溅射技术
溅射工艺技术
溅射工艺技术溅射工艺技术（sputtering technology）是一种常用的薄膜沉积技术，其主要原理是利用离子轰击的方式将靶材表面的原子或分子“溅射”到基板上，形成一层薄膜。
溅射工艺技术具有高成膜速率、材料利用率高、膜层均匀性好等优点，因此在很多领域被广泛应用。
溅射工艺技术的主要设备包括溅射源、真空系统、控制系统等。
其中，溅射源是实现薄膜溅射的核心部件。
溅射源由靶材与阳极构成，在高真空环境中，通过外加直流或射频功率使靶材电离，离子束将溅射靶材的原子或分子带向基板。
溅射源的结构和材料对沉积薄膜的性质有很大影响，不同材料的靶材可以实现对不同材料的薄膜溅射。
溅射工艺技术主要有直流溅射和射频溅射两种形式。
直流溅射是利用直流电源提供电离所需的电压和电流，实现靶材表面的离子轰击；射频溅射则是利用射频电源提供高频电压和电流，使靶材表面的电子在高频场的作用下电离。
射频溅射由于电离效率高，成膜速率更快，因此在工业上得到广泛应用。
溅射工艺技术的应用领域非常广泛。
首先，它被广泛应用于光学薄膜的制备。
通过控制溅射过程中参数的变化，可以得到不同材料的多层或复合膜，用于制备反射膜、透明导电膜等光学器件。
其次，溅射工艺技术在电子器件领域也有重要应用，如制备集成电路中的金属互连、磁存储介质等。
另外，溅射工艺技术还被广泛应用于石油化工、航空航天、医药等领域的涂层制备。
溅射工艺技术在薄膜制备中具有许多优势。
一方面，溅射工艺技术可以制备多种材料的薄膜，包括金属、合金、氧化物等；另一方面，溅射工艺技术的成膜速率较高，可以在较短的时间内制备较厚的薄膜，提高工作效率；此外，溅射工艺技术制备的薄膜较为均匀，具有较好的附着力和致密性。
然而，溅射工艺技术也存在一些挑战和问题。
首先，溅射工艺技术对设备的要求较高，包括加热控制、真空度维持等；其次，溅射工艺技术中的离子轰击会导致靶材的加热和烧蚀，影响溅射过程的稳定性和靶材的寿命；此外，溅射工艺技术在制备复杂结构薄膜时存在工艺调控的难度。
磁控溅射技术的原理及应用
磁控溅射技术的原理及应用1. 磁控溅射技术简介磁控溅射技术是一种常用的薄膜沉积技术，通过将金属靶材溅射生成粒子或原子，在表面形成均匀且致密的薄膜覆盖层。
磁控溅射技术具有高效、环保、可控厚度等特点，广泛应用于材料科学、半导体制造、光学镀膜等领域。
2. 磁控溅射技术的原理磁控溅射技术基于电离溅射原理，通过磁场控制靶材离子的行为，使其垂直击打到靶材表面，从而产生溅射现象。
主要的原理包括以下几个方面：•靶材电离：在磁控溅射设备中，将靶材通电，使其产生离子。
电离的方式包括直流电离、射频电离等，通过电离可使靶材中的金属原子或粒子脱离束缚并形成等离子体。
•磁场控制：通过磁铁或电磁铁产生磁场，使得等离子体中的离子在磁场的作用下呈现螺旋轨道运动。
磁场对离子运动的控制可改变其飞行路径，使其垂直击打到靶材表面，并增加溅射效率。
•沉积膜形成：靶材表面被离子击打后，产生大量的金属原子或粒子，它们在靶材表面扩散并沉积形成均匀的薄膜。
溅射过程中的离子能量、离子束流密度等参数的调控可以影响薄膜的组成、结构和性能。
3. 磁控溅射技术的应用磁控溅射技术具有广泛的应用领域和潜力，主要包括以下几个方面：3.1 材料科学•薄膜制备：磁控溅射技术可以制备各种材料的薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
这些薄膜具有良好的致密性和附着力，在材料科学领域中起着重要作用。
•合金制备：通过磁控溅射技术，可以将两种或多种材料溅射在一起，制备出各种复合材料或合金。
这些合金具有独特的力学、电磁等性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
3.2 半导体制造•集成电路制备：磁控溅射技术可以制备半导体材料的薄膜，作为集成电路的关键材料。
薄膜的制备过程中可以调控其成分和结构，从而改变其电学、光学等性能，满足集成电路的需求。
•光罩制备：在半导体工艺中，磁控溅射技术还可以制备光罩。
光罩是半导体制造中的重要工艺设备，用于制作集成电路的图案，对半导体工艺的精度和稳定性要求非常高。
磁控溅射技术
磁控溅射技术磁控溅射技术是一种物理形式的加工方法，它是利用含有高能离子的磁控溅射来形成材料表面薄膜的一种技术。
它的基本原理是利用高能离子在磁场中受到剪切力的驱动，沿一定的路径把离子射入到被加工材料的表面，从而在表面形成薄膜。
磁控溅射技术的发展，使材料上的厚度、表面粗糙度等得到极大的提高，并为材料及元器件的性能及应用提供了新的材料、新的技术。
磁控溅射技术主要有以下八个主要步骤：1、清洗：通过机械清洗、热清洗或化学清洗来清除材料表面的杂质和污染物；2、表面准备：将材料表面处理为清洁的表面，以满足磁控溅射技术的要求；3、分子铺层：将特定的物质应用于材料表面，以防止磁控溅射产生的放电和热；4、磁控腔室内空气环境：制备出适合介质离子溅射的腔室内空气混合气体环境；5、加热：加热物体，使其膨胀，以改善表面结构；6、放电准备：准备出适当的放电线圈，将物体放入其中，使放电电流分布均匀；7、磁控溅射：利用磁控溅射，将物质在材料表面形成一定厚度的薄膜；8、处理：磁控溅射成型后，进行放电电流的处理，得到更精细的形状、更薄的厚度和更小的毛刺。
磁控溅射技术具有多种优势，如操作简单、精度高、用料灵活、质量可靠、加工速度快等。
