溅射
溅射的名词解释
溅射的名词解释溅射是一种物理现象，指的是在物体表面受到外界能量或力量作用时，部分原子或分子由固体状态转变成气体状态，并以高速射出的过程。
这种现象在许多领域都有应用，包括材料科学、纳米技术、电子学和光学等。
溅射过程通常包括以下几个步骤：能量输入、离子化、扩散和沉积。
首先，能量通过大气电离、激光或高能粒子束等方式输入到固体表面，导致表面原子或分子受到巨大的冲击力。
接下来，这些原子或分子会被离子化，失去部分电子，并形成带正电荷的粒子。
离子化之后，带正电荷的粒子开始扩散，沿着固体表面或弥散到周围空间。
在扩散的过程中，这些离子会与大气中的分子或与其他物质相互作用，从而改变它们原本的运动方向和速度。
最后，这些离子会在固体表面附近的特定位置沉积下来，形成一个薄膜或涂层。
溅射的应用十分广泛。
在材料科学领域，溅射技术可以用于制备各种复杂的功能薄膜，比如光学薄膜、防腐蚀膜和导电薄膜等。
通过调整溅射参数，如能量输入、靶材选择和工艺控制，可以得到具有特定功能和性能的薄膜，满足不同应用需求。
在纳米技术领域，溅射也被广泛应用于纳米粒子的制备。
通过溅射技术，可以制备出尺寸均一的纳米粒子，这对于研究纳米材料的性质和应用具有重要意义。
通过控制溅射参数和表面能量，可以调控纳米粒子的形貌、尺寸和分布，从而实现纳米材料的定向组装和功能优化。
在电子学领域，溅射技术也被广泛用于制备半导体和金属材料。
溅射沉积可以制备出高质量的薄膜和多层结构，用于制造集成电路和薄膜晶体管等微电子器件。
通过溅射控制工艺，可以实现纳米尺度下的器件组装和微结构的精确控制。
另外，溅射还在光学技术中发挥重要作用。
溅射薄膜具有优异的光学性能，可以用于制备各种光学元件，如反射镜、透镜和滤光片等。
通过溅射技术，可以调控薄膜的折射率和透过率，满足不同波长和角度的光学需求。
这为光学器件的设计和制造提供了更多可能。
总之，溅射作为一种重要的物理现象，具有广泛的应用价值。
它不仅在材料科学和纳米技术领域发挥着重要的作用，还对电子学和光学技术的发展提供了重要支持。
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
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理
磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，其工作原理主要包括磁场控制和离子控制两部分。
具体的工作原理如下：
1. 磁场控制：磁控溅射系统中一般有一个磁控溅射靶，靶材通常为金属或合金。
该靶材被放置在真空腔室中，并通过电源提供一个较大的直流电流。
这个直流电流会在靶材上产生一个电弧，随后靶材表面的原子会被电弧的高温高能所击打。
2. 离子控制：一个电子枪会产生一个束流的电子，该束流电子被加速，并进入到真空腔室中。
这些高速运动的电子会和靶材表面被击打出来的原子发生碰撞，产生溅射过程。
在这个过程中，靶材上的原子会离开靶材表面，并以高速沉积到待膜的基底材料上。
通过以上两个过程的共同作用，磁控溅射技术可以实现薄膜材料的制备。
在具体操作中，可以通过调节电弧电流、电子束流密度和速度等参数来控制溅射的行为和薄膜的性质。
磁控溅射技术具有简单、灵活、无毒污染等优点，因此在材料制备和表面修饰等领域得到广泛应用。
磁控溅射原理详细介绍课件
氮气（N2）
常与氩气混合使用，用于增加 薄膜的硬度和抗氧化性。
氧气（O2）
用于形成氧化物薄膜，如TiO2 和Al2O3。
选择原则
根据被溅射材料和所需薄膜性 质选择合适的工作气体。
溅射功率与控制
01
02
03
溅射功率
指用于产生溅射的功率， 通常以辉光放电的形式提 供。
控制方法
通过调节辉光放电的电流 或电压来控制溅射功率。
03
放电的物理过程
放电过程中，气体分子在电场中被电离，产生带电粒子，这些带电粒子
在电场中加速运动，与气体分子发生碰撞，使气体分子激发和电离，形
成电子和离子的雪崩效应。
粒子运动与碰撞
带电粒子的运动
在电场中，带电粒子受到电场力 的作用，沿着电场线方向加速运
动。
粒子的碰撞
带电粒子在运动过程中与气体分 子发生碰撞，将动能传递给气体 分子，使气体分子获得足够的能 量以克服束缚力，从原子或分子
磁控溅射原理详细介绍课件
目录
• 磁控溅射原理概述 • 磁控溅射装置与工作原理 • 磁控溅射的物理基础 • 磁控溅射技术参数与控制 • 磁控溅射沉积薄膜性能优化 • 磁控溅射研究前沿与展望
01
磁控溅射原理概述
定义与特性
定义
磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过在真空环境下利用磁场控制电子运动 ，实现高速离子轰击靶材表面，将靶材原子溅射出来并沉积在基材表面形成薄 膜。
工作气体
选择适当的工作气体，如氩气、氮气等，以 获得所需的薄膜性能。
薄膜结构与性能表征
成分分析
通过光谱分析技术确定薄膜的元素组 成。
晶体结构
采用X射线衍射技术分析薄膜的晶体 结构。
溅射
溅射（sputtering）是PVD（物理气相沉积）薄膜制备技术的一种，主要分为四大类：直流溅射、交流溅射、反应溅射和磁控溅射。
原理如图：原理：用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。
以荷能粒子(常用气体正离子)轰击某种材料的靶面，而使靶材表面的原子或分子从中逸出的现象，同时由于溅射过程含有动量的转换，所以溅射出的粒子是有方向性的。
方法：溅射薄膜通常是在惰性气体(如氩)的等离子体中制取。
特点：采用溅射工艺具有基体温度低，薄膜质纯，组织均匀密实，牢固性和重现性好等优点以一定能量的粒子（离子或中性原子、分子）轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。
溅射只能在一定的真空状态下进行。
溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子，用得最多的是氩离子。
氩电离后，氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。
当氩离子能量低于5电子伏时,仅对靶极最外表层产生作用，主要使靶极表面原来吸附的杂质脱附。
当氩离子能量达到靶极原子的结合能（约为靶极材料的升华热）时，引起靶极表面的原子迁移，产生表面损伤。
轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时，原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射。
对于大多数金属，溅射阈能约为10～25电子伏。
溅射产额，即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。
在阈能附近溅射，产额只有10-5～10-4个原子/离子，随着入射离子能量的增加，溅射产额按指数上升。
当离子能量为103～104电子伏时，溅射产额达到一个稳定的极大值;能量超过104电子伏时，由于出现明显的离子注入现象而导致溅射产额下降。
溅射产额还与靶极材料、原子结合能、晶格结构和晶体取向等有关。
一般说来，单金属的溅射产额高于它的合金；在绝缘材料中，非晶体溅射产额最高，单晶其次，复合晶体最低。
用途：利用它可使他种基体材料表面获得金属、合金或电介质薄膜。
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。
溅射物理[解析]
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第六章溅射物理我们知道具有一定能量的离子入射到固体表面上时，它将同表面层内的原子不断地进行碰撞，并产生能量转移。
固体表面层内的原子获得能量后将做反冲运动，并形成一系列的级联运动。
如果某一做级联运动的原子向固体表面方向运动，则当其动能大于表面的结合能时，它将从固体表面发射出去，这种现象称为溅射。
早在1853年Grove就观察到了溅射现象，他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。
直到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。
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。
对于低能重离子辐照固体表面，可以产生原子的非线性级联碰撞现象，通常称为“热钉扎”(thermalized spike) 效应。
在1974年，这一现象被H.H. Andersen 和H. L. Bay的实验所验证。
本章主要介绍溅射物理过程的一些基本概念和特征、计算溅射产额的Sigmund的线性级联碰撞模型、Matusnami 等人的溅射产额经验公式、热钉扎溅射以及溅射过程的计算机模拟等。
最后，我们还对表面腐蚀现象与溅射过程之间的关系进行简要的讨论。
§6.1 溅射过程的一般描述溅射过程可以用溅射产额Y这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即每入射一个粒子溅射出来的原子数 Y (6.1-1)溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态和种类有关。
