磁控溅射原理
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1
磁控溅射原理
815－TCO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
outline
磁控溅射原理 磁控溅射分类 直流平面靶溅镀Al电极 中频旋转靶溅镀ZAO和ITO
2
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
3
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
三种磁控溅射对比
DC MF RF
23
电源价格
靶材 靶材材质要求
便宜
圆靶/矩形靶 导体
一般
昂贵
平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶 无限制 无限制
抵御靶中毒能力
靶材利用率 应用
弱
15％ / 30％ 金属
强
30％ / 70％ 金属/化合物
强
工业上不采用此法
易打弧，不稳定 工作稳定， 在反应溅射中要严格 无打弧现象， 控制反应气体流量 溅射速率快
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
Al背电极工艺参数
制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶
工艺参数： • 本底真空2~3×10-3Pa • 工作气压～0.3~0.6 Pa • 基片温度 ～200C • 工作电压 • 工作功率密度 • 厚度～500~1000nm
24
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
前、背电极ZAO工艺参数
制备方法的选择：采用MF溅射锌铝合金旋转靶材
工艺参数： • 本底真空4×10-4Pa
25
• 工作气压～2.0Pa
• 基片温度 ～200C • 反应气体分压0.15-0.5Pa • 工作电压 • 工作能量密度～9.3W/cm2 • 厚度 前电极800～1000nm
– 金属化合物 – 非金属化合物
• 低温
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
影响溅镀效率的因素
• 磁场分布 • 溅射速率 • 沉积速率 • 工作气压
9
• 工作电压
• 溅射功率
• 靶基距
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
背电极60～100nm
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
ITO工艺参数
• 基片温度～330C • 工作电压～115V • 工作气压0.3～0.5Pa
26
• 气体中氧含量：15～20％
• 沉积速率15～30nm/min
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
•大功率的射频电源价格较高 ，对 于人身防护也成问题 。
射频溅射不适于工业生产应用 。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
直流（DC）磁控溅射
ⅰ. 直流磁控溅射的特点
直流磁控溅射装置图与射频磁 控溅射装置图相比，其不需要外部 复杂的网络匹配装置和昂贵的射频 电源装置，适合溅射导体或者半导 体材料。现已经在工业上大量使用 。
反应溅射中的金属靶中毒
• 金属靶表面不断与反应气体（ O2 等）生成化合物覆盖层从 而使溅射速率大幅度下降甚至不溅射，称之为靶中毒。 • 过多的反应气体（O2等)使金属靶材表面被氧化。 • 任何不稳定因素（如：电弧）都能破坏系统的平衡，导致 靶中毒。 • 在直流溅射中要非常注意溅射参数的控制。 • 使用射频磁控溅射可解决靶中毒问题。 • 使用中频磁控溅射可杜绝靶中毒问题。
中频（MF）磁控溅射
中频孪生旋转靶磁控溅射
21
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
中频反应磁控溅射中的“迟滞回线”现象
Process control: high deposition rate unstable transition mode.
