磁控溅射工艺简介.ppt
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磁控溅射原理详细介绍课件
种材料的溅射。
氮气（N2）
常与氩气混合使用，用于增加 薄膜的硬度和抗氧化性。
氧气（O2）
用于形成氧化物薄膜，如TiO2 和Al2O3。
选择原则
根据被溅射材料和所需薄膜性 质选择合适的工作气体。
溅射功率与控制
01
02
03
溅射功率
指用于产生溅射的功率， 通常以辉光放电的形式提 供。
控制方法
通过调节辉光放电的电流 或电压来控制溅射功率。
03
放电的物理过程
放电过程中，气体分子在电场中被电离，产生带电粒子，这些带电粒子
在电场中加速运动，与气体分子发生碰撞，使气体分子激发和电离，形
成电子和离子的雪崩效应。
粒子运动与碰撞
带电粒子的运动
在电场中，带电粒子受到电场力 的作用，沿着电场线方向加速运
动。
粒子的碰撞
带电粒子在运动过程中与气体分 子发生碰撞，将动能传递给气体 分子，使气体分子获得足够的能 量以克服束缚力，从原子或分子
磁控溅射原理详细介绍课件
目录
• 磁控溅射原理概述 • 磁控溅射装置与工作原理 • 磁控溅射的物理基础 • 磁控溅射技术参数与控制 • 磁控溅射沉积薄膜性能优化 • 磁控溅射研究前沿与展望
01
磁控溅射原理概述
定义与特性
定义
磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过在真空环境下利用磁场控制电子运动 ，实现高速离子轰击靶材表面，将靶材原子溅射出来并沉积在基材表面形成薄 膜。
工作气体
选择适当的工作气体，如氩气、氮气等，以 获得所需的薄膜性能。
薄膜结构与性能表征
成分分析
通过光谱分析技术确定薄膜的元素组 成。
晶体结构
采用X射线衍射技术分析薄膜的晶体 结构。
氮气（N2）
常与氩气混合使用，用于增加 薄膜的硬度和抗氧化性。
氧气（O2）
用于形成氧化物薄膜，如TiO2 和Al2O3。
选择原则
根据被溅射材料和所需薄膜性 质选择合适的工作气体。
溅射功率与控制
01
02
03
溅射功率
指用于产生溅射的功率， 通常以辉光放电的形式提 供。
控制方法
通过调节辉光放电的电流 或电压来控制溅射功率。
03
放电的物理过程
放电过程中，气体分子在电场中被电离，产生带电粒子，这些带电粒子
在电场中加速运动，与气体分子发生碰撞，使气体分子激发和电离，形
成电子和离子的雪崩效应。
粒子运动与碰撞
带电粒子的运动
在电场中，带电粒子受到电场力 的作用，沿着电场线方向加速运
动。
粒子的碰撞
带电粒子在运动过程中与气体分 子发生碰撞，将动能传递给气体 分子，使气体分子获得足够的能 量以克服束缚力，从原子或分子
磁控溅射原理详细介绍课件
目录
• 磁控溅射原理概述 • 磁控溅射装置与工作原理 • 磁控溅射的物理基础 • 磁控溅射技术参数与控制 • 磁控溅射沉积薄膜性能优化 • 磁控溅射研究前沿与展望
01
磁控溅射原理概述
定义与特性
定义
磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过在真空环境下利用磁场控制电子运动 ，实现高速离子轰击靶材表面，将靶材原子溅射出来并沉积在基材表面形成薄 膜。
工作气体
选择适当的工作气体，如氩气、氮气等，以 获得所需的薄膜性能。
薄膜结构与性能表征
成分分析
通过光谱分析技术确定薄膜的元素组 成。
晶体结构
采用X射线衍射技术分析薄膜的晶体 结构。
磁控溅射原理课件
适用材料广泛
磁控溅射可以用于多种金属、非金属 材料的镀膜，满足不同应用需求。
03
磁控溅射过程与机制
磁控溅射过程的物理机制
磁场控制电子运动
在磁控溅射过程中，磁场对电子的运动轨迹起到控制作用，使电子在靶材表面附近区域做回旋运动，延长了电子与气 体分子的碰撞时间，提高了离化率。
高速运动的电子与气体分子碰撞
04
磁控溅射技术的研究与发 展
磁控溅射技术的研究现状
国内外研究概况
磁控溅射技术在国内外的科研机构和 大学中得到了广泛的研究和应用，涉 及材料科学、电子学、光学等领域。
实验研究与理论模拟
当前的研究主要集中在实验研究和理 论模拟两个方面，通过实验验证理论 的预测，同时通过理论模拟指导实验 设计和优化。
阳极
通常为金属材料，与阴极相对 ，用于吸引真空室内的电子。
电源系统
提供直流或交流电，以驱动阴 极和阳极之间的电场。
磁控溅射系统的原理
01
02
03
气体放电
在真空室内，通过电源系 统产生电场，使得气体分 子被电离成带电离子和电 子。
离子加速
