流电压特性电流电压特性电电流流随随着着电电压压的的增增加加从从零零逐逐

23、渐渐增增加加，在在b点点达达到到饱饱和和，且电流微弱。且电流微弱。原因原因一一般般情情况况下下，气气体体处处于于中中性性状状态态，只只有有极极少少量量的的原原子子受到高能宇宙射线的激发而电离。受到高能宇宙射线的激发而电离。在在没没有有外外场场的的情情况况下下，电电离离所所产产生生的的带带电电粒粒子子作作杂杂乱乱无章的运动；无章的运动；在在有有外外场场的的情情况况下下，电电离离所所产产生生的的带带电电粒粒子子作作定定向向运运动，运动速度随电流的增加而加快；动，运动速度随电流的增加而加快；电电极极之之间间的的电电压压足足够够大大时时，带带电电粒粒子子的的运运动动速速度度达达到到饱和值。饱和值。电电

24、离离量量少少且且恒恒定定，即即使使提提高高电电压压到到达达电电极极的的带带电电粒粒子子数目不变，故宏观表现出不稳定的微弱电流。数目不变，故宏观表现出不稳定的微弱电流。ab段导电且不发光，故称段导电且不发光，故称无光放电区无光放电区。2、汤生放电区、汤生放电区电流电压特性电流电压特性电流迅速增大，电压为常数。电流迅速增大，电压为常数。原因原因外电路转移给电子和离子的能量，随着电压的升高而增加；外电路转移给电子和离子的能量，随着电压的升高而增加；电电子子运运动动速速度度加加快快，与与中中性性离离子子发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞，使使气气体体分分子子电电离离，产产生生正正离离子子和和电电子子，同同时

25、时正正离离子子与与阴阴极极的的碰碰撞撞将将产产生生二次电子二次电子；新新产产生生电电子子与与原原有有电电子子使使更更多多气气体体分分子子电电离离，带带电电粒粒子子数数目目雪崩式增加雪崩式增加，放电电流迅速增大。，放电电流迅速增大。电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制而呈现一常数。电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制而呈现一常数。3、辉光放电区、辉光放电区电流电压特性电流电压特性电电流流大大幅幅度度增增加加，放放电电电电压压显显著著降降低低，随随后后电电压压保保持持恒定。恒定。原因原因气气体体击击穿穿，气气体体内内阻阻随随着着电电离离度度的的增增加加而而显显著著下下降降，故故cd段段出出现现

26、电电流流增增加加、电电压压下下降降的的负负阻阻现现象象，称称为为前前期辉光放电期辉光放电；de段段电电流流增增加加、而而电电压压一一定定，称称为为正正常常辉辉光光放放电电区区，在在该该放放电电区区，阴阴极极有有效效放放电电区区内内的的电电流流密密度度保保持持恒恒定定，而而阴阴极极有有效效放放电电面面积积(产产生生辉辉光光的的表表面面积积)增增加加，故故电电流流增加。增加。正常辉光放电的电流密度正常辉光放电的电流密度随随气气体体压压强强的的增增加加而而增增大大；凹凹面面形形阴阴极极的的电电流流密密度度比比平板形阴极大数十倍。平板形阴极大数十倍。非自持放电非自持放电若若不不存存在在自自然然电电离离

27、源源（如如高高能能宇宇宙宙射射线线等等），则则放放电电不会发生，这种放电方式称不会发生，这种放电方式称非自持放电非自持放电；无光放电和汤生放电属于非自持放电。无光放电和汤生放电属于非自持放电。自持放电自持放电气气体体击击穿穿后后，电电子子和和正正离离子子是是来来源源于于电电子子的的碰碰撞撞和和正正离离子子的的轰轰击击，即即不不存存在在自自然然电电离离源源也也将将继继续续下下去去，这这种放电方式称为种放电方式称为自持放电自持放电；辉光放电属于自持放电。辉光放电属于自持放电。4、反常辉光放电区、反常辉光放电区电流电压特性电流电压特性放电电压、电流同时增大。放电电压、电流同时增大。原因原因整整个个阴

