第三章_溅射镀膜ppt课件
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《等离子体溅射镀膜》课件
VS
溅射功率是等离子体溅射镀膜过程中的关键参数，它决定了溅射产额和膜层的性质。
详细描述
溅射功率越大，溅射产额越高，膜层的生长速率也就越快。然而，过高的溅射功率可能导致基材损伤、膜层粗糙度增加以及粒子反弹等问题。因此，需要根据具体的镀膜要求和工艺条件选择合适的溅射功率。此外，溅射功率的选择还需要考虑靶材的特性和溅射气体的种类。
详细描述
总结词
通过射频电源产生电场，使惰性气体离子化并加速向靶材撞击，将靶材粒子溅射出来并附着在基片上形成薄膜的技术。
要点一
要点二
详细描述
射频溅射镀膜技术利用射频电源产生电场，使惰性气体离子化。这些离子在电场的作用下加速向靶材撞击，将靶材粒子溅射出来。溅射出来的靶材粒子随后附着在基片上，形成薄膜。该技术具有沉积速率高、薄膜成分和结构可控等优点，广泛应用于各种领域。与直流溅射镀膜技术相比，射频溅射镀膜技术具有更高的沉积速率和更稳定的溅射过程。
总结词
通过高频电源产生电场，使惰性气体离子化并加速向靶材撞击，将靶材粒子溅射出来并附着在基片上形成薄膜的技术。
详细描述
高频溅射镀膜技术利用高频电源产生电场，使惰性气体离子化。这些离子在电场的作用下加速向靶材撞击，将靶材粒子溅射出来。溅射出来的靶材粒子随后附着在基片上，形成薄膜。该技术具有较高的沉积速率和良好的薄膜附着力，广泛应用于各种领域。
05
CHAPTER
等离子体溅射镀膜的优缺点
等离子体溅射镀膜技术具有较高的沉积速率，可以快速形成均匀、连续的薄膜。
高沉积速率
由于等离子体溅射镀膜过程中，基材表面受到高能离子的轰击，表面粗糙度增加，使得镀膜与基材的附着力增强。
高附着力
等离子体溅射镀膜技术可以制备高纯度的薄膜，适用于对材料纯度要求高的领域。
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。
《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
06
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
溅射薄膜制备技术优秀课件
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。
溅射薄膜制备技术优秀课件
2）辉光放电的I－V特性
被激导电及 非自持暗放电
自持暗放电
直流辉溅光射薄放膜制电备技的术优秀伏课件安特性曲线
●AB段：电压增加，而电流密度增加很小，说明电 压不够。
●BC段：电压不变，电流密度增加很快。说明电离 已经产生，但电源的阻抗很大。
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。
负辉光区：大量电离区，产生大量的正离子，正离子与 电子复合发光。该区是正的空间电荷区， 也是主要的压降区。
法拉第暗区：少数电子穿过负辉光区，电子动能小。 正光柱区： 上述少数电子加速，产生电离。 负辉光区以后：等离子体密度低，几乎无电压降，类似
解释：溅射与热蒸发 二者的复合作 用。
溅射薄膜制备技术优秀课件
2. 溅射原子的角度分布
2.1 与入射离子能量的关系
现象：入射离子能 量越高，角分布越 趋向于余弦分布， 但在低能状态下 （几千ev）并非如 此。欠余弦分布。
溅射薄膜制备技术优秀课件
蒸发原子的角分 布为余弦分布。
2.2 与入射离子的角度的关系
等 离 子 空 间
溅射薄膜制备技术优秀课件
第二节、溅射的基本原理
1、溅射时入射粒子的来源：气体放电 所谓气体放电是指电流通过气体的现
象，气体放电将产生等离子体。一般是利 用辉光放电，根据所加电场的不同，又分 为直流辉光放电、射频辉光放电，而其他 如三极溅射、磁控溅射时的辉光放电都是 在此基础上的改进。
2、为什么用氩等溅射惰薄膜性制备技气术优秀体课件？
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。
第三章薄膜的物理气相沉积-溅射法PPT课件
6
3.1 气体放电现象与等离子体
直流电场作用下物质的溅射： 对系统抽真空后，充入适当压力
的惰性气体，如Ar。在正负电极间外 加电压的作用下，电极间的气体原子 将被大量电离。电离过程使Ar原子电 离为Ar+和可以独立运动的电子，其 中的电子会加速飞向阳极，而Ar+则 在电场的作用下加速飞向作为阴极的 靶材，并在与靶材的撞击过程中释放 出相应的能量。离子高速撞击靶材的 结果之一是使大量的靶材表面原子获 得相当高的能量，使其可能脱离靶材 的束缚而飞向衬底。
由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的， 所以，当正离子和电子一产生，便被电极拉过去。即使再 升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。此时的电流 密度很小，一股情况下仅有10-16—10-11安培左右。此区是 导电而不发光，所以称为无光放电区。
15
2、汤生放电
随着电压逐渐升高，电离粒子的运动速度也随 之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离 粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增 加。此时，电流达到了一个饱和值，曲线中第一个 垂直段(AB段)。
12
为维持放电进行，下述两个过程必不可少 1）、电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个 电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用 下，向阳极运动。当电子能量超过一定值后，使 气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子， 重复这一过程，即实现电子的所谓繁衍。 2）、二次电子发射过程：离子在阴极电位降的 作用下，轰击阴极表面，产生二次电子。
维持辉光放电的电压较低，且不变。从D到E 之间区域叫做“正常辉光放电区”。
19
在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积； 最初，轰击是不均匀的，轰击集中在靠近阴极边缘处， 或在表面其他不规则处。随着电源功率的增大．轰击区 逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。
3.1 气体放电现象与等离子体
直流电场作用下物质的溅射： 对系统抽真空后，充入适当压力
的惰性气体，如Ar。在正负电极间外 加电压的作用下，电极间的气体原子 将被大量电离。电离过程使Ar原子电 离为Ar+和可以独立运动的电子，其 中的电子会加速飞向阳极，而Ar+则 在电场的作用下加速飞向作为阴极的 靶材，并在与靶材的撞击过程中释放 出相应的能量。离子高速撞击靶材的 结果之一是使大量的靶材表面原子获 得相当高的能量，使其可能脱离靶材 的束缚而飞向衬底。
由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的， 所以，当正离子和电子一产生，便被电极拉过去。即使再 升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。此时的电流 密度很小，一股情况下仅有10-16—10-11安培左右。此区是 导电而不发光，所以称为无光放电区。
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2、汤生放电
随着电压逐渐升高，电离粒子的运动速度也随 之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离 粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增 加。此时，电流达到了一个饱和值，曲线中第一个 垂直段(AB段)。
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为维持放电进行，下述两个过程必不可少 1）、电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个 电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用 下，向阳极运动。当电子能量超过一定值后，使 气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子， 重复这一过程，即实现电子的所谓繁衍。 2）、二次电子发射过程：离子在阴极电位降的 作用下，轰击阴极表面，产生二次电子。
维持辉光放电的电压较低，且不变。从D到E 之间区域叫做“正常辉光放电区”。
19
在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积； 最初，轰击是不均匀的，轰击集中在靠近阴极边缘处， 或在表面其他不规则处。随着电源功率的增大．轰击区 逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。
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
磁控溅射镀膜技术 PPT课件
• 阴极暗区宽度一般为1-2cm，镀膜设备中 阴极与基片距离大多5-10cm，可知两极 间只存在阴极暗区和负辉区，尽量减小 极间距离（靶-基距），获得尽量高的镀 膜速率。
• 阴极暗区边缘的电位几乎接近阳极电位， 相当于在辉光放电时，等离子体将阳极 推到阴极暗区边缘，此时真正的阳极在 哪里并不重要。
• 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和 圆筒磁控溅射阴极。-- Penning放电、 Penning规、Penning离子源相继出现
• 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续 溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首 次实现溅射镀膜产业化。
• 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用
2、发展概况（3）
• 溅射镀膜中放电气体压力通常选P=1x10-2 至5x10-4Torr，工作点选在左半支曲线， 对于相邻的相互绝缘的两个导体，要求 有足够高的耐击穿电压U，相互之间距离 不宜太大，d=1.5--3.0mm
2、放电的伏安特性曲线--不提倡“一 拖二
辉光放电中靶电压与靶电流关系曲线称 靶的伏安特性曲线.
• 用大功率启动新靶，材料表面出气，局 部真空变坏
• 直流溅射情况，靶面有不良导体形成 • 靶设计、安装不当，及在运用过程中受
力、受热引起的机械变形，造成的局部 击穿
3、辉光放电区电位分布---靶-基距
（1）阿斯顿暗区 （2）阴极暗区，克罗克斯暗区（3） 负辉区
（4）法拉第暗区 （5）正辉柱 （6）阳极暗区 （7） 阳极辉柱
• 在靶电源为恒功率模式下，随反应气体 （如氧）流量变化（增加或减小），靶 电压变化呈非线性，类似磁滞回曲线
4、硅靶通氧反应溅射制备二氧化硅：靶电 压随氧气流量变化曲线有滞回现象（反应 溅射的固有特性）
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；
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。
第三章 溅射镀膜
克鲁克斯暗区、负辉光区
4．辉光放电阴极附近的分子状态 如图3-4所示。 与溅射现象有关的重要问题主要有两个： a.在克鲁克暗区周围所形成的正离子冲击阴极；
19 19
20
b.当两极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,而从阴极到负辉光区的距离是 几乎不改变的。 一般的溅射法 ：使由辉光放电产生的正离子撞击阴 极，把阴极原子溅射出来 。阴极与阳极之间的距离， 至少必须比阴极与负辉光区之间的距离要长。
（2）影响溅射原子的能量的因素：
溅射原子的能量与靶材料、入射离子的种类和能量 （如图3-16、3-17、3-18、3-19、3-20)以及溅射原子的方 向性(如 图 3-21)有关。
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同一离子轰击不同材料时，溅射原子平均逸出能量和平 均逸出速度如图3－19和图3－20所示。原子序数Z＞20时， 各元素的平均逸出能量差别增大，而平均速度差别较小。
(3)在相同的轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线
性增加，轻入射离子溅射出的原子其逸出能量较低，约 为10 ev ，而重入射离子溅射出的原子其逸出能量较大， 平均达到30－40ev，与溅射率的情形相类似； (图 3-12)
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（4）溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量 增加而增大，当入射离子能量达到1kev以上时，
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由图3－21可见，不同方向逸出原子的能量分布 不相同的。
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溅射原子的能量和速度具有以下几个特点： (1)重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而
轻元素靶材则有高的原子逸出速度；(图 3-19、3-20)
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。
第三章_溅射镀膜 ppt课件
由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，所以有 时溅射选择在非正常辉光放 电区工作。
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（5）非正常辉光放电区 （EF区域）
E点以后，当离子轰击 覆盖整个阴极表面后， 继续增加电源功率， 会使两极间的电流随着电压 的增大而增大 ，进入非正常 辉光放电状态。
特点：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压的大小与电流密 度和气体压强有关。此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已 无法向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。 要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极， 使阴极产生更多的二次电子。
(3)克鲁克斯暗区- 随着电子继续加速，很快获得了足以引
起气体电离的能量，在此空间产生大量的正离子，而正
离子的质量较大，向阴极的运动速度较慢，故由正离子
组成了空间电荷并在该处聚集起来，使该区域电位升高,
因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采 用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子，这种镀膜技 术又称为离子溅射镀膜或淀积。
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
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（6）弧光放电区（FG区域 ） 两极间电压降至很小的数值，电流大小几乎是由外电 阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。
危害： （1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间
短路； （2）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度
过大而将阴极烧毁； （3）骤然增大的电流有损坏电源的危险 ；
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（5）非正常辉光放电区 （EF区域）
E点以后，当离子轰击 覆盖整个阴极表面后， 继续增加电源功率， 会使两极间的电流随着电压 的增大而增大 ，进入非正常 辉光放电状态。
特点：电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极电压的大小与电流密 度和气体压强有关。此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已 无法向四周扩散，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。 要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极， 使阴极产生更多的二次电子。
(3)克鲁克斯暗区- 随着电子继续加速，很快获得了足以引
起气体电离的能量，在此空间产生大量的正离子，而正
离子的质量较大，向阴极的运动速度较慢，故由正离子
组成了空间电荷并在该处聚集起来，使该区域电位升高,
因离子在电场下易于加速并获得所需动能，故大多采 用离子作为轰击粒子。该离子又称入射离子，这种镀膜技 术又称为离子溅射镀膜或淀积。
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
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（6）弧光放电区（FG区域 ） 两极间电压降至很小的数值，电流大小几乎是由外电 阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。
危害： （1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间
短路； （2）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度
过大而将阴极烧毁； （3）骤然增大的电流有损坏电源的危险 ；
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2、辉光放电的条件
在气体成分和电极
材料一定条件下， 起辉电压V 只与 气体 压强P 和电 极距离 d 的乘积有 关——巴邢定律。
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☆讨论： （1）P过低,d过小——电子很容易跨越电极之间的空 间而没有发生与气体分子的碰撞; （2）P过高,d过大——电子与气体分子的碰撞又过于 频繁,此时，电子获得的能量较低，不足以引起气体分 子的电离。