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
低频交流辉光放电
在频率低于50KHz的交流电压下，离子有足够的活动能力且有充分的时间，在 每个半周期在各个电极上建立直流辉光放电。其机理基本上与直流辉光放电相 同。
4
射频辉光放电
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率增高到射频频率时即可 产生稳定的射频辉光放电。 射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量，所以减小 了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电压。 射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导电体，可以溅射 任何材料，因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射。 频率在5～30MHz都称为射频频率。
10
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射分类
• 射频（RF）磁控溅射 • 直流（DC）磁控溅射 • 中频（MF）磁控溅射
11
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
射频（RF）磁控溅射
右图为射频磁控溅射实验装 置示意图。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
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，并在磁 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。
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
中频交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统中。 工业上一般使用孪生靶溅射系统。
15
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
中频交流孪生靶溅射的两个靶位上的工作波形
12
射频磁控溅射的特点：
•电流大，溅射速率高，产量大 •膜层与基体的附着力比较强 •向基片的入射能量低，避免了 基片温度的过度升高 •装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、 匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件 。
1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板 9-匹配网络 10-电源 11-射频发生器
5
基片
e -
E
Ar e -
+ Ar+
e -
+ Ar+ 靶材
V (<0)
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
一般溅射镀膜的不足
电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：
6
电子与Ar原子碰撞几率低，Ar离子密度偏低，溅射效率低，成膜速度慢。
电子运动路径短，轰击在基片上速度快，导致基片温度升高。
13
ⅱ. 靶材
直流磁控溅射沉积薄膜一般 用平面靶。 圆形平面靶： η≤15%
1-磁极 2-屏蔽罩 4-基片加热装置 6-磁力线 7-电场 3-基片 5-溅射靶 8-挡板
矩形平面靶： η～30%
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
直流（DC）磁控溅射
14
让不可能成为可能
磁控溅射原理
直流辉光放电
• 右图为直流辉光放电的发光区电位分布 及净空间电荷沿极间距的分布图。 • 靠近阴极有一明亮的发光区，称为阴极 辉光区。 • 电子在阴极暗区发生大量的电离碰撞， 正离子被加速射向阴极。但是正离子的 迁移率远低于电子的迁移率，净空间电 荷呈正值，在阴极表面附近形成一个正 离子壳层。 • 阴极暗区是气体辉光放电的最基本组 成 部分。 • 在负辉光区，电子碰撞气体原子产生强烈的发光。 • 法拉第暗区和正柱区几乎是等电位区，不一定是辉光放电所必需。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
溅射原理
溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程。 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离 子和电子，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离子和电 子。Ar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。
• • 电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加， 提高溅射效率。 电子只有在其能量将耗尽时才会落到基片上， 基片温度上升慢。
7
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射的优点
• 稳定性好 • 重复性好 • 应用广泛 – 金属
8
• 均匀性好
• 高速
– 非金属
16
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
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TwinMag II
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
一种典型的平面矩形靶
18
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
19
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
旋转靶的优点
• 靶材利用率最高可达 70% 以上
• 靶材有更长的使用寿命
20
• 更快的溅射速率
• 杜绝靶中毒现象
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
815－TCO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
outline
磁控溅射原理 磁控溅射分类 直流平面靶溅镀Al电极 中频旋转靶溅镀ZAO和ITO
2
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
3
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
三种磁控溅射对比
DC MF RF
23
电源价格
靶材 靶材材质要求
便宜
圆靶/矩形靶 导体
一般
昂贵
平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶 无限制 无限制
抵御靶中毒能力
靶材利用率 应用
弱
15％ / 30％ 金属
强
30％ / 70％ 金属/化合物
强
工业上不采用此法
易打弧，不稳定 工作稳定， 在反应溅射中要严格 无打弧现象， 控制反应气体流量 溅射速率快
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
Al背电极工艺参数
制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶
工艺参数： • 本底真空2~3×10-3Pa • 工作气压～0.3~0.6 Pa • 基片温度 ～200C • 工作电压 • 工作功率密度 • 厚度～500~1000nm
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让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
前、背电极ZAO工艺参数
制备方法的选择：采用MF溅射锌铝合金旋转靶材
工艺参数： • 本底真空4×10-4Pa
25
• 工作气压～2.0Pa
• 基片温度 ～200C • 反应气体分压0.15-0.5Pa • 工作电压 • 工作能量密度～9.3W/cm2 • 厚度 前电极800～1000nm
– 金属化合物 – 非金属化合物
• 低温
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
影响溅镀效率的因素
• 磁场分布 • 溅射速率 • 沉积速率 • 工作气压
9
• 工作电压
• 溅射功率
• 靶基距
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
背电极60～100nm
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
ITO工艺参数
• 基片温度～330C • 工作电压～115V • 工作气压0.3～0.5Pa
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• 气体中氧含量：15～20％
• 沉积速率15～30nm/min
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
•大功率的射频电源价格较高 ，对 于人身防护也成问题 。
射频溅射不适于工业生产应用 。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
直流（DC）磁控溅射
ⅰ. 直流磁控溅射的特点
直流磁控溅射装置图与射频磁 控溅射装置图相比，其不需要外部 复杂的网络匹配装置和昂贵的射频 电源装置，适合溅射导体或者半导 体材料。现已经在工业上大量使用 。
反应溅射中的金属靶中毒
• 金属靶表面不断与反应气体（ O2 等）生成化合物覆盖层从 而使溅射速率大幅度下降甚至不溅射，称之为靶中毒。 • 过多的反应气体（O2等)使金属靶材表面被氧化。 • 任何不稳定因素（如：电弧）都能破坏系统的平衡，导致 靶中毒。 • 在直流溅射中要非常注意溅射参数的控制。 • 使用射频磁控溅射可解决靶中毒问题。 • 使用中频磁控溅射可杜绝靶中毒问题。
中频（MF）磁控溅射
中频孪生旋转靶磁控溅射
21
让不可能成为可能
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中频（MF）磁控溅射
中频反应磁控溅射中的“迟滞回线”现象
Process control: high deposition rate unstable transition mode.