离子溅射原理
离子溅射原理离子溅射是一种重要的表面改性技术，它在材料科学、半导体工业、纳米技术等领域具有广泛的应用。
离子溅射原理是指当高能离子轰击靶材表面时，离子与靶材原子发生碰撞并产生离子和原子的散射现象。
这种现象不仅可以改变材料的表面形貌和结构，还可以调控材料的性能和功能。
离子溅射的原理主要包括离子轰击、原子散射和表面改性三个方面。
首先，当高能离子撞击靶材表面时，离子的能量会转化为靶材原子的动能，导致靶材原子的位移和激发。
这种过程称为离子轰击。
其次，被激发的靶材原子会与离子发生碰撞，产生散射现象。
这种散射可以改变材料的晶格结构、原子排列以及化学成分。
最后，离子溅射还可以在材料表面形成薄膜、纳米颗粒或者微结构，从而实现对材料表面性能的调控和改良。
离子溅射技术有着许多优点。
首先，它可以在不加热的情况下改变材料表面的性质，避免了传统热处理方法对材料的热损伤。
其次，离子溅射可以实现对材料表面的精细加工，包括表面的抛光、清洁、光滑化等，从而提高材料的表面质量。
此外，离子溅射还可以在材料表面形成一层保护膜，提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
因此，离子溅射技术被广泛应用于半导体器件制造、光学薄膜涂层、表面涂覆、纳米材料制备等领域。
离子溅射技术的发展离不开离子源、靶材和离子轰击条件的优化。
离子源的选择直接影响到溅射的离子种类、能量和流强，从而影响到溅射的效果。
靶材的性质和结构决定了溅射后材料的表面形貌和性能。
而离子轰击条件则包括离子能量、角度、流强等参数，这些参数的选择对于溅射的效果至关重要。
总的来说，离子溅射原理是一种重要的表面改性技术，它通过离子轰击和原子散射实现对材料表面性能的调控和改良。
离子溅射技术具有许多优点，并且在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，离子溅射技术将会得到更加广泛的应用和发展。
溅射的基本原理之溅射机理
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)
磁控溅射原理
磁控溅射原理磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、信息存储、显示器件等领域。
磁控溅射原理是指在磁场作用下，通过离子轰击靶材使其表面原子或分子脱离并沉积在基底表面形成薄膜的过程。
本文将从磁控溅射的基本原理、设备结构和工艺特点等方面进行介绍。
首先，磁控溅射的基本原理是利用离子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱离，并沉积在基底表面形成薄膜。
在磁控溅射系统中，通常采用惰性气体（如氩气）作为溅射气体，通过电离产生的离子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱离。
同时，通过外加磁场的作用，使得离子在靶材表面形成螺旋状轨迹，增加了沉积薄膜的均匀性和致密性。
其次，磁控溅射设备通常由真空室、靶材、基底架、溅射源、磁控装置和辅助加热装置等组成。
真空室用于提供高真空环境，保证溅射过程中的稳定性和纯净度；靶材是溅射的原料，可以是金属、合金、化合物等材料；基底架用于放置基底材料，通常需要加热以提高薄膜的结晶度和致密性；溅射源是产生离子的地方，通常采用直流或射频电源产生电弧，将靶材表面的原子或分子脱离；磁控装置用于产生磁场，控制离子轨迹，增加薄膜的均匀性和致密性；辅助加热装置用于提高基底的温度，促进薄膜的结晶生长。
最后，磁控溅射具有工艺简单、成本低、薄膜均匀致密、沉积速率快等特点，广泛应用于半导体器件、光学镀膜、信息存储介质、显示器件等领域。
在半导体工业中，磁控溅射被用于制备金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等，用于制备电极、金属层、光学膜等功能材料。
在光学镀膜领域，磁控溅射被用于制备反射膜、透射膜、滤光膜等，用于改善光学器件的性能。
在信息存储介质领域，磁控溅射被用于制备磁记录介质膜，用于制备磁盘、磁带等存储介质。
在显示器件领域，磁控溅射被用于制备透明导电膜、光学膜、阻挡层等，用于制备液晶显示器、有机发光二极管等显示器件。
总之，磁控溅射作为一种重要的薄膜沉积技术，具有广泛的应用前景和重要的科学研究意义。
