溅射镀膜类型 ppt课件
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磁控溅射镀膜原理及工艺 ppt课件
2.2.2磁场
用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上 保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均 匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适 当（比如过低），那么即使磁场强度一致也会 导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处 发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场 强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常 高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速 下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区 也会造成靶的利用率比较低。
（4）（选择操作）打开加热控温电源。启动 急停控制，报警至于通位置，功能选则为烘烤。 （5）但真空度达到5×10-4Pa时，关闭复合真 空计，开启电离真空计，通氩气（流量 20L/min），打开气路阀，将流量计Ⅰ拨至阀控 档，稳定后打开离子源，依次调节加速至 200V~250V，中和到12A左右，阳极80V，阴极10V， 屏极300V。从监控程序中调出工艺设置文件，启 动开始清洗。 （6）清洗完成后，按离子源参数调节相反的顺 序将各参数归零，关闭离子源，将流量计Ⅱ置于关 闭档。
在气体可以电离的压强范围内如果改变 施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随 之改变，引起气体中的电流发生变化。改 变气体中Байду номын сангаас电流可以产生更多或更少的离 子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速 率。
一般来说：提高电压可以提高离化率。这样 电流会增加，所以会引起阻抗的下降。提高电 压时，阻抗的降低会大幅度地提高电流，即大 幅度提高了功率。如果气体压强不变，溅射源 下的基片的移动速度也是恒定的，那么沉积到 基片上的材料的量则决定于施加在电路上的功 率。在VONARDENNE镀膜产品中所采用的范围 内，功率的提高与溅射速率的提高是一种线性 的关系。
3试验
3.1试验目的
①熟悉真空镀膜的操作过程和方法。 ②了解磁控溅射镀膜的原理及方法。 ③学会使用磁控溅射镀膜技术。
镀膜技术PVD-PPT幻灯片课件
5
Hale Waihona Puke 最早出现的金属沉积工艺钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
6
蒸发装置的选择和运用很重要
热效率：热传导和热辐射对薄膜制备是不利的 (必须使坩埚或电极冷却)
For example, 在1500°C下蒸发Al: 选用合适的蒸发源, 所需能量为2.4kW.h/kg; 用电阻丝蒸发,所需能量为7-20kW.h/kg; 用TiB2电阻加热蒸发, 所需能量为50-100kW.h/kg;
溅射：常用的物理气相沉积方法。
溅射 RF磁控溅射 DC磁控溅射 离子束溅射 —反应溅射，活性气体，生长化合物薄膜。
分子束外延：MBE，超高真空，缓慢蒸发过程，多蒸发源，生长外延的单晶薄 膜。(ALE, MLE)
1
PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能
粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质粒子（可以是原子、 分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。 其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD 的化学反应）！
② 单个入射离子轰击出的产物粒子数与入射离子的能量/质量都有关；
均可用弹性碰撞理论解释！
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③ 溅射产物粒子的平均速度 >> 蒸发出的粒子。
溅射镀膜的基本物理过程：
溅射镀膜何以实现？
气体放电 等离子体 带电离子 电场作用 离子加速 高能离子 撞击靶材 溅射 发射靶材原子 飞向基板 形成 沉积 获得薄膜！
所以可蒸发材料受到限制； 蒸发率低； 加热速度不高，蒸发时待蒸发材料如为合金或化合物，
则有可能分解或蒸发速率不同，造成薄膜成分偏离蒸发物 材料成分。
高温时，钽和金形成合金，铝、铁、镍、 钴等与钨、钼、钽等形成合金
《真空溅射镀膜讲义》PPT课件
如果说，其他溅射技术虽免有高能电子轰击基片的话，那么，磁控溅射到进基片的几乎 都是低能电子。这就不难理解为什么磁控溅射具有“低温”和“低损伤”这样一些优点。 另外，磁控溅射的“高速”优点，也是由于磁场对电子施行了完全控制。
磁控溅射时，每个电子的能量几乎全部用于电离。这对提高等离子体密度大为有利。于 是磁溅控射在不利于气体电离的条件下，仍然可以获得很高的靶面电流密度。例如，二极 直流溅射的气体压强为5Pa，溅射电压为2Kv，靶面电流密度为5mA/cm2；而磁控溅射时， 压强降到，电压降到0.5\Kv而电子流密度反而增到20mA/cm2。