带电离子在电场作用下加 速飞向阴极靶材，与靶材 表面原子碰撞并使其溅射 出来。
磁控溅射技术的发展趋势
高效能与环保
随着环保意识的提高和能源的日益紧张，磁控溅射技术正朝着高效能和环保的 方向发展，寻求更低的能耗和更少的废弃物排放。
多功能化
为了满足多样化的需求，磁控溅射技术正朝着多功能化的方向发展，如开发出 适用于不同材料、不同工艺的多功能磁控溅射设备。
磁控溅射技术的前沿问题
新型材料的制备
优良的附着力
由于靶材原子以一定的能量沉积在基片表面，与基片表面 产生较好的附着力。
磁控溅射相关ppt..共21页PPT资料
磁控溅射镀膜
12
膜的检测手段
当对薄膜样品进行XRR测量时,由于空气与薄膜、薄膜与衬底 的X射线反射率不同,就会产生XRR衍射峰。通过计算相邻峰 位之间的距离就可推算薄膜的厚度,通过峰的强度和面积就可 以计算其界面粗糙度。如果在垂直于膜面方向上多层膜存在 较好的周期性结构(超晶格),在小角范围内还会出现布拉格衍 射峰。
磁控溅射镀膜
5
磁控溅射镀膜原理
2. 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中
与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞 向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表 面，使靶材发生溅射。在溅射 粒子中，中性的靶原子或分子 沉积在基片上形成薄膜，而产 生的二次电子会受到电场和磁 场作用，产生E（电场）×B （磁场）所指的方向漂移，简 称E×B漂移，其运动轨迹近似一条摆线。
直到1877年才真正应用于研究的溅射设备上。迄后70年中，由于实验 条件的限制，对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态，在1950年之前 有关溅射薄膜特性的技术资料，多数是不可信的。
到了19世纪中期，阴极溅射技术发展也相当缓慢，只是在化学活性极强 的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中，采 用溅射技术。
磁控溅射镀膜
6
磁控溅射镀膜原理
若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们 的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内， 并且在该区域中电离出大量的 Ar 来轰击靶材，从而实现了 沉积速率。随着碰撞次数的 增加，二次电子的能量消耗殆 尽，逐渐远离靶表面，并在电 场E的作用下最终沉积在基片上。 由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低 。
《磁控溅射工艺简介》课件
2 薄膜厚度均匀
与旋涂法、喷涂法等技术相比，薄膜质量更均匀、富于粘附力
3 制备材料种类广泛
可以沉积多种单金属材料、合金材料、复合材料
磁控溅射工艺设备和材料
1
靶材
靶材的物理性质是影响溅射沉积物及制备薄膜质量的主要因素
2
溅射设备
常见的溅射设备有平板型、同轴型、磁控隔离型、真空电弧离子镀等
3
衬底
影响沉积物与衬底之间的结合力，应匹配靶材和涂料。
磁控溅射工艺的工艺流程来自前处理沉积过程表面清洗和处理，消除表面缺陷。
喷射气体来形成气体击穿，形成 高能粒子撞击靶材表面所产生的 离子，将靶材材料沉积于衬底上
后处理
包括退火、薄膜表面处理、测厚 回火硬化等。
磁控溅射工艺的发展前景
工艺创新
磁控溅射正在不断被改进，通过改变靶材材料、改 变沉积时间以及扩大系统的尺寸，工艺将日益得到 完善和成熟。
新材料制备挑战
难以制备的材料，如功能性陶瓷、石墨烯等，成为 新的探索方向和研究热点，磁控溅射将在材料制备 技术中继续发挥重要作用。
磁控溅射工艺的应用领域
微电子领域
微电子元器件、TFT-LCD中的透明电极、光存储 器芯片存储材料
太阳能电池领域
提高太阳能电池转换效率的反射膜
表面工程领域
镀膜、切削刀具镀层、防护涂料
生物医学领域
医用材料表面涂层，如人工心脏瓣膜
磁控溅射工艺的优点
1 制备工艺简单
工艺流程简单、设备负荷小、较易实现工业生产
磁控溅射工艺简介
磁控溅射是一种全球广泛应用的薄膜制备技术，它通过高能离子轰击靶材表 面，使原子或离子从靶材表面剥离并沉积在制备基材上，达到薄膜沉积的目 的。
磁控溅射工艺的原理和特点
与旋涂法、喷涂法等技术相比，薄膜质量更均匀、富于粘附力
3 制备材料种类广泛
可以沉积多种单金属材料、合金材料、复合材料