其应用于航空航天、船舶、汽车、冶金、机械等各个领域都有广泛的应用，并可以用于零件的精密加工、表面处理及其他方面的研究。
磁控溅射技术可以实现材料表面形成超精密膜层，它可以改变材料的组织结构，改善润滑性能，增加耐腐蚀性，提高表面粗糙度，抗磨损性，减少力学性能的变化，改善材料的力学性能，提高抗震性能，增加材料的耐热性和抗静电性等性能，为各种设备和系统提供性能优异的材料。
作为一种先进的加工方法，磁控溅射技术能够实现更精细、更准确的加工，可以满足不同表面的加工要求，为工业的发展和应用提供了更新的技术和材料，为国民经济发展做出积极的贡献。
磁控溅射技术
磁控溅射技术磁控溅射技术（MagnetronSputtering）是一种工艺技术，它可以将物质的激素部分转化成独立的离子，并将其射射到待涂层物体表面上，从而使得涂层物体表面形成一层薄膜。
磁控溅射技术被广泛应用于光学、电子、机械设备、制药设备、光通信等行业，是当今高科技领域研发设计的重要手段之一。
磁控溅射技术原理磁控溅射技术是一种将原子或分子能量值降低，使其出现球形高电荷状态，再以特殊的磁场配合电磁场，使之发出离子流，再将其射向待涂层物体表面，从而形成薄膜的一种物理沉积技术。
磁控溅射通常使用氩气或其它气体作为原料，采用高频电源充电，直流源来作用在特殊的磁场之中，形成电磁场作用于放电管内，使空气中的氩气分子离子化，形成加速离子，经过磁场的钙卡位作用，在被涂层表面上沉积成为薄膜。
磁控溅射技术优势磁控溅射技术具有诸多优势，其中最重要的优势是它可以生产出高精度涂层，涂层形貌相对较好，表面粗糙度低，具有良好的界面结构，在结构上可以产生变形和裂缝，从而改善其性能。
另外，由于磁控溅射技术本身的特性，它可以有效的改善层间的粗糙度、表面粗糙度等，使其表面进一步得到改善，从而提高涂层膜的性能。
此外，磁控溅射技术具有操作简单、速度快、改善特性及低成本等优势。
磁控溅射技术的应用磁控溅射技术在当今社会的应用十分广泛，它可以用于制造射频集成电路、宽带光缆、光学组件等电子元件，以及滤光片、反光镜、薄膜开关等光电子器件等。
此外，磁控溅射技术还可用于制造高性能的压电器件、高性能的催化剂和特殊材料等。
磁控溅射技术还可以用于核壳结构和整体结构的复合材料涂层，以及空间舱体、大型塔台等涂装，使其具备良好的抗腐蚀性、绝缘性以及机械特性等特性。
结论磁控溅射技术是一种物理沉积技术，其原理是形成一种电磁场作用于放电管，使其出现高电荷状态，然后形成加速离子，最后将其射向待涂层物体表面，从而形成薄膜。
磁控溅射技术具有生产高精度涂层、良好的表面粗糙度，改善特性及低成本等优势，在光学、电子、机械设备、制药设备以及光通信领域有着广泛的应用，是一项重要的技术。
材料学中的表面改性技术
材料学中的表面改性技术表面改性技术是材料学领域中的重要研究方向，它通过对材料表面的处理，改变其物理、化学性质，以达到增加材料应用性能的目的。
本文将介绍几种常见的表面改性技术，并探讨其在材料学中的应用。
一、溅射技术溅射技术是利用粒子束轰击材料的表面，使得表面原子或分子被剥离并加速沉积到另一个材料表面上的一种方法。
这种方法不仅可以改变材料的物理性质，如硬度、导电性等，还可以改变其化学性质，如增强表面的化学稳定性、腐蚀抗性等。
溅射技术广泛应用于薄膜制备、电子器件制造等领域。
二、化学气相沉积技术化学气相沉积技术是一种利用化学反应在材料表面沉积薄膜的方法。
常见的化学气相沉积技术包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。
CVD技术通过气相化学反应在材料表面生成所需的化合物薄膜，而PVD技术则是利用物理方法将材料原子或分子传输到表面形成薄膜。
这些技术可以改变材料的表面形貌、光学性能、磁性等，广泛应用于涂料、光伏等领域。
三、离子注入技术离子注入技术是将高能离子轰击材料表面，使得离子与原子或分子发生碰撞并改变其性质的方法。
离子注入可以改变材料的化学成分、晶体结构、电学性能等，是一种有效的改善材料表面性能的方法。
离子注入技术在半导体、材料改性等领域有着广泛的应用。
四、等离子体处理技术等离子体处理技术是利用由高能粒子或辐射激发产生的等离子体处理材料表面的方法。
等离子体处理技术可以改变材料的表面形貌、化学成分和性能。
例如，等离子体诱导的表面改性可以增强材料的耐磨性、耐腐蚀性，提高其生物相容性等。
等离子体处理技术在航空航天、医疗器械等领域得到了广泛应用。
五、表面涂层技术表面涂层技术是利用一种或多种材料覆盖在材料表面以改变其性质的方法。
常见的表面涂层技术包括喷涂、热喷涂、电镀等。
这些技术可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，并且还可以调整其颜色和光学特性。
表面涂层技术广泛应用于汽车、航空航天、家电等领域。
磁控溅射技术
磁控溅射技术
磁控溅射技术（MagnetronSputtering）是一种应用广泛的凝膜
技术，它利用磁控来控制溅射过程以形成薄膜。
它主要用于无机和有机薄膜制备，这是由冷却通道技术和室温技术支持的。
磁控溅射技术可用于制备压电，磁性，光学，光电，绝缘，热电和磁性薄膜等功能的材料。
磁控溅射技术的基本原理是利用一个电磁场来极化溅射流体中
的粒子，这样就可以保证溅射流体中的粒子被准确地导向衬底表面，有效控制薄膜的厚度，表面形貌和发射谱。
它主要应用于溅射池，用作源材料，溅射膜或衬底表面，也可以利用它来制备特殊效应膜，如调制器晶元，表面定向膜，孔道膜等。
