第五章 离子溅射镀膜法
真空蒸发和离子溅射镀膜
实验一真空蒸发和离子溅射镀膜随着材料科学的发展，近年来薄膜材料作为其中的一个重要分支从过去体材料一统天下的局面中脱赢而出。
如过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅需数几个器件或一块集成电路板就能完成，薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。
薄膜技术还可以将各种不同的材料灵活的复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。
薄膜的应用范围越来越宽，按其用途可分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储薄膜、防护功能薄膜等。
目前，薄膜材料在科学技术和社会经济各个领域发挥着越来越重要的作用。
因此薄膜材料的制备和研究就显得非常重要。
薄膜的制备方法可分为物理法、化学法和物理化学综合法三大类。
物理法主要指物理气相沉积技术（Physical Vapor Deposition, 简称PVD）,即在真空条件下，采用各种物理方法将固态的镀膜材料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面，从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。
物理气相沉积过程可概括为三个阶段： 1.从源材料中发射出粒子；2.粒子输运到基片；3.粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。
由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出各种不同形式，主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜三种主要形式。
在这三种PVD基本镀膜方法中，气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各不相同，由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。
本实验主要介绍了真空蒸发和离子溅射两种镀膜技术。
在薄膜生长过程中，膜的质量与真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等有关。
在溅射薄膜的生长过程中，气体流量（压力）也会对形成的薄膜的性质产生影响。
通过改变镀膜条件，即可得到性质炯异的薄膜材料。
对制备的薄膜材料，可通过 X射线衍射、电子显微镜（扫描电镜、透射电镜等）、扫描探针（扫描隧道显微镜、原子力显微镜等）以及光电子能谱、红外光谱等技术来进行分析和表征，还可通过其它现代分析技术测试薄膜的各种相应特性等。
溅射镀膜
溅射镀膜定义：利用高能离子冲击材料靶，从其表面溅射出粒子并沉积在工件表面上形成薄膜的方法。
溅射镀膜的基本方式及原理：溅射镀膜最基本的方法是两电极溅射法。
镀膜是在真空溅射槽内进行的，真空度要达10ⅹ10-3以上，充入一定量惰性气体，以材料靶作为阴极，工件作为阳极，(见图l)在两电极间加上高压使惰性气体电离，Ar+离子被阴极的负高压(一500v)加速，以高速轰击材料靶，从靶面飞溅出来的粒子以足够的速度飞向阳极工件并沉积在其表面上，形成镀层。
图1直流两电极溅镀装置但是这种方法，工件的温升过高，有时高达500℃，这样对于塑料工件或不允许有热变形的精密零件均不能进行镀膜，另外，这种方法的成膜速度慢，膜中也易混入不纯的气体，影响成膜的质量，因此，虽然两电极溅射镀膜的历史悠久，但应用范围受到了限制。
为了克服上述的缺点，先后研制出了各种方式的溅射镀膜装置。
1974年研制出可以在低温下高速溅射的磁控管溅镀装置，为溅射镀膜的进一步发展创造了条件。
溅射镀膜方法的种类◆三电极(四电极)溅射方法三电极溅射装置就是在以前两电极的装置上附加了第三电极的装置，第三电极作为生成等离子用的电子供应源放出热电子。
而又有时为了放射热电子，使放电稳定化设置了稳定化电极，又称作四电极溅射装置。
金属的高速溅镀，制得了几十微米厚的镀层。
但是这种装置不能抑制靶材的高速电子对基板(工件)的轰击，使得工件温度仍上升显著，还有灯丝的寿命也是装置连续工作的障碍。
◆磁控管溅射方法磁控管溅射法是加一个与材料靶表面平行的磁场，如图2由于从靶面飞溅出的高速电子被偏转而不冲击工件，这就克服了由电子冲击工件所引起的温升，同时也促进了惰性气体的离子化。
因而可以在10-3的低气压下，工件处于100℃的条件下进行溅射镀膜。
图2平面型磁控管溅射◆对向靶溅射法由于对于氧化铁、铍莫合金等磁性记录材料的低温、高速成膜要求，研制出了对向靶溅射方式。
如图3所示，把两块靶材相对布置，工件位于靶的一侧，由线圈产生的外加磁场垂直地加在磁性材料靶的表面，在这里磁场H和电场平行。