磁控溅射工艺设备和材料
1
靶材
靶材的物理性质是影响溅射沉积物及制备薄膜质量的主要因素
2
溅射设备
常见的溅射设备有平板型、同轴型、磁控隔离型、真空电弧离子镀等
3
衬底
影响沉积物与衬底之间的结合力，应匹配靶材和涂料。
磁控溅射工艺的工艺流程来自前处理沉积过程表面清洗和处理，消除表面缺陷。
喷射气体来形成气体击穿，形成 高能粒子撞击靶材表面所产生的 离子，将靶材材料沉积于衬底上
后处理
包括退火、薄膜表面处理、测厚 回火硬化等。
磁控溅射工艺的发展前景
工艺创新
磁控溅射正在不断被改进，通过改变靶材材料、改 变沉积时间以及扩大系统的尺寸，工艺将日益得到 完善和成熟。
新材料制备挑战
难以制备的材料，如功能性陶瓷、石墨烯等，成为 新的探索方向和研究热点，磁控溅射将在材料制备 技术中继续发挥重要作用。
磁控溅射工艺的应用领域
微电子领域
微电子元器件、TFT-LCD中的透明电极、光存储 器芯片存储材料
太阳能电池领域
提高太阳能电池转换效率的反射膜
表面工程领域
镀膜、切削刀具镀层、防护涂料
生物医学领域
医用材料表面涂层，如人工心脏瓣膜
磁控溅射工艺的优点
1 制备工艺简单
工艺流程简单、设备负荷小、较易实现工业生产
磁控溅射工艺简介
磁控溅射是一种全球广泛应用的薄膜制备技术，它通过高能离子轰击靶材表 面，使原子或离子从靶材表面剥离并沉积在制备基材上，达到薄膜沉积的目 的。
磁控溅射工艺的原理和特点
磁控溅射技术及其应用
• 打弧：当靶材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，巨大的电流流过 击穿点，形成弧光放电，导致局部靶面瞬间被加热到很高的温度，发生喷射 出现“打弧”现象。
• 靶中毒和打弧导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命！ • 解决办法：最为有效解决直流反应溅射靶中毒和打弧问题的方式是改变溅射
电源，如采用射频，中频脉冲电源。
2、磁控溅射技术
• 磁控溅射技术是为了提高成膜速率在直流二级溅射镀膜基础上发展起 来的,在靶材表面建立与电场正交的磁场,氩气电离率从0.3%～0.5%提 高到了5%～6%,解决了溅射镀膜沉积速率低的问题,是目前工业上精 密镀膜的主要方法之一。
• 磁控溅射阴极靶材的原料很广,几乎所有金属、合金以及陶瓷材料都可 以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用下, 沉积速度快,膜层致密且与基片附着性好,非常适合于大批量且高效率 的工业化生产。
• 到了20世纪中期，阴极溅射技术发展也相当缓慢，只是在化学活性 极强的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺 中，采用溅射技术。
一、磁控溅射镀膜技术简介
2、磁控溅射技术出现与进展
• 在1970年出现了磁控溅射技术随后商品化的磁控溅射设备供应于世 ，大大地扩展了溅射技术应用的领域。
6、磁控溅射新发展
• 高速溅射：高速溅射能够实现高速率沉积，可以缩短溅射镀膜的时间，提高 工业生产的效率；有可能替代目前对环境有污染的电镀工艺。
• 自溅射：当溅射率非常高，以至于在完全没有惰性气体的情况下也能维持放 电，即是仅用离化的被溅射材料的蒸汽来维持放电，这种磁控溅射被称为自 溅射。被溅射材料的离子化以及减少甚至取消惰性气体，会明显地影响薄膜 形成的机制，加强沉积薄膜过程中合金化和化合物形成中的化学反应。由此 可能制备出新的薄膜材料，发展新的溅射技术，例如在深孔底部自溅射沉积 薄膜。
• 靶中毒和打弧导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命！ • 解决办法：最为有效解决直流反应溅射靶中毒和打弧问题的方式是改变溅射
电源，如采用射频，中频脉冲电源。
2、磁控溅射技术
• 磁控溅射技术是为了提高成膜速率在直流二级溅射镀膜基础上发展起 来的,在靶材表面建立与电场正交的磁场,氩气电离率从0.3%～0.5%提 高到了5%～6%,解决了溅射镀膜沉积速率低的问题,是目前工业上精 密镀膜的主要方法之一。
• 磁控溅射阴极靶材的原料很广,几乎所有金属、合金以及陶瓷材料都可 以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用下, 沉积速度快,膜层致密且与基片附着性好,非常适合于大批量且高效率 的工业化生产。
