溅射率与入射离子能量的关系
<150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 >104eV：下降（注入增加）
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0
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溅射率与靶材原子序数的关系
同周期元素：溅射率随原子序数增大而增加 Ag、 Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小
采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.3~0.5% 5~6%
衬底：“近冷” 态
电子在正交电磁场中的运动轨迹
磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪
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磁控溅射电极类型
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2.3.6 反应溅射
应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法： 高频溅射 反应溅射，特别是磁控反应溅射
例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物 在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等
RDD RM TP2dP1
D：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度， P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。 （3）淀积速率：
Rd 1P1
M
2RT1
α1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。
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2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射
阴极溅射原理图
三极（四极）溅射原理图
U E Fj P
E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数
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弧光放电区： U↑→阴极强电场↑→暗区收缩↓
BE
Pdc
A UE
j>0.1A/cm2, U↓→j↑（弧光放电）
dc：暗区厚度 A、B为常数
气压P太低，两极间距太小： 没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭
气压P太高： 二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电
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Y42
r 4mImA mI mA
E E
E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数
4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传递 的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子
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溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关
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热蒸发粒子的平均能量只有0.1~0.2eV，而溅射粒子可达10~20eV， 比热蒸发高出二个数量级。
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Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系
温度低时：几乎不变化 超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大）
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不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率
靶电压 (keV) 0.2
0.6
1
2
5
LiF<100>
1.3
1.8
CdS<1010>
0.5
1.2
GaAs<110>
0.4
0.9
PbTe<110>
半导体薄膜技术与物理
2.3 溅射（Sputtering）
2.3.1 溅射的基本原理
荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子 的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射
荷能粒子：离子 （易于在电磁场中加速或偏转）
伴随着离子轰击固体表面的各种现 象（右图）： 1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象
Ar+：平均速度=3~6105 cm/s 平均能量 E=30~40 eV
轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
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2.3.4 溅射速率和淀积速率
（1）溅射速率：
RSma x NS/M NA
N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率， M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。 （2）扩散速率：
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溅射过程察不符而被否定）
（2）动量理论(级联碰撞理论) 离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能
大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。 （研究溅射的基础）
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2.3.2 溅射阈和溅射率
溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
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直流辉光放电过程的形成 VB： 击穿电压
3
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区的 电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系：
反应物之间产生反应的必要条件：反应物分子必须有足够高的能量以克服 分子间的势垒
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势垒与能量关系为： Ea=NA
Ea为反应活化能，NA为阿佛伽德罗常数。
Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能 x：反应物初态能量 W：终态能量 T：活化络合物能量 E：反应物与生成物能量之差
根据过渡态模型理论，两种反应物的分子进行反应时，首先经过过渡态 以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行 反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。
无栅极时为三极溅射
有栅极时为四极溅射
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（2）射频（高频）溅射
可溅射绝缘体。 高频范围：5~30MHz（一般rf＝13.56MHz ）
射频溅射原理图
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（3）磁控溅射
磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中 电子的运动轨迹，改进溅射的工艺 电子在正交电磁场中的作用力：
F e E e ( V H )
0.6
1.4
SiC<0001>
0.45
SiO2 Al2O3
0.13
0.4
0.04
0.11
溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射率值来 确定，存在较大的差异性。
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2.3.3 溅射粒子的速度和能量
溅射Cu原子 速度分布图
He+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eV
溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小 对大多数金属来说：
溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热
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一些金属的溅射阈（eV）
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溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴 极上打出的原子数 影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热等 单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高