28、阴极极全全部部由由辉辉光光放放电电覆覆盖盖后后，只只有有增增大大功功率率才才能能增加阴极的电流密度，从而增大电流。增加阴极的电流密度，从而增大电流。辉辉光光布布满满整整个个阴阴极极后后，再再增增加加电电流流，离离子子层层已已无无法法向向四四周周扩扩散散，这这样样正正离离子子层层便便向向阴阴极极靠靠拢拢，正正离离子子与与阴阴极极间间距距缩缩短短，此此时时要要想想提提高高电电流流密密度度，则则必必须须增增大大阴阴极极压压降降，使使正正离离子子有有更更大大的的能能量量去去轰轰击击阴阴极极，产产生生更更多的二次电子。多的二次电子。5、辉光放电区的讨论、辉光放电区的讨论对对于于辉辉光光放放电电，整整个个

29、放放电电管管将将呈呈现现明明暗暗相相间间的的光光层层，这这八八个发光强度不同的区域分别为个发光强度不同的区域分别为阿阿拉拉斯斯顿顿暗暗区区、阴阴极极辉辉光光区区、阴阴极极暗暗区区、负负辉辉光光区区、法法拉拉第第暗暗区区、正柱（等离子）区、阳极辉光区和阳极暗区。正柱（等离子）区、阳极辉光区和阳极暗区。阴极辉区形成原因阴极辉区形成原因向向阴阴极极运运动动正正离离子子与与阴阴极极发发射射出出的的二二次次电电子子发发生生复复合合，而而在在阴阴极极附近产生一明亮的发光层。附近产生一明亮的发光层。阴极暗区形成原因阴极暗区形成原因二次电子和离子的主要加速区二次电子和离子的主要加速区负辉光区形成原因负辉光区形

30、成原因获得加速的电子与气体原子发生碰撞而获得加速的电子与气体原子发生碰撞而电离的电离的区域，发光最强区区域，发光最强区等离子体等离子体放放电电击击穿穿之之后后的的气气体体具具有有一一定定的的导导电电性性，这这种种气气体体称称为为等离子体等离子体，宏观上呈现电中性宏观上呈现电中性。辉光放电是等离子体的一种辉光放电是等离子体的一种属属于于等等离离子子体体中中粒粒子子能能量量和和密密度度较较低低、放放电电电电压压较较高高的一种类型；的一种类型；特特点点是是质质量量较较大大的的重重粒粒子子，包包括括离离子子、中中性性原原子子和和原原子子团团的的能能量量远远低低于于电电子子的的能能量量，是是一一种种非非

31、热热平平衡衡状状态态的等离子体。的等离子体。例例如如，气气压压为为1Pa左左右右的的辉辉光光放放电电的的等等离离子子体体，电电子子、离离子子、中中性性粒粒子子的的能能量量依依次次降降低低；电电子子平平均均动动能能为为2eV，对对应应温温度度23000K，离离子子能能量量约约为为电电子子能能量量的的1%2%，对应温度，对应温度300500K。辉光放电形成等离子鞘层的原因辉光放电形成等离子鞘层的原因辉辉光光放放电电等等离离子子体体中中的的离离子子、中中性性粒粒子子温温度度远远低低于于电电子子，而质量又远大于电子，故而质量又远大于电子，故具有相差极大的平均运动速度具有相差极大的平均运动速度。电电子子

32、与与离离子子具具有有不不同同速速度度的的直直接接后后果果是是形形成成等等离离子子鞘鞘层层任任何何处处于于等等离离子子体体中中的的物物体体相相对对于于等等离离子子体体来来讲讲都都呈呈现出现出负电位负电位，并且在，并且在物体表面附近出现正电荷的积累物体表面附近出现正电荷的积累。阴极鞘层阴极鞘层阳极鞘层阳极鞘层-VVp0任任何何处处在在等等离离子子体体中中的的物物体体（靶靶材材、衬衬底底）均均会会受受到到等等离离子子体体中中各各种种粒粒子子的的轰轰击击，电电子子和和离离子子速速度度不不同同，则则轰轰击击物物体表面的电子数目将远大于离子数目体表面的电子数目将远大于离子数目。若若初初始始时时刻刻物物体体

33、表表面面没没有有净净电电荷荷的的积积累累，则则物物体体表表面面将将剩剩余负电荷余负电荷而呈现负电位。而呈现负电位。负负电电位位的的建建立立将将排排斥斥电电子子、吸吸引引离离子子，使使得得达达到到物物体体表表面面的的电电子子数数目目减减少少，正正离离子子数数目目增增加加，直直到到到到达达物物体体表表面面的的电子、离子数目相等时，物体表面电位达到平衡电子、离子数目相等时，物体表面电位达到平衡。这这样样，处处于于等等离离子子体体中中的的阴阴极极、阳阳极极都都会会在在其其表表面面形形成成一一个个排排斥斥电电子子的的等等离离子子鞘鞘层层，且且相相对对于于等等离离子子体体处处于于负负电电位位，鞘层厚度取决