随着材料科学和工艺技术的不断发展，磁控溅射技术将在更多领域发挥重要作用，推动相关领域的发展和进步。
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
溅射法
• 薄膜溅射沉积 装置的示意图
• 靶材是要溅射的材料，它作为阴极, 相对于真空室内其他部分处于负电位 。阳极可以是接地的，也可以是浮动 的
溅射法制备薄膜的物理过程
• 利用带电荷的离子在电场中加速后具有一定 动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制 成的靶电极（阴极） • 入射离子在与靶面原子的碰撞过程中将后者 溅射出来 • 这些被溅射出来的原子将沿着一定的方向射 向衬底，从而实现物质的沉积
谢谢
阳极可以是接地的也可以是浮动利用带电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极阴极入射离子在与靶面原子的碰撞过程中将后者溅射出来这些被溅射出来的原子将沿着一定的方向射向衬底从而实现物质的沉积物质的溅射效应阴极鞘层电位的建立使到达阴极的离子均要经过相应的加速而获得相应的能量即轰击阴极的离子具有很高的能量它使阴极物质发生溅射现象溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理过程之一其相对的重要性取决于入射离子的种类与能量
• • • • • • • 直流溅射（即二极溅射） 三极、四极溅射 磁控溅射 射频溅射 偏压溅射 反应溅射 中频孪生靶溅射和脉冲溅射
靶材：可以是纯金属、合金以及各种化合物
二极溅射法的缺点和三极溅射法
二极溅射有两个缺点： 不能独立控制各个工艺参量：电压、电流及溅射 气压 气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较低 （0.5m/hr），不利于减小杂质污染及提高溅射 效率 在二极溅射的基础上, 增加一个发射电子的热阴 极，即构成了三极溅射装置。它有助于克服上述 两个问题
物质的溅射效应
• 阴极鞘层电位的建立使到达阴极的离子 均要经过相应的加速而获得相应的能量 ，即轰击阴极的离子具有很高的能量， 它使阴极物质发生溅射现象 • 溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物 理过程之一，其相对的重要性取决于入 射离子的种类与能量。几十至几十千 eV是物质溅射所对应的离子能量区间
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
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。
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。
特征：①：无磁场②：溅射率低③：放电电压高（＞500V）④：镀膜底物受热温度极易升高（＞500°C）用途：主要用于金属靶材、绝缘靶材、磁性靶材等的溅射镀。
3、磁控溅射（见下图）：暗区无等离子体产生，在磁控溅射下，电子呈螺旋形运动，不会直接冲向阳极。
而是在电场力和磁场力的综合作用在腔室内做螺旋运动。
同时获的能量而和工艺气体以及溅射出的靶材原子进行能量交换，使气体及靶材原子离子化，大大提高气体等离子体密度，从而提高了溅射速率（可提高10—20倍）和溅射均匀性。
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。
薄膜制备技术-溅射法
溅射法的原理
当高能粒子（如惰性气体离子）轰击固体靶材表面时，会使得靶材表面的原子或分 子获得足够的能量，克服与基材之间的引力，从靶材表面溅射出来。
溅射出来的原子或分子在真空中飞行，并沉积在基材表面，形成薄膜。
薄膜制备技术-溅射法
目 录
• 溅射法简介 • 溅射法制备薄膜的工艺流程 • 溅射法制备薄膜的特点与优势 • 溅射法制备薄膜的挑战与解决方案 • 溅射法制备薄膜的发展趋势与展望
01
溅射法简介
溅射法的定义
溅射法是一种物理气相沉积技术，利 用高能粒子轰击固体靶材，使靶材表 面的原子或分子被溅射出来，并在基 材表面沉积形成薄膜。
技术创新与突破
为了进一步提高溅射法制备薄膜的性能和效率，未来将不断涌现技 术创新和突破，推动该领域的技术进步。
智能化与自动化
随着工业4.0和智能制造的兴起，溅射法制备薄膜技术将朝着智能 化与自动化方向发展，实现高效、精准和可靠的薄膜制备。