• 到了20世纪中期，阴极溅射技术发展也相当缓慢，只是在化学活性 极强的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺 中，采用溅射技术。
一、磁控溅射镀膜技术简介
2、磁控溅射技术出现与进展
• 在1970年出现了磁控溅射技术随后商品化的磁控溅射设备供应于世 ，大大地扩展了溅射技术应用的领域。
6、磁控溅射新发展
• 高速溅射：高速溅射能够实现高速率沉积，可以缩短溅射镀膜的时间，提高 工业生产的效率；有可能替代目前对环境有污染的电镀工艺。
• 自溅射：当溅射率非常高，以至于在完全没有惰性气体的情况下也能维持放 电，即是仅用离化的被溅射材料的蒸汽来维持放电，这种磁控溅射被称为自 溅射。被溅射材料的离子化以及减少甚至取消惰性气体，会明显地影响薄膜 形成的机制，加强沉积薄膜过程中合金化和化合物形成中的化学反应。由此 可能制备出新的薄膜材料，发展新的溅射技术，例如在深孔底部自溅射沉积 薄膜。
磁控溅射原理详细介绍ppt课件
辉光放电是在真空度约为一的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。 设有图2那样的一个直流气体放电体系。在阴阳两极之间由电动势为的直流电源提供电压和电流，并以 电阻作为限流电阻。在电路中，各参数之间应满足下述关系：
V=E-IR
9
第二部分 溅射及辉光放电
2.2 辉光放电
使真空容器中Ar气的压力保持为，并逐渐提高两个电极
(C)基片表面的颗粒物质将会使薄膜产生针孔和形成沉积污染，因此，沉积前应对基片进行彻底清 洗，尽可能保证基片不受污染或不携带微粒状污染物。
6
第一部分 真空镀膜基础
1.4 薄膜技术
薄膜技术主要包括薄膜的制备技术和薄膜材料研究，薄膜的制备技术又称为镀膜技术。薄膜的制备 方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积方法（PVD）和化学气相沉积方法(CVD)。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
V=E-IR
9
第二部分 溅射及辉光放电
2.2 辉光放电
使真空容器中Ar气的压力保持为，并逐渐提高两个电极
(C)基片表面的颗粒物质将会使薄膜产生针孔和形成沉积污染，因此，沉积前应对基片进行彻底清 洗，尽可能保证基片不受污染或不携带微粒状污染物。
6
第一部分 真空镀膜基础
1.4 薄膜技术
薄膜技术主要包括薄膜的制备技术和薄膜材料研究，薄膜的制备技术又称为镀膜技术。薄膜的制备 方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积方法（PVD）和化学气相沉积方法(CVD)。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
磁控溅射工艺简介PPT演示文稿
磁控溅射镀膜工艺简介
2014.6.6
1
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
4
一、名词解释
• Sputter溅镀定义： • 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中
正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
5
二、溅射原理解释
6
二、溅射原理解释
7
二、溅射原理解释
8
二、溅射原理解释
9
三、磁控溅射原理解释
10
三、磁控溅射原理解释
11
三、磁控溅射原理解释
12
三、磁控溅射原理解释
13
三、磁控溅射原理解释
14
三、磁控溅射原理解释
2014.6.6
1
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
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一、名词解释
• Sputter溅镀定义： • 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中
正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
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二、溅射原理解释
6
二、溅射原理解释
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二、溅射原理解释
8
二、溅射原理解释
9