34、于电子密度和温度（典型值鞘层厚度取决于电子密度和温度（典型值100um）。）。辉光放电加上辉光放电加上外电场外电场，则，则阴极鞘层加大，阳极鞘层减小阴极鞘层加大，阳极鞘层减小。二、辉光放电过程中的碰撞过程二、辉光放电过程中的碰撞过程等等离离子子体体中中高高速速运运动动的的电电子子与与其其他他粒粒子子的的碰碰撞撞是是维维持持气气体放电的主要微观机制体放电的主要微观机制。电子与与其他粒子的碰撞有两类。电子与与其他粒子的碰撞有两类。1、弹性碰撞的特点、弹性碰撞的特点参参加加碰碰撞撞的的粒粒子子总总动动能能保保持持不不变变，不不存存在在粒粒子子内内能能的变化的变化，即没有粒子激发、电离、或复合的过程。

35、，即没有粒子激发、电离、或复合的过程。运动粒子运动粒子1与静止粒子与静止粒子2碰撞后的能量关系为碰撞后的能量关系为（5.2）M是是粒粒子子质质量量，E为为粒粒子子碰碰撞撞后后的的动动能能，是是运运动动粒粒子子在在碰碰撞后偏转的角度。撞后偏转的角度。辉辉光光放放电电等等离离子子体体中中的的碰碰撞撞，大大多多数数是是高高速速运运动动的的电电子子与与低低速速运运动动的的原原子子或或离离子子的的碰碰撞撞，因因M1M2，故故能能量转移小，不会造成气体分子的电离。量转移小，不会造成气体分子的电离。2、非弹性碰撞的特点、非弹性碰撞的特点碰碰撞撞过过程程中中有有部部分分电电子子动动能能将将转转化化成成粒粒子子

36、的的内内能能。内能增加的最大值为内能增加的最大值为（5.3）非非弹弹性性碰碰撞撞可可以以使使电电子子大大部部分分能能量量转转移移给给其其他他质质量量较较大大的粒子，引起激发或电离。的粒子，引起激发或电离。因因此此，电电子子与与其其他他粒粒子子的的非非弹弹性性碰碰撞撞是是维维持持自自持持放放电电过过程的主要机制程的主要机制。非弹性碰撞过程中发生的代表性过程：非弹性碰撞过程中发生的代表性过程：1）电离电离：（5.4）电子数目增加，放电过程继续。其反过程为电子数目增加，放电过程继续。其反过程为复合复合。2）激发激发：（5.5）*表示粒子处于能量较高的激发态。表示粒子处于能量较高的激发态。3）分解分解

37、：（5.6）分子分解为两个反应基团，化学活性高于原来的分子。分子分解为两个反应基团，化学活性高于原来的分子。三、射频辉光放电的主要特点三、射频辉光放电的主要特点以以频频率率较较低低的的交交变变电电场场代代替替直直流流电电场场，放放电电类类似似于于直直流流情情况况，两两电电极极交交替替变变换换极极性性，放放电电外外貌貌为为两两个个不不同同极极性性下下放放电外貌的叠加，发光强度为一周内的平均值。电外貌的叠加，发光强度为一周内的平均值。电场交变频率电场交变频率530MHz，建议，建议13.56MHz。射频电场相对减少了带电粒子的损失。射频电场相对减少了带电粒子的损失。较低电场可维持放电。较低电场可维

38、持放电。阴极产生的二次电子不再是气体击穿的必要条件。阴极产生的二次电子不再是气体击穿的必要条件。射射频频电电场场可可通通过过任任何何一一种种类类型型的的阻阻抗抗耦耦合合进进入入淀淀积积室室，电电极可以是导体，也可以是绝缘体。极可以是导体，也可以是绝缘体。5.4溅射溅射溅溅射射法法是是物物理理气气相相淀淀积积薄薄膜膜的的一一种种方方法法，同同时时还还可可用用于于对对固态表面的清洗处理，在等离子刻蚀中有广泛应用。固态表面的清洗处理，在等离子刻蚀中有广泛应用。溅溅射射法法利利用用带带有有电电荷荷的的离离子子在在电电场场中中加加速速后后具具有有一一定定动动能能的的特特点点，将将离离子子引引向向欲欲被被