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溅射法可以用于制备各种金属、半导体、绝缘体 等材料，具有较广的适用范围。
工艺简单
溅射法制备薄膜工艺相对简单，操作方便，适合 于大规模生产。
环境友好
溅射法在制备过程中不需要使用有害气体或液体， 对环境友好。
溅射法制备薄膜的应用领域
电子器件
01
溅射法制备的金属薄膜、半导体薄膜等广泛应用于集成电路、
电子元件等领域。
溅射法中，基材的温度较低，一般在室温至数百摄氏度之间，因此特别适合于在塑 料、玻璃等不耐高温的基材上制备薄膜。
反应溅射膜层成分变化
反应溅射膜层成分变化反应溅射是一种物理气相沉积（PVD）技术，通过在真空环境中将目标材料的原子或分子与反应气体相结合，在基底上形成薄膜。
溅射过程中膜层成分的变化受多种因素影响，包括溅射功率、气体流量、压力、基底温度、反应气体种类及其比例等。
1. 溅射功率：溅射功率影响溅射粒子的能量，进而影响膜层的生长模式和成分。
较高的溅射功率可能导致更多的目标材料原子被溅射出并沉积在基底上，从而增加膜层中目标材料的比例。
2. 气体流量：反应气体的流量决定了反应区内气体分子的浓度，影响膜层的组成。
增加反应气体的流量通常会增加膜层中反应产物的含量。
3. 工作压力：工作压力影响气体分子的平均自由程和碰撞频率，进而影响膜层的生长和成分。
较低的压力有利于获得更纯净的膜层，而较高的压力可能导致更多的气体分子参与反应，形成不同的化合物。
4. 基底温度：基底温度影响膜层原子的迁移率和沉积过程中的化学反应。
较高的基底温度有助于原子的扩散和反应，可能导致膜层成分的改变。
5. 反应气体种类及其比例：不同的反应气体会导致不同的化学反应路径，进而影响膜层的成分。
例如，在氮化硅膜的制备中，使用不同比例的氨气（NH₃）和硅烷（SiH₃）将得到不同成分的硅氮化物膜。
6. 溅射靶材料：靶材料的纯度和组成也直接影响膜层的成分。
如果靶材中含有杂质，那么这些杂质原子也可能被溅射出并沉积在膜层中。
7. 溅射时间：随着溅射时间的增加，膜层逐渐增厚，但成分变化取决于上述其他因素的综合作用。
为了精确控制膜层成分，需要对以上各个参数进行优化，并通过表面分析技术（如X射线光电子能谱XPS、俄歇电子能谱AES、能量色散X射线光谱EDS等）来监测膜层的成分变化，从而实现对膜层性质的精确调控。
溅射成膜解析课件
03
溅射成膜设备
溅射源
01
02
03
直流溅射源
通过直流电源加速离子， 撞击目标材料表面，使目 标原子从表面飞出并沉积 在基底上。
射频溅射源
利用射频电源产生交变电 场，使气体分子产生高速 振荡，与目标材料表面碰 撞，使目标原子飞出。
磁控溅射源
通过磁场控制电子的运动 轨迹，提高离子的能量和 密度，从而提高成膜速率 和均匀性。
溅射成膜的原理
• 溅射成膜的原理基于气体辉光放电现象，通过在真空室内施加高压电场，使气体发生辉光放电，产生大量带电粒子，这些 带电粒子在电场的作用下加速轰击固体靶材，使靶材表面的原子或分子被溅射出来，并在基材表面沉积形成薄膜。
溅射成膜的应用领域
• 溅射成膜技术广泛应用于电子、光学、机械、航天等领域的 薄膜制备，如太阳能电池、平板显示器、集成电路、金属表 面防护等。
复合材料
溅射复合材料种类
01
如金属陶瓷、碳化硅等，具有优异的综合性能，能够满足各种
复杂环境下的需求。
溅射复合材料特性
02
具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化等特点，广泛应用于耐
磨、耐腐蚀、耐高温等领域。
溅射复合材料溅射原理
03
通过离子轰击复合靶材，使不同种类的原子同时从靶材表面溅
射出来，在基材表面形成复合薄膜。
溅射成膜技术用于制造高清晰度显示器的光学薄膜，能够提高显示器的色彩饱 和度和对比度，提供更真实的视觉体验。
光学镜头
溅射成膜在光学镜头制造中用于镀膜，能够提高镜头的透光率和成像质量，广 泛应用于摄影、摄像等领域。
装饰领域应用案例
建筑玻璃镀膜
溅射成膜技术用于建筑玻璃镀膜，能够实现隔热、防紫外线、降低眩光等功能， 提高建筑的节能效果和舒适度。
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定义：入射正离子轰击靶阴极时，平均每 个正离子能从靶阴极中打出的原子数。
影响因素：入射离子（种类、能量、角 度）、靶材的结构和种类、靶材温度、溅 射压强。 溅射率最佳值：入射离子能量在150—— 10keV、入射角度60°——80°、入射离子的 质量越大。