布勒莱宝光学的离子溅射
布勒莱宝光学的离子溅射1. 引言布勒莱宝光学（Brealey & Bowler Optics）是一家专业从事光学器件制造的公司，其离子溅射技术在光学领域中具有重要的应用价值。
本文将详细介绍布勒莱宝光学的离子溅射技术，包括其原理、工艺流程和应用。
2. 离子溅射的原理离子溅射是一种通过将高能粒子轰击材料表面来改变其性质的技术。
在布勒莱宝光学中，离子溅射主要用于改善光学器件的表面质量和反射率。
其原理如下：1.离子轰击：高能离子束被引入到目标材料表面，通过与材料原子发生碰撞来改变其结构和性质。
这些离子通常为氩离子或氮离子等。
2.原位清洗：在离子轰击过程中，离子会清除目标材料表面的污染物和氧化物，并提供一个干净平整的表面。
3.重新结晶和致密化：离子轰击还能引起目标材料的表面重排和重新结晶，从而提高其结晶度和致密性，减少缺陷。
4.拉伸膜应变：离子轰击还能在目标材料表面形成一层拉伸膜应变，使得光学器件的晶格常数发生改变，进而影响其光学性能。
3. 离子溅射工艺流程布勒莱宝光学的离子溅射工艺流程包括以下几个步骤：1.材料准备：选择合适的目标材料，并进行表面清洁和抛光处理，以确保材料表面的平整度和纯净度。
2.离子源选择：根据目标材料的特性和要求，选择合适的离子源，如氩离子源或氮离子源等。
3.离子溅射参数设置：根据具体需求，调整离子束能量、角度、流量和时间等参数，以控制溅射过程中离子与材料相互作用的效果。
4.离子轰击过程：将目标材料放置在溅射装置中，使其暴露在离子束下，进行离子轰击处理。
离子束的能量和流量会导致目标材料表面发生各种变化。
5.表面分析和测试：对离子溅射后的光学器件进行表面形貌、结构和光学性能等方面的测试和分析，以评估离子溅射的效果。
6.后续处理：根据需要，对离子溅射后的器件进行后续处理，如清洗、涂层或其他加工工艺，以进一步改善其性能。
4. 离子溅射的应用布勒莱宝光学的离子溅射技术在各个领域都有广泛的应用。
实验一 真空蒸发和离子溅射镀膜
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四 材料的清洗
清洗污染物的方法很多，如机械清洗、溶剂浸渍冲 洗、电化学清洗、离子轰击清洗、超声波清洗等。不同材 料，不同污染物，清洗的方法不同。 （1）钨蒸发器和铝条的清洗方法是：先用自来水冲去尘 埃，放入浓度为20%的氢氧化钠溶液中煮10分钟（铝条煮半 分钟），除去表面氧化物和油迹，达到见钨发亮为止；然后 用自来水冲洗，浸在离子水（或蒸馏水）中冲洗，取出用无 水乙醇脱水烘干便可。
实际过程是入射粒子（通常为离子）通过与靶材碰撞， 把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形 成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得 向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。而入射粒子能量 的95%用于激励靶中的晶格热振动，只有5%左右的能量传递给 溅射原子。
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3． 溅射的特点
（1）溅射粒子的平均能量比蒸发粒子的平均动能KT高得多， 溅射所获得的薄膜与基片结合较好；(溅射粒子能量达几个电子 伏，而3000K蒸发时粒子的平均动能仅0.26eV)。 （2）入射离子能量与溅 射率的关系： 在几千电子伏范围内 溅射率随入射离子能量 的增大而增大。入射离 子能量再增大，溅射率 达到极值；当能量增大 到几万电子伏，离子注 入效应增强，溅射率下 降，如右图。
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本实验的具体内容：
【实验目的】 【实验原理】 一 真空蒸发镀膜原理 二 离子溅射镀膜原理 直流溅射，磁控溅射，射频溅射等 三 蒸发器与薄膜质量 四 材料的清新 【实验仪器】 【实验步骤】 【思考题】
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【实验目的】
真空镀膜离子轰击原理
真空镀膜离子轰击原理
真空镀膜离子轰击原理主要涉及溅射镀膜过程。
在这个过程中，高速离子束流轰击靶材表面，使靶材表面的原子被溅射出来并进入气相。
这些溅射出来的原子随后沉积在基板上，形成薄膜。
这个原理的关键在于入射离子与靶材之间的相互作用，以及溅射产额（即每个入射离子能溅射出的原子个数）。
溅射产额越高，溅射速度越快。
常用的溅射靶材包括Cu、Au、Ag等，这
些材料的溅射产额较高。
此外，为了实现有效的溅射过程，设备内部需要处于高电压、高真空的工作环境。
由于靶材通常比较软或者具有高脆性，它们需要与背板（或背管）绑定在一起。