二次电子一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于说明电子的运动情况， 可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。 于是，靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的 电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。这种情况下，磁场对电子产生作用力(即 劳伦兹力)，迫使电子绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减 速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。此后，电子又再在电场的推动下，再次飞离靶 面，开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃地朝E(电场)×B(磁场)所指的方向 漂移(图8-4) 。简称为 E×B 漂移。电子的运动轨迹近似于一条摆线。
但用于磁控溅射时如果两种靶材的溅射产额有较大的差别就会遇到困难因为这两种靶材的沟槽加深速率不同合金成分会随时变化既然这两种靶材同处于一个靶上就不可能像多靶溅射那样对各个靶材的剥离速率分别进行控制
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电压对镀膜速率的影响，是通过对靶面剥离速率的影响来实现的。靶面剥离速率是指单 位时间由单位面积靶面上剥离的原子数目。靶面剥离速率的提高，有利于提高镀膜速率。靶 面剥离速率，正比于溅射产额(即每个离子由靶面击出的原子数目)与电流密度(单位时间轰击 靶面的离子数目的度量)的乘积：
磁控溅射时，每个电子的能量几乎全部用于电离。这对提高等离子体密度大为有利。于 是磁溅控射在不利于气体电离的条件下，仍然可以获得很高的靶面电流密度。例如，二极 直流溅射的气体压强为5Pa，溅射电压为2Kv，靶面电流密度为5mA/cm2；而磁控溅射时， 压强降到，电压降到0.5\Kv而电子流密度反而增到20mA/cm2。
二次电子一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于说明电子的运动情况， 可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。 于是，靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的 电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。这种情况下，磁场对电子产生作用力(即 劳伦兹力)，迫使电子绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减 速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。此后，电子又再在电场的推动下，再次飞离靶 面，开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃地朝E(电场)×B(磁场)所指的方向 漂移(图8-4) 。简称为 E×B 漂移。电子的运动轨迹近似于一条摆线。
但用于磁控溅射时如果两种靶材的溅射产额有较大的差别就会遇到困难因为这两种靶材的沟槽加深速率不同合金成分会随时变化既然这两种靶材同处于一个靶上就不可能像多靶溅射那样对各个靶材的剥离速率分别进行控制
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电压对镀膜速率的影响，是通过对靶面剥离速率的影响来实现的。靶面剥离速率是指单 位时间由单位面积靶面上剥离的原子数目。靶面剥离速率的提高，有利于提高镀膜速率。靶 面剥离速率，正比于溅射产额(即每个离子由靶面击出的原子数目)与电流密度(单位时间轰击 靶面的离子数目的度量)的乘积：
《真空溅射镀膜》课件
特点：薄膜厚度均 匀，附着力强，耐 腐蚀，耐磨损
应用：广泛应用于 电子、光学、机械、 化工等领域
发展：随着科技的 进步，真空溅射镀 膜技术也在不断发 展和完善
溅射现象和物理基础
溅射现象：高能粒子轰击固体表面，使表面原子或分子脱离表面，形成溅射粒子 物理基础：粒子与固体表面相互作用，产生能量交换和动量交换 溅射粒子的能量和动量：取决于粒子的质量、速度和角度 溅射粒子的沉积：溅射粒子在真空中飞行，最终沉积在基底上，形成薄膜
光学镀膜广泛应用 于眼镜、太阳镜、 手机屏幕、显示器、 汽车玻璃等领域。
光学镀膜可以提高 透光率、反射率、 散射率等光学性能 ，改善视觉体验。
光学镀膜还可以提 高基材的耐磨性、 耐腐蚀性、耐热性 等物理性能。
半导体产业
半导体制造：真空溅射镀膜在半导体制造中用于沉积薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜等
半导体封装：真空溅射镀膜在半导体封装中用于保护芯片，提高芯片的稳定性和可靠性
应用领域：溅射镀膜广泛应 用于电子、光学、机械等领
域
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真空溅射镀膜质量检测 与控制
镀膜材料检Leabharlann 方法电子探针分析：分析镀膜的 化学成分和元素分布
光学显微镜观察：观察镀膜 表面的形貌和结构
X射线衍射分析：分析镀膜 的晶体结构和相组成
扫描电子显微镜观察：观察 镀膜表面的微观结构和缺陷
镀膜厚度测量和控制技术
电源稳定性：保证 电源的稳定性，避 免电压波动对设备 造成影响
电源保护：设置电 源保护装置，防止 电源故障对设备造 成损坏
控制和测量系统
控制系统：控制溅射镀膜过程的参 数，如温度、压力、气体流量等
反馈控制：根据测量结果调整控制 系统的参数，实现精确控制
第8章 溅射镀膜 ppt课件
体分子电离。
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溅射镀膜方式
磁控溅射
