薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
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第四章 薄膜制备技术-溅射法
4.1 辉光放电与等离子体 4.2 物质的溅射现象 4.3 溅射沉积技术
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
第四章 薄膜制备技术-溅射法
溅射法
利用带电离子在电磁场的作用下获得足 够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶 材表面被溅射出来的原子以一定的动能 射向衬底，在衬底上形成薄膜。
溅射法的分类
直流溅射
射频溅射
磁控溅射
反应溅射
偏压溅射
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
第四章 薄膜制备技术-溅射法
溅射镀膜的特点 （1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实
现溅射 （2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好 （3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好 （4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
工作原理：
当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶 材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄 膜。
在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射 出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原 子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
电极
等离子体 真空室
匹配部件
RF 发生器
高真空泵
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
High-energy electron collides with molecule.
Carbon
Hydrogen
Collision results in dissociation of molecule.
4.1 辉光放电和等离子体
直流电源E, 提供电压V和电流I则 V = E - IR。
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：离子开始轰击阴极，产生二次
电子，又与气体分子碰撞产生更多离子 辉光放电区DE：I增大，V恒定
B
C D
异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区 A
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
3、离子入射角度对溅射产额的影响 倾斜入射有利于提高 产额，但当入射角接 近80时，产额迅速下 降
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
合金的溅射和沉积： 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基 本一致。
自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射 速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速 率上升。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过 程的相对重要性取决于入射离子的能量。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
一、溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。它与入 射能量，入射离子种类， 溅射物质种类及入射离子 的入射角度有关。
得厚度均匀的薄膜
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
一、辉光放电的物理基础
靶材是需要被溅射的物质，作为 阴极，相对阳极加数千伏电压， 在真空室内充入Ar气，在电极间 形成辉光放电。
辉光放电过程中，将产生Ar离子， 阴极材料原子，二次电子，光子 等。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包 含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电 子。
作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离Biblioteka Baidu体
产生辉光放电 通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混 合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与 气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、 或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子） 的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。
图3.7
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
入射离子能量的影响 只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从
被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射 离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热 有一定比例关系 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然 后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅 射产额反而下降
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之 前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会 因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次 电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将 会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.3 溅射沉积装置
一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
二次电子
气体离子
靶材离子
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。 阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍 溅射电压1-5KV。 靶材必须为金属。 为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。
Carbon
Hydrogen
Electron
Fluorine
Fluorine
High-energy electron
Fluorine CHF3 molecule
Fluorine
Fluorine
Fluorine CHF2 radical
Fluorine (neutral)
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
2 入射离子的种类和被溅射物质的种类
通常采用惰性气体离子来溅射，由图3.7知， 重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因 素，通常使用氩气作为溅射气体。
用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射 产额也是不同的，Cu, Ag, Au产额高，而Ti, W, Mo等产额低。
弧光放电：I增大，V减小
弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速
增加
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
F E
G
4.1 辉光放电和等离子体
2、辉光放电区域的划分
阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区； 阳极柱；阳极暗区；阳极辉光 暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光
区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
4.1 辉光放电与等离子体 4.2 物质的溅射现象 4.3 溅射沉积技术
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
第四章 薄膜制备技术-溅射法
溅射法
利用带电离子在电磁场的作用下获得足 够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶 材表面被溅射出来的原子以一定的动能 射向衬底，在衬底上形成薄膜。
溅射法的分类
直流溅射
射频溅射
磁控溅射
反应溅射
偏压溅射
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
第四章 薄膜制备技术-溅射法
溅射镀膜的特点 （1）对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实
现溅射 （2）溅射所获得的薄膜与基片结合较好 （3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好 （4）溅射工艺可重复性好，可以在大面积衬底上获
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
工作原理：
当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶 材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄 膜。
在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射 出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原 子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
电极
等离子体 真空室
匹配部件
RF 发生器
高真空泵
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
High-energy electron collides with molecule.