背板（或背管）的主要作用是固定溅射靶材，并具备良好的导电、导热性能。
在溅射镀膜过程中，入射离子可以通过直流辉光放电产生。
在一定的真空度（如10-1—10 Pa）下，在两极间加高压产生放电，正离子会轰击负电之靶材而溅射出靶材原子，并最终镀至被镀物上。
如需更多与真空镀膜有关的信息，建议阅读材料科学相关书籍或论文。
离子镀膜法
离子镀膜技术——离子镀膜的类型 ★ 离子镀膜的类型
按薄膜材料气化方式分类：
电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧 光放电加热等。
按原子或分子电离和激活方式分类：
辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、 以及各种离子源。 一般情况下，离于镀膜设备要由真空室、蒸发源 ( 或 气源、溅射源等 ) 、高压电源、离化装置、放置基片的阴 极等部分组成。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
溅射清洗
薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下 结果：
溅射清洗作用 吸附气体、各种污染物、氧化物
产生缺陷和位错网
入射粒子传递给靶材原子的能量超过靶原子发生离位的 最低能量时，晶格原子将会离位并迁移到晶格的间隙位置上 去，从而形成空位、间隙原子和热激励。轰击粒子将大部分 能量传递给基片使其发热，增加淀积原子在基片表面的扩散 能力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成为位错网。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
破坏表面晶格 离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构 就会被破坏而成为非晶态 气体掺入 不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、 基片温度及淀积粒子的能量大小 非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。
表面成分改变 溅射率不同 表面形貌变化 表面粗糙度增大，溅射率改变 温度升高
由于高能粒子轰击，基片温度较高，有时不得不 对基片进行冷却。
薄膜中含有气体量较高。
离子镀膜技术——离子轰击的作用 ★ 离子轰击的作用
离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。 离化率：是指被电离的原子数占全部蒸发原子的百分数。
中性粒子的能量 W n E
3kTv Ev 2
离子镀膜技术——离子镀膜的类型
直流二极型离子镀
离子镀膜法简述-10082953-李煊
离子镀膜法简述信材080（10082953）李煊摘要：本文简述离子镀膜法的作用原理、相关使用的设备、与其余镀膜法相比较而言的特点与应用举例，在特点方面举出了附着性能好、绕镀能力强等优点特性并详细讨论,之后用详细的图表展示了在耐磨、耐热、耐腐蚀、润滑、装饰、电子工业集成电路等方面的应用,并且讨论了该方法现今的发展状况和未来的发展趋势关键词：离子镀；放电；离子束；加热加工1 前言在现代生活中表面技术是非常重要的。
通过机械结合、喷涂、化学镀、电镀或蒸镀等方法可以使材料与基体材料结合，然而这些方法存在很多缺陷，就比方说，膜层与基体结合强度低，膜层材料的纯度不高，膜层结构难以控制，膜层厚度不均匀等，导致失效现象广泛存在于材料的实际应用中。
尤其是材料的表面处理，它是制约其发展的一大问题。
薄膜技术是表面工程三大技术之一，利用近代技术在零件或（衬底）表面上沉积厚度为100 nm至数微米薄膜的形成技术，称之为薄膜技术。
薄膜的应用极为广泛，微电子工业中广泛采用铝合金作为布线膜层材料，金、银、铜、铂、镍等难熔金属作为导电薄膜在防电磁信息泄露材料中应用广泛。
尤其是银和铜，将银与聚酯材料结合做成导电涂层通过涂敷的方式与基体结合，它的主要缺点是纯度低、结合强度低。
在航空及航宇工业中，各种飞机、导弹、卫星、飞船的零部件经常在复杂而有害的条件下工作。
以飞机为例，机翼、机身的蒙皮以及起落架等外表零部件，均受着大气、水份、灰尘以及燃料燃烧生成物中所含的化学活性气体的直接腐蚀。
水上飞机的外表部分，特别是机体和浮筒，经常受到海水、湖水或河水的侵蚀；航空发动机的燃烧室、涡轮零件及气缸活塞零件，也经常受到高温和含酸及其他活性物质的燃气气流的氧化。
还有诸如航空轴承、微型输电装置、精密齿轮、电位计等一类仪表元件，也经常受到不同程度的摩擦磨损。
要使上述各种零部件能够适应耐温、防蚀、耐磨等苛刻要求，单纯从零件的结构或材料上想办法，往往是不够的。
怎么办呢？当前使用最广的办法之一就是采用表面镀膜的方法来保护零部件的基体，使其满足上述要求。
第五章 离子溅射镀膜法.