特点： • 工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性； • 维持放电所需的靶电压低； • 电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉 积温度； • 容易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。
缺点：
• 对靶材的溅射不均匀，利用效率低（30%）；
Xe
Kr Ar Ne
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离子溅射参数
溅射产额的影响因素：(3) 入射离子的入射角
入射角：离子入射方向与 被溅射靶材表面法线间的 夹角;
随入射角的增大溅射率逐 渐增大。在0~60间相对溅
射率基本服从1/cosθ 规律;
60~80溅射率最大; 90时，溅射率为零。
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缺点： 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能
电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。
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溅射镀膜方式
磁控溅射
磁控靶
溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并
不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作旋轮线运动。
高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，使气
负电位
四极溅射装置图
Байду номын сангаас
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溅射镀膜方式
三极和四极直流溅射
特点： • 靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点； • 靶电压低 (可低至102伏)，溅射损伤小； • 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制； • 提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。
缺点： • 不能抑制电子轰击对基片的影响 (温度升高)； • 灯丝污染问题； • 不适合反应溅射等。
ITO真空溅射镀膜 ppt课件
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4.3 （直流）磁控溅射镀膜
Magnetron Sputtering Technique 利用磁场控制电子的运动
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1）磁控原理：电子在静止电磁场中的运动
①电子速度：V// —平行于B的速度分量，产生漂移运 动；
V⊥—垂直于B的速度分量，产生回旋运动；合成螺旋 运动
Arc Ion Plating
也称多弧离子镀Multi-Arc Ion Plating， 利用真空条件下的弧光放电进行镀膜
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1)弧光放电
特征——低电压~20V；大电流10~100A；负特性I↑V↓； 成膜快
机制——大量正离子轰击阴极局部，使其局部加热到 高温，形成热电子发射和金属热蒸发，金属蒸汽大量 电离后形成离子鞘层，大大降低阴极位降，提高放电 电流。
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1）间歇式（周期式），单室镀膜机 P113 Fig4-23 室门的结构：钟罩式，前开门式，上开盖（盒）式
靶的布置： 中心圆柱靶，两侧矩形靶，下面圆平面 靶，S-靶
工件架结构： 旋转行星架，自转，公转，避免周期 相同
2）半连续式 多室镀膜机，有进出料室，P114，Fig424
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1）定义 沉积于基体上的膜材粒子中，有部分粒子是以离子形
式入射沉积的。 特征：基片处于相对负电位，
基片及膜层在镀膜过程中始终受到高能离子（膜材离 子、气体离子）的轰击
2）原理、结构 蒸发+放电 工作程序：抽本底真空 10-3Pa 充气，工作真空 10-1~1Pa 基片加负电压，放电，离子轰击、清洗 大量蒸发，少量离化，沉积成膜 指标：膜材粒子的离化率
溅射薄膜制备技术PPT课件
●F点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小。
.
3）巴刑（paschen）定律
在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气 压及电极距离的乘积相关。
.
起辉电压存在最小值：
pd太小——二次电子在碰撞阳极前不能进行 足够数量的电离碰撞。
pd太大——气体中产生的离子，由于非弹性 碰撞被慢化、减速，到达阴极时无足够能量来 产生二次电子
SE0.5（1000~5000ev）
Ⅲ能量大于数万ev，
离子注入，溅射率
.
下降
1.2 与靶材原子序数的关系
Ⅰ溅射率呈现周期性； Ⅱ同一周期中，溅射率基本随Z增大。
说明与外电子d壳层 的填满程度有关。 另外，升华热小的金 属S大；表面清洁的 S大。
.
1.3 与入射原子序数的关系 Ⅰ溅射率呈现周期性，总趋势随Z增大而增大； Ⅱ同一周期中，惰性元素的溅射率最高，而中部 元素溅射率最小。
电子优先到达固体表面！
.
结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一 个负电位，并在其表面处伴随有正电荷的积累。 形成等离子体鞘层。
.