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
低频交流辉光放电
在频率低于50KHz的交流电压下，离子有足够的活动能力且有充分的时间，在 每个半周期在各个电极上建立直流辉光放电。其机理基本上与直流辉光放电相 同。
4
射频辉光放电
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率增高到射频频率时即可 产生稳定的射频辉光放电。 射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量，所以减小 了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电压。 射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导电体，可以溅射 任何材料，因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射。 频率在5～30MHz都称为射频频率。
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让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射分类
• 射频（RF）磁控溅射 • 直流（DC）磁控溅射 • 中频（MF）磁控溅射
11
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
射频（RF）磁控溅射
右图为射频磁控溅射实验装 置示意图。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
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，并在磁 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。
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
中频交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统中。 工业上一般使用孪生靶溅射系统。
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让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
中频交流孪生靶溅射的两个靶位上的工作波形
12
射频磁控溅射的特点：
•电流大，溅射速率高，产量大 •膜层与基体的附着力比较强 •向基片的入射能量低，避免了 基片温度的过度升高 •装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、 匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件 。
1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板 9-匹配网络 10-电源 11-射频发生器
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基片
e -
E
Ar e -
+ Ar+
e -
+ Ar+ 靶材
V (<0)
让不可能成为可能
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磁控溅射原理
一般溅射镀膜的不足
电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：
6
电子与Ar原子碰撞几率低，Ar离子密度偏低，溅射效率低，成膜速度慢。
电子运动路径短，轰击在基片上速度快，导致基片温度升高。
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ⅱ. 靶材
直流磁控溅射沉积薄膜一般 用平面靶。 圆形平面靶： η≤15%
1-磁极 2-屏蔽罩 4-基片加热装置 6-磁力线 7-电场 3-基片 5-溅射靶 8-挡板
矩形平面靶： η～30%
让不可能成为可能
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直流（DC）磁控溅射
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让不可能成为可能
磁控溅射原理
直流辉光放电
• 右图为直流辉光放电的发光区电位分布 及净空间电荷沿极间距的分布图。 • 靠近阴极有一明亮的发光区，称为阴极 辉光区。 • 电子在阴极暗区发生大量的电离碰撞， 正离子被加速射向阴极。但是正离子的 迁移率远低于电子的迁移率，净空间电 荷呈正值，在阴极表面附近形成一个正 离子壳层。 • 阴极暗区是气体辉光放电的最基本组 成 部分。 • 在负辉光区，电子碰撞气体原子产生强烈的发光。 • 法拉第暗区和正柱区几乎是等电位区，不一定是辉光放电所必需。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射原理
溅射原理
溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程。 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离 子和电子，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离子和电 子。Ar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。
• • 电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加， 提高溅射效率。 电子只有在其能量将耗尽时才会落到基片上， 基片温度上升慢。
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让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射的优点
• 稳定性好 • 重复性好 • 应用广泛 – 金属
8
• 均匀性好
• 高速
– 非金属
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让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
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TwinMag II
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
一种典型的平面矩形靶
18
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
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让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
中频（MF）磁控溅射
旋转靶的优点
• 靶材利用率最高可达 70% 以上
• 靶材有更长的使用寿命
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• 更快的溅射速率
• 杜绝靶中毒现象
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible