离子束溅射讲解学习
离子溅射仪的工作原理
离子溅射仪的工作原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊离子溅射仪这玩意儿的工作原理哈。
你说这离子溅射仪啊，就像是一个神奇的魔法盒子。
它里面有离子在欢快地跳动呢！想象一下，这些离子就像一群小精灵，在里面忙碌地工作着。
那它到底是咋工作的呢？简单来说呀，就是先有个靶材，这靶材就好比是小精灵们的舞台。
然后呢，通过一些特殊的手段，让气体变成离子态。
这些离子可厉害啦，它们会像小炮弹一样冲向靶材。
哎呀，这一冲可不得了，就会从靶材上撞下一些小颗粒来。
这些小颗粒就像是从舞台上洒落的星星点点，然后呢，它们就会乖乖地附着在我们要处理的样品上。
这过程是不是很有意思呀？
就好像我们平时做手工，要把一些漂亮的装饰贴到物品上一样。
只不过离子溅射仪这个“手工大师”更厉害，它能做得特别精细、特别均匀。
你想想看呀，如果没有离子溅射仪，我们好多高科技的东西可就没法制造出来啦。
比如那些超级精细的电子元件，没有它给它们披上那层薄薄的“外衣”，那还能正常工作吗？
离子溅射仪的工作原理其实并不复杂，但它却有着大用处呢！它能让我们的材料变得更加优秀，性能更加出色。
所以说呀，科技的力量真是不可小觑。
离子溅射仪就是这样一个看似普通却又无比重要的小盒子，它在默默地为我们的科技发展贡献着力量呢！咱可得好好感谢它呀，是它让我们的生活变得更加美好，更加精彩！你们说是不是呀！。
第五章 离子溅射镀膜法
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。
第三讲--离子束技术
（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°） 被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（nm/min） 24.5~30 56 150~160 140~170 32 4~5 25~30 42~52 10~13 9 50~55 28~40 20
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图7. 离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型
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图8. 是几种材料的刻蚀速率与离子束入射角度的关系的 比较。从图中可以看出，不同材料的刻蚀速率的最大值对应不 同入射角。
图8. 几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系 （E=500 eV, J=1.0 mA/cm2）
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在离子束刻蚀过程中，选择合 适的入射角可以提高刻蚀效率，这 只是一个方面。另一个方面是靠合 适的入射角度控制刻蚀图形的轮廓。 下图给出了不同角度的刻蚀结果。
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刻面效应（Faceting）
离子束刻蚀的级联碰撞模型 决定了溅射产额随着离子束入射 角的变化而变化，从而在刻蚀过 程中由于基片或掩模表面的离子 束入射角不同导致刻蚀速率的不 同，最终反映在图形转移上使图 形轮廓发生变化。刻面效应就是 这一原因引起的。
图2.19 刻面效应的形成过程
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槽底开沟
当掩模的侧壁不陡直时， 打在倾斜侧壁上面的入射离子 处于大角度的入射状态，表现 出入射离子的高反射率，一部 分会被发射到槽底。这些反射 向槽底某一部位的离子与正常 入射的束离子之和造成入射离 子通量的局部超出，导致该部 位的刻蚀速率高于其他槽底部 位，形成“开沟”。
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谢谢大家！
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图2.20 槽底开沟示意图
真空磁控溅射法
真空磁控溅射法真空磁控溅射法是一种常用的薄膜制备技术，通过在真空环境下利用磁场和离子束激发靶材，将靶材原子或分子溅射到基底上，形成薄膜。