鞘层电压：
Vp
kTe ln( m e 2.Байду номын сангаасme
1
)2
典型值：-10V，并变化不大。
在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，
电子受到减速，需大的能量方能到达基片。
2、为什么用氩等惰性气体？ .
3、辉光放电过程
定义：是指在低气压（1～10Pa）的稀薄气体中，在 两个电极间加上电压时产生的一种气体放电现象。
1） 为什么会产生辉光放电
空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后， 与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使 更多的分子电离。之所以需要低气压，使因为在较 高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量 使离子被加速。
《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
溅射镀膜类型 ppt课件
（2）气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污 染及提高溅射效率，使薄膜纯度较差，成膜速度慢；
（ 3 ） 电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在 基片上速度快，导致基片温度升高；
（4）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导 体。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传 递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝 缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶 面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的 机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射 停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射 法。）
缺点：
1、三（四）极溅射还不能抑制由靶产生的高速电子对基板 的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的温升较高；
2、灯丝寿命短，也还存在灯丝的不纯物使膜层沾污等问题；
3、这种溅射方式并不适用于反应溅射，特别在用氧作反应 气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。
四、射频溅射
直流溅射装置只能溅射导体材料，由于放电不能持续 而不能溅射绝缘物质。于是出现了射频溅射。
优点：
（1）克服了直流溅射只能溅射导体材料的缺点，射频溅射 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；
（2）减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压。
缺点：
当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高 能电子轰击基片，导致基片发热、带电并损害镀膜的质量。
优点：
1、克服了二极直流溅射只能在较高气压下进行的缺点；
2、由于靶电压低，对基片的溅射损伤小，适宜用来制作半 导体器件和集成电路，并已取得良好效果；
3、三极溅射的进行不再依赖于阴极所发射的二次电子，溅 射速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的 可控性和工艺重复性；
（ 3 ） 电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在 基片上速度快，导致基片温度升高；
（4）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导 体。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传 递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝 缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶 面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的 机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射 停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射 法。）
缺点：
1、三（四）极溅射还不能抑制由靶产生的高速电子对基板 的轰击，特别在高速溅射的情况下，基板的温升较高；
2、灯丝寿命短，也还存在灯丝的不纯物使膜层沾污等问题；
3、这种溅射方式并不适用于反应溅射，特别在用氧作反应 气体的情况下，灯丝的寿命将显著缩短。
四、射频溅射
直流溅射装置只能溅射导体材料，由于放电不能持续 而不能溅射绝缘物质。于是出现了射频溅射。
优点：
（1）克服了直流溅射只能溅射导体材料的缺点，射频溅射 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料；
（2）减少了放电对二次电子的依赖，降低了击穿电压。
缺点：
当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高 能电子轰击基片，导致基片发热、带电并损害镀膜的质量。
优点：