三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
磁控溅射技术及其应用PPT课件
第15页/共23页
四、磁控溅射镀膜技术的发展
6、脉冲磁控溅射技术
• 双向脉冲更多地用于双靶闭合式 非平衡磁控溅射系统如图所示， 系统中的两个磁控靶连接在同一 脉冲电源上，与中频孪生靶相似， 两个靶交替充当阴极和阳极，阴 极靶在溅射的同时，阳极靶完成 表面清洁，如此周期性地变换磁 控靶极性，就产生了“自清洁” 效应。
第8页/共23页
三、磁控溅射镀膜技术发展
2、非平衡磁控溅射技术
•单 独 的 非 平 衡 磁 控 靶 在 基 片 上 很 难 沉积出均匀的薄膜层，多靶非平衡 磁控溅射镀膜系统,弥补了单靶非平 衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁 控溅射系统根据磁场的分布方式可 以分为相邻磁极相反的闭合磁场非 平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜 像磁场非平衡磁控溅射。
• 打弧：当靶材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，巨大的电流 流过击穿点，形成弧光放电，导致局部靶面瞬间被加热到很高的温度， 发生喷射出现“打弧”现象。
• 靶中毒和打弧导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命！ • 解决办法：最为有效解决直流反应溅射靶中毒和打弧问题的方式是改变
溅射电源，如采用射频，中频脉冲电源。
• 逐渐减小反应气体流量（D-E）， 溅射速率不会由C立刻回升到B，
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三、磁控溅射镀膜技术发展
3、反应磁控溅射技术
• 靶中毒：迟滞现象使反应气体与靶材作用生成的化合物覆盖在靶材表面， 积累大量的正电荷无法中和，在靶材表面建立越来越高的正电位，阴极 位降区的电位随之降低，最终阴极位降区电位降减小到零，放电熄灭， 溅射停止，这种现象称为靶中毒。
一、磁控溅射镀膜技术简介
1、阴极溅射技术发现与进展
• 1842年格洛夫（Grove）在研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴 极材料迁移到真空管壁上来了，进而发现了阴极溅射现象。
四、磁控溅射镀膜技术的发展
6、脉冲磁控溅射技术
• 双向脉冲更多地用于双靶闭合式 非平衡磁控溅射系统如图所示， 系统中的两个磁控靶连接在同一 脉冲电源上，与中频孪生靶相似， 两个靶交替充当阴极和阳极，阴 极靶在溅射的同时，阳极靶完成 表面清洁，如此周期性地变换磁 控靶极性，就产生了“自清洁” 效应。
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三、磁控溅射镀膜技术发展
2、非平衡磁控溅射技术
•单 独 的 非 平 衡 磁 控 靶 在 基 片 上 很 难 沉积出均匀的薄膜层，多靶非平衡 磁控溅射镀膜系统,弥补了单靶非平 衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁 控溅射系统根据磁场的分布方式可 以分为相邻磁极相反的闭合磁场非 平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜 像磁场非平衡磁控溅射。
• 打弧：当靶材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，巨大的电流 流过击穿点，形成弧光放电，导致局部靶面瞬间被加热到很高的温度， 发生喷射出现“打弧”现象。
• 靶中毒和打弧导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命！ • 解决办法：最为有效解决直流反应溅射靶中毒和打弧问题的方式是改变
溅射电源，如采用射频，中频脉冲电源。
• 逐渐减小反应气体流量（D-E）， 溅射速率不会由C立刻回升到B，
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三、磁控溅射镀膜技术发展
3、反应磁控溅射技术
• 靶中毒：迟滞现象使反应气体与靶材作用生成的化合物覆盖在靶材表面， 积累大量的正电荷无法中和，在靶材表面建立越来越高的正电位，阴极 位降区的电位随之降低，最终阴极位降区电位降减小到零，放电熄灭， 溅射停止，这种现象称为靶中毒。