本文将从原理、设备、应用等方面介绍真空磁控溅射法。
一、原理真空磁控溅射法基于溅射原理，即利用离子束轰击靶材表面，使靶材原子或分子脱离并沉积在基底表面。
通过在溅射过程中引入磁场，可以增加离子束的密度和能量，提高溅射效率和薄膜质量。
离子束的加速和聚焦通过磁控装置实现，可以调节溅射速率、薄膜成分和微观结构。
二、设备真空磁控溅射设备主要包括真空系统、溅射室、靶材、磁控装置和基底台等组成部分。
真空系统用于提供高真空环境，避免气体干扰；溅射室是溅射过程的主要空间，内部有靶材和基底台；靶材是溅射的原料，可以是金属、合金、氧化物等；磁控装置用于产生磁场，调节离子束的轨迹和能量；基底台用于承载基底，使其能够与离子束相互作用。
三、过程真空磁控溅射的过程主要包括靶材准备、基底处理、真空抽气、溅射沉积等步骤。
靶材在溅射前需要经过加热或退火处理，以提高其结晶度和纯度。
基底需要清洗和处理，去除表面污染物和氧化物。
真空抽气过程是为了创造高真空环境，减少气体分子对溅射过程的干扰。
溅射沉积过程中，通过控制离子束的能量和角度，使溅射物质均匀沉积在基底表面，形成所需薄膜。
四、应用真空磁控溅射法广泛应用于薄膜材料制备和表面改性等领域。
在光电子器件中，可以利用真空磁控溅射法制备导电薄膜、光学薄膜和磁性薄膜等。
在太阳能电池领域，可以利用该技术制备各种吸光层和透明电极。
在显示器件中，可以利用真空磁控溅射法制备透明导电薄膜和液晶配向膜。
此外，真空磁控溅射也可以用于制备防腐蚀涂层、摩擦减磨涂层和硬质涂层等。
真空磁控溅射法是一种重要的薄膜制备技术，具有较高的溅射效率和薄膜质量。
通过调节溅射参数和控制离子束的能量和角度，可以实现对薄膜成分和微观结构的精确控制。
真空磁控溅射在光电子器件、太阳能电池、显示器件等领域具有广泛应用前景。
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。
离子束溅射的形成
离子束溅射的形成
离子束溅射：离子枪产生一定束强度、一定能量的离子流，以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面形成薄膜。
离子束溅射（IBS），也称为离子束沉积（IBD），是一种薄膜制备工艺，属于物理气相沉积（PVD）技术。
离子束溅射是在真空状态下，利用离子源产生高能离子束，轰击靶材表面溅射得到粒子，粒子沉积在衬底表面从而形成薄膜。
离子束溅射设备主要由离子源、真空系统、控制系统、电源系统等组成。
离子束溅射成本较高，主要应用于特殊薄膜制备领域。
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。
溅射成膜 第二章-第二讲
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离子镀的特点
具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点 膜层的附着力强。 可镀复杂表面。 沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。 可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。
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离子束溅射
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离子束溅射
• 唯一不使用放电的溅射方法 • 离子枪发射高速离子照射靶 材，使其溅射后在基板上成 膜。 • 离子源独立存在 • 靶材不需要导电
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蒸镀激发的原子平均动能 ~0.14 eV；溅射原子能量在10 eV,为蒸 镀原子能量的100倍)
溅射镀膜密度高，针孔少，纯度高。 膜厚可控性和重复性好。可大面积镀膜。
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溅射成膜特点 /与真空镀膜相比
缺点： 设备复杂，需要高压装置， 沉积速率低（0.01-0.5 µ m/min）;真空镀膜（0.1-5 µ m/min） 基板温升较高，易受杂质气体影响