1、克服了二极直流溅射只能在较高气压下进行的缺点；
2、由于靶电压低，对基片的溅射损伤小，适宜用来制作半 导体器件和集成电路，并已取得良好效果；
3、三极溅射的进行不再依赖于阴极所发射的二次电子，溅 射速率可以由热阴极的发射电流控制，提高了溅射参数的 可控性和工艺重复性；
第三章_溅射镀膜 ppt课件
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（2）入射离子能量 （图 3-10、3-11）
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（3）入射离子种类 （图 3-12）
入射离子的原子量越大，溅射率越高 ；溅射率也与入射 离子的原子序数呈现周期性变化的关系。
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与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。淀积和刻蚀是 溅射过程的两种应用。
溅射镀膜装置：阴极（靶材）、阳极（基片）、 挡板、溅射气体入口
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§3-1 溅射镀膜的特点
与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点： （1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气
压元素和化合物。 （2）溅射膜与基板之间的附着性好。 （3）溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。 （4）膜层可控性和重复性好。 缺点： （1）溅射设备复杂、需要高压装置； （2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为0.1～
电压迅速下降，放电呈现负阻特性。
（4）正常辉光放电区 （DE区域）
当电流增至C点时，极板两端电压突然降低，电流突然增大，并同时出现带有颜 色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压VB称为击穿电压。
在D点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压维持不变，而电流平稳 增加。击穿后气体的发光放电称为辉光放电。
在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内 振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使 得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。
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三．溅射特性
表征溅射特性的参量主要有溅射阀值、溅射率以及 溅射粒子的速度和能量等。
薄膜制备技术—溅射法ppt课件
缺陷：安装构造复杂，难以获得覆盖面积大、密 度均匀的等离子体，灯丝易耗费。
除特殊用途外已不在运用。
三、射频溅射安装及特性
任务原理
在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘 靶下面的金属电极上，在射频电场作用下， 在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能 量产生离化碰撞，从而使放电到达自持，阴 极溅射的二次电子不再重要。
3.2 溅射主要参数
一、溅射阈和溅射产额 溅射产额又称为溅射率
或溅射系数，表示正 离子撞击阴极时，平 均每个正离子能从阴 极上打出的原子数。 与入射能量，入射离子 种类，溅射物质种类
3.2 溅射主要参数
1. 入射离子能量的影响 只需入射离子能量超越一定阈值以后，才干从被溅射物质
外表溅射出离子。 阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升
速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射 速率上升。最终结果是，虽然靶材外表的化学成 分曾经改动，但溅射得到的合金薄膜成分却与靶 材的原始成分根本一样。 当靶的温度很高，各种合金成分由于热扩分发生变 化时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。
3.2 溅射主要参数
二、溅射粒子的能量和速度 靶外表受离子轰击会放出各种粒子，主要是溅射原
1、辉光放电过程包括
初始阶段AB：I=0 无光放电区
汤生放电区BC：I迅速增大
过渡区CD：离子开场轰击阴极，产生
二次电子，又与气体分子碰撞产生更多 B
离子
C D
辉光放电区DE：I增大，V恒定
A
异常辉光放电区EF：溅射所选择的任
务区
弧光放电：I增大，V减小
F E
G
3.1 溅射根本原理
溅射实际模型：动量实际，也称为级联碰撞实际。入射离子在进入 靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射离子的一部分动能会传送 给靶材原子，当后者的动能超越由其周围存在的其他靶材原子所构成的 势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出产生离位原子，并进一步和附近 的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。
除特殊用途外已不在运用。
三、射频溅射安装及特性
任务原理
在射频溅射系统中，射频电势加在位于绝缘 靶下面的金属电极上，在射频电场作用下， 在两电极间振荡运动的电子具有足够高的能 量产生离化碰撞，从而使放电到达自持，阴 极溅射的二次电子不再重要。
