溅射的基本原理之溅射机理
半导体薄膜技术与物理
5
2.3.2 溅射阈和溅射率
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P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。
R 淀D 积速率D ：RM TP2dP1
α1：基板表面凝结系数， T1：基板温度。
M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。
1.
扩散速率：
2.
溅射速率：
Rd 1P1
M
2RT1
14
2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三 极（四极）溅射 阴极溅射原理图 三极（四极）溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
1
直流辉光 放电过程 的形成 VB： 击 穿电压
2
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增 加电源功率，可同时提高放电区的电压和 电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压 P遵守以下关系：
磁控溅射定义和原理
A-B:无光放电区 B-C:汤森放电区 C-D:过渡区 D-E:正常辉光放电区 E-F:异常辉光放电区 F-G:弧光放电区
在“异常辉光放电区”内，电流可以通 过电压来控制，从而使这一区域成为溅射 所选择的工作区域。
形成“异常辉光放电”
的关键是击穿电压VB。
主要取决于二次电子
的平均自由程和阴阳
F m aqE (x,y,z)q vB (x,y,z) B (x,y,z)
其中 mv 2
2B
磁阻力与磁场的梯度成正比, 但方向始终指向梯 度的负向，该力总是阻碍运动电荷从弱磁场向强 磁场区域的运动
氩离子入射不同元素的溅射阈值
500eV下元素溅射率
溅射率随离子入射角度的变化
150eV氩离子轰击下，镍的溅射率和气压的关系
溅射粒子的速度和能量 溅射原子获得比热蒸发大1~2个数量
级的能量在1~10eV之间,它与靶材，入射 离子质量和能量有关。
溅射的优缺点
溅射工艺可重复性较好，膜厚可控制，可以在大面积
2.3 磁控溅射(megnetron sputtering)
2.3.1 磁控溅射原理 磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动，
提高电子的离化率。并且与传统溅射相比 具有“低温”、“高速”两大特点。
通过磁场提高溅射率的基本原理由 Penning在60多年前发明，后来由Kay和 其他人发展起来，并研制出溅射枪和柱式 磁场源。1979年Chapin引入了平面磁控 结构。
磁控溅射定义和原理
主要内容
溅射原理
溅射装置
定义 原理 特点
直流溅射 射频溅射 磁控溅射
磁控溅 射实例
镀膜
一、溅射原理
1.1 溅射定义
就像往平静的湖水里投入石子会溅起水 花一样，用高速离子轰击固体表面使固体 中近表面的原子（或分子）从固体表面逸
溅射
关于溅射发布时间：2010-4-28溅射一、溅射的基本内容：1、定义：所谓溅射，就是这充满腔室的工艺气体在高电压的作用下，形成气体等离子体（辉光放电），其中的阳离子在电场力作用下高速向靶材冲击，阳离子和靶材进行能量交换，使靶材原子获得足够的能量从靶材表面逸出（其中逸出的还可能包含靶材离子）。
这一整个的动力学过程，就叫做溅射。
入射离子轰击靶面时，将其部分能量传输给表层晶格原子，引起靶材中原子的运动。
有的原子获得能量后从晶格处移位，并克服了表面势垒直接发生溅射；有的不能脱离晶格的束缚，只能在原位做振动并波及周围原子，结果使靶的温度升高；而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲，将其临近的原子碰撞移位，反冲继续下去产生高次反冲，这一过程称为级联碰撞。
级联碰撞的结果是部分原子达到表面，克服势垒逸出，这就形成了级联溅射，这就是溅射机理。
当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时，动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略，这就是线性级联碰撞2、溅射的四要素：①：靶材物质②：电磁场③：底物④：一整套完整配备的镀膜设备3、溅射收益：3.1、离子每一次撞击靶材时，靶材所释放出的靶材原子。
3.2、影响溅射收益的因素：①：等离子体中离子动能②：入射离子的入射角度3.3、最大溅射收益的决定因素：①：入射角度在45°-50°左右②：取决于靶材物质3.4、入射角度的影响因素①：由电场决定②：靶材表面于入射源的相对角度4、溅射率：4.1、定义：每单位时间内靶材物质所释放出的原子个数4.2、溅射率的影响因素①：离子动能（取决于电源电压和气体压力）②：等离子密度（取决于气体压力和电流）4.3、统计学公式：Rs(统计学)=d/t。