39、溅溅射射的的靶靶电电极极。在在离离子子能能量量合合适适的的情情况况下下，入入射射离离子子在在与与靶靶表表面面原原子子的的碰碰撞撞过过程程中中使使靶靶原原子子溅溅射射出出来来。被被溅溅射射出出来来的的原原子子将将带带有有一一定定的的动动能能，并并沿沿着一定方向着一定方向射向衬底射向衬底，从而，从而实现实现在衬底上的在衬底上的薄膜淀积薄膜淀积。一、溅射特性一、溅射特性1、溅射阈值、溅射阈值对对于于每每种种靶靶材材，都都存存在在一一个个能能量量阈阈值值，低低于于该该值值则则不会发生溅射现象，该能量阈值称为不会发生溅射现象，该能量阈值称为溅射阈值溅射阈值(1030eV)溅溅射射阈阈值值与与入入射射离离

40、子子质质量量之之间间无无明明显显的的依依赖赖关关系系，而主要取决于靶本身的特性。而主要取决于靶本身的特性。表表征征溅溅射射特特性性的的参参量量主主要要有有：溅溅射射阈阈值值、溅溅射射率率、溅溅射射粒粒子的速度和能量。子的速度和能量。2、溅射率、溅射率溅溅射射率率也也称称溅溅射射产产额额，表表示示正正离离子子轰轰击击作作为为阴阴极极材材料的靶材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目。料的靶材时，平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目。1)与与入射离子能量入射离子能量的关系的关系入射离子能量超过入射离子能量超过溅射阈值溅射阈值，发生溅射；，发生溅射；入射离子能量增加，溅射率增加；入射离子能量增

41、加，溅射率增加；入射离子能量继续增加，溅射率下降，发生入射离子能量继续增加，溅射率下降，发生离子注入离子注入现象。现象。溅射阈值溅射阈值2)与与入射离子入射离子种类的关系种类的关系(图图5.13)原子量越大，溅射率越高；原子量越大，溅射率越高；电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。惰惰性性气气体体的的溅溅射射率率可可取取到到极极大大值值，氩氩通通常常被被选选为为工工作作气气体体，氩氩被被选选为为工工作作气气体体的的另另一一原原因因是是可可以以避避免免与与靶靶材材料料起起化化学学反应。反应。3)与与被溅射物质被溅射物质种类的关系种类的关系一般

42、规律：随靶元素原子序数增加而增大。一般规律：随靶元素原子序数增加而增大。4)与与离子入射角离子入射角的关系的关系入入射射角角：离离子子入入射射方方向向与与被被溅溅射射靶靶材材料料表表面面法法线线之之间间的夹角。的夹角。S随入射角的增加，以随入射角的增加，以规律增加；规律增加；当入射角接近当入射角接近80时，溅射率迅速下降。时，溅射率迅速下降。3、溅射原子的能量和速度、溅射原子的能量和速度重元素靶材重元素靶材逸出能量高；逸出能量高；轻元素靶材轻元素靶材逸出速度高。逸出速度高。溅射率溅射率高，平均高，平均逸出能量逸出能量低；低；相相同同轰轰击击能能量量下下，入入射射离离子子质质量量大大，则则原原子

43、子逸逸出出能能量量高；高；入射离子能量入射离子能量越大，则原子越大，则原子逸出能量逸出能量越高。越高。倾斜方向倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出的原子具有较高的逸出能量逸出能量。二、溅射方法二、溅射方法1、直流溅射、直流溅射又又称称阴阴极极溅溅射射，或或直直流流二极溅射。二极溅射。直直流流溅溅射射所所用用靶靶材材及及常常用工作气体用工作气体导电性好导电性好的金属靶材的金属靶材;Ar气。气。工作气压工作气压与与溅射淀积速率溅射淀积速率的关系的关系低压条件下，溅射淀积速率低低压条件下，溅射淀积速率低；阴阴极极鞘鞘层层厚厚度度大大，离离子子运运动动至至靶靶材材处处的的几几率率小小，二二次电子发射几率小

44、次电子发射几率小电子自由程长，在阳极上消失的几率大电子自由程长，在阳极上消失的几率大原子电离几率小，放电电流小，溅射淀积速率低原子电离几率小，放电电流小，溅射淀积速率低气气压压升升高高，电电子子平平均均自自由由程程减减少少，原原子子电电离离几几率率增增加加，溅射电流增加，溅射电流增加，溅射淀积速率提高溅射淀积速率提高。气气压压过过高高，靶靶材材原原子子飞飞向向衬衬底底过过程程中中受受到到过过多多散散射射，淀积到衬底上的淀积到衬底上的几率下降几率下降。故溅射淀积速率会出现极值。故溅射淀积速率会出现极值。工作工作气压气压与与薄膜质量薄膜质量的关系的关系气气压压较较低低，入入射射原原子子能能量量较较