影响因素：靶材、入射离子的种类、能量 （能量分布呈麦克斯韦分布）。 特点：a、原子序数大的溅射原子能量较高， 原子序数小的速度较高。 b、同轰击能量下，溅射原子溢出能 量随入射离子质量呈线性增加。 c、平均逸出能量随入射离子能量增 加而增加。但入射能量到达较高值是，平均 逸出能量趋于恒定。
工作原理：离子束系由惰性气体或反应气 体的离子组成，离子的能量较高，由它们 去轰击由需要淀积的材料组成的靶上，引 起靶原子溅射，再淀积到基片上形成薄膜。
工作原理图:
优点： ①在10–3 Pa的高真空下，在非等离子状态下成膜， 淀积的薄膜很少掺有气体杂质，纯度较高； ②淀积发生在无场区城，基片不再是电路的一部 分，不会由于快速电子轰击使基片引起过热， 所以基片的温升低； ③可以对制膜条件进行独立的严格的控制，重复 性较好； ④适用于制备多成份膜的多层膜。 缺点： 装置较复杂，成膜速率低。
①辉光放电直流溅射 ②三极溅射 ③射频溅射 ④磁控溅射 ⑤对靶溅射 ⑥离子束溅射
工作原理：用膜材制成阴极靶，并接上负 高压，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。工作 时，先将真空室预抽到高真空(如10 –3 Pa)， 然后，通入氩气使真空室内压力维持在1— 10Pa时，接通电源使在阴极和阳极间产生异 常辉光放电，并建立起等离子区，其中带 正电的氩离子受到电场加速而轰击阴在真空度约为1～10Pa的稀薄气体 中，两个电极之间加上电压时产生的一种气 体放电现象。
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； (2)(不用油扩散泵)溅射装置的排气系统，若采 用油扩散泵，因在直流二极溅射的压力范 围内，扩散泵几乎不起作用，主阀处于关 闭状态，排气速率小，所以残留气体对膜 层污染较严导体。
1、溅射的基本原理 2、溅射镀膜的特点 3、溅射参数 4、溅射装置
①溅射阈值 ②溅射率 ③溅射粒子的速度和能量
定义：溅射阈值是指将靶材原子溅射出来 所需的入射离子最小能量值。
影响因素：靶材、原子序数（阈值随原子 序数增加而减少）等。 溅射条件：入射离子能量大于溅射阈值。
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优点： ①磁控溅射可得到很高的溅射速率；(高速) ②在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基板 保持接近冷态，这对使用单晶和塑料基板具有 重要意义；(低温) ③磁控溅射电源可为DC也可为RF放电工作，故 能制备各种材料。 缺点： ①在对强磁性材料进行溅射时，因几乎所有磁通 都通过磁性靶，须对靶源进行专门处理。 ②使用绝缘材料靶会使基板温度上升； ③靶的利用率较低(约30％)，这是由于靶侵蚀不 均匀的原因。
工作原理：是在真空室内附加一个热阴极， 由它发射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。
工作原理图：
优点：
可以在远低于传统二极溅射系统所需压强 （≤10^-3Torr）条件下运行。 缺点： 难以从大块扁平靶中产生均匀溅射，而且， 放电过程难以控制，进而工艺重复性差。
工作原理：如果在靶上施加的是射频电压， 当溅射靶电压处于上半周时,由于电子的质 量比离子的质量小得多，故其迁移率很高, 仅用很短时间就可以飞向靶面，中和其表 面积累的正电荷，从而实现对绝缘材料的 持续溅射。并且在靶面又迅速积累大量的 电子,使其表面因空间电荷呈现负电位，导 致在射频电压的正半周时也吸引离子轰击 靶材。从而实现了在正、负半周中，均可 产生溅射。
优点： ①射频溅射可以在低气压 （210 –2Pa）下进 行。 ②可以溅射任何材料，包括导体、半导体和 介质材料做的靶。 ③溅射速率高，对于SiO2 ,可以达200nm/min； ④膜层致密，针孔少、纯度高； ⑤膜与工件附着牢固。
工作原理图：
工作原理：以磁场来改变电子的运动方向,并 束缚和延长电子的运动轨迹,从而提高了电 子对工作气体的电离几率，有效地利用了 电子的能量。因此，使正离子对靶材轰击 所引起的靶材溅射更加有效(高速)。同时， 受正交电磁场束缚的电子,又只能在其能量 要耗尽时才沉积在基片上(基片温升少) 。
工作原理图：
工作原理：两只靶相对安置，所加磁场和 靶表面垂直，且磁场和电场平行。阳极放 置在与靶面垂直部位，和磁场一起起到约 束等离子体的作用。二次电子飞出靶面后， 被垂直靶的阴极位降区的电场加速。电子 在向阳极运动过程中受磁场作用，作洛仑 兹运动。
工作原理图：
优点： ①溅射速率高 ②基板温度低 ③可淀积磁性薄膜