注：溅射原子溢出角度大部分在0~10度之间，因此在腔室内所有区域都可能被镀上一层膜，久之会产生污染。
所以真空溅射腔室内必须进行定期清洁。
二、溅射种类：1、反应溅射：氧化物，氮化物作为沉积物质现象：①：靶材分子分裂，其于工艺气体离子发生反应，形成化合物②：膜层性能改变③：靶材有可能中毒2、二极溅射（见下图）：二极溅射是一种经典的标准溅射技术，其中等离子体和电子均只沿着电场方向运动。
溅射机工作原理(一)
溅射机工作原理(一)溅射机工作原理详解介绍溅射机是一种常用于薄膜沉积领域的设备，通过将固体材料转化为气态离子使其沉积在目标表面上。
本文将从浅入深地解释溅射机的工作原理。
什么是溅射机？溅射机是一种物理气相沉积设备，常用于制备金属、半导体和绝缘体等材料的薄膜。
它通过将固体材料加热至高温，使其转变为气态离子，然后将离子沉积在目标表面上。
工作原理溅射机的工作原理可以分为以下几个步骤：1.加热源提供能量：溅射机内的加热源（通常是一个加热丝或者电阻加热器）将固体材料加热至高温，使其变为气态。
2.溅射材料被离子化：高能量的气态溅射材料会与气体中的离子或电子发生碰撞，从而将溅射材料转化为离子。
3.形成溅射物流：通过外加的电场或磁场，将离子加速并聚集在特定的区域，形成一个带电的物流。
4.溅射物流沉积在目标表面：带电的溅射物流通过真空环境中的漂移，穿过溅射室，并最终沉积在目标表面上，形成所需的薄膜。
溅射机的优点溅射机具有以下一些优点，使其成为薄膜沉积领域的重要工具：•沉积均匀性好：溅射机能够产生高质量的均匀薄膜，适用于制备各种材料。
•薄膜附着力强：由于溅射过程中溅射物流的高能量和高速，薄膜与基材的结合力很强。
•制备复杂合金薄膜：通过控制目标材料和气体环境，溅射机可以制备各种复杂合金薄膜。
•可控性强：溅射机的工作参数（如溅射功率、气体流量、沉积时间等）可调节，实现对薄膜厚度、成分和结构等的精确控制。
应用领域溅射机广泛应用于以下领域：•光电子材料：用于制备太阳能电池、光伏材料等。
•半导体工业：制造集成电路、显示器件等。
•光学薄膜：用于制备反射镜、滤光片等光学元件。
•功能薄膜：制备具有特殊功能的薄膜，如防磨损、抗刮擦等。
•生物医学材料：制备生物活性薄膜、生物传感器等。
总结溅射机利用物理气相沉积原理，将固体材料转化为气态离子并沉积在目标表面上。
它具有沉积均匀性好、薄膜附着力强、制备复杂合金薄膜的能力，并广泛应用于光电子、半导体、光学、生物医学等领域。
磁控溅射镀膜技术
暗区的宽度与电子的平均自
由程有关。
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二、溅射镀膜的基本原理
靶材的位置
（一）直流辉光放电：
（4）负辉光区（辉光最强）： 随着电子速度增大，很快获
得了足以引起电离的能量，于是 离开阴极暗区后使大量气体电离， 产生大量的正离子。
正离子移动速度慢，产生积 聚，电位升高；与阴极之间的电 位差成为阴极压降。
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三、磁控溅射
溅射沉积方法有两个缺点:第一，沉积速率较低；第二，溅射所需 的工作气压较高。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体 的离化率，发展出了磁控溅射技术。 （一）磁控溅射的工作原理：
（一）直流辉光放电：
直流辉光放电是在真空度约1～10Pa的稀薄气体中，两个电极之间 在一定电压下产生的一种气体放电现象。
气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定 律描述。
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二、溅射镀膜的基本原理
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二、溅射镀膜的基本原理
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二、溅射镀膜的基本原理
由巴邢定律知，在气体成分和电极
材料一定的情况下，起辉电压V只与气 体压强P和电极距离d的乘积有关。
磁控溅射镀膜技术
3
二、溅射镀膜的基本原理
溅射镀膜基于高能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅 射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于 气体放电。
➢ 放电方式： （1）直流溅射——直流辉光放电 （2）射频溅射——射频辉光放电 （3）磁控溅射——环状磁场控制下的辉光放电
4
二、溅射镀膜的基本原理
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二、溅射镀膜的基本原理
（一）直流辉光放电：
（2）阴极辉光区：
电子通过阿斯顿暗区后，在