一、磁控溅射镀膜技术简介
1、阴极溅射技术发现与进展
• 1842年格洛夫（Grove）在研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴 极材料迁移到真空管壁上来了，进而发现了阴极溅射现象。
磁控溅射.ppt
通过磁场提高溅射率的基本原理由
Penning在60多年前发明，后来由Kay和
其他人发展起来，并研制出溅射枪和柱式
磁场源。1979年Chapin引入了平面磁控
结构。
速度为v的电子在电场E和磁感强度为B
的磁场中将受到洛仑兹力的作用：
F e( E v B )
电荷在均匀电磁场中运动
镜像磁场磁力线分布示意图
地球本身磁场的分布也属于镜像场，在外层空间运 动的带电粒子进入地球磁场影响范围后, 将绕地磁感 应线做变幅螺旋运动, 在两极间来回振荡, 形成有名 的范· 阿伦辐射带即地球大气层中的电离层 。 有时范· 阿伦辐射带中的带电粒子因空间磁场的变化 而在两极附近进入地球大气层，引起极光。
溅射的优缺点
溅射工艺可重复性较好，膜厚可控制，可以在大面积 优点 基片上获得厚度均匀的薄膜。 对于任何材料，只要能做成靶材，就可实现溅射； 溅射所获得的薄膜与基片结合较好； 溅射所获得的薄膜纯度较高，致密性好；
缺点 它的沉积速率低，基片温升高
易受杂质气体影响
二、溅射装置
2.1 直流溅射(DC sputtering)
+
假设t= 0 时电子位于坐标原点并且初速 为零， E、B均为常数， 该方程的解为
运动轨迹为在YOZ 平面内沿Z 轴平行前 进的摆线
电荷在非均匀电磁场中运动
电荷在非均匀磁场中运动除了受到洛伦兹力外,还 要受到一个由于磁场的空间分布不均匀性而引起的磁 阻力
F m a q E ( x, y , z ) q v B( x, y , z ) B( x, y , z )
溅射率和离子能量的关系
Cu膜溅射蒸发速度对粒子数的 分布曲线
《磁控溅射镀膜技术》课件
要点二
溅射参数与工艺条件
溅射参数和工艺条件对磁控溅射镀膜的沉积速率、膜层质 量、附着力等有着重要影响。主要的溅射参数包括工作气 压、磁场强度、功率密度等，工艺条件包括基材温度、气 体流量和组成等。通过对这些参数的优化和控制，可以获 得具有优异性能的膜层。
磁控溅射镀膜设备
03
与系统
磁控溅射镀膜设备的组成
多元靶材磁控溅射
技术
研究多种材料同时溅射的工艺技 术，实现多元材料的复合镀膜， 拓展镀膜材料的应用范围。
磁控溅射与其他技术的结合应用
磁控溅射与脉冲激光沉积技术结合
01
通过结合两种技术，实现快速、大面积的镀膜，提高生产效率
。
磁控溅射与化学气相沉积技术结合
02
利用化学气相沉积技术在磁控溅射的基础上进一步优化镀膜性
磁控溅射机制
在磁场的作用下，电子的运动轨迹发生偏转，增加与气体分子的碰撞概率，产 生更多的离子和活性粒子，从而提高了溅射效率和沉积速率。
磁控溅射镀膜的工艺流程
要点一
工艺流程概述
磁控溅射镀膜的工艺流程包括前处理、溅射镀膜和后处理 三个阶段。前处理主要是对基材进行清洗和预处理，确保 基材表面的清洁度和粗糙度符合要求；溅射镀膜是整个工 艺的核心部分，通过控制溅射参数和工艺条件，实现膜层 的均匀、致密和附着力强的沉积；后处理主要包括对膜层 的退火、冷却和清洗等处理，以优化膜层性能。
纳米薄膜的制备与应用
总结词
纳米薄膜因其独特的物理和化学性质在许多 领域具有巨大的应用潜力。
详细描述
磁控溅射技术可以用于制备纳米级别的薄膜 ，如纳米复合材料、纳米陶瓷、纳米金属等 ，这些薄膜在催化剂、传感器、电池等领域 有广泛应用。
其他领域的应用研究
磁控溅射镀膜技术 PPT课件
• 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。
• 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
• 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）
• 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.
• 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
• 在靶电源为恒功率模式下，随反应气体 （如氧）流量变化（增加或减小），靶 电压变化呈非线性，类似磁滞回曲线
4、硅靶通氧反应溅射制备二氧化硅：靶电 压随氧气流量变化曲线有滞回现象（反应 溅射的固有特性）