由于磁控技术能够准确控制粒子的导向，因此可以用来制备金属，金属氧化物，复合膜，碳化物膜等多种膜材料。
磁控溅射技术与传统的非磁控技术相比，具有许多优势。
首先，磁控技术可以更好地控制溅射过程，从而减少溅射过程中的凝聚态粒子。
此外，振荡电场和磁场可以减少衬底表面上的热效应，使衬底表面更加平滑，从而改善薄膜的物理性能。
此外，磁控技术不仅可以为膜材料制备提供精确的控制，而且可以用来控制不同衬底表面的溅射，不仅可以形成多层膜，还可以形成立体结构的膜。
除了上述优点之外，磁控技术还具有一些有点。
因为薄膜溅射一般会受到溅射池内粒子数量的限制，因此当溅射一个特定厚度的膜时，
磁控技术会受到溅射池内粒子数量的限制，从而会影响薄膜的质量。
此外，磁控技术的设备成本也较高，而且有时会受到磁场的影响而产生失效。
总之，磁控溅射技术是一种能够有效控制溅射过程，准确制备功能材料的一种技术，它的应用范围一直在扩大，已经广泛应用于无机和有机膜材料的制备。
溅射和蒸镀
溅射和蒸镀
溅射和蒸镀是两种常见的金属薄膜制备方法，它们在技术原理、应用范围和薄膜性能上存在一些差异。
技术原理：溅射是一种物理气相沉积（PVD）技术，通过将金属靶材置于离子气体中，施加高电压使离子气体轰击靶材表面，使其释放出金属离子并沉积在基材表面形成薄膜。
而蒸镀是一种热蒸发技术，通过加热金属原料，使其在真空环境中蒸发并沉积在基材表面形成薄膜。
应用范围：溅射可以用于制备很多金属材料的薄膜，并且可以精确控制膜层厚度和成分，因此被广泛应用于工业生产中。
而蒸镀则更适用于制备较轻的金属材料薄膜，如铝、镁等，但在制备较重金属材料时可能会受到限制。
薄膜性能：溅射制备的薄膜具有较高的致密度和附着性，同时其表面粗糙度也较低。
而蒸镀制备的薄膜则具有较低的表面粗糙度，但附着性和致密度相对较差。
总的来说，溅射和蒸镀都是制备金属薄膜的有效方法，但它们的技术原理、应用范围和薄膜性能存在差异。
选择哪种方法取决于具体的应用需求和实验条件。
真空溅射技术
《真空溅射技术》第一章溅射技术所谓“溅射”就是用荷能粒子(通常用气体正离子)轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。
1842年Grove(格洛夫)在实验室中发现了这种现象。
1877年美国贝尔实验室及西屋电气公司首先开始应用溅射原理制备薄膜。
1966年美国国际商用电子计算机公司应用高频溅射技术制成了绝缘膜。
1970年磁控溅射技术及其装置出现，它以“高速”、“低温”两大特点使薄膜工艺发生了深刻变化，不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求，而且促进了新工艺的发展。
我国在1980年前后，许多单位竞先发展磁控溅射技术。
目前在磁控溅射装置和相应的薄膜工艺研究上也已出现了工业性生产的局面。
第一节溅射理论及其溅射薄膜的形成过程溅射理论被荷能粒子轰击的靶材处于负电位，所以一般称这种溅射为阴极溅射。
关于阴极溅射的理论解释，主要有如下三种。
蒸发论认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击的部位局部产生高温区，靶材达到蒸发温度而产生蒸发。
碰撞论认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。
轰击离子能量不足，不能发生溅射；轰击离子能量过高，会发生离子注入现象。
混合论认为溅射是热蒸发论和碰撞论的综合过程。
当前倾向于混合论。
u辉光放电u直流辉光放电在压力为102-10-1Pa的容器内，在两个电极间加上直流电压后所发生的放电过程如图：电压小时，由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。
增加电压，带电粒子能量增加，碰撞中性气体原子，产生更多带电粒子，电流随之平稳增加，进入“汤森放电区”。
电流增加到一定程度，发生“雪崩”现象，离子轰击阴极，释放二次电子，二次电子与中性气体原子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生更多的二次电子，如此循环，当产生的电子数正好产生足够多离子，这些离子能够再生出同样数量的电子时，进入自持状态，气体开始起辉，电压降低，电流突然升高，此为“正常辉光放电区”。
放电自动调整阴极轰击面积，最初轰击是不均匀的，随着电源功率增大，轰击面积增大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。
溅射技术的原理及应用
溅射技术的原理及应用1. 溅射技术的基本原理溅射技术是一种薄膜制备技术，通过在靶材表面施加高能粒子束，使靶材表面的原子或分子从靶材上脱落，并沉积到基底材料的表面，形成所需的薄膜。
其基本原理可分为以下几个步骤：1.1 高能粒子束的产生溅射技术中常用的高能粒子束包括离子束、电子束和中性粒子束等。
这些粒子束的产生通常通过离子源、电子枪或中性粒子源实现。
1.2 靶材与粒子束的相互作用当高能粒子束与靶材相互作用时，粒子束中的能量会被转移给靶材表面的原子或分子。
这些能量转移会导致靶材表面的原子或分子受到激发或离散，从而脱离靶材。
1.3 薄膜沉积过程脱离靶材的原子或分子会沉积到基底材料的表面，形成所需的薄膜。