电场的作用下获得了足够的能量，
磁控溅射原理
磁控溅射的基本原理1电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。
氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。
二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。
电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。
但一般基片与真空室及阳极在同一电势。
磁场与电场的交互作用（ E X B drift）使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。
至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。
磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。
在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。
所不同的是电场方向，电压电流大小而已磁控溅射的基本原理2用高能粒子（大多数是由电场加速的正离子）撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射。
按照溅射理论的级联碰撞模型如图所示，当入射离子与靶原子发生碰撞时把能量传给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格的原子撞出，形成级联碰撞。
当级联碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材,，足以克服结合能时，表面粒子逸出成为溅射粒子。
溅射粒子沉积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。
对于直流溅射，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于基底有数千伏的电压。
离子束溅射讲解学习
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
溅射的基本原理之溅射特性
溅射的基本原理——溅射特性
（5） 靶材温度
靶材存在与升华 能相关的某一温度。 低于此温度时，溅射 率几乎不变；高于此 温度时，溅射率急剧 增加。
除此之外，还与 靶的结构和靶材的结 晶取向、表面形貌、 溅射压强等因素有关。
降低工作气压和 提高溅射率。
溅射的基本原理——溅射特性
3、溅射原子的能量和速度
实际逸出原子分布并 不遵从余弦定律。
溅射的基本原理——溅射特性
▪ 实际分布
在垂直于靶面方向明显少于余弦分布时应有的逸出原 子数。
溅射的基本原理——溅射特性
▪ 与晶体结构方向的关系 逸出原子与原子排列密度有关。主要逸出方向为[110]，
其次为[100]、[111]
c
[111]
a
[100]
b
[110]
溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能 量、溅射原子的方向等有关。
溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能 量ห้องสมุดไป่ตู้0.1eV）大1-2个数量级。
几组实验数据曲线。
溅射的基本原理——溅射特性
麦克斯威尔分布 平均能量10～40eV； 拖着长尾巴； 入射离子能量高于1000eV时， 逸出原子平均能量不再增加
通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下 表达式：
（1）离子能量小于1keV，在垂直入射时，溅射率为
S
3
4 2
aTm V0
式中，Tm 为最大传递能量，V0 靶材元素的势垒高度，a 是 与靶材原子质量 m1 和入射离子质量 m2 之比 m2 m1 相关的 常数。
溅射的基本原理——溅射特性
ET E 500eV (ET为溅射阈值） 500eV E 1000eV 1000eV E 5000eV 离子注入效应
薄膜制备技术溅射法
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二、 三极溅射和四极溅射装置及特性
在低压下，为增加离化率并保证放电自持，方法之一是提供 一个额外的电子源将电子注入到放电系统中，这个独立的电 子源就是热阴极，它通过热离子辐射形式发射电子。
C
BD
n 弧光放电：I增大，V减小
A
n 弧光放电区FG：增加电源功率，电流迅速增加
F E
G
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3.1 溅射基本原理