磁控溅射报告PPT课件
3、影响磁控溅射工艺稳定性的因素
1、溅射功率的影响
溅射功率的增加会提高膜厚的均匀性、溅射速率， 随着溅射功率的增加，等离子体的面积增大，因此膜 层的均匀性会提高。功率的增大，能提高氩气的电离 度，增大溅射出的靶材原子数量，从而提高了溅射速 率。而这些靶原子带有很高的能量淀积到基片上，因 此能提高靶材原子与基片的附着力和薄膜的致密度。 从而提高了薄膜的成膜质量 。 但是过高的功率会造成 原子带有过高的能量轰击基片，二次电子也相应增多 ，这都会造成基片温度过高，会降低薄膜成膜质量与 溅射速率。
当溅射率非常高，以至于在完全没有惰性气体的情 况下也能维持放电，即是仅用离化的被溅射材料的蒸汽 来维持放电，这种磁控溅射被称为自溅射。被溅射材料 的离子化以及减少甚至取消惰性气体，会明显地影响薄 膜形成的机制，加强沉积薄膜过程中合金化和化合物形 成中的化学反应。由此可能制备出新的薄膜材料，发展 新的溅射技术，例如在深孔底部自溅射沉积薄膜。
3、磁控溅射等离子体阻抗低，从而导致了高放电电 流，在约500Ｖ的电压下放电电流可从1Ａ到100Ａ（ 取决于阴极的长度）；
4 、 成膜速率高，沉积速率变化范围可从 1 n m / s 到 10nm/s；
2.1、 磁控溅射技术的特点
5、成膜的一致性好，甚至是在数米长的阴极溅射的 情况下，仍能保证膜层的一致性；
3、影响磁控溅射工艺稳定性的因素
4、磁场的影响
磁场不均匀会使薄膜的均匀性变差，磁控溅射的 基本原理就是通过磁场来延长电子的运动轨迹，尽可 能的与氩原子发生碰撞，在磁场强的地方产生的 Ar+ 离子多 ，轰击出的靶材原子也比较多，基片上膜层就 比较厚，反之磁场弱的地方，膜层较薄。显然，磁场 的强弱也会影响沉积速率，磁场强沉积速率高，反之 ，沉积速率低。
磁控溅射镀膜原理及工艺 ppt课件
2.3.2速度
另一个变量是速度。对于单端镀膜机， 镀膜区的传动速度可以在每分钟0 ~ 600英 寸大约为0 ~ 15.24米）之间选择。对于双端 镀膜机，镀膜区的传动速度可以在每分钟0 ~ 200英寸（大约为0 ~ 5.08米）之间选择。 在给定的溅射速率下，传动速度越低则表 示沉积的膜层越厚。
2.3.3气体
2.1.3 气体压强
将气体压强降低到某一点可以提高离子的平均自 由程、进而使更多的离子具有足够的能量去撞击阴 极以便将粒子轰击出来，也就是提高溅射速率。超 过该点之后，由于参与碰撞的分子过少则会导致离 化量减少，使得溅射速率发生下降。如果气压过低， 等离子体就会熄灭同时溅射停止。提高气体压强可 提高离化率，但是也就降低了溅射原子的平均自由 程，这也可以降低溅射速率。能够得到最大沉积速 率的气体压强范围非常狭窄。如果进行的是反应溅 射，由于它会不断消耗，所以为了维持均匀的沉积 速率，必须按照适当的速度补充新的反应气体。
三种分类的主要对比如下表：
DC 电源价格 靶材 便宜 圆靶/矩形靶 MF 一般 平面靶/旋转 靶 RF 昂贵 试验室一般用圆平 面靶
靶材材质要 求
抵御靶中毒 能力 应用
导体
无限制
无限制
弱 金属
强 金属/化合物
强 工业上不采用此法
可靠性
好
较好
较好
2磁控溅射工艺研究
2.1溅射变量
2.1.1电压和功率
若为环形磁场，则电子就以近似摆线形 式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径 不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等 离子体区域内，并且在该区域中电离出大 量的Ar正离子来轰击靶材，从而实现了高 的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次 电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面， 并在电场E的作用下最终沉积在基片上。 由于该电子的能量很低，传递给基片的 能量很小，致使基片温升较低。
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磁控溅射镀膜工艺简介
2014.6.6
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
一、名词解释
• Sputter溅镀定义：
• 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中 正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