3.2 溅射主要参数
一、溅射阈和溅射产额 溅射产额又称为溅射率
或溅射系数，表示正 离子撞击阴极时，平 均每个正离子能从阴 极上打出的原子数。 与入射能量，入射离子 种类，溅射物质种类
3.2 溅射主要参数
1. 入射离子能量的影响 只需入射离子能量超越一定阈值以后，才干从被溅射物质
外表溅射出离子。 阈值能量与入射离子的种类关系不大，与被溅射物质的升
速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射 速率上升。最终结果是，虽然靶材外表的化学成 分曾经改动，但溅射得到的合金薄膜成分却与靶 材的原始成分根本一样。 当靶的温度很高，各种合金成分由于热扩分发生变 化时，溅射膜和靶材原来的组分就会发生变化。
3.2 溅射主要参数
二、溅射粒子的能量和速度 靶外表受离子轰击会放出各种粒子，主要是溅射原
1、辉光放电过程包括
初始阶段AB：I=0 无光放电区
汤生放电区BC：I迅速增大
过渡区CD：离子开场轰击阴极，产生
二次电子，又与气体分子碰撞产生更多 B
离子
C D
辉光放电区DE：I增大，V恒定
A
异常辉光放电区EF：溅射所选择的任
务区
弧光放电：I增大，V减小
F E
G
3.1 溅射根本原理
溅射实际模型：动量实际，也称为级联碰撞实际。入射离子在进入 靶材的过程中与靶材原子发生弹性碰撞，入射离子的一部分动能会传送 给靶材原子，当后者的动能超越由其周围存在的其他靶材原子所构成的 势垒时，这种原子会从晶格阵点被碰出产生离位原子，并进一步和附近 的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的级联碰撞。
真空溅射镀膜技术PPT课件
6、溅射过程 1）溅射过程： 入射离子与靶材碰 撞，使其获得的能 量超过其结合能使 靶原子溅射。 2）溅射离子的 迁移过程： 入射离子轰击被 镀材料后会产生电子发射、离子发射、中性原子或 分子发 射、辐射溅射、气体解气、背反射、注入、 扩散、加热等现象。 靶材受到轰击所以逸出的粒子中，正离子由于 反向电场的作用不能到达基片，其余的离子均会向 基片迁移。
二、溅射的基本原理
要实现溅射镀膜，关键是要获得高能量的离子， 高能量的离子从哪里来？
溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，
而整个溅射过程都是 建立在辉光放电的基础之上，即
溅射离子都来源于气体放电。+
--
辉光放电分为
V
1）无光放电
2）汤森放电
Ar+
3）辉光放电
4）非正常辉
e
光放电 Ar 5）弧光放电
3.辉光放电阴极附 近的分子状态
与溅射有关的重要 问题有两个：
一是在克鲁斯克暗 区周围所形成的正离子 冲击阴极；
二是当两极板间的电压不变而改变两极间
的距离时，主要发生变化的是由等离子体构成 的阳极光柱部分的长度，而由阴极到负辉光区 的距离是几乎不改变的。因而是由辉光放电产 生的正离子撞击阴极，把阴极原子溅射出来， 这就是一般的溅射法。
2.荷能粒子 是指具有一定动能的电子、光子、重粒子 （质子、中子、离子、原子）。 如果它们以足够的能量与固体表面碰撞，
但又不足以发生核反应，这时所发生的种种次 级反应是近代真空技术感兴趣的内容。
1）在可控热核反应真空空间，从等离子体 内所逃逸的核能离子撞击器壁表面，产生气相 杂质。严重地影响等离子体的浓度和温度。
5）弧光放电：极间电压陡降，电流突然增大， 相当于极间短路。
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图3-34 钽膜电阻率与基片偏压关系
三、三极或四极溅射
二极直流溅射只能在较高气压下进行，因为它是依赖离子 轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电。如果气压降 到1.3~2.7Pa（10~20mTorr）时，则阴极暗区扩大，电子 自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电便无法维持。
在低压下，为了增加离化率并保持放电自持，一个可供选 择的方法就是提供一个额外的电子源（额外电子源提供具 有合适能量的额外电子,保持高离化效率），而不是从靶 阴极获得电子。
从靶面飞溅出来的粒子以足够的动能飞向阳极并沉积在基材表面，形 成镀层。
基片
e-
E
Ar
+ Ar+
+ Ar+
e-
e-
靶材
V (<0)
溅射过程中涉及到复杂的散射过程和多种能量传递过程： 首先，入射粒子与靶材原子发生弹性碰撞，入射粒子的一 部分动能会传给靶材原子，某些靶材原子的动能超过由其 周围存在的其它原子所形成的势垒(对于金属是5-10eV)， 从而从晶格点阵中被碰撞出来，产生离位原子，并进一步 和附近的原子依次反复碰撞，产生碰撞级联。当这种碰撞 级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能大 于表面结合能(对于金属是1-6eV)，这些原子就会从靶材 表面脱离从而进入真空。
对向靶溅射可以进行磁性薄膜的高速低温制备。
各种溅射镀膜类型的比较
一．二极溅射
阴极靶由镀膜材料制成,成膜的基板及其固定架作为阳极，
构成了溅射装置的两个极 。
使用直流电源则称为直流二极溅射，因为溅射过程发生在 阴极，故又称为阴极溅射。
使用射频电源时称为射频二极溅射。
靶和基板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。
基片 二级溅射结构原理图
直流二极溅射原理
先将真空室预抽到高真空（如10-3Pa），然后，通入惰性气体（通常 为氩气），使真空室内压力维持在1～10Pa；
接通电源（直流负高压），电子在电场的作用下加速飞向基片的过程 中与Ar原子发生碰撞， 电 离 出 大 量 的 Ar+和电子，电子飞向基片，在 此过程中不断和Ar原子碰撞，产生更多的Ar+和电子，Ar+离子经电场 加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电 子，二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子,更多的离子 轰击靶又释放更多的电子，从而使辉光放电达到自持；
