磁控溅射镀膜技术PPT课件
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D)两个靶并联用一台电源难以使两个靶都 处于最佳状态,影响电源寿命,降低膜层质量。 E）所谓“双跑道靶”是将靶面加宽（例如 由140mm加大到220mm）磁场作相应改变， 放电时形成两个放电区，这与双靶并联无 本质差别，放电不稳定，影响电源寿命,降 低膜层质量,基片上膜层不均匀区加大。
E）避免弧光放电
• 光强度正比于激发态密度n*和相应的mn 跃迁机率P
• 特征光谱
荷能粒子与材料表面相互作用
1、产生的效应
• 表面粒子发射：电子、中性原子与分子、正离 子和负离子、气体分子解吸、气体分解发射、 射线（光）、入射粒子的背散射、
一、引言
荷能粒子（例如氩离子）轰击固体表
面，引起表面各种粒子，如原子、分子 或团束从该物体表面逸出的现象称“溅 射”。在磁控溅射镀膜中，通常是应用 氩气电离产生的正离子轰击固体（靶）， 溅出的中性原子沉积到基片（工件）上， 形成膜层，磁控溅射镀膜具有“低温” 和“快速”两大特点。
1、溅射镀膜技术是真空镀膜技术中应用 最广的正在不断发展的技术之一
• 2002年豪威公司在国内首次引进PEM控 制系统,自行安装调试,成功的应用于多层 光学膜的研发工作中.
二、气体放电某些特性
在一般的溅射装置中，在真空室内辉光放电形 成并加速正离子，应熟悉气体放的某些电特性 1、辉光放电巴刑曲线--绝缘间隙的选取
放电气体压力P与电极之间距离d的乘积p.d对 辉光放电压U的影响，相对应的曲线称巴刑曲线， 该曲线所展示的规律称巴刑定律
3、国内发展情况
• 1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇 等先后发表了有关平面磁控溅射靶设计 方面的论文报告
• 1985年后，各类小型平面磁控溅射镀膜 机问世
• 1995-1996年豪威公司采用国外先进技术 和材料研制出大型ITO磁控溅射镀膜系统 (含射频溅射制备二氧化硅膜的装置和功 能)
Baidu Nhomakorabea
• 1996年沈阳真空技术研究所研制出大型 ITO磁控溅射镀膜镀膜系统
• 用大功率启动新靶，材料表面出气，局 部真空变坏
• 直流溅射情况，靶面有不良导体形成 • 靶设计、安装不当，及在运用过程中受
力、受热引起的机械变形，造成的局部 击穿
3、辉光放电区电位分布---靶-基距
（1）阿斯顿暗区 （2）阴极暗区，克罗克斯暗区（3） 负辉区
（4）法拉第暗区 （5）正辉柱 （6）阳极暗区 （7） 阳极辉柱
• 工 业 上 ， 德 国 Leybold 的 孪 生 靶 （ TwinMag® ） 系 统 是 其 典 型 代 表 , 已 于 1994年正式投入生产。
2、发展概况（4）
• 1986年Window发明了非平衡溅射 （Closed-fied unbalanced magnetron spattering, CFUMS),有广阔的应用前景
V(BREAKDOWN)(volts)
.DISTANCE(Torr-cm)
• 溅射镀膜中放电气体压力通常选P=1x10-2 至5x10-4Torr，工作点选在左半支曲线， 对于相邻的相互绝缘的两个导体，要求 有足够高的耐击穿电压U，相互之间距离 不宜太大，d=1.5--3.0mm
2、放电的伏安特性曲线--不提倡“一 拖二
辉光放电中靶电压与靶电流关系曲线称 靶的伏安特性曲线.