45、高高，提提高高淀淀积积薄薄膜膜的的致致密密程度；程度；气压较气压较高高，入射原子能量较低，不利于薄膜的致密化。，入射原子能量较低，不利于薄膜的致密化。2、射频溅射、射频溅射适用场合适用场合适用于各种适用于各种金属金属、导电性差的、导电性差的非金属材料非金属材料的溅射淀积。的溅射淀积。由由于于高高频频电电场场可可以以经经由由其其他他阻阻抗抗形形式式的的耦耦合合进进入入淀淀积积室，故室，故不必要求电极一定是导体不必要求电极一定是导体。射频溅射自偏压效应的产生原理射频溅射自偏压效应的产生原理射射频频溅溅射射方方法法的的靶靶材材上上能能产产生生自自偏偏压压效效应应，即即靶靶材材自自动动处处于于负负电电

46、位位，导导致致气气体体离离子子对对其其产产生生自自发发的的轰轰击击和和溅射。溅射。P138图图5.17射射频频电电压压通通过过电电容容耦耦合合到到靶靶材材，溅溅射射靶靶既既可可以以作作为为阴阴极又可作为阳极。极又可作为阳极。因因电电场场中中电电子子的的运运动动速速度度比比离离子子速速度度高高得得多多，所所以以靶靶在在正正半半周周期期内内接接受受电电子子的的电电量量比比靶靶在在负负半半周周期期内内接接受受离离子子电电量量多多得得多多，所所以以，靶靶电电极极的的导导电电特特性性相相当当于于一一个二极管。个二极管。因因靶靶电电极极被被电电容容与与电电源源隔隔离离，因因而而经经过过几几个个周周期期之之

47、后后，该电极上将带有相当数量的负电荷而呈现负电位。该电极上将带有相当数量的负电荷而呈现负电位。电电极极的的负负电电位位将将对对电电子子产产生生排排斥斥作作用用，之之后后电电极极所所接接受的正负电荷数目将逐渐趋于相等。受的正负电荷数目将逐渐趋于相等。对极板面积的要求及原因对极板面积的要求及原因非溅射电极的极面面积需要加大非溅射电极的极面面积需要加大射射频频电电压压周周期期性性地地改改变变每每个个电电极极的的电电位位，因因而而每每个个电电极极都都可可能能因因自自偏偏压压效效应应而而受受到到离离子子轰轰击击，而而我我们们希希望望离离子子轰轰击击靶靶材材，而而非非衬衬底底，故故加加大大非非溅溅射射电电

48、极极的的极极面面面面积积，从而降低该电极的自偏压鞘层电压。从而降低该电极的自偏压鞘层电压。鞘层电压降与电极面积的关系鞘层电压降与电极面积的关系（5.7）角标角标c表示电极经过电容表示电极经过电容C耦合至射频电源；角标耦合至射频电源；角标d表示电表示电极直接耦合至射频电源。极直接耦合至射频电源。由式可知，鞘层电压与电极面积的四次方成反比，面积较由式可知，鞘层电压与电极面积的四次方成反比，面积较小的靶电极受到较高的自偏压，另一极自偏压很小。小的靶电极受到较高的自偏压，另一极自偏压很小。3、磁控溅射、磁控溅射适用场合适用场合适用于要求适用于要求淀积速率较高淀积速率较高，工作气压较低工作气压较低的场合

49、。的场合。工作原理工作原理在靶材的部分表面上方使磁场与电场方向垂直；在靶材的部分表面上方使磁场与电场方向垂直；则则电电子子的的运运动动轨轨迹迹将将沿沿电电场场方方向向加加速速，同同时时绕绕磁磁场场方方向螺旋前进，延长了电子在等离子体中的运动轨迹；向螺旋前进，延长了电子在等离子体中的运动轨迹；同同时时，电电子子的的轨轨迹迹将将限限制制在在靶靶面面附附近近，有有利利于于提提高高电电子碰撞和电离的效率，而不让电子去轰击阳极的衬底；子碰撞和电离的效率，而不让电子去轰击阳极的衬底；故工作气压可以明显降低。故工作气压可以明显降低。优点优点淀积速率高淀积速率高薄膜质量好薄膜质量好原原因因：工工作作气气压压降