溅射理论模型：动量理论，也称为级联碰撞理论。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 会传递给靶材原子，当后者的动能超过由其周围存在的其他靶材原 子所形成的势垒时，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。
现在是19页\一共有70页\编辑于星期五
3.2 溅射主要参数
二、溅射粒子的能量和速度
对化合物靶进行溅射时，情况与单元素靶相似。 当入射离子能量在100eV以下时，溅射粒子是构成化合物
的原子，只有当入射离子能量在10keV以上时，溅射粒子
中才较多地出现化合物分子。
现在是20页\一共有70页\编辑于星期五
p 对大多数金属来说，溅射阈值在1040eV 范 围 内 ， 相 当 于 升 华 热 的 4-5
倍。
现在是13页\一共有70页\编辑于星期五
3.2 溅射主要参数
一、溅射阈和溅射产额
p 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。
p 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。
溅射的基本原理之辉光放电
溅射的基本原理——辉光放电
异常辉光放电区（EF）
当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步 增加功率，放电电压和电流同时增加，进入非 正常辉光放电。
特点：电流增大时，放电电极间电压升高，且 阴极电压降与电流密度和气体压强有关。 阴极表面情况：此时辉光布满整个阴极，离子层已 无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。 此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，使正 离子有更大的能量轰击阴极，使阴极更多的二次电 子才行。
Vd为辉光放电空间与 靶之间的电压
溅射的基本原理——辉光放电
辉光放电空间与靶和接地电极之间的电压存在如下关 系： 4
Vc Ad Vd Ac
式中，Ac 和 Ad 分别为容性耦合电极（靶）和直接耦合电极 （接地电极）的面积。 由于 Ad Ac ，所以 Vc Vd 。 在射频辉光放电时， 等离子体对接地的基片（衬底）只有极微小的轰击，而 对溅射靶进行强烈轰击使之产生溅射。
上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因 此，称为非自持放电。
溅射的基本原理——辉光放电 过渡区CD
过 C 点后，发生“雪崩点火”， 离子轰击阴极，产生二次电子，二 次电子与中性气体分子发生碰撞， 产生更多的离子，离子再轰击阴极， 阴极产生更多的二次电子，大量的 离子和电子产生后，放电达到自持， 气体被击穿，开始起辉，两极间电 流剧增，电压迅速降低，放电呈现 负阻现象。
可认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放 电起增强作用。
溅射的基本原理——辉光放电
耦合特性：电极表面电位自动偏置为负极性 二极管整流器 有效电流为零
溅射的基本原理——辉光放电
溅射靶与基片对称 配置，不能成膜。
溅射靶绝缘，并通 过电容耦合到射频电 源上；另一电极为直 接耦合电极（真空室 壁，接地电极） Vc为辉光放电空间与 靶之间的电压 靶 基片
溅射的基本原理之溅射特性
★ 溅射参数 表征溅射特性的参数
1、溅射阈值 2、溅射率及其影响因素 3、溅射粒子的速度和能量分布 4、溅射原子的角度分布
5、溅射率的计算
溅射的基本原理——溅射特性
1、溅射阈值
溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所
必须的最小能量。
溅射阈值的大小与离子质量之间无明显关系，主
R S 105 mJ
要取决于靶材料。对于处于周期表中同一周期的元素，
溅射阈值随着原子序数增加而减小。 目前能测出10-5原子/离子的溅射率（阈值参考）。
对绝大多数金属靶材，溅射阈值为10~30eV
溅射的基本原理——溅射特性
溅射的基本原理——溅射特性
2、溅射率
溅射率是指正离子轰击阴极靶时，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 S 。
溅射率与入射离子种类、能量、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。
(1) 靶材料
溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。
溅射的基本原理——溅射特性
参见表3-2
六方晶格结构和表 面污染的金属比面 心立方和清洁表面 的金属的溅射率低
升华热大的金属比 升华热小的金属的 溅射率低
溅射的基本原理——溅射特性
3、溅射原子的能量和速度
溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能 量、溅射原子的方向等有关。 溅射原子的能量（ 5-10eV）比热蒸发原子能 量（0.1eV）大1-2个数量级。