直流二极溅射的工作参数为溅 射功率、放电电压、气体压力 和电极间距。溅射时主要监视 功率、电压和气压参数。当电 压一定时，放电电流与气体压 强的关系如图3-32所示。气体 压力不低于lPa，阴极靶电流 密度为0.15 ～1.5MA/CM²。
优点：
结构简单，可获得大面积膜厚均匀的薄膜。
缺点：
（1）溅射参数不易独立控制，放电电流易随电压和气压变化，工艺重复 性差；
原理：
等离子区由热阴极 和一个与靶无关的阳极 来维持，并通过外部线 圈所提供的磁场，将等 离子体限域在阳极和灯 丝阴极之间。而靶偏压 是独立的，这就大大降 低了靶偏压。
三极溅射克服了二极溅射的缺点，它在真空室内附加一个 独立的电子源——热阴极（热阴极通常是一加热的钨丝， 他可以承受长时间的离子轰击），它通过热离子辐射形式 发散电子并和阳极产生等离子体，同时使靶相对于该等离 子体为负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅 射。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四电 极——稳定化电极，即称为四极溅射。
溅射镀膜类型
溅射镀膜类型
溅射镀膜的方式很多，从电极结构上可分为二极 溅射、三或四极溅射和磁控溅射。
直流溅射系统一般只能用于靶材为良导体的溅射； 射频溅射适用于绝缘体、导体、半导体等任何一
类靶材的溅射；
反应溅射可制备化合物薄膜； 为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对
称交流溅射和吸气溅射等；
直流偏压溅射的原理示意图
（2）偏压溅射还可改变淀积薄膜的结构。图3-34示出了基片加不同偏
压时钽膜电阻率的变化。偏压在-100V至100V范围，膜层电阻率较高，属 β-Ta即四方晶结构。当负偏压大于100V时，电阻率迅速下降，这时钽膜 已相变为正常体心立方结构。这种情况很可能是因为基片加上正偏压后， 成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。
（2）气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污 染及提高溅射效率，使薄膜纯度较差，成膜速度慢；
（ 3 ） 电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在 基片上速度快，导致基片温度升高；
（4）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导 体。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传 递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝 缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶 面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的 机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射 停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射 法。）
直流二极溅射放电所形成电回路，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 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，溅射效应是手段，沉积效应是目 的，电离效应是条件。
为了提高淀积速率，在不影响 辉光放电前提下，基片应尽量 靠近阴极靶。但基片接近阴极 时，甚至在未达到阴极暗区之 前，就会产生放电电流急剧变 小而使溅射速率下降的现象。 这时，从基片上膜厚分布来看 ， 在阴极遮蔽最强的中心区膜最 薄。因此，有关资料指出：阴 极靶与基片间的距离以大于阴 极暗区的3~4倍较为适宜。
二、偏压溅射ຫໍສະໝຸດ 直流偏压溅射的原理示意如图 所示。它与直流二极溅射的区别 在于基片上施加一固定直流偏压。
特点：
（1）若施加的是负偏压，则在 薄膜淀积过程中，基片表面都将 受到气体离子的稳定轰击，随时 清除可能进入薄膜表面的气体， 有利于提高薄膜的纯度。并且也 可除掉粘附力弱的淀积粒子，加 之在淀积之前可对基片进行轰击 清洗，使表面净化，从而提高了 薄膜的附着力。
三、三极或四极溅射
二极直流溅射只能在较高气压下进行，因为它是依赖离子 轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电。如果气压降 到1.3~2.7Pa（10~20mTorr）时，则阴极暗区扩大，电子 自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电便无法维持。
在低压下，为了增加离化率并保持放电自持，一个可供选 择的方法就是提供一个额外的电子源（额外电子源提供具 有合适能量的额外电子,保持高离化效率），而不是从靶 阴极获得电子。
从靶面飞溅出来的粒子以足够的动能飞向阳极并沉积在基材表面，形 成镀层。
基片
e-
E
Ar
+ Ar+
+ Ar+
e-
e-
靶材
V (<0)
溅射过程中涉及到复杂的散射过程和多种能量传递过程： 首先，入射粒子与靶材原子发生弹性碰撞，入射粒子的一 部分动能会传给靶材原子，某些靶材原子的动能超过由其 周围存在的其它原子所形成的势垒(对于金属是5-10eV)， 从而从晶格点阵中被碰撞出来，产生离位原子，并进一步 和附近的原子依次反复碰撞，产生碰撞级联。当这种碰撞 级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能大 于表面结合能(对于金属是1-6eV)，这些原子就会从靶材 表面脱离从而进入真空。