50、降低低，溅溅射射原原子子被被散散射射的的几几率率减减小小，降降低低了了薄薄膜膜的的污污染染，提提高高了了入入射射到到衬衬底底表表面面原原子子的的能能量，可以在很大程度上改善薄膜的致密性。量，可以在很大程度上改善薄膜的致密性。4、反应溅射、反应溅射适用场合适用场合适用于多组分薄膜淀积。适用于多组分薄膜淀积。工作原理工作原理采采用用纯纯金金属属作作为为溅溅射射靶靶材材，在在工工作作气气体体中中加加入入适适量量的的活活性性气气体体，使使其其在在溅溅射射淀淀积积的的同同时时生生成成特特定定的的化化合合物物，从从而而一一步步完完成成从从溅溅射射、反反应应到到多多组组分分薄薄膜膜淀淀积积的的步步骤骤。这这

51、种技术称为种技术称为反应溅射方法反应溅射方法。活性气体分压与化合物形成的关系活性气体分压与化合物形成的关系提高等离子体中活性气体的分压有利于化合物的形成。提高等离子体中活性气体的分压有利于化合物的形成。缺点缺点活活性性气气体体压压力力和和溅溅射射功功率率增增加加，靶靶材材表表面面形形成成相相应应化化合合物，降低材料的溅射和淀积速率。物，降低材料的溅射和淀积速率。5、偏压溅射、偏压溅射适用场合适用场合需要改善溅射淀积薄膜的组织结构的应用场合。需要改善溅射淀积薄膜的组织结构的应用场合。工作原理工作原理偏偏压压溅溅射射就就是是在在一一般般溅溅射射设设置置的的基基础础上上，在在衬衬底底与与靶靶材材之之

52、间间施施加加一一定定大大小小的的偏偏置置电电压压，以以改改变变入入射射到到衬衬底底表面的带电粒子的数量和能量的方法。表面的带电粒子的数量和能量的方法。例如，例如，偏偏压压溅溅射射可可改改变变金金属属薄薄膜膜的的电电阻阻率率、薄薄膜膜的的硬硬度度、介介电常数、对光的折射率、密度、附着力等。电常数、对光的折射率、密度、附着力等。6、接触孔中薄膜的溅射淀积、接触孔中薄膜的溅射淀积存在的问题存在的问题接触孔深宽比大于一的填充任务困难；接触孔深宽比大于一的填充任务困难；原因原因1：溅射原子以气态传输时会发生碰撞；：溅射原子以气态传输时会发生碰撞；原因原因2：溅射原子离开靶面时严格遵守余弦分布；：溅射原子

53、离开靶面时严格遵守余弦分布；解决办法及其局限性解决办法及其局限性采采用用带带有有准准直直器器的的溅溅射射方方法法；准准直直器器的的宽宽深深比比越越大大，接触孔底部的覆盖率越大。接触孔底部的覆盖率越大。降降低低淀淀积积速速率率；因因溅溅射射次次数数的的增增加加，准准直直器器孔孔径径减减小小，淀积速率减小；增加了粒子污染。淀积速率减小；增加了粒子污染。7、长投准直溅射技术、长投准直溅射技术长长投投准准直直溅溅射射是是一一种种不不用用准准直直器器，而而能能改改善善接接触触孔底部覆盖效果的溅射技术。孔底部覆盖效果的溅射技术。靶与硅片的距离约为传统磁控溅射系统的靶与硅片的距离约为传统磁控溅射系统的56倍。倍。相当于只有一个孔的准直器。相当于只有一个孔的准直器。第五章第五章物理气相淀积习题物理气相淀积习题1.物物理理气气相相淀淀积积最最基基本本的的两两种种方方法法是是什什么么方方法法？用用一句话概括这两种方法制备薄膜的过程。一句话概括这两种方法制备薄膜的过程。2.真空蒸发法制备薄膜为何应在高真空度下进行？真空蒸发法制备薄膜为何应在高真空度下进行？3.什么等离子体？解释等离子鞘层的成因。什么等离子体？解释等离子鞘层的成因。4.什什么么是是溅溅射射率率？简简述述溅溅射射率率与与入入射射离离子子能能量量、离离子种类、靶材种类及离子入射角度的关系。子种类、靶材种类及离子入射角度的关系。