四、反应溅射
四、反应溅射
四、反应溅射
五、常见薄膜
五、常见薄膜
六、影响薄膜质量的因素
请批评指正，谢谢！
一、名词解释
• 辉光放电： 低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,由于高压放电现象 在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。在置有板 状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约 1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生 二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强 度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现 象。
一、名词解释
• 等离子体：
• 将气体加热，当其原子达到几千甚至上万摄氏度时，电子就会被原 子“甩”掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电 荷相反，但数量相等，这种状态称做等离子态 。大家常见的霓虹灯， 在它点亮以 后，灯管里的气体就被电离了，成为电子与离子的混合 物——等离子体。极光，是我们看见的大自然里的等离子体。
二、溅射原理解释
二、溅射原理解释
二、溅射原理解释
二、溅射原ห้องสมุดไป่ตู้解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
使靶材原子或分子等溅射出来并在管面经过吸附、凝结、 表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸 附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形 成连续状薄膜。
2014.6.6
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
一、名词解释
• Sputter溅镀定义：
• 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中 正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
四、反应溅射
四、反应溅射
四、反应溅射
五、常见薄膜
五、常见薄膜
六、影响薄膜质量的因素
请批评指正，谢谢！
一、名词解释
• 辉光放电： 低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,由于高压放电现象 在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。在置有板 状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约 1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生 二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强 度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现 象。
一、名词解释
• 等离子体：
• 将气体加热，当其原子达到几千甚至上万摄氏度时，电子就会被原 子“甩”掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电 荷相反，但数量相等，这种状态称做等离子态 。大家常见的霓虹灯， 在它点亮以 后，灯管里的气体就被电离了，成为电子与离子的混合 物——等离子体。极光，是我们看见的大自然里的等离子体。
二、溅射原理解释
二、溅射原理解释
二、溅射原理解释
二、溅射原ห้องสมุดไป่ตู้解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
三、磁控溅射原理解释
使靶材原子或分子等溅射出来并在管面经过吸附、凝结、 表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸 附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形 成连续状薄膜。