对向靶溅射可以进行磁性薄膜的高速低温制备。
各种溅射镀膜类型的比较
一．二极溅射
阴极靶由镀膜材料制成,成膜的基板及其固定架作为阳极，
构成了溅射装置的两个极 。
使用直流电源则称为直流二极溅射，因为溅射过程发生在 阴极，故又称为阴极溅射。
使用射频电源时称为射频二极溅射。
靶和基板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。
基片 二级溅射结构原理图
直流二极溅射原理
先将真空室预抽到高真空（如10-3Pa），然后，通入惰性气体（通常 为氩气），使真空室内压力维持在1～10Pa；
接通电源（直流负高压），电子在电场的作用下加速飞向基片的过程 中与Ar原子发生碰撞， 电 离 出 大 量 的 Ar+和电子，电子飞向基片，在 此过程中不断和Ar原子碰撞，产生更多的Ar+和电子，Ar+离子经电场 加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电 子，二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子,更多的离子 轰击靶又释放更多的电子，从而使辉光放电达到自持；
直流二极溅射的工作参数为溅 射功率、放电电压、气体压力 和电极间距。溅射时主要监视 功率、电压和气压参数。当电 压一定时，放电电流与气体压 强的关系如图3-32所示。气体 压力不低于lPa，阴极靶电流 密度为0.15 ～1.5MA/CM²。
优点：
结构简单，可获得大面积膜厚均匀的薄膜。
缺点：
（1）溅射参数不易独立控制，放电电流易随电压和气压变化，工艺重复 性差；
原理：
等离子区由热阴极 和一个与靶无关的阳极 来维持，并通过外部线 圈所提供的磁场，将等 离子体限域在阳极和灯 丝阴极之间。而靶偏压 是独立的，这就大大降 低了靶偏压。
三极溅射克服了二极溅射的缺点，它在真空室内附加一个 独立的电子源——热阴极（热阴极通常是一加热的钨丝， 他可以承受长时间的离子轰击），它通过热离子辐射形式 发散电子并和阳极产生等离子体，同时使靶相对于该等离 子体为负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅 射。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四电 极——稳定化电极，即称为四极溅射。
溅射镀膜类型
溅射镀膜类型
溅射镀膜的方式很多，从电极结构上可分为二极 溅射、三或四极溅射和磁控溅射。
直流溅射系统一般只能用于靶材为良导体的溅射； 射频溅射适用于绝缘体、导体、半导体等任何一
类靶材的溅射；
反应溅射可制备化合物薄膜； 为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对
称交流溅射和吸气溅射等；
直流偏压溅射的原理示意图
（2）偏压溅射还可改变淀积薄膜的结构。图3-34示出了基片加不同偏
压时钽膜电阻率的变化。偏压在-100V至100V范围，膜层电阻率较高，属 β-Ta即四方晶结构。当负偏压大于100V时，电阻率迅速下降，这时钽膜 已相变为正常体心立方结构。这种情况很可能是因为基片加上正偏压后， 成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。
（2）气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污 染及提高溅射效率，使薄膜纯度较差，成膜速度慢；
（ 3 ） 电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在 基片上速度快，导致基片温度升高；
（4）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导 体。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传 递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝 缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶 面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的 机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射 停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射 法。）
直流二极溅射放电所形成电回路，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 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，溅射效应是手段，沉积效应是目 的，电离效应是条件。
为了提高淀积速率，在不影响 辉光放电前提下，基片应尽量 靠近阴极靶。但基片接近阴极 时，甚至在未达到阴极暗区之 前，就会产生放电电流急剧变 小而使溅射速率下降的现象。 这时，从基片上膜厚分布来看 ， 在阴极遮蔽最强的中心区膜最 薄。因此，有关资料指出：阴 极靶与基片间的距离以大于阴 极暗区的3~4倍较为适宜。
二、偏压溅射ຫໍສະໝຸດ 直流偏压溅射的原理示意如图 所示。它与直流二极溅射的区别 在于基片上施加一固定直流偏压。
特点：
（1）若施加的是负偏压，则在 薄膜淀积过程中，基片表面都将 受到气体离子的稳定轰击，随时 清除可能进入薄膜表面的气体， 有利于提高薄膜的纯度。并且也 可除掉粘附力弱的淀积粒子，加 之在淀积之前可对基片进行轰击 清洗，使表面净化，从而提高了 薄膜的附着力。