电压 V/N
V VB
P=133Pa(Ne) 汤森放电
异常辉光
正常辉光 弧光
电流密度 J/(A·cm )
A) 伏安特性曲线，分几段：
• 电压很小时，只有很小电流通过： • 加大电压进入汤生放电区； • “雪崩”，进入“正常辉光放电区”
• 离子轰击区覆盖整个阴极表面，再增加 功率进入“非正常辉光放电区”，溅射 工艺的工作点选在此区：
• 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续 溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首 次实现溅射镀膜产业化。
• 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用
2、发展概况（3）
• 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中 频单靶磁控溅射，发展为中频双靶磁控溅 射。
• 双靶磁控溅射（Dual Magnetron Sputtering）的方法的最早专利是 Kirchhoff 等1986年申请的
• 1997年豪威公司开展中频双靶反应溅射 制备二氧化硅膜工艺与设备研究。
• 1999年豪威公司与清华大学合作在国际 上首次研制成功中频双靶反应溅射制备 二氧化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置 投入生产。
• 1999年北京仪器厂设计中频反应磁控溅 射双靶
• 2000年和2001年豪威公司先后研制出两 条新的大型中频双靶反应溅射制备二氧 化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置并投 入生产.
• 阴极暗区宽度一般为1-2cm，镀膜设备中 阴极与基片距离大多5-10cm，可知两极 间只存在阴极暗区和负辉区，尽量减小 极间距离（靶-基距），获得尽量高的镀 膜速率。
• 阴极暗区边缘的电位几乎接近阳极电位， 相当于在辉光放电时，等离子体将阳极 推到阴极暗区边缘，此时真正的阳极在 哪里并不重要。
2、发展概况（1）
• 1842年Grove发现阴极溅射现象 • 1877年将二极溅射技术用于镀制反射镜。 • 二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀
制金膜作为导电底层 • 以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅
射。
2、发展概况（2）
• 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和 圆筒磁控溅射阴极。-- Penning放电、 Penning规、Penning离子源相继出现
• 阳极位置只影响击穿电压。
4、等离子体、等离子体发光与PEM
• 等离子体特点：
• 等离子体内的基本过程 • 电离过程
• （3）式描述了快电子离过程，能电量由 电子提供
• （4）式表示了光电离过程，能电h量 由光子提供
• 激发、退激发及中和过程
• 退激发过程的能态跃迁释放能量---发光
• 继续增加功率，达到新的击穿，进入低 电压大电流的“弧光放电区”
B) 靶的放电的伏安特性曲线与哪些因 素有 关？
• 靶的几何形状、尺寸，零部件安装精 度，受力或热引起的变形
• 靶电极材料及表面状态（污染、光洁 度等）
• 靶区气体压力及组分
•
C) 没有完全相同的靶，任何两个靶的伏安 特性曲线不可能完全相同
E）避免弧光放电
• 光强度正比于激发态密度n*和相应的mn 跃迁机率P
• 特征光谱
荷能粒子与材料表面相互作用
1、产生的效应
• 表面粒子发射：电子、中性原子与分子、正离 子和负离子、气体分子解吸、气体分解发射、 射线（光）、入射粒子的背散射、
一、引言
荷能粒子（例如氩离子）轰击固体表
面，引起表面各种粒子，如原子、分子 或团束从该物体表面逸出的现象称“溅 射”。在磁控溅射镀膜中，通常是应用 氩气电离产生的正离子轰击固体（靶）， 溅出的中性原子沉积到基片（工件）上， 形成膜层，磁控溅射镀膜具有“低温” 和“快速”两大特点。
1、溅射镀膜技术是真空镀膜技术中应用 最广的正在不断发展的技术之一
• 2002年豪威公司在国内首次引进PEM控 制系统,自行安装调试,成功的应用于多层 光学膜的研发工作中.