Carbon
Hydrogen
Collision results in dissociation of molecule.
4.1 辉光放电和等离子体
直流电源E, 提供电压V和电流I则 V = E - IR。
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：离子开始轰击阴极，产生二次
电子，又与气体分子碰撞产生更多离子 辉光放电区DE：I增大，V恒定
B
C D
异常辉光放电区EF：溅射所选择的工作区 A
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
3、离子入射角度对溅射产额的影响 倾斜入射有利于提高 产额，但当入射角接 近80时，产额迅速下 降
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
合金的溅射和沉积： 溅射法的优点所制备的薄膜的化学成分与靶材基 本一致。
自动补偿效应：溅射产额高的物质已经贫化，溅射 速率下降，而溅射产额低的物质得到富集，溅射速 率上升。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
离子轰击固体表面可能发生一系列的物理过程，每种过 程的相对重要性取决于入射离子的能量。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
一、溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。它与入 射能量，入射离子种类， 溅射物质种类及入射离子 的入射角度有关。
得厚度均匀的薄膜
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
一、辉光放电的物理基础
靶材是需要被溅射的物质，作为 阴极，相对阳极加数千伏电压， 在真空室内充入Ar气，在电极间 形成辉光放电。
辉光放电过程中，将产生Ar离子， 阴极材料原子，二次电子，光子 等。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离子体
等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包 含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电 子。
作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.1 辉光放电和等离Biblioteka Baidu体
产生辉光放电 通过混合气体中加直流电压、或射频电压，混 合气体中的电子被电场加速，穿过混合气体，与 气体原子或分子碰撞并激发他们，受激的原子、 或离子返回其最低能级时，以发射光（或声子） 的形式将能量释放出来。 不同气体对应不同的发光颜色。
图3.7
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
入射离子能量的影响 只有入射离子能量超过一定阈值以后，才能从
被溅射物质表面溅射出离子，阈值能量与入射 离子的种类关系不大，与被溅射物质的升华热 有一定比例关系 随入射离子能量的增加，溅射产额先增加，然 后处于平缓（10Kev)，离子能量继续增加，溅 射产额反而下降
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
气体压强太低或阴-阳极距离太短，二次电子达到阳极之 前不能有足够多的离化碰撞发生。反之所产生的离子会 因非弹性碰撞而减速，打击靶材时不会产生足够的二次 电子。另外溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将 会受到过多散射，在衬底上的沉积速率反而下降。
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.3 溅射沉积装置
一、直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
二次电子
气体离子
靶材离子
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
一、直流溅射装置及特性
溅射气压1.3-13Pa，太低和太高都不利于薄膜的形成。 阴-阳极距离适中，大约为阴极暗区的2倍 溅射电压1-5KV。 靶材必须为金属。 为保证薄膜的均匀性，阴极平面面积大约为衬底的2倍。
Carbon
Hydrogen
Electron
Fluorine
Fluorine
High-energy electron
Fluorine CHF3 molecule
Fluorine
Fluorine
Fluorine CHF2 radical
Fluorine (neutral)
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
4.2 物质的溅射现象
2 入射离子的种类和被溅射物质的种类
通常采用惰性气体离子来溅射，由图3.7知， 重离子的溅射产额比轻离子高，但考虑价格因 素，通常使用氩气作为溅射气体。
用相同能量的离子溅射不同的物质，溅射 产额也是不同的，Cu, Ag, Au产额高，而Ti, W, Mo等产额低。
弧光放电：I增大，V减小
弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速
增加
薄膜的物理气相沉积(Ⅱ)-溅射法
F E
G
4.1 辉光放电和等离子体
2、辉光放电区域的划分
阴极辉光； 阴极暗区； 负辉光区；法拉第暗区； 阳极柱；阳极暗区；阳极辉光 暗区是离子和电子从电场中获取能量的加速区，辉光
区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。