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2. 3 磁控溅射
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2. 3 磁控溅射
• 附加一磁场，电子平行于靶材回旋运动，路径变长，更 多气体被电离，使溅射速度大幅度提高，避免电子对衬 底的轰击。
What is Magnetron Sputtering
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。
离子束溅射
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2007年第 4期
LABORA TORY SC IENCE
2007年 8月出版
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 。但是 ,较高压力下溅射会 使膜中含有较多的气体分子 。
(4)溅射镀膜除磁控溅射外 ,一般沉积速率都 较低 ,设备比真空蒸镀复杂 ,价格较高 ,但是操作单 纯 ,工艺重复性好 ,易实现工艺控制自动化 。溅射 镀膜比较适宜大规模集成电路磁盘光盘等高新技 术的连续生产 ,也适宜于大面积高质量镀膜玻璃等 产品的连续生产 。 2. 离子束溅射的基本规律
图 1给出的是溅射产额与离子入射角之间的 关系 [ 10 ] 。其中 Θ 是入射方向与法线的夹角 。由 图可见 ,Θ = 80°～85°时溅射产额最大 ,但对不同 的材料 ,增大情况不一样 。这是因为当入射角 Θ 增大时 ,入射离子的能量更多地耗散在靶近表面 区 ,使溅射产额增大 。但当 Θ 过大时 ,入射离子弹 性散射的几率增大 ,传给靶导致溅射的能量减少 , 因而使溅射产额急剧下降 。
2007年第 4期
实 验 室 科 学
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2007年 8月出版
离子束溅射沉积薄膜技术概述
郑长波 徐惠敏 杨 恒 齐曙光
离子溅射镀膜实验报告
离子溅射镀膜实验报告离子溅射镀膜实验报告引言：离子溅射镀膜技术是一种常用的表面处理方法，可以在材料表面形成均匀、致密的薄膜。
本次实验旨在探究离子溅射镀膜的原理、过程以及对材料性能的影响。
一、实验原理离子溅射镀膜是利用离子束轰击材料表面，使其表面原子脱离并沉积在基底上，形成薄膜的过程。
离子溅射镀膜主要包括四个步骤：离子源产生离子束、离子束加速、离子束轰击材料表面和薄膜沉积。
二、实验步骤1. 准备工作：清洗和抛光材料表面，保证其干净平整。
2. 装置调试：调整离子源的工作参数，如离子束能量、束流密度等。
3. 离子溅射：将样品放置在溅射室内，启动离子源，使离子束轰击样品表面。
4. 薄膜沉积：通过离子束轰击，使材料表面的原子脱离并沉积在基底上，形成薄膜。
三、实验结果与分析通过实验观察，可以看到离子溅射镀膜后样品表面形成了一层均匀、致密的薄膜。
这是由于离子束的轰击作用，使材料表面的原子脱离，并在基底上重新排列形成薄膜结构。
离子溅射镀膜的薄膜厚度与离子束能量、束流密度以及溅射时间等因素有关。
当离子束能量较高时，离子轰击力增大，容易使表面原子脱离并沉积在基底上，形成较厚的薄膜。
而束流密度越大，离子轰击的频率越高，也会导致薄膜的厚度增加。
溅射时间的增加也会使薄膜厚度增加。
薄膜的性能与离子溅射镀膜的过程密切相关。
离子轰击过程中，离子束的能量会导致材料表面的晶格结构发生变化，使薄膜的晶粒尺寸变小，结构更加致密。
此外，离子轰击还可以改变薄膜的成分，如通过选择不同的离子源，可以实现对薄膜成分的调控。
这些因素都会影响到薄膜的力学、光学、电学等性能。
四、应用前景离子溅射镀膜技术在许多领域都有广泛的应用。
在光学领域，离子溅射镀膜可以制备高透过率、低反射的光学薄膜，用于光学器件的制造。
在电子领域，离子溅射镀膜可以制备导电薄膜，用于电子元件的制造。
此外，离子溅射镀膜还可以应用于材料的改性、防腐蚀等领域。
五、实验总结通过本次实验，我们深入了解了离子溅射镀膜的原理、过程以及对材料性能的影响。
利用离子束溅射沉积技术
利用离子束溅射沉积技术,设计三元复合靶,直接制备CuInSe2(CIS) 薄膜。
通过X射线衍射仪(XRD) 、原子力显微镜(AFM) 和分光光度计检测在不同衬底温度和退火温度条件下制备的CIS 薄膜的微结构、表面形貌和光学性能。