溅射区域）；
F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；
辉 光 放 电 示 意 图
阿斯顿暗区：慢电子区域； 阴极辉光：激发态气体发光； 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降 主要在前面的三个区域：阴极位降区)； 负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高； 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；
(1)影响溅射率的因素—靶材料
溅射率与靶材料种类的关系可用靶 材料元素在周期表中的位置来说明。在 相同条件下，用同一种离子对不同元素 的靶材料轰击，得到不相同的溅射率， 并且还发现溅射率呈周期性变化，其一 般规律是：溅射率随靶材元素原子序数 增加而增大（同一周期）。
溅射率与靶材元素原子序数的关系曲线
(5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍；
(6) 没有发现电子轰击产生溅射。
第三节 溅射参数
溅射参数：溅射阈值，溅射产额(溅射率)，
沉积速率，溅射原子的能量
1. 溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入 射离子最小能量值。与入射离子的质量关系不大， 但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小， 20~40eV。
实际的溅射率计算
w 6.022 1023 w m S 9.6352 104 1 mIt It 1.6 1019
式中：W为t时间内靶材的质量损失(g)，m为靶材
的原子量，I离子电流(A)
影响溅射率的因素
溅射率是描述溅射特性的一个最重 要物理参量。 它表示正离子轰击靶阴极时，平均 每个正离子能从阴极上打出的原子数。 又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。 溅射率与入射离子的种类、能量、 入射角度及靶材的类型、晶格结构、表 面状态、升华热大小等因素有关，单晶 靶材还与表面取向有关。
离子镀技术制备薄膜
离子镀的原理 离子镀的特点 离子轰击的作用 离子镀的类型
3.1 离化 PVD 技术
一、概念：通过将成膜材料高度电离化形成膜材料离子，从而其增加 沉积动能，并使之高化学活性状态下沉积薄膜的技术。 二、出发点： 以其它手段激发沉积物质粒子，然后使之与高度电离的等离子体交 互作用 (类似 PECVD)，促使沉积粒子离化，使之既可被电场加速而获 得更高动能，同时在低温状态下具有高化学活性。 三、基本特点： 大多数是蒸发/溅射 (气相物质激发) 与 等离子体离化过程 (赋能、 激活) 的交叉结合！ 蒸发：速度快、结合力较低、薄膜致密性差、厚度均匀性差 溅射：速度慢、结合力较高、薄膜较致密、厚度均匀
离子镀膜技术——离子轰击的作用
破坏表面晶格 离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构 就会被破坏而成为非晶态 气体掺入 不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、 基片温度及淀积粒子的能量大小 非晶材料 表面形貌变化 表面粗糙度增大，溅射率改变 温度升高
如图所示 ≈ 电阻蒸发 + 三 极溅射 引入热阴极（第三 极）的作用： 发射更多 电子，气体离化率、等 离子体荷电密度
离子镀膜技术——离子镀膜的类型
特点：
（ 1 ）二阴极法中放电开始的气压为 10-2Torr 左右，而
多阴极法为10-3Torr左右，可实现低气压下的离子镀膜。真 空度比二级型离子镀的真空度大约高一个数量级。所以， 镀膜质量好，光泽致密 （2） 二极型离子镀膜技术中，随着阴极电压降低，放 电起始气压变得更高；而在多阴极方式中，阴极电压在 200V就能在10-3 Torr左右开始放电。
离子镀膜技术——离子镀膜的类型
直流二极型离子镀
直流二极型离子镀的 特征是利用二极间的辉光 放电产生离子、并由基板
半导体镀膜工艺
具有很高的电导率，而又能在与气体体积相比拟 的宏观尺度内维持电中性
有三种运动形式——热运动，在电磁场作用下的 迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动
分子的运动不受电磁场的影响 粒子运动受到电磁场的影响和支配
反应活性相对较小 固、液、气三种基本形式之一
富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由 基具反应活性
应用：制备高附着力、高纯度、绕射 性好的膜，制备速度快可以镀较厚的 薄膜