沉积过程中，脱离靶材的原子或分子在空气中会发生碰撞，使其能量降低并形成固态。
1.4 控制薄膜性质通过调节溅射参数，如粒子束能量、靶材成分、气氛条件等，可以实现对薄膜的组成、形貌和结构等性质的控制。
2. 溅射技术的应用溅射技术作为一种重要的薄膜制备技术，已在许多领域得到广泛应用。
以下列举了几个溅射技术的应用领域：2.1 光学涂层溅射技术可以用于制备各种光学涂层，如反射镜、透明导电膜、滤光膜等。
通过精确控制溅射参数，可以实现光学涂层在特定波长范围内的高反射或高透过率，满足特定的光学需求。
2.2 电子器件制备溅射技术可用于制备电子器件中的金属电极、导体薄膜、磁性薄膜等。
这些薄膜在电子器件中起着重要的连接、导电和储存功能。
2.3 能源材料溅射技术在能源材料领域也有重要应用。
例如，通过溅射技术可以制备太阳能电池中的透明导电膜和光吸收层，以提高太阳能电池的效率和稳定性。
2.4 陶瓷涂层溅射技术可以制备各种陶瓷涂层，用于提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
这些涂层在汽车、航空航天等行业中有广泛应用。
2.5 生物医学应用溅射技术可以制备具有特定生物活性的薄膜，如医用金属植入物上的生物附着层、药物缓释系统等。
这些薄膜在生物医学领域中具有重要的应用潜力。
溅射靶材原理(一)
溅射靶材原理(一)溅射靶材原理解析什么是溅射靶材？溅射靶材是一种重要的材料，在半导体、光电和电子行业中被广泛应用。
它主要用于溅射技术，通过在材料表面加热的方式，产生高速离子或原子，然后将其喷射到目标材料上，从而形成薄膜。
溅射技术的工作原理溅射技术是一种物理气相沉积方法，其工作原理如下：1.溅射源：溅射源由溅射靶材组成，靶材的种类可以多种多样，如金属、合金、化合物等。
溅射源内的靶材会受到加热或外界电场的作用，使其表面离子化或原子化。
2.离子或原子的生成：通过加热等方式，靶材表面的原子或离子被高能粒子激发或离解，形成高速离子束或原子束。
3.束流引导和聚焦：通过适当的装置，将生成的离子束或原子束引导至靶材上，使其撞击并附着在靶材表面上。
4.薄膜形成：离子束或原子束在靶材表面撞击后，会形成一层非常薄的薄膜。
这层薄膜具有与靶材相似或完全相同的化学成分。
溅射靶材的组成与制备溅射靶材的制备是溅射技术的基础，以下是一些常见的溅射靶材制备方法：•靶材制备方法1：机械制备。
通过机械方法，如磨削、切割等，将原材料制备成带有一定尺寸和形状的靶材。
•靶材制备方法2：化学制备。
通过溶液法、热分解法等化学方法，将原材料制备成靶材。
•靶材制备方法3：熔炼法。
将原材料在高温下熔融，然后采用快速冷却的方式，制备成靶材。
溅射靶材的组成也多种多样，常见的有金属靶材、合金靶材和化合物靶材等。
在制备过程中，可以通过控制靶材的成分、形状和尺寸等参数，来实现对薄膜性能的调控和控制。
溅射技术的应用领域溅射技术广泛应用于多个领域，包括但不限于：•电子行业：用于制备电子元器件、显示屏和集成电路等。
•光电行业：用于制备太阳能电池、光学薄膜、LED等。
•材料领域：用于薄膜涂覆、材料改性和表面处理等。
•生物医学领域：用于制备生物材料和医用器械等。
溅射技术通过高能粒子与靶材的碰撞，将靶材的物质传输到目标材料上，实现了多种功能材料的制备和表面处理。
其制备方法灵活、薄膜性能可调控的特点，使得溅射技术在现代科技领域中得到广泛应用。
射频溅射技术
实验十四高频溅射技术一、引言溅射就是利用气体放电中的高能粒子（正离子或原子）轰击固体表面，使某些表面原子从其中逸出的现象。
溅射的基本原理是动量传递。
当高能粒子轰击靶子表面时，就把能量传递给轰击区的表面，使靶子表面原子获得很高的能量而由靶中逸出。
就一级近似而言，虽然靶子表面被均匀地剥掉一层，但化学成分并不因粒子束的轰击而改变。
溅射技术已在薄膜沉积和非化学蚀刻中得到了广泛的应用。
在沉积薄膜时，靶子就是要沉积的物质，放电粒子的动量传递使原子离开靶面而沉积在靶子附近的衬底上形成薄膜。
蚀刻时，作为靶子的则是要蚀刻的表面。
已经采用过的溅射方法有多种，一般地是所谓的直流溅射，但它只能用于沉积金属或导电薄膜而不适用于制备绝缘体薄膜，原因是轰击离子的正电荷不能被及时中和，大部分电荷因此而集中在两端绝缘体上，留在气体中的很少，这样无论离子的到达速率还是离子的能量，都不足以造成明显的溅射。
也就是说，当正离子轰击到靶子表面时把动能传递给靶面，但正离子本身却留在了靶面上并聚集起来，这些正电荷所产生的电场排斥后面射向靶面的离子，从而迫使溅射停止。
为了溅射绝缘体材料，通常采用高频溅射技术，利用正离子和电子对靶面的轮番轰击而中和离子的电荷，从而使溅射得以持续进行。
理论上，高频溅射技术可以用来沉积任何物质（导电和非导电）的薄膜，这种多面性是它区别于其他沉积方法的主要优点。
高频溅射的另一个主要应用是作为广泛的非化学蚀刻技术。
二、高频溅射原理1、高频辉光放电和等离子层的形成采用高频溅射时，为了获得高能量的射向靶面的正离子流，置于放电中的靶子的表面必须有较高的负电位，这种负电位来源于所加的高频电场与等离子区中固体表面的伏安特性间的相互作用。
当把一个随时间变化的电位加于靶子背面的金属电极时，通过靶子的阻抗，在靶子的正面也会出现另一个随时间变化的电位。
气体在高压下一经被击穿开始放电时，电流就从等离子区流向靶面，电子强度的大小取决于等离子区的伏安特性（图14.1(a)）。
溅射技术发展的历程