实验结果表明:使用离子束溅射沉积技术制备的CIS 薄膜具有黄铜矿结构,在一定的条件下,适当温度的热处理可以制备结构紧密、颗粒均匀、致密性和结晶性良好的CIS 薄膜,具有强烈的单一晶向生长现象。
黄铜矿结构的CIS 薄膜具有优良的光吸收与光电转换效率,是作为太阳能电池的最佳吸收材料之一。
CIS 薄膜的制备方法很多 ,目前使用较多的是共蒸发法和后硒化法。
共蒸发法是在真空室内用三个以上的独立蒸发源同时向衬底蒸发Cu , In 和Se ,反应沉积CIS 薄膜。
所制备的薄膜质量较高。
但是,由于蒸发法无法精确控制元素比例,工艺重复性太低,不适用于大规模工业生产,其原料的利用率低,对于贵金属来说浪费大,不利于降低成本。
现阶段作为生产线生产的CIS 薄膜是使用后硒化法制备的,后硒化法是先使用磁控溅射沉积CuIn 合金预制层,然后硒化形成CuInSe2 ,所以也称为溅射金属预制层后硒化法。
此方法制备CIS 对降低成本、提高成品率、实现大面积制备等具有一定的优势。
基于溅射法的后硒化法制备的薄膜性能稳定性好而更适用于生产,所以溅射法已经成为了主流。
但是由于铜铟合金层需要进行硒化处理,不能在不破坏真空的条件下一次完成CIS 薄膜的制备。
2006 年Muller 等使用射频溅射法直接制备出了成分符合化学当量的CIS 薄膜,此方法省略硒化工艺,在真空室内不破坏真空的条件下,一次完成CIS 薄膜电池元器件的制备。
研究溅射法直接制备CIS 薄膜已经成为制备高质量、低成本和大面积集成太阳电池组件的突破口。
离子束溅射是在磁控溅射技术之后发展起来的一项溅射技术。
它的优点是溅射过程可以控制,离子能量和入射角度都可以调节和控制,并且基片不受离子从靶面反射而引起的辐射损伤。
离子束技术
离子束技术
离子束技术是一种利用高能离子束对材料进行加工和改性的技术。
离子束技术可以通过高能离子束的轰击，实现对材料的精细加工和改性。
离子束技术具有精度高、改性效果好、适用范围广等优点，因此在半导体、电子、航空航天、汽车等领域得到广泛应用。
离子束技术的主要应用包括：
1.离子注入：利用高能离子束对材料进行注入，实现材料的改性
和优化。
2.离子束刻蚀：利用高能离子束对材料进行刻蚀，实现材料的精
细加工和制造。
3.离子束溅射：利用高能离子束对材料进行溅射，实现材料的表
面涂层和功能膜的制备。
4.离子束分析：利用离子束技术对材料进行成分、结构、性质等
方面的分析。
(优选)离子束溅射
离子束溅射薄膜沉积装置示意图
1.离子束溅射的基本原理
产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供 一定的束流强度、一定能量的Ar离子流。离子束以 一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子， 后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的 情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近， 用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携
2.5 溅射产额与衬底温度的关系
这个图给出了35KeV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。
3.离子束溅射的优点
❖ 溅射镀膜是依靠动量交换作用使固体材料的 原子、分子进入气相，溅射出的平均能量 10eV，高于真空蒸发粒子的100倍左右，沉积 在基体表面上之后，尚有足够的动能在基体 表面上迁移，因而薄膜质量较好，与基体结 合牢固。
❖ 任何材料都能溅射镀膜，材料溅射特性差别 较其蒸发特性差别小，即使是高熔点材料也 能进行溅射，对于合金、靶材化合物材料易 制成与靶材组分比例相同的薄膜，因而溅射 镀膜的应用非常广泛。
带的电荷。
2.离子束溅射的基本规律
描述离子束溅射的主要参量分别是溅射阈 能、溅射产额和淀积速率。
那什么是溅射阈能、溅射产额和淀 积速率呢？
溅射阈能
溅射阈能是指开始出现溅射时初级离子的能量。
也就是说是将靶材原子溅射出来所需的入射 离子的最小能量值。当入射离子的能量低于溅射 阈能时，不会发生溅射现象。溅射阈能与入射离 子的质量无明显的依赖关系，但与靶材却有很大 的关系。阈能随靶材原子序数的增加而减少。对 于大多数金属来说，溅射阈能为20-40eV。
第五章 离子溅射镀膜法.