第四章 分子束外延 MBE
简介分子束外延MBE
在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子（原子）束流喷射到晶体 衬底，在衬底表面发生反应的过程，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体 无碰撞，以分子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此得名
特点：低压下分子平均自由程增加，气体传输速度加快，沉膜速度速 度加快，同时气体分布的不均匀性在很短时间内可以消除，所以能生 长出厚度均匀的薄膜。
应用：简单的操作即可在工业上 快速生产均匀性较好膜，例如多 晶硅、氮化硅、二氧化硅等
LPCVD装置示意图
3.等离子化学沉积PECVD
在低真空的条件下，利用等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温 度，可以在常温至 350℃条件下，沉积氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅 及非晶硅膜等（通常1000℃左右）。 低温淀积是PECVD的一个突出优点，淀积的薄膜具有良好的附着性、低 针孔密度、良好的阶梯覆盖及电学特性
三甲基铝化学吸附
吹扫循环
水化学吸附
ALD沉积氧化铝
吹扫循环
热氧化
在腔体中通入氧气或者水蒸汽，高温使被氧化化材料镀一层氧化物薄膜。 常用在晶元沉积氧化硅膜
热氧化装置
电镀
电镀是将镀件（制品），浸于含有欲镀上金属离子的药水中并接通阴极， 药水的另一端放置适当阳极（可溶性或不可溶性），通以直流电后，镀 件的表面即析出一层金属薄膜的方法。 例如：TSV通孔种子层上镀铜
离子束溅射
应用
理想的薄膜应该具有光学性质稳定、无散射 和吸收、机械性能强和化学性质稳定等特征，而 离子束溅射技术正好提供了能够达到这些要求的 技术平台，目前离子束溅射技术的应用领域不断 地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光 拓宽到红外、紫外、χ射线等范围。离子束溅射技 术在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、 集成光学等领域即将发挥其强大的作用。
溅射镀膜中的入射离子一般利用气体放电法得到因而其工作压力在102pa10pa范围所以溅射离子在飞到基体之前往往已与真空室内的气体分子发生过碰撞其运动方向随机偏离原来的方向而且溅射一般是从较大靶表面积中射出的因而比真空镀膜得到均匀厚度的膜层对于具有勾槽台阶等镀件能将阴极效应造成膜厚差别减小到可以忽略的程度
2.4 溅射产额与入射离子能量的关系
这个图给出的是Ni的溅射产额与 入射离子能量之间的关系。由图 可以清楚地看出的规律是：从一 定阈值开始有溅射，随着入射离 子能量的增加，溅射产额增加。 然后又逐渐下降。这是因为：随 着入射离子能量的增加，位移原 子的数目及能量都跟着增加，但 另一方面，当入射离子能量增加 时，它射入晶格更深处，而深处 的位移原子并不能从表面上逸出， 因而溅射产额降低，这两个因数 决定了溅射与入射离子能量的关 系。eV的Co+轰 击Si靶，在Si基底上的相对溅 射产额与衬底温度的关系图， 从图可知，随着衬底温度的升 高，相对溅射产额逐渐降低。 导致溅射产额下降的主要原因 是，当温度升高时，有一部分 离子穿入到膜的内部，从而把 能量消耗在材料内部。另一方 面，由于温度的升高，晶格原 子的布郎运动加剧，阻止了离 子进一步遂穿到膜内部，从而 有助于产额的提高。但由于设 备不能够提供足够高的温度， 所以图中没有最低点和逐渐上 升的部分。
可以使离子束精确聚焦和扫描，在保持离子 束特性不变的情况下，可以变换靶材和基片 材料，并且可以独立控制离子束能量和电流。 由于可以精确地控制离子束的能量、束流大 小与束流方向，而且溅射出的原子可以不经 过碰撞过程而直接沉积薄膜，因而离子束溅 射方法很适合于作为一种薄膜沉积的研究手 段。
离子源镀膜
离子源镀膜离子源镀膜是一种重要的表面处理技术，广泛应用于材料科学、纳米技术、电子工程等领域。
离子源镀膜通过利用离子束的能量和动量来改变材料表面的性质和组成，从而实现对材料的加工和改良。
离子源镀膜的过程主要包括三个步骤：离子源的产生、离子束的加速和聚焦、以及离子束与材料表面的相互作用。
首先，离子源是离子源镀膜技术中的核心设备，它能够产生所需的离子种类和能量。
常用的离子源包括离子枪、离子源和离子注入器等。
离子源通常采用电离技术，将气体或固体材料电离生成离子，然后通过电场或磁场加速和聚焦形成离子束。
离子束的加速和聚焦是离子源镀膜的关键步骤。
离子束加速的方式有直线加速、环形加速和离子阱加速等。