综上所述，本文并不是要肯定什么或者否定什么，只是想提出一个问题：从工业应用的角度出发如何选择溅射镀膜的运行模式呢？在新世纪之初，溅射技术基础研究的讨论与实践应该引起同行间的重视了。
当前光通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高对DWDM系统的性能提出了空前严格的要求。在DWDM器件一连串的参数要求中，最重要的莫过于精确的中心波长、宽且平坦的带通、小而均匀的插损、相邻和非相邻通道间高的隔离度，以及比特率与数据格式透明。其中，滤光片的中心波长和带宽决定了允许光通信信号通过的工作波长及其偏差。通常，每个中心波长对应于ITU标准通道中的一个，所谓的ITU通道可以被看成频域坐标上的一些格点，其原点位于193.1THz，两相邻格点之间的间隔为100GHz。对于通道间隔低于100GHz的器件来说，其中心波长频率则落在每两个相邻ITU标准通道之间的等分点上。
4、最近有人推出离子束增强溅射模式。采用宽束强流离子源，配合磁场调制，与普通的二极溅射结合组成一种新的溅射模式。他不同于使用窄束高能离子束进行的离子束溅射（这种离子束溅射的溅射速率低），采用宽束强流离子源，配合磁场调制后，既有离子束溅射的效果，更重要的是具有直接向等离子体区域供应离子的增强溅射效果。同时还可以具有离子束辅助镀膜的效果。
溅射技术发展的历程
1842年格洛夫（Grove）在实验室中发现了阴极溅射现象。他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。但是，真正应用于研究的溅射设备到1877年才初露端倪。其后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请状态，所以，在1950年之前有关溅射薄膜特性的技术资料，多数是不可靠的。19世纪中期，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。1970年后出现了磁控溅射技术，1975年前后商品化的磁控溅射设备产生，大大地扩展了溅射技术应用的领域。到了80年代，溅射技术才从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。最近15年来，进一步发展了一系列新的溅射技术，几乎到了目不暇接的程度。在21世纪来临的时刻，回顾一下溅射技术发展的历程，寻找其中某些规律性的思路，看来是有一定意义的。
薄膜制备技术-溅射法
溅射法的原理
当高能粒子（如惰性气体离子）轰击固体靶材表面时，会使得靶材表面的原子或分 子获得足够的能量，克服与基材之间的引力，从靶材表面溅射出来。
溅射出来的原子或分子在真空中飞行，并沉积在基材表面，形成薄膜。
薄膜制备技术-溅射法
目 录
• 溅射法简介 • 溅射法制备薄膜的工艺流程 • 溅射法制备薄膜的特点与优势 • 溅射法制备薄膜的挑战与解决方案 • 溅射法制备薄膜的发展趋势与展望
01
溅射法简介
溅射法的定义
溅射法是一种物理气相沉积技术，利 用高能粒子轰击固体靶材，使靶材表 面的原子或分子被溅射出来，并在基 材表面沉积形成薄膜。
技术创新与突破
为了进一步提高溅射法制备薄膜的性能和效率，未来将不断涌现技 术创新和突破，推动该领域的技术进步。
智能化与自动化
随着工业4.0和智能制造的兴起，溅射法制备薄膜技术将朝着智能 化与自动化方向发展，实现高效、精准和可靠的薄膜制备。
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溅射法可以用于制备各种金属、半导体、绝缘体 等材料，具有较广的适用范围。
工艺简单
溅射法制备薄膜工艺相对简单，操作方便，适合 于大规模生产。
环境友好
溅射法在制备过程中不需要使用有害气体或液体， 对环境友好。
溅射法制备薄膜的应用领域
电子器件
01
溅射法制备的金属薄膜、半导体薄膜等广泛应用于集成电路、
电子元件等领域。
溅射法中，基材的温度较低，一般在室温至数百摄氏度之间，因此特别适合于在塑 料、玻璃等不耐高温的基材上制备薄膜。
溅射的基本过程
溅射的基本过程
溅射是一种将固体材料转化为薄膜或涂层的技术，通过在高真空环境下将固体材料蒸发并沉积到基底表面上。
其基本过程包括以下几个步骤：
1. 基底准备：将待溅射的基底进行清洗和处理，确保表面干净、平整，并且与要沉积的材料相容。
2. 高真空环境：将基底放置在真空室中，建立高真空环境，以排除空气和杂质。
3. 靶材安装：将待溅射的材料作为靶材，安装在溅射装置的靶架上。
4. 射频或直流电源：对靶材加上射频或直流电源，使其正极与基底间形成电场，靶材表面的原子进入电场并获得足够的能量。
5. 高能离子：通过加高能离子束轰击靶材或提供辅助能量来击碎靶材表面的键键，并将溅射材料释放到空间中。
6. 溅射沉积：溅射材料以原子或分子状态进入气相，然后通过扩散和沉积到基底表面形成薄膜或涂层。
溅射过程中的气体质量、溅射功率、沉积速率等控制参数对最终薄膜的成分、结构和性质起着重要的影响。
7. 薄膜特性测试：通过各种表征技术，如X射线衍射、扫描电子显微镜等，对
沉积的薄膜进行表面形貌、结构、化学成分和物理性能等方面的测试。
通过调整溅射参数和材料性质，可以控制沉积薄膜的厚度、成分、结构和性能，使溅射成为一种广泛应用于半导体、光电、材料科学等领域的重要薄膜制备技术。
sputter工艺技术
sputter工艺技术Sputtering (溅射)工艺技术是一种常用的薄膜制备方法，它通过在目标材料表面施加高能粒子，使得目标材料中的原子或分子溅射出来，并沉积在基底材料表面上，形成所需的薄膜。
这种技术可以用于制备各种金属、合金、氧化物、硝酸盐、氮化物等不同类型的薄膜。
Sputtering工艺技术的基本原理是利用高能粒子轰击目标材料表面，使其内部的原子或分子脱离，然后以雾化状态沉积在基底材料上。
这些高能粒子一般是氩气离子，通过施加高压电场使其加速，当氩离子轰击目标材料表面时，会发生碰撞而溅射出目标材料的原子或分子。
Sputtering工艺技术有多种类型，包括直流磁控溅射(DC sputtering)、射频磁控溅射(RF sputtering)、磁控溅射(Cosputtering)等。
其中，直流磁控溅射是最常用的一种方法。
在直流磁控溅射中，目标材料被置于真空室中，加上较高的直流电压和磁场。
氩离子在磁场的作用下旋转并加速，然后轰击目标材料表面，溅射出来的原子或分子沉积在基底材料上，形成薄膜。
Sputtering工艺技术具有一些优点。
首先，制备的薄膜质量好，具有均匀的化学组成和良好的结晶性。
其次，可以制备多种类型的薄膜，包括金属、合金、氧化物等，可以满足不同的研究和应用需求。
此外，制备过程中可以通过调节施加的电压、磁场和气体流量等参数来控制薄膜的性质，如厚度、成分和晶体结构等。
Sputtering工艺技术在许多领域有着广泛的应用。
在微电子领域，它被用于制备电子器件中的金属导线、电阻和接触材料等。
在太阳能电池领域，它被用于制备电池中的透明电极、吸光层和隔离层等。
在光学领域，它被用于制备镀膜镜面和滤光片等。
在生物医学领域，它被用于制备生物传感器、DNA芯片和药物控释器件等。
需要注意的是，Sputtering工艺技术虽然具有许多优点，但也存在一些限制。
首先，制备过程中可能会引入杂质和晶体缺陷。
其次，目标材料溅射速率较低，制备较厚的薄膜通常需要较长的时间。
3-溅射技术
磁控溅射方法
一般溅射方法的两大缺点： 溅射沉积薄膜的速率较低 溅射所需的气压较高，否则放电现象不易 维持 两者导致污染几率增加，溅射效率低 解决的办法：磁控溅射
磁控溅射方法
电子在电场E、磁场B中将受到洛仑兹力作用 F=-q(E+v×B) 若E、B相互垂直，则电子的轨迹将是既沿电 场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复 杂曲线。即垂直E方向的磁力线可将电子约束 在靶的表面，延长其运动轨迹，提高其参与 气体电离过程的几率，降低溅射过程的气体 压力，提高溅射效率
第三讲
薄膜材料制备的溅射法
Preparation of thin films by sputtering
提
要
气体的放电现象与等离子体 物质的溅射效应和溅射产额 各种各样的溅射技术
物理气相沉积
物理气相沉积（PVD） 物理气相沉积（PVD）是利用某种物理过 程 物质的热蒸发或在受到粒子轰击 时物质表面原子的溅射等，实现物质原子 从源物质到薄膜的物质的可控转移 溅射法与蒸发法一样, 溅射法与蒸发法一样, 是一种重要的薄膜 PVD 制备方法 制备方法
Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系 Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系
物质的溅射产额
靶材溅射过程释放出的各种粒子中，主要是单 个的原子，以及少量的原子团，而离子所占的 比例只有1-10% 溅射产额是是衡量溅射过程效率的一个参数： 被溅射出来的物质总原子数 ：入射离子数 物质的溅射能量存在一定的阈值；每种物质的 溅射阈值与被溅射物质的升华热成比例。金属 的溅射阈值多在1040eV之间
反应溅射பைடு நூலகம்法
利用反应溅射方法可以制备 氧化物，如Al2O3、SiO2、In2O3、SnO2 碳化物，如SiC、WC、TiC 氮化物，如TiN、AlN、Si3N4 硫化物，如CdS、ZnS、CuS 复合化合物，如碳氮化物 Ti(C，N)
溅射真空条件
溅射真空条件一、简介溅射技术是一种常见的薄膜制备技术，广泛应用于材料科学、电子工程、光学等领域。
在溅射过程中，溅射材料通过电弧、离子束或磁控溅射等方法被激发，形成高能粒子，然后被加速并击中靶材表面，靶材上的原子或分子被击出并沉积在基底表面，形成薄膜。
溅射真空条件是确保溅射过程顺利进行的关键。
二、真空系统溅射过程需要在高真空的条件下进行，以避免气体分子与靶材表面的碰撞干扰。
真空系统通常包括真空室、抽气系统和测量系统。
真空室是放置溅射装置和靶材的容器，需要具备良好的密封性能和足够的强度。
抽气系统用于将真空室的气体抽除，通常采用机械泵、分子泵和离子泵等不同类型的真空泵。
测量系统用于监测真空度，常见的测量方法包括热导法、离子真空规和质谱法等。
三、真空度控制溅射过程中需要保持恒定的真空度，以确保薄膜的质量和均匀性。
真空度的控制需要考虑溅射速率、抽气速率和气体流量等因素。
溅射速率是指单位时间内沉积在基底表面的原子或分子数，通常由溅射功率和溅射效率决定。
抽气速率是指单位时间内从真空室中抽出的气体流量，需要根据真空室的尺寸和泄漏率进行合理选择。
气体流量的控制需要根据溅射材料的特性和制备要求进行调整，以避免杂质的污染和气体压力的不稳定。
四、真空泵的选择真空泵的选择需要考虑溅射材料的种类、基底的尺寸和形状以及溅射过程的要求。
机械泵是常见的抽气设备，适用于中低真空，但不能满足高真空的要求。
分子泵和离子泵适用于高真空条件下的抽气，能够提供足够高的抽气速率和良好的真空度。
在选择真空泵时，还需要考虑其抽气速率、抽气效率、可靠性和维护成本等因素。
五、气体控制在溅射过程中，气体的控制非常重要。
首先，需要定期检查和更换溅射室中的气体，以避免杂质的积聚和对薄膜质量的影响。
其次，需要控制溅射室的气体流量，以确保稳定的工作条件。
气体流量的控制可以通过流量控制器和阀门等设备来实现。
最后，需要定期检查和维护气体控制系统，以确保其正常工作和准确控制。
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等离子体—— plasma
放电击穿后，气体即成为具有一定导 电能力的等离子体，它是一种由离子、电 子及中性原子、原子团组成，而宏观上对 外呈现电中性的物质存在形式。 相应于辉光和弧光放电，就有了辉光 放电等离子体和弧光放电等离子体。
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辉光放电等离子体的密度、电子速度与温度
典型辉光放电等离子体的粒子密度 1014/cm3， 即气体中，只有约 10-4 比例的电子和离子 电子质量小，其电场中的加速快，电子的平均动 能Ee 2eV，相当于电子温度Te =Ee/k 23000K
这是溅射过程区别于热蒸发过程的显著特 点之一。热蒸发时，原子的平均动能只有 0.1eV
合金的溅射产额
溅射法易于保证所制备的薄膜的化学成分与靶 材的成分相一致，这是它与蒸发法的另一区别 。其原因有二：
与不同元素在平衡蒸气压方面的巨大差异相比， 元素溅射产额间的差别较小，只有0.1-10
物质的溅射效应
阴极鞘层电位的建立使到达阴极的Ar+离 子均要经过相应的加速而获得相应的能量 (102 eV 数量级)，即轰击阴极的离子具有 很高的能量，它使阴极物质发生溅射现象 溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理 现象之一，其相对的重要性取决于入射离 子的种类与能量。几十至几十千eV是物质 溅射所对应的离子能量范围
二极溅射装 置的示意图 ———
阴极是要溅射的靶材, 阳极即是真空室 Ar 压力 10Pa 电压上千伏
二极溅射时，沉积速率与气压间的关系
沉积的效率 放电电流
低压时等离子体密度低，溅射速率低 高压时气体分子对溅射粒子的散射严重，溅射速率低
二极溅射法的缺点和三极溅射法
二极溅射有两个缺点： 不能独立控制各个工艺参量：电压、电流 及溅射气压 气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较 低（0.5m/hr）。这不利于减少杂质污染 及提高溅射效率
一个问题: 化合物的溅射产额？
溅射法在应用于化合物溅射时，有两个重要的问 题：
许多化合物的导电性较差；如何实现其溅射过 程？ 化合物在溅射过程中，其成分又是如何变化的 ？会不会发生化合物的分解？
关于这两点，我们在稍后一些介绍
薄膜溅射法的分类
直流溅射（即二极溅射） 三极、四极溅射 磁控溅射 射频溅射 偏压溅射 反应溅射 中频孪生靶溅射和脉冲溅射 离子束溅射
系统可被描述为一个由电容、电阻、二极管组 成的体系；二极管描述了其单向导电的特性，电阻 描述其能量耗散特性
射频电极的电流电压特性与自偏压
电流的波形
电子-离子运动的速度 差异使电极的电流-电 压特性就象一只二极管
负偏压 电压的波形
自偏压产生后，电极维持于一个负电位，以排斥电子 的涌入；电极在正半周内接受的电子与负半周内接受 的离子数相等，使平均电流为零
电子、离子质量差别大，导致离子及中性原子处 于低能态，如 300500K
电子是等离子体中主要的能量携带者 电子—— va=(8kTe/m)1/2 9.5105 m/s Ar+离子———— 约5102 m/s
电子、离子具有极不相同的速度：
等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程
微观过程
射频电极上自偏压的大小
两极及其间的等离 子体还可以被看成 是两个串联的电容 ，其中 “靶电极 电容” 因靶面积 小而较小，而 “ 地电极电容” 因 电极面积大而较大 。电容电压降V 与 电极面积A 成反比 ，即：
因此，面积较小的靶电极将拥有较高的自偏压
射频电极电压的变化曲线和自偏压
等离子体电位 地电位
Preparation of thin films by sputtering
提
要
气体的放电现象与等离子体
物质的溅射效应和溅射产额 各种各样的溅射技术
物理气相沉积
物理气相沉积（PVD）是利用某种物理过 程 物质的热蒸发或在受到粒子轰击 时物质表面原子的溅射等，实现物质原子 从源物质到薄膜的物质的可控转移
气体放电现象是发生物质溅射过程的基础
气体的直流放电模型
在阴阳两极间，由电动势为E的直流电源提供靶 电压V 和靶电流 I，并以电阻R 作为限流电阻
气体的直流放电模型
A. Bogaerts et al. / Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609–658
