溅射镀膜
真空溅射镀膜讲义
简单的直流二极溅射装置，相当于一个大型的气体放电管，包括这样几部分；装有两个水冷电极的真空容器，真空系统，充气系统和直流电源(见图8-2)。阴极上安装靶材；阳极上安装基片，也就是镀膜的工件。两极之间的距离为5〜7cm2。工作压强为 5Pa左右。 图8-2 直流二极溅射装置 1-阳极 2-基片台 3-真空室 4-靶材 5-屏蔽罩 6-阳极 直流二极溅射，作为一种独立的镀膜工程已经被淘汰，但仍然在其他镀膜工程中作为辅助手段应用。例如，在磁控溅射之前，先用直流二极溅射的方式清洗基片。这时是以基片为阴极，使其受离子轰击，清除其表面吸附的气体和氧化物等污染层。这样处理以后，可以增强膜层与基片的结合强度。又如，直流二极型离子镀，就是由蒸镀配合直流二极溅射构成的。
于溅射放电时，阴极靶面所形成之阴极暗区（简称暗区）具有相当重要之影响，一般于施加负电压之阴极对阳极之溅镀室壁及基板（一般为接地形态）放电时，暗区之宽度约在10到30mm之间。 暗区宽度依气体压力而定，气体压力愈高（即真空度较差时），暗区宽度愈小。暗区太宽或太窄，对溅射镀膜，都无法达到最好的效果。 图2-2a即气体压力太高，暗区宽度变窄，放电介于靶材及阴极屏蔽之间。而靶材与阴极屏蔽（接地电位）间距离约在7mm以下，当靶材与屏蔽发生放电时，不仅产生不纯物沈积，于阴阳极间的绝缘材，而导致阴极阳极间之高电压短路，这是非常危险的。 图2-2c即当气体压力太低时，放电即很难产生，假使放电能产生，亦很难稳定。
第一节 溅射镀膜原理
一、直流二极溅射原理 直流二极溅射是利用直流辉光放电使气体电进，如图8-1所示。图8-1a是一个辉光放电管，其中装有两个电极，作为阴极和阳极。将管内抽真空，使其真空度达到10Pa左右，再加上几百伏的直流电压，就会产生辉光放电。辉光放电区域并不是均匀的。只要两个电极之间有足够的距离，就能观察到一些明暗程度不同的区域。这些区域主要是阴极暗区、负辉区、法拉第暗区和正辉区(图8-1a) 。 除阴极暗区以外，其他各个区域或者是等离子体区(阳极辉柱)，或者近似于等离子体区(负辉区和法拉第暗区)。等离子体之中存在大量自由电子，是一种良导体，因此加在放电管两极的电压，几乎毫无损失地通过各个等离子区，而全部加在阴极暗区。图8-1b是辉光放电区的电位分布。 图8-1 二极直辉光放电 a)辉光放电区的结构 1-阴极 2-阴极暗区 3-负辉区 4-法拉第暗区 5-阳极辉柱 6-阳极 b)辉光放电区的电位分布
溅射镀膜原理
溅射镀膜原理溅射镀膜是一种常见的表面处理技术，它通过溅射材料产生的离子和原子沉积在基底表面形成薄膜。
这种方法可以用于制备光学薄膜、导电薄膜、防腐蚀膜等，具有广泛的应用前景。
下面我们来详细了解一下溅射镀膜的原理。
首先，溅射镀膜的原理基于溅射现象。
在溅射镀膜过程中，通过加速器产生的高能粒子轰击靶材，使得靶材表面的原子或分子被“溅射”出来，形成离子流。
这些离子流沉积在基底表面，最终形成薄膜。
溅射镀膜可以分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射等不同类型，但其基本原理都是相似的。
其次，溅射镀膜的原理还与靶材的材料密切相关。
不同的靶材材料会产生不同的离子流，从而形成不同性质的薄膜。
例如，使用金属靶材可以制备导电薄膜，而使用氧化物靶材则可以制备光学薄膜。
因此，在溅射镀膜过程中，靶材的选择对最终薄膜的性能具有重要影响。
此外，溅射镀膜的原理还与沉积过程和基底表面的准备密切相关。
在溅射镀膜之前，需要对基底表面进行清洁和处理，以确保薄膜的附着力和质量。
沉积过程中的工艺参数，如溅射能量、沉积速率、沉积角度等，也会影响薄膜的性能。
总的来说，溅射镀膜的原理是通过溅射材料产生的离子和原子沉积在基底表面形成薄膜。
这种方法可以制备具有特定功能的薄膜，具有广泛的应用前景。