离子束加速时需要控制离子束的能量和流强，以及束流的直径和发散度，以满足不同材料的加工要求。
离子束聚焦则是通过电子透镜或磁透镜，将离子束聚焦到所需的直径和形状，以提高镀膜的均匀性和精度。
离子束与材料表面的相互作用是离子源镀膜的核心过程。
离子束轰击材料表面时，离子与材料原子发生碰撞并传递能量和动量，从而引起材料表面的物理和化学变化。
离子束轰击材料表面的效应包括离子溅射、表面反应和离子注入等。
离子溅射是指离子束轰击材料表面后，部分表面原子被剥离并溅射到周围环境中。
表面反应是指离子束与材料表面原子发生化学反应，形成新的化合物或合金。
离子注入是指离子束轰击材料表面后，离子被嵌入到材料表面或内部，改变材料的成分和性质。
离子源镀膜技术具有许多优势和应用价值。
首先，离子源镀膜能够实现对材料表面的精确控制和加工。
通过调节离子束的能量、流强和轰击角度，可以实现对材料表面形貌、结构和成分的精确调控。
其次，离子源镀膜可改善材料的力学性能、化学稳定性和耐磨性。
离子注入和表面反应能够增加材料的硬度、降低摩擦系数，从而提高材料的耐磨性和表面质量。
再次，离子源镀膜还可用于修复和改良材料的表面缺陷和损伤。
离子溅射和离子注入可填补材料表面的孔洞和缺陷，提高材料的表面光洁度和致密性。
离子溅射
直流溅射实验指导直流二极溅射工作原理所谓的溅射就是高速飞行的离子射向靶面的时候，靶上的原子飞出来的现象。
即溅射是在靶面上发生的现象，它和原子飞出靶面以后的行为没有什么直接的关系。
在溅射的过程中，只要观察靶面就会发现，这种物理现象损伤了靶。
因此，从溅射现象刚一发现，人们就感到这种现象将可作为一种制备薄膜材料的极其有用的手段，引起科技界广泛地关注。
直流溅射又称为阴极溅射或二极溅射，因为被溅射的靶(阴极)和成膜的衬底极其固定架(阳极)构成了溅射装置的两个极，所以称为二极溅射。
使用射频电源时称为射频二极溅射，使用直流电源为直流二极溅射，因为溅射过程发生在阴极，故又称阴极溅射。
靶和衬底固定架都是平板状的称为平面二极溅射，若二者是同轴圆柱状布置就称为同轴二极溅射。
本实验采用同轴二极溅射结构，在真空室内以沉积材料为阴极，加工样品为阳极，工作期间两极间加直流电压引起放电，放电气体中的离子被加速轰击，溅射粒子沉积在基片表面成膜。
直流溅射的设备比较简单，能沉积高熔点，低蒸气压的物质。
但它只局限于低电阻率的靶材，薄膜生长速度慢,且薄膜中往往含有较多的气体分子。
直流二极溅射所形成的回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。
而放电是依靠正离子轰击阴极时所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来维持的。
因此,在溅射镀膜过程中，电离效应是必备的条件。
现在，在多数情况下，从事薄膜制备的科技工作者们一致认为，溅射有两种物理过程，一个是原子从靶面飞出来，一个是这些原子附着到基底上面去。
历史上最先出现的用于制备薄膜的装置就是如图所示的直流二极溅射仪，所用靶材仅限于金属或者是半导体，是一种很方便的薄膜制备系统。
特别在制备金属薄膜材料中，不仅在实验室采用，还广泛地应用在工业生产部门。
该装置主要是由真空抽气系统、玻璃真空室、负高压电极（靶）、基底架（阳极接地）、水冷却系统、测量控制系统等部件组成。
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有效地解决了直流溅射中基片温 升高和溅射速率低两大难题
存在的问题： ➢ 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 ➢ 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 ➢ 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面
直流溅射沉积装置示意图
已很少用，主要因为沉积速率太低 ~ 0.1mm/min
溅射沉积速率与工作气压间的关系
➢ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的 散射（方向及能量无序），到达基片的几率 随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均 匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极 平面面积为基片面积的两倍。
对膜层结构的影响
膜层的晶粒尺 寸和内应力
膜层的晶 面间距
第七节 溅射方法和溅射装置
➢ 直流溅射(二极，三极，四极) ➢ 射频溅射 ➢ 磁控溅射 ➢ 反应溅射
1. 直流溅射（双极型）
电压约1－5 kV，出射 原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV， 到达基板的原子能量约 1-2eV。