几组实验数据曲线。
溅射的基本原理——溅射特性
麦克斯威尔分布 平均能量10～40eV； 拖着长尾巴； 入射离子能量高于1000eV时， 逸出原子平均能量不再增加
• 对于轻元素靶材， S ( ) / S (0) 的比值变化显著； • 对于重离子入射时，S ( ) / S (0) 的比值变化显著； • 随着入射离子能量的增加，S ( ) / S (0) 呈最大值的角 度逐渐增大，S ( ) / S (0) 的最大值在入射离子能量超过 2keV时，急剧减小。
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)）。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理概述磁控溅射（Magnetron Sputtering）是一种常用的物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）技术，广泛应用于薄膜制备、表面改性和工艺加工等领域。
其基本原理是通过磁控电子束轰击靶材，使得靶材表面的原子或者分子离开并沉积在基底上，形成薄膜。
磁控溅射技术具有高沉积速率、均匀性好、制备多种材料、控制膜的组成和结构等优点，因此是最常用的薄膜制备技术之一。
下面将详细介绍磁控溅射的工作原理。
工作原理磁控溅射工作原理可以分为离子轰击、溅射和沉积三个步骤。
离子轰击磁控溅射的第一步是通过离子轰击来加热和清洗靶材表面。
在溅射室内，存在一个强磁场，磁场线平行于靶材表面，形成一个被称为“磁子区”（Magnetron）的区域。
在磁子区内，加上外加的电流进行放电，使得气体电离产生高能的离子和电子。
这些离子和电子由于靶材表面形成的负电荷排斥，被磁场束缚在磁子区。
离子由于带正电，受到电子磁场的力作用而环绕着磁子区运动。
其中，离子随机散射，撞击在靶材表面，从而产生动量传递和能量传递。
这种离子对靶材表面的轰击称为离子轰击（Ion Bombardment）。
通过离子轰击，靶材表面层的原子和分子被高能离子撞击后脱离出来，形成的离子云形成了很高的电子温度和离子温度，从而导致靶材表面温度升高。
这样，通过电子和离子的协同作用，可以有效地加热和清洗靶材表面，为溅射提供条件。
溅射磁控溅射的第二步是溅射。
在离子轰击的作用下，靶材表面的原子或者分子离开并沉积在基底（Substrate）上，形成薄膜。
在离子轰击下，靶材表面的原子或分子以大质量和能量的方式离开，而且在离开靶材表面后会继续以直线运动的方式迁移到其余的区域。
穿过透过装置的挡板后，原子或分子由于气体的散射作用而形成等离子体。
在离子轰击的同时，溅射的粒子由于撞击靶材表面而形成溅射云，其中的原子或分子穿过透过装置形成的孔洞，并在基底上沉积。
溅射的基本原理之溅射镀膜过程
溅射的基本原理——溅射镀膜过程
例题：Ar+离子溅射铜靶，已知
r1 0.96 108 cm
r2 1.82 108 cm n2 3.5 1016 / cm3（0℃，133Pa） 求溅射离子的平均自由程？ 解：代入公式 1 1 n2 (r1 r2 )2 1 3.5 1016 (0.96 1.82)2 1016
溅射的基本原理——溅射镀膜过程
★ 溅射镀膜过程
靶材溅射过程、逸出粒子的形态 溅射粒子的迁移过程 溅射粒子的成膜过程
入射离子从靶表面反射
入射离子捕获电子形成 中性原子或分子 离子注入 次级电子发射 靶表面结构和组分变化 靶表面气体解吸
辐射射线
离子轰击固体表面所产生的各种现象与固体材料的种类、
（4）溅射条件的控制
溅射气体或工作气体 廉、高纯
溅射电压和基片电位 基片温度 预溅 综合考虑靶材、基片、气氛、温度、几何结构、真空度、 电场及磁场等参数。
溅射率高、对靶材呈惰性、价
11.7 103 cm
溅射镀膜的气体压力一般为 10 1 -10 -1 Pa，其平均自由 程为1-10cm，因此，靶和基片的距离与溅射粒子的平均自 由程大致相当。 溅射粒子到达基片时的能量相当与蒸发原子的几十至上百
倍。
溅射的基本原理——溅射镀膜过程
溅射粒子的成膜过程 成膜机理将在薄膜物理部分讲，这里介绍几个相关问题。 （1）淀积速率 定义：淀积速率 Q 是指从靶材上溅射出来的物质，在 单位时间内淀积到基片上的薄膜厚度。
中性粒子的平均自由程 1 可以用下式表示
1 c1 (11 12 )
式中， c1 是溅射粒子的平均速度， 11 是溅射粒子相互作用 的平均碰撞次数， 12 是溅射粒子与工作气体分子的平均碰 撞次数。
第三章 溅射薄膜制备技术
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。
●DE段：电流与电压无关，增大功率时，电压不变， 电流增加。放电能自动调节轰击阴极的面积，起初 集中在阴极边缘或表面不规则处，随功率密度的增 加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。
●EF段：增大功率，呈正电阻特性。 溅射一般工作在此区。
Fj V? E?