在实际应用中，需要根据具体的要求选择合适的靶材材料和工艺参数，以获得理想的薄膜性能。
通过对溅射镀膜原理的深入了解，我们可以更好地掌握这一表面处理技术的工作原理和应用特点，为相关领域的研究和应用提供理论支持和技术指导。
希望本文能够帮助读者更好地理解溅射镀膜原理，促进该领域的发展和应用。
溅射镀膜原理
溅射镀膜原理导语：溅射镀膜是一种常见的表面处理技术，通过高能离子束轰击或高频电弧放电等方式，将材料的原子或分子从靶材中剥离，然后沉积在基底表面，形成一层均匀致密的薄膜。
本文将从溅射镀膜的原理、应用以及未来发展等方面进行介绍。
一、溅射镀膜的原理溅射镀膜是一种物理气相沉积技术，其原理可简单描述为：在真空环境中，将被称为靶材的材料置于离子轰击源前，通过加热或电弧放电等方式，使靶材表面的原子或分子获得足够的能量，从而剥离出来。
随后，这些高能粒子在真空环境中自由运动，最终沉积在基底表面，形成一层薄膜。
溅射镀膜的原理主要包括以下几个方面：1. 高能离子轰击：通过加热或电弧放电等方式，使靶材表面的原子或分子获得足够的能量，从而剥离出来。
这些高能粒子具有较高的动能，能够提供足够的动能给剥离源，使其从靶材中脱离。
2. 沉积过程：高能离子剥离出来的原子或分子在真空环境中自由运动，最终沉积在基底表面。
在沉积过程中，这些原子或分子会在基底表面扩散并重新排列，形成一层均匀致密的薄膜。
3. 薄膜成核和生长：在沉积过程中，原子或分子首先会发生成核，形成一些微小的团簇。
随着沉积的继续，这些团簇会逐渐生长并融合，最终形成连续的薄膜。
二、溅射镀膜的应用溅射镀膜是一种广泛应用于材料科学和工程领域的表面处理技术。
它可以改善材料的性能、增强材料的耐磨、耐腐蚀和耐高温性能，同时也可以调控材料的光学、电学和磁学性质。
以下是溅射镀膜在各个领域的应用举例：1. 光学薄膜：溅射镀膜可以用于制备具有特定光学性能的薄膜，如反射镜、透镜、滤光片等。
这些薄膜可以用于光学仪器、显示器件和光电子器件等领域。
2. 电子器件：溅射镀膜可以用于制备集成电路、薄膜晶体管和太阳能电池等电子器件。
通过控制溅射过程中的工艺参数和靶材成分，可以调控薄膜的电学性能，实现对器件性能的优化。
3. 金属涂层：溅射镀膜可以用于制备耐磨、耐腐蚀和耐高温的金属涂层，如刀具涂层、汽车零部件涂层和航空发动机涂层等。
溅射镀膜原理
溅射镀膜原理
溅射镀膜是一种常见的表面处理技术，主要应用于材料表面的改性和涂层制备。
它的原理是利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材中的原子或分子从表面解离并沉积到基底上，形成一层均匀、致密、厚度可控的涂层。
在溅射镀膜过程中，首先需要选择合适的靶材和基底。
靶材可以是金属、合金、氧化物等，在不同的应用场合下选择不同的靶材。
基底则需要具有良好的机械性能和化学稳定性，常用的有玻璃、陶瓷、金属等。
接下来，将靶材和基底放置在真空室内，并抽取空气使其达到高真空状态。
然后通过加电压或加热等方式激发靶材表面原子或分子，使其离开靶材并沉积到基底上形成涂层。
这些离开靶材表面并沉积到基底上的原子或分子被称为“溅射物”。
在溅射镀膜过程中，还需要控制气压、电流、温度等参数以保证涂层的均匀性和质量。
此外，还可以通过改变靶材的位置和角度，调整离子轰击的能量和角度，来控制涂层的成分、厚度和结构。
溅射镀膜技术具有许多优点。
首先，它可以在常温下进行，不会对基
底造成热损伤。
其次，涂层具有较高的致密性和附着力，不易剥落或
脱落。
此外，溅射镀膜还可以制备多种复合涂层、纳米材料等高新技
术产品。
总之，溅射镀膜是一种重要的表面处理技术，在现代工业生产中得到
广泛应用。
通过掌握其原理及相关参数控制方法，可以制备出高质量、高性能的涂层产品。
溅射镀膜的概念
溅射镀膜的概念
溅射镀膜（Sputtering）是一种常用的物理气相沉积技术，用于制备薄膜材料。