第二节 溅射机制 溅射原子的联级碰撞示意图
溅射机制：
局部加热蒸发机制
动能直接传递机制
(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦 规律，而趋向于晶体密度最高的方向；
(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也 决定于其质量；
(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。
入 射 离 子 种 类 的 影 响
溅射率与入射离子的关系 1.Ag靶；2.Cu靶；3.W靶
3.溅射原子的能量分布
原 子 数
原子能量 能量为80~1200 eV的离子轰击下， 从[110]方向逸出的铜原子能量分布
4.沉积速率
沉积速率:
Q CIr
Q为沉积速率，C为表示溅射装置特性 的常数，I为离子流，r为溅射系数。溅 射系数本身是溅射电压与溅射离子种类 得函数。沉积速率与靶到基片的距离、 溅射电压、溅射电流等有关。
e A P dnP / dt k(e,T )nenA
反应也可能在靶上或基板上进行=>靶中毒。 化合物的溅射产率约为纯金属的10%~20%
Ti靶；靶电压415~430V；靶-基片距离13 cm； 溅射气体N2/Ar或N2；总压强0.47 Pa；沉积率 ~1mm/h
非搀杂Si靶；溅射气体O2/Ar；靶-基 片距离8 cm；溅射压强0.7 ～2Pa； 溅射功率3.0kW；基片温度为室温； 薄膜中磷含量可达3 x 1021cm-3，且 可由坩锅温度和溅射气体压强控制。
反应溅射的实例
5. 离子束溅射
工作压强低，溅射粒子 被散射少，基片远离粒 子发生过程；凝聚粒子 能量较高，利于扩散。 增加了控制自由度：可 改变离子束方向及基片 方向，可独立控制离子 束能量和电流。
轰击到的靶面积小，沉积率较低，不适 合沉积厚度均匀的大面积薄膜
HgCdTe
6. 离子镀
在真空条件下，利用气体放电使 气体或被蒸发物部分离化，产生 离子轰击效应，最终将蒸发物或 反应物沉积在基片上。结合蒸发 与溅射两种薄膜沉积技术而发展 的一种 PVD方法。
反应气体：如 O2, N2, NH3, CH4, H2S 氧化物，如 Al2O3, SiO2, In2O3, SnO2 碳化物，如 SiC, WC, TiC, DLC 氮化物，如 TiN, AlN, Si3N4 硫化物，如 CdS, ZnS, CuS
等离子体中的化学反应： 活性高，如Ar+反应活性类似于Cl原子 反应速率：
电流电压之间不是线性关系， 不服从欧姆定律。
暗汤 光逊 放放 电电
过 渡 区
正 常 放 电
直
弧 光 放 电
流 辉 光 放
电
伏
安
特
性
曲
线
非 A-B:电流小，主要是游离状态的电子，离子
自
导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；
持 B-C: 增加电压，粒子能量增加，达到电离所
放
需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电
第五章、 离子溅射镀膜
第一节 溅射的定义 ❖ 用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子
束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获 得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进 入到真空中，这种现象称为溅射。
一、等离子体和辉光放电
溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放 电是溅射技术的基础。
辉光放电：真空度为10-1~10-2 Torr，两电极间加高 压，产生辉光放电。
➢ 低气压溅射：降低污染，提高溅射原子的平 均能量；需额外的电子源；外加磁场或高频 放电提高离化率。
直流三极溅射：
可以在低压强 （<0.13Pa）下运 行，但放电过程难 控制，重复性差
等离子体的密度可通过改变电子发射电流和加速 电压来控制。离子对靶材轰击能量可通过靶电压 加以控制。从而解决了二极溅射中靶电压、靶电 流及气压之间相互约束的矛盾。
电
源的输出阻抗限制电压(类似稳压源)。
C-D: 起辉（雪崩）；离子轰击产生二次电子，
电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板
间电阻减小从而使分压下降)；
自 持
D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关，与
放 电
电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；