实验结论(3/3)
3、一般说来,入射角度与溅射率的关系： 对金、银、铜、铂等影响较小； 对铝、铁、钛、钽等影响较大； 对镍、钨等的影响为中等。
对实验结论的几种解释
对于上述溅射率随离子入射角的变化，可从以下 两方面进行解释： 1）具有的能量的入射离子轰击靶材，将引起靶材表面原 子的级联碰撞，导致某些原子被溅射。该级联碰撞的 扩展范围不仅与入射离子能量有关，还与离子的入射 角有关。显然，在大入射角情况下，级联碰撞主要集 中在很浅的表面层，妨碍了级联碰撞范围的扩展。结 果低能量的反冲原子的生成率很低，致使溅射率急剧 下降。 2）入射离子以弹性反射方式从靶面反射。离子的反射方 向与入射角有关。因此，反射离子对随后入射离子的 屏蔽阻挡作用与入射角有关。在入射角为600-800时， 其阻挡作用最小而轰击效果最好，故此时溅射率S呈最 大值。
(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。
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
自 持 放 电
间电阻减小从而使分压下降)；
D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关，与
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
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，
聚焦离子束溅射（FIB）
聚焦离子束溅射（FIB）聚焦离子束（FIB）溅射题目：A Review of Focused Ion Beam Sputtering作者：Mohammad Yeakub Ali, Wayne Hung and Fu Yongqi 期刊：International journal of precision engineering and manufacturing vol. 11, no. 1, pp. 157-170 期刊日期：FEBRUARY 2010/157综述了聚焦离子束溅射在微米/纳米制造方面的应用，讨论了微米/纳米结构材料的溅射方法一些物理量：J0=电流强度峰值（位于粒子束的中心）K1，K2=不同晶体结构的材料因数以及其他的独立属性α=能量传递系数φ=离子流量η=目标原子密度σ=标准差δ=像素间距（单位：纳米）φ（x，y）=（x，y）点处的离子流量εb=原子键能Z ij=点（x，y）处的溅射深度a=累积强度变量剖面的峰谷值A=孔径尺寸（纳米）B=粒子束功能d=离子量f x，y=二维高斯光束的能量密度I=离子束流量总量J（x，y）=点（x，y）处的离子流强度M=材料功能常数m i，m t=入射离子的质量以及目标粒子的质量MRR=材料移除率R=溅射面厚度r=FIB半径（纳米）R a，R max=表面粗糙度的平均值及最大值（谷峰值）S（θ）=溅射角T C=溅射时间T d=保延时间t x，y=点（x，y）处的离子溅射保延时间U0=原子键能V=增速电压Y（E）=普通溅射产量z=溅射深度Z i，Z t=源原子的核电荷数和目标原子的核电荷数1介绍聚焦离子束系统（FIB-focused ion beam）商业化制造已经接近30年。
最初主要供应给大型半导体制造商。
聚焦离子束FIB，利用镓离子在很高的空间分辨率下切割去除材料。
这样可以在样品特殊的位置制作剖面（断面）。
样品既可以直接在FIB中研究，也可以转移到扫描电镜或者透射电镜中进行精细分析。
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1.离子束溅射的基本原理
产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供 一定的束流强度、一定能量的Ar离子流。离子束以 一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子， 后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的 情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近， 用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携
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。
2.5 溅射产额与衬底温度的关系
这个图给出了35KeV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。