二、气体放电某些特性
在一般的溅射装置中，在真空室内辉光放电形 成并加速正离子，应熟悉气体放的某些电特性 1、辉光放电巴刑曲线--绝缘间隙的选取
放电气体压力P与电极之间距离d的乘积p.d对 辉光放电压U的影响，相对应的曲线称巴刑曲线， 该曲线所展示的规律称巴刑定律
3、国内发展情况
• 1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇 等先后发表了有关平面磁控溅射靶设计 方面的论文报告
• 1985年后，各类小型平面磁控溅射镀膜 机问世
• 1995-1996年豪威公司采用国外先进技术 和材料研制出大型ITO磁控溅射镀膜系统 (含射频溅射制备二氧化硅膜的装置和功 能)
Baidu Nhomakorabea
• 1996年沈阳真空技术研究所研制出大型 ITO磁控溅射镀膜镀膜系统
• 用大功率启动新靶，材料表面出气，局 部真空变坏
• 直流溅射情况，靶面有不良导体形成 • 靶设计、安装不当，及在运用过程中受
力、受热引起的机械变形，造成的局部 击穿
3、辉光放电区电位分布---靶-基距
（1）阿斯顿暗区 （2）阴极暗区，克罗克斯暗区（3） 负辉区
（4）法拉第暗区 （5）正辉柱 （6）阳极暗区 （7） 阳极辉柱
• 工 业 上 ， 德 国 Leybold 的 孪 生 靶 （ TwinMag® ） 系 统 是 其 典 型 代 表 , 已 于 1994年正式投入生产。
2、发展概况（4）
• 1986年Window发明了非平衡溅射 （Closed-fied unbalanced magnetron spattering, CFUMS),有广阔的应用前景
V(BREAKDOWN)(volts)
.DISTANCE(Torr-cm)
• 溅射镀膜中放电气体压力通常选P=1x10-2 至5x10-4Torr，工作点选在左半支曲线， 对于相邻的相互绝缘的两个导体，要求 有足够高的耐击穿电压U，相互之间距离 不宜太大，d=1.5--3.0mm
2、放电的伏安特性曲线--不提倡“一 拖二
辉光放电中靶电压与靶电流关系曲线称 靶的伏安特性曲线.
电压 V/N
V VB
P=133Pa(Ne) 汤森放电
异常辉光
正常辉光 弧光
电流密度 J/(A·cm )
A) 伏安特性曲线，分几段：
• 电压很小时，只有很小电流通过： • 加大电压进入汤生放电区； • “雪崩”，进入“正常辉光放电区”
• 离子轰击区覆盖整个阴极表面，再增加 功率进入“非正常辉光放电区”，溅射 工艺的工作点选在此区：
• 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续 溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首 次实现溅射镀膜产业化。
• 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用
2、发展概况（3）
• 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中 频单靶磁控溅射，发展为中频双靶磁控溅 射。
• 双靶磁控溅射（Dual Magnetron Sputtering）的方法的最早专利是 Kirchhoff 等1986年申请的
• 1997年豪威公司开展中频双靶反应溅射 制备二氧化硅膜工艺与设备研究。
• 1999年豪威公司与清华大学合作在国际 上首次研制成功中频双靶反应溅射制备 二氧化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置 投入生产。
• 1999年北京仪器厂设计中频反应磁控溅 射双靶
• 2000年和2001年豪威公司先后研制出两 条新的大型中频双靶反应溅射制备二氧 化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置并投 入生产.
• 阴极暗区宽度一般为1-2cm，镀膜设备中 阴极与基片距离大多5-10cm，可知两极 间只存在阴极暗区和负辉区，尽量减小 极间距离（靶-基距），获得尽量高的镀 膜速率。
• 阴极暗区边缘的电位几乎接近阳极电位， 相当于在辉光放电时，等离子体将阳极 推到阴极暗区边缘，此时真正的阳极在 哪里并不重要。
2、发展概况（1）
• 1842年Grove发现阴极溅射现象 • 1877年将二极溅射技术用于镀制反射镜。 • 二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀
制金膜作为导电底层 • 以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅
射。
2、发展概况（2）
• 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和 圆筒磁控溅射阴极。-- Penning放电、 Penning规、Penning离子源相继出现
• 阳极位置只影响击穿电压。
4、等离子体、等离子体发光与PEM
• 等离子体特点：
• 等离子体内的基本过程 • 电离过程
• （3）式描述了快电子离过程，能电量由 电子提供
• （4）式表示了光电离过程，能电h量 由光子提供
• 激发、退激发及中和过程
• 退激发过程的能态跃迁释放能量---发光
• 继续增加功率，达到新的击穿，进入低 电压大电流的“弧光放电区”
B) 靶的放电的伏安特性曲线与哪些因 素有 关？
• 靶的几何形状、尺寸，零部件安装精 度，受力或热引起的变形
• 靶电极材料及表面状态（污染、光洁 度等）
• 靶区气体压力及组分
•
C) 没有完全相同的靶，任何两个靶的伏安 特性曲线不可能完全相同