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1、牡丹江大学光伏学院教育训练计划,河北东旭投资集团有限公司,2011.03.01,1,2,等离子体在薄膜沉积中的作用,基本概念,离子、电子共存，整体呈电中性的物质状态,形成方式,电子加速到一定能量，与气体分子碰撞，使其电离或者激发（未被电离而处于激发状态）。,激发阀值或者离化阀值-能使气体分子激发和电离的电子具有的最低能量值。（电子能量离化阀值）,离化率-引起气体电离的碰撞次数与总碰撞次数的比值。离化率随电子能量的不同而变化。,碰撞过程中：（a）发生有效地离化；（b）激发气体分子为激发原子、原子团或者分子等，形成活性基，增加等离子体的活性；（c）被激发原子或者分子经过极短的弛豫时间，返回平衡状态
2、，同时发出相应的辉光。,3,等离子体的形成方法,形成低温等离子体的基本方法：使电子带有最容易引起离化和激发的能量，由这种荷能电子碰撞气体原子，使其离化或激发，同时要求产生的等离子体具有较高的密度、均匀的分布、便于利用的形式以及良好的可控制性。,4,等离子体的形成方式,热电子发射型,二极放电型,磁控放电型,无极放电型,ECR放电型,由热阴极发射的电子被阳极加速，在奔向阳极的过程中与气体分子发生碰撞，使后者离化或者激发，形成等离子体。工作气压在100Pa-0.01Pa。,离子入射冷阴极会激发出电子，该电子在向阳极移动的过程中，与气体分子发生碰撞，使后者离化或者激发，形成等离子体工作气压在100Pa
3、-1Pa。,原理与二极放电型一样，只是在阴极背面放置磁场，形成互相垂直的电磁场，使电子做圆周运动，增加碰撞机会，从而增加离化率。工作气压在100Pa-10-12Pa。,在绝缘管外周绕以高频线圈，利用线圈产生的高频电磁波，在绝缘管内部形成等离子体。工作气压在1000Pa-0.1Pa。,ECR即电子回旋共振，其是由电子回旋共振产生气体放电进而形成等离子体得方式。工作气压在1Pa-10-3Pa。,5,1853年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因。1902年，Goldstein 才指出产生
4、这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。1969年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。1974年，H.H.Andersen 和H.L.Bay 研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为“热
5、钉扎”(thermalized spike)效应。,溅射镀膜的发展历程,6,溅射镀膜概述,在真空室中，荷能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来，落在衬底上形成薄膜。,1、膜层与基体的附着力强,2、方便制取高熔点物质的薄膜,3、在大面积连续基板上可制取均匀的膜层,4、容易控制膜的成分，可制取各种不同成分和配比的合金模,5、可以进行反应溅射、制取多种化合物膜，可方便镀制多层膜,6、便于工业化生产，易于实现连续化、自动化操作,二 溅射与二次离子,入射离子轰击固体时，会直接或间接迫使固体表面许多原子运动，此过程称为级联碰撞。当表面原子获得足够
6、能量和动量而背离表面运动时，就引发表面粒子(原子、离子、基团)发射，称为溅射。离子溅射可用来剥蚀样品，配合俄歇电子能谱分析可确定样品成分随深度的变化情况，即材料的纵深剖析。,离子溅射,8,离子束与材料的相互作用,入射离子,溅射产额与入射离子的能量、入射角、靶原子质量和入射离子质量之比、入射离子的种类,靶,溅射产额与靶原子的原子序数相关，即原子量和在周期表中所处的位置、靶表面原子的结合状态、结晶取向以及靶材的成分。,溅射产物,入射离子,溅射出阴极靶原子 产生二次电子 溅射掉表面沾污，即溅射清洗 离子被电子中和并以高能中性原 子或以金属 原子的形式从阴极表 面反射 进入阴极表面并改变表面性能,溅射
7、出的表面原子,被散射回阴极 被电子或者亚稳态原子碰撞电离 后，加速返回到阴极或产生溅射 作用或在阴极区损失掉 以荷能中性粒子的形式沉积到基 片或其他某些部位，即溅射镀膜,9,溅射产额,溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即 溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态和种类有关。,10,一般地，溅射产额随入射离子能量的变化有如下特征：（1）存在一个溅射阈值，阈值能量一般为20100 eV。当入射离子的能量小于这个阈值时，没有原子被溅射出来。通常当入射离子的能量为110 keV时，溅射产额可以达到一个最大值。（2）当入射离子的能量超过10 keV 时，溅射产额开始随入射离子的能量增加而下降。,溅射产额的影响因素,11,溅射产额的影响因素,溅射产额依入射离子的种类和靶材的不同而异！溅射产额在一定的靶材和入射离子条件下，与入 射角有关，随着入射角的增大而减小！溅射产额与晶体结构有关，一般说来，当入射方 向平行于低的晶体学指数的方向时，单晶体的产 额比多晶体小，反之，沿着高的晶体学指数的方 向入射时，单晶体的产额比多晶体大！溅射产额与样品温度有关！溅射产额与样品表面的沾污有关！,12,