溅射产额
溅射产额指的是一个初级离子平均从表面上溅射 的粒子数。也就是指平均每入射一个粒子从靶表 面溅射出来的原子数，即
溅射出来的原子数 Y 每入射一个粒子
影响溅射产额的因素
❖ 靶材料的表面结构、原子序数 ❖ 入射离子的角度、能量 ❖ 衬底温度
2.1 溅射产额与靶表面的关系
在实际的离子束溅射中，溅射靶表面上不可避 免地存在一些微观孔洞。而在离子束溅射模拟中， 通常认为靶表面是平滑的。所以，在实际过程中， 溅射产额总是低于或高于基于光滑表面计算的值。
带的电荷。
2.离子束溅射的基本规律
描述离子束溅射的主要参量分别是溅射阈 能、溅射产额和淀积速率。
那什么是溅射阈能、溅射产额和淀 积速率呢？
溅射阈能
溅射阈能是指开始出现溅射时初级离子的能量。
也就是说是将靶材原子溅射出来所需的入射 离子的最小能量值。当入射离子的能量低于溅射 阈能时，不会发生溅射现象。溅射阈能与入射离 子的质量无明显的依赖关系，但与靶材却有很大 的关系。阈能随靶材原子序数的增加而减少。对 于大多数金属来说，溅射阈能为20-40eV。
3.离子束溅射的优点
❖ 溅射镀膜是依靠动量交换作用使固体材料的 原子、分子进入气相，溅射出的平均能量 10eV，高于真空蒸发粒子的100倍左右，沉积 在基体表面上之后，尚有足够的动能在基体 表面上迁移，因而薄膜质量较好，与基体结 合牢固。
❖ 任何材料都能溅射镀膜，材料溅射特性差别 较其蒸发特性差别小，即使是高熔点材料也 能进行溅射，对于合金、靶材化合物材料易 制成与靶材组分比例相同的薄膜，因而溅射 镀膜的应用非常广泛。
❖ 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10-2Pa~10Pa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。但是，较高压力下溅射会使膜中含有较多的 气体分子。
实验条件为Jb=0.57mA/cm2， P=2.66x102pa，θ =45°在固 定Jb时入射离子能量在400 ~900eV之间，Zc与E近似成平 方根关系，与分析较为一致。
在LKJ一2A机上通过实脸，验证了淀积速率与离子 束流密度有较好的线性关系，离子能在400~900eV 之间，Zc与E呈现平方根关系，不同材料淀积速率 不同。在各种实际问题中，由于对膜层的质量要 求不同，不一定追求较高的淀积速率，此时往往 选择适当的离子，从而以适中的速率成膜，保证 膜的质量。
3.离子束溅射的淀积速率
淀积速率Zc：通常用淀积速率来表示溅射材料在基 片上成膜的快慢。而把溅射材料在单位时间内淀积 在基片上的厚度定义为淀积速率。
式中Kc为一常数，是由溅射镀膜装置决定的，它与 真空室气压P、靶与基片距离有关；Y(E,θ)为溅射率 ，它是离子能量E和入射角度θ的函数，Jb是离子束 流密度。
例如，如果靶表面存在锥形孔，溅射产额比 相应光滑表面的溅射产额低；相反，若在靶表面 上创造一些棱形的孔或者三角形的沟槽，则溅射 产额就随之增加。
2.2 溅射产额与靶原子序数的关系
这个图给出了Ar离子作为 入射离子在1KeV时对一些 元素的溅射产额。由图可 见溅射与原子序数有周期 性的关系，这是因为靶材 的升华热与原子序数成周 期性的结果，靶材的升华 热愈低，结合能愈弱，在 同样的条件下溅射产额愈 大，反之亦然。再者，当 金属表面形成金属氧化物 时，致密的氧化层使结合 能增大，溅射产额减少。
这个图是在45kV加速 电压条件下各种入射离 子轰击Ag表面时得到 的溅射产额随离子的原 子序数的变化。易知， 重离子惰性气体作为入 射离子时的溅射产额明 显高r离子 作为薄膜溅射沉积时的 入射离子。
2.3 溅射产额与入射离子角度的关系
这个图给出的是入射离子能量 为200eV时溅射产额与入射离子 角度的关系。其中Θ角为入射方 向与法线的夹角，由图见， Θ=80 ° -85°时溅射产额最大， 但对不同的材料，增大情况不 一样。这是因为当入射角Θ增大 时，入射离子的能量更多地耗 散在靶近表面区，使溅射产额 增大。但当Θ过大时，入射离子 弹性散射的几率增大，传给靶 导致溅射的能量减少，因而使 溅射产额急剧下降。
实验条件E=800eV， P=2.66x102pa，同曲钱上 可看出，在E一定时，淀 积速率与束流密度成正 比，与公式有很好的一 致性。还可以看出，在 同等条件下，SiO2的淀积 速率略高于Ti的淀积速 率。
Y与E的关系 E=25~150eV时Y∝(E-E0)， E=150~400eV时Y ∝(E-E0) E=400~500eV时Y ∝E1/2 E>5000eV时Y ∝lgE E0为临界能量