在两极之间存在电位差时，气体分子将因电离过程而分 解为电子和离子。离子轰击阴极将引发二次电子发射。阴极 发射出来的电子在获得能量以后将会与等离子体中的分子碰 撞，造成后者的激发和离化，形成新的电子与离子，使放电 过程得以持续进行。
溅射法与蒸发法一样, 也是一种重要的薄 膜 PVD 制备方法
溅射法制备薄膜的物理过程
利用带电荷的阳离子在电场中加速后具 有一定动能的特点，将离子引向欲被溅 射的物质制成的靶电极（阴极）
入射离子在与靶面原子的碰撞过程中， 通过动量的转移，将后者溅射出来 这些被溅射出来的原子将沿着一定的方 向射向衬底，从而实现物质的PVD沉积
Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系
————
物质溅射的微观过程
不同微观过程所导致的溅射效率是不一样的
a) Single knock-on b) Linear cascade c) High energy spike
物质的溅射产额
溅射产额是是衡量溅射过程效率的一个参数： 被溅射出来的物质总原子数 溅射产额 S = ————————————— 入射离子数 靶材溅射过程释放出的各种粒子中，主要是单 个的原子，以及少量的原子团；离子所占的比 例只有1-10% 使物质发生溅射的能量存在一定的阈值E0；每 种物质的溅射阈值与被溅射物质的升华热成比 例。金属的溅射能量阈值多在1040eV之间
直流时情况
离子电 流脉冲
自偏压 射频极的电位
电子与离子具有不同速度的一个直接后果是产 生等离子体鞘层以及鞘层电位： 等离子体鞘层：任何处于等离子体中或其附近的 物体的外侧都将伴随有正电荷的积累 鞘层电位：相对于等离子体来讲，任何处于等离 子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电 位
鞘层电位可由电子能量分布为 麦克斯韦分布的假设求出：
气体放电的伏安特性曲线
=======
————
放电曲线分为： 汤生放电段（气体分子开始出现电离） 辉光放电段（产生大面积辉光等离子体） 弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）
各种气体发生辉光放电的帕邢曲线
d 10cm时，P 10Pa
只有当 Pd 取一定数值时，气体才最容易维持辉光放电
射频溅射法可以被用于物质溅射的原因
射频电源的采用使放电过程摆脱了对靶材导电性的 限制 但：靶物质如何在交变电场的作用下被溅射的呢？ 使射频方法可被用来产生物质溅射效应的根本 原因是它可在靶上产生自偏压效应，即在射频激励 之下，靶电极会自动地处于一个负电位，它导致离 子受到吸引，对靶电极造成轰击和溅射 电子、离子间巨大的质量（速度）差异是自偏 压得以产生的根本原因；通过电容C 的能量耦合方 式和电极面积差是获得适当幅度自偏压的必要条件
1 kTe m 2 V p ln( ) e 2.3me
等离子体鞘层及相应的电位分布
鞘层
Vp的变化范围不大，约等于电子温度Te的4-6倍，10V
整个直流辉光放电系统中电位的分布
阴极鞘层
两极间的电压降几乎全部集中在阴极鞘层中：因为负电极力图吸 引的是正离子，但后者的质量大，被加速的能力弱，加速较难
Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系
最佳溅射能量区间
溅射能量有其 阈值
溅射产额随原子序数的变化趋势
(a) 400eV-Ar+对各种元素的溅射 (b) 45keV的不同离子对Ag的溅射
Ar+的溅射
C的溅射
元素的溅射产额呈现周期性的变化 惰性气体的溅射产额较高；从经济性方面考虑, 多使用 Ar 作为溅射气体
溅射产额随离子入 射角度的变化
（参见溅射产额的欠余弦分布）
物质溅射产额与靶材温度的关系
溅射产额随的温度变化也有对应的阈值
原子溅射方向的欠余弦分布
不同于热蒸发时的余弦分布
溅射粒子能量分布随入射离子能量的变化
平均能量？
溅射粒子的能量
溅射过程中的能量传递使溅射出来的原子 将具有很大的动能，一般分布在5 20eV之 间，其平均能量约为10eV
薄膜溅射沉 积装置的示 意图
———
靶材是要溅射的材料，它作为阴极, 相对于真空室内其他部 分处于负电位。阳极可以是接地的，也可以是浮动的
气体的直流放电现象
以适当压力（10-110Pa）的惰性气体（一般均为 Ar）作为放电气体（与PVD的真空蒸发时不同）
在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体 原子将被雪崩式地电离，形成可以独立运动的 Ar+离子和电子。电子加速飞向阳极，而带正电 荷的Ar+离子则在电场的作用下加速飞向作为阴 极的靶材，并发生靶物质的溅射过程
？
射频溅射多使用13.56MHz 频率的射频电源
电容耦合式的射频溅射装置
电容C 将射频能量耦合至靶电极，而地电极则包括了衬底和真 空室，即放电系统具有非对称的电极配置： 靶电极面积 地电极面积 “电容耦合”指两电极间形成了一等效电容，将能量耦合至体 系
射频、直流放电过程的差别
与直流时相比，射频放电过程有两个显著的变化： 高频电场已可经其他阻抗形式（电容C）耦合 到靶上，而不必要求靶材是导体。电极在前半 周期内积累的电荷将会在下半周期内得到释放 在射频频率下，惰性较大的离子已跟不上电场 的高速变化，而只能感受到平均的电位分布； 而惰性较小的电子，可以紧跟电场的周期变化 在两极间振荡运动，从电场中获得能量，使气 体分子电离和轰击电极产生二次电子