其原理是在真空室中，通过在靶材上施加高能粒子（如离子）束，使得靶材表面的原子被击出并沉积在基底上，形成薄膜。
在溅射镀膜过程中，靶材被称为源材料，其可以是单一元素或化合物。
当源材料暴露在高能粒子束中时，表面原子受到撞击而被剥离，并沉积在基底上。
这些被击出的原子在真空室中以粒子形式传输，并经过辊筒冷却、偏转等步骤，最终沉积在基底上。
通过控制沉积参数，如气体和施加的电场强度等，可以调节膜层的性质和厚度。
溅射镀膜技术具有广泛的应用，例如在半导体产业中用于制备金属薄膜、光学薄膜和磁性薄膜等。
薄膜的制备过程中可以对沉积条件进行调控，以获得特定的薄膜性质，例如调节薄膜的化学组成、晶体结构、厚度和粗糙度等。
溅射镀膜技术具有高质量、均匀性好、沉积速率可调节等优点，因此在微电子、光电子、传感器等领域得到广泛应用。
溅射镀膜
离子镀膜仪
溅射镀膜的特点
1价格低（国内拥有自主知识产权的话）。 2真空溅射加工的金属薄膜厚度只有0.5～2μm，绝对不影 响装配。 3真空溅射是彻底的环保制程，绝对环保无污染。 4欲溅射材料无限制, 任何常温固态导电金属及有机材料、 绝缘材料皆可使用（例：铜、铬、银、金、不锈钢、铝、氧 化矽SiO2等）。 5 被溅射基材几无限制（ABS、PC、PP、PS、玻璃、陶 瓷、epoxy resin等）。 6膜质致密均匀、膜厚容易控制。 7附著力强（ASTM3599方法测试4B）。 8可同时搭配多种不同溅射材料之多层膜。并且，可随客 户指定变换镀层次序。
图1直流两电极溅镀装置
三电极(四电极)溅射方法
三电极溅射装置就是在以前两电极的装置上 附加了第三电极的装置，第三电极作为生成等离子 用的电子供应源放出热电子。而又有时为了放射热 电子，使放电稳定化设置了稳定化电极，又称作四 电极溅射装置。金属的高速溅镀，制得了几十微米 厚的镀层。但是这种装置不能抑制靶材的高速电子 对基板(工件)的轰击，使得工件温度仍上升显著， 还有灯丝的寿命也是装置连续工作的障碍
溅射镀膜一般有以下几步：
1放置膜料及装入产品 2 抽真空：包括粗抽和精抽，一般真空度达到6.10-3以上； 3 辉光清洗：通入惰性气体（一般为Ar),真空度1Pa左右，打 开辉光清洗电源，清洗偏压及时间由素材表面状况及附着力 要求决定。 4 镀膜 5 破真空，取产品：镀膜完成后，（待工艺要求，有时候会 充入氩气冷却）对真空室充入大气，待达到大气压，打开真 空室门取出产品。
工件设在靶材的侧面，就可完全不受高速电子的轰击，保 证了它的低温。该法的研制成功使超高密度磁记录有了可 能。目前，利用这种小型装置可以溅射Fe、Ni、NIFe2O3 等磁性材料层，并且溅射速度比两电极方式快10~50倍，如 果把装置进一步大型化，还会进一步提高成膜速度。另外， 对于NIFe2O3等镀层的组成和材料靶的成份完全一样。
第三章_溅射镀膜
（1）靶材料 (表 3-2、图 3-9)
a.溅射率S 随靶材元素原子序数增加而增大。 b.晶格结构不同，S不同，六方晶格〉面心立方。 c.与表面清洁度有关，清洁度高，S大。 d.升华热大，S小。
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。
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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；
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。
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。
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8
（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