P
E、F：常数，与电极材料、 尺寸和气体种类有关。
鞘层厚度 b：与电子密度及温度有关，典型值 100微米。
直流辉光放电 的电位分布和 等离子体鞘层
5）辉光放电的空间分布
阿斯顿暗区：阴极发射的二次电子能量小 （1ev），不足以电离中性分子。
阴极辉光区：①电子获得足够能量，碰撞气体分子使其 激发，退激发而发光。 ②少数电子和正离子复合发光。
克鲁克斯暗区：电子能量太大，不易与正离子复合发光。 电离产生低速电子。
元素溅射率最小。
1.4 与入射角的关系
Ar＋
Ⅰ S(? ) ? sec? (0~60°)
S(0)
Ⅱ对于轻元素靶材，和重 离子入射，随角度的变 化明显。
Ⅲ随入射离子能量的增加， θopt逐渐增加， 但当 E>2Kev时，θopt ↓↓
解释：… … …
1.5 与靶材的晶体结构有关
单晶靶溅射显现出各向异性，而多晶靶是各向同性
大多数辉光放电，pd乘积在最小电压值右 侧——p有一定值，n较多；d有一定值，溅射 效率较高，特别是成膜区可以扩大。
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溅射的基本原理——溅射机理
到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因 是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直
接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保 护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。
1969 年， Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对 Thompson汤普森的理论工作进行了推广，建立了原子线性级 联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。
溅射现象：
当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大 于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就 是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原
子团。
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子（ E0 ）
二次电子
溅射原子
原子
溅射的基本原理——溅射机理
离子与靶相互作用
按参与碰撞粒子的种类划分： 入射离子（或载能原子）静止靶原子的碰
离子注入： 如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临 界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列 的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能 量损失到某一定的值（ 约为 20eV 左右 ) 时，将停止在固体 中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。
atoms
Ion
E
溅射的基本原理——溅射机理
撞
反冲原子静止靶原子的碰撞
按能量损失的方式划分： 弹性碰撞 非弹性碰撞
溅射的基本原理——溅射机理
双体弹性模型： 通常在两种坐标系中研究碰撞二体问题：
1）实验坐标系（实验测量）
2）质心坐标系（理论研究）
实验坐标系 入射粒子（粒子、反冲原子）：(M1, v0 ) 靶原子（静止）：(M 2 ,0)
溅射的基本原理——溅射机理
散射角
M1 , v0
E0
M1 , v1
M2
反冲角
M 2 , v2
1 1 1 2 2 2 M 1v0 M 1v1 M 2 v2 2 2 2
M1 v0 M1 v1 M2 v2
M1v1 sin M 2v2 sin
1974年，H. H. Andersen 和H. L. Bay 研究（实验）了低能重 离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为“ 热钉扎” (thermalized spike) 效应。
溅射的基本原理——溅射机理
热蒸发理论（早期理论） 认为：溅射现象是被电离气体的离子在电场 中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原 子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，
发生热蒸发。
可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系； 可以解释溅射原子的余弦分布规律； 不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律， 以及溅射率与质量关系等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
溅射的基本原理——溅射机理
动量转移理论
深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程，
并被人们广泛接受。 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅
撞击溅射的分类
（1）单一撞击溅射
在离子同靶原子的碰 撞过程中，反冲原子得到 的能量比较低，以至于它 不能进一步地产生新的反 冲原子而直接被溅射出去。 单一撞击溅射是在入射离 子的能量为几十电子伏特 范围内，且离子的能量是 在一次或几次碰撞中被损 失掉．
单一撞击溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
（2）线性碰撞级联溅射 初始反冲原子得到的能量比较高，它可以进一步地与 其它静止原子相碰撞，产生一系列新的级联运动。但级联 运动的密度比较低，以至于运动原子同静止原子之间的碰
射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的 级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。
碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面
的原子从近邻原子得到越来越多的能量。 当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。
溅射的基本原理——溅射机理
低能离子同靶原子之间的相互作用主要是原子核之间的 弹性碰撞，尤其是对金属靶材料。 金属中电子的驰豫时间约为10-19秒，而对于一个能量为 10keV 的 Ar 离子，在金属中穿行 1 mm 所需的时间约为 10 -13
溅射的基本原理——溅射机理
溅射理论的发展 1853年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体
放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成
份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知
道产生这种现象的物理原因 。
1902年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的 原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而 引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。
溅射的基本原理——溅射机理
★ 溅射机理
溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一 定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小； 溅射率的大小与入射离子的质量有关；
当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；
溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍； 入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦 定律，与入射离子方向有关； 电子轰击靶材不会发生溅射现象。
撞是主要的，而运动原子之间的碰撞是次要的。对于线性
碰撞级联，入射离子的能量范围一般在keV-MeV。
线性碰撞级联溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
溅射的基本原理——溅射机理
（3） 热钉扎溅射
反冲原子的密度非常 高，以至于在一定的区域
内大部分原子都在运动。
热钉扎溅射通常是由中等 能量的重离子轰击固体表 面而造成的。
热钉扎线性碰撞级联溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子的能量损失可以分为两部分：一部分用于靶 原子核的反冲运动，另一部分用于激发或电离靶原子核外 的电子，分别对应于核阻止本领 和电子阻止本领 。对于 低能离子，核阻止本领是主要的，而对于高能离子，电子 阻止本领则是主要的。
溅射的基本原理——溅射机理
秒，这样电子在这么短的时间内获得的能量不足以造成靶原 子的移位。
同样在低能情况下，靶原子之间的相互作用也主要是弹 性碰撞。也就是说，对于低能离子产生的溅射现象，主要是 由原子之间的弹性碰撞过程造成的。因此，这种溅射也被称 为撞击溅射（knock-on sputtering）。
溅射的基本原理——溅射机理