极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持
放电； e A 2e A
在溅射沉积过程中，引起衬底温度升高的能量有以 下三个来源：
(1)原子的凝聚能； (2)沉积原子的平均动能； (3)等离子体中的其它粒子，如电子、中性原子等 的轰击带来的能量。
第六节 离子轰击在溅射过程中的作用
1) 在膜层沉积之前的离子溅射清洗 2) 离子轰击对基体和镀层交界面的影响
a) 使基体中产生缺陷； b) 热效应； c) 物理混合；反冲注入，伪扩散层。 3) 离子轰击在薄膜生长中的作用 a) 优先去除松散结合的原子； b) 增强扩散和反应活性，提高成核密度； c) 对形貌的影响(晶粒的择优取向)； b) 对沉积膜组分的影响； c) 对膜层物理性能的影响（应力，结合力）
值，是Us和M2/M1的函数。Sn(E)是弹性碰撞截面，也是 能量与原子质量及原子序数的函数。
影响溅射产额的因素：
➢靶材料（靶表面原子结合能）； ➢轰击离子的质量； ➢轰击离子的能量； ➢轰击原子的入射角。
靶 材 料 的 影 响
Ar离子在400KV加速电压 下对各种元素的溅射产额
取决于表面 原子束缚能
(4)离子镀的类型和特点
①直流二极型离子镀
1－阳极 2－蒸发源 3－ 进气口 4－辉光放电区 5－阴极暗区 6－基片 7 －绝缘支架 8－直流电 源 9－真空室 10－蒸发 电源 11－真空系统
②直流三极型
(%) 2.2103 Jc (MT )1/2
P
1－阳极 2－进气口 3－蒸发源 4－电子吸收极 5－基片 6－热电子发射极 7－直流电源 8－真空室 9－蒸发电源 10－真空系统
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好，致密性好； ❖ 溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大
面积基片上获得厚度均匀的薄膜； ❖ 缺点是：沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照
E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；
电压与电流、气体压强相关（可控制区域，
溅射区域）；
F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；
辉 光 放 电 示 意 图
❖ 阿斯顿暗区：慢电子区域； ❖ 阴极辉光：激发态气体发光； ❖ 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降
主要在前面的三个区域：阴极位降区)； ❖ 负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高； ❖ 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；
❖ 二极型：0.1~2% ❖ 射频： 10%
(3) 离子镀的粒子绕射性
①离子镀的工作气压约10-1Pa，比普通的真空 蒸镀10-4高，所以蒸发原子的平均自由程低， 散射严重，所以绕射性好。
②在气体放电的离子镀中，沉积粒子呈现 正电 性，从而受到处于负电位的基片的吸引作用。 离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形 表面的覆盖能力。
⑤离子束辅助沉积
第八节 蒸发、溅射和离子镀特点比较
类型 蒸发
粒子荷 电性
中性
溅射 中性 离子镀 带正电
能量 （eV）
沉积速率 绕射性 基片负荷
0.10.3
高
差
接0
3 10
低
差
接0 或负 偏压
10100
高
好 接负
（三） 溅射镀膜的特点
相对于真空镀膜，溅射镀膜具有如下特点： ❖ 对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅
无负偏压
有负偏压
3. 磁控溅射 1) 磁控溅射的原理和装置
dV e V B
dt m
不 同 磁 场 方 向 的 效 应
磁控溅射中电子运动示意图
各种不同的磁控溅射装置
2) 磁控溅射的特点： (a) 二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，
路程足够长，电子使原子电离的机会增加。 (b) 提高了电离效率，工作气压可降低到10-310-4
不均匀溅射 ➢ 反应性磁控溅射中的电弧问题 ➢ 膜的均匀性 ➢ 靶的非均匀腐蚀及内应力 ➢ 颗粒（重溅射）
4. 反应性气体溅射（量的反应性气体如N2,O2,烷类等， 使反应气体与靶材原子一起在衬底上沉积，对一些不 易找到块材制成靶材的材料，或在溅射过程中薄膜成 分容易偏离靶材原成分的，都可利用此方法。