量，在此空间产生大量的正离子和低速电子。
(4)负辉光区-正离子的质量较大，向阴极的运动速度较
慢，故由正离子组成了空间电荷并在该处聚集。正离子
浓度很大，而电子碰撞后速度减慢，与正离子的复合几
率增多，同时低速电子使气体分子激发产生明亮的辉光。
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进入负辉区的电子可分为两类：快电子（数量少， 能量大）和慢电子（数量多，能量小）。慢电子形成 负空间电荷区，形成负电位梯度。在负辉区产生激发 碰撞，电子与正离子复合几率增多。
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（5）非正常辉光放电区（EF区域） E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加
电源功率，会使两极间的电流随着电压的增大而增大 ， 进入非正常辉光放电状态。
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特点： ➢ 电流增大时，两放电极板间电压升高，且阴极
电压的大小与电流密度和气体压强有关。 原因：此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，
第三章 溅射镀膜
§3-1 §3-2 §3-3
溅射镀膜的特点 溅射的基本原理 溅射镀膜类型
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“溅射”: 指荷能粒子轰击固体表面 （靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现 象。
溅射原子：射出的粒子，大多呈原子状态。
荷能粒子：轰击靶材，可以是电子、离子或中性 粒子。
因离子在电场下易于加速并获得所需动能， 故大多采用离子作为轰击粒子。该离子又称入射 离子，这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或淀积。
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直流溅射沉积装置
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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～
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（3）过渡区 （CD区域 ） 离子轰击阴极，释放出二次电子， 二次电子与中性气体分子
碰撞，产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的更 多的二次电子。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到 自持，发生“雪崩点火”，气体开始起辉，两极间电流剧增，
电压迅速下降，放电呈现负阻特性。
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（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。
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正常辉光放电的特点：
（1）电子和正离子是来源于电子的碰撞和正离子的轰
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(1)阿斯顿暗区- 靠近阴极的一层极薄区域，由于从阴极
发射的电子能量只有1eV左右，不能发生激发和电离。
(2)阴极辉光区- 紧靠阿斯顿暗区，辉光是在加速电子碰
撞气体分子后，由于激发态的 气体分子衰变 和进入该 区的 离子复合 而形成中性原子所造成的。
(3)克鲁克斯暗区- 电子被加速后，动能较大，不易与正 离子复合，故形成暗区，宽度与电子平均自由程有关， 随着电子继续加速，很快获得了足以引起气体电离的能
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（2）汤森放电区（BC区 ） 随着电压升高，带电离子和电子获得了足够能量，运动速
度逐渐加快，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流平稳增 加，但电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈一常数。
上述两种放电，都以有自然电离源为前提，如果没有
游离的电子和正离子存在，则放电不会发生。——非自
持放电。
击，即使自然游离源不存在，导电也 将继续下 去。
（2）维持辉光放电的电压较低，且不变 。
（3）电流的增大与电压无关，只与阴极板上产生辉光
的表面积有关。
（4）正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的种类 有关。
气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小 也有影响。电流密度随气体压强增加而增大。凹面形阴 极的正常辉光放电电流密度，要比平板形阴极大数十倍 左右。
☆实际情况： 在大多数辉光放电溅射过程中，要求气体压强低，P*d 一般都在最小值的右边，故需要相当高的起辉电压。 在极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体 压强以启动放电。
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3、 辉光放电区域分布
辉光放电时，有明显的辉光产生，根据其发光强度不 同，从阴极到阳极，整个放电区域可划分为几个区域。
离子层已无法向四周扩散，正离子层便向阴极 靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短。要想提 高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更 大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次 电子。 ➢ 由于正常辉光放电时的电流密度仍比较小，一 般薄膜溅射选择在非正常辉光放电区工作，有 利于提供大面积的均匀溅射和薄膜沉积。
5μm/min，而溅射速率为0.01～0.5μm/min； （3）基板温升较高和易受杂质气体影响。
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§3-2 溅射的基本原理
溅射镀膜基于荷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 的基础之上，
即溅射离子都来源于气体放电。气体放电是离子溅 射过程的基础。
一、气体放电现象 考虑直流电场作用。
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（6）弧光放电区（FG区域 ）
两极间电压降至很小的数值，电流大小几乎是由外电 阻大小决定，而且电流越大，极间电压越小。
危害：
（1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路；
（2）放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而
将阴极烧毁；
（3）骤然增大的电流有损坏精品电ppt源的危险 。
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1、气体放电过程
V=E-IR
直流气体放电体系
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（1）无光放电(AB区域 )
当两电极加上直流电压时，由于宇宙线产生的游离 离子和电子是很有限的（这些少量的正离子和电子在电场 下运动，形成电流），开始时电流非常小，仅有10-16～1014安培左右。此区是导电而不发光 ，无光放电区。