溅射镀膜技术
溅射镀膜技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊溅射镀膜技术。
这玩意儿啊，就像是一个神奇的魔法，能在各种材料上变出一层薄薄的“外衣”。
你想想看，就好像给一个物品穿上了一件量身定制的超级外套。
这层外套可不得了，它能让物品变得更加耐用、好看，甚至拥有一些特别的性能。
比如说，让玻璃更加耐磨，让金属更加耐腐蚀。
那溅射镀膜技术到底是怎么做到的呢？简单来说，就是把材料“扔”到一个真空的环境里，然后用一些高速运动的粒子去撞击它，把材料的原子啊、分子啊给撞下来，这些撞下来的“小家伙们”就会乖乖地附着在我们想要镀膜的物品上啦。
是不是很神奇？这就好比是一场小小的“战斗”，那些高速运动的粒子就是勇敢的“战士”，它们冲向目标，把材料一点点地“攻克”下来，然后为我们所用。
而且哦，溅射镀膜技术的应用那可真是广泛得很呐！在电子行业，它能让那些小小的电子元件变得更加可靠；在光学领域，它能让镜片拥有更好的性能。
甚至在我们日常生活中的一些小物件上，也可能用到了这项技术呢！你再想想，如果没有溅射镀膜技术，我们的手机屏幕可能很容易就被刮花了，那多心疼啊！还有那些漂亮的装饰品，如果没有这层镀膜，可能很快就失去了光泽，那多可惜呀！当然啦，要做好溅射镀膜可不是一件容易的事。
就像做饭一样，得掌握好火候、调料，稍有不慎，可能就“砸锅”啦！得精确地控制各种参数，比如真空度啊、粒子的速度啊等等。
不过别怕，咱们的科学家和工程师们可都是高手，他们就像经验丰富的大厨，总能把这道“菜”做得色香味俱佳。
他们不断地研究、改进，让溅射镀膜技术越来越厉害。
总之呢，溅射镀膜技术就像是一个隐藏在幕后的英雄，默默地为我们的生活带来了很多便利和惊喜。
它让我们的物品变得更好、更耐用，让我们的科技不断进步。
所以啊，我们可不能小看了它哟！它真的是太了不起啦！难道不是吗？。
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溅射镀膜介绍
一: 溅射镀膜应用:
溅射镀膜主要用于半导体生产的金属薄膜的生长.如下图的金属层1到金属层6都是运用溅射镀膜所生产.
溅射镀膜到形成所需的金属线的过程为：
溅射镀膜--→光照显影--→蚀刻（形成金属连接线）
二: 溅射镀膜原理
溅射淀积（溅射）是另一种老工艺，能够适应现代半导体制造需要。
它几乎可以在任何衬底上淀积任何材料，而且广泛应用在人造珠宝涂层，镜头和眼镜的光学涂层的制造。
在真空反应室中，由镀膜所需的金属构成的固态厚板被称为靶材（target）（图1），靶材接阴极，衬底接阳极并接地。
首先将氩气充入室内，并且电离成正电荷。
带正电荷的氩离子被不带电的靶吸引，加速冲向靶。
在加速过程中这些离子受到引力作用，获得动量，轰击靶材。
这样在靶上就会出现动量转移现象（momentum transfer）。
正如在桌球，球杆把能量传递到其他球，使它们分散一样，氩离子轰击靶，引起其上的原子分散。
被氩离子从靶上轰击出的原子和分子进入反应室。
这就是溅射过程。
从靶上轰击出原材料之后，氩离子、轰击出的原材料、气体原子和溅射工艺所产生的电子在靶前方形成一个等离子区域。
等离子区是可见的，呈现紫色。
而黑色区域将等离子区和靶分开，我们称之为暗区（dark space）。
图1 溅射工艺的原理
被轰击出的原子或分子散布在反应室中，其中一部分渐渐地停落在晶圆上，形成薄膜，溅射工艺的主要特征是淀积在晶圆上的靶材不发生化学或合成变化。
形成薄膜的过程有如下几个过程(图2所示):
1长晶
2 晶粒成长
3 晶粒聚集
4 缝隙填补
5 沉积膜的成长
图2 溅射工艺的原理
三：溅射镀膜相对于真空蒸发优点：
1 靶材的成分不会改变。
这种特征的直接益处就是有利于合金膜和绝缘膜的淀积。
合金真空蒸发的问题在前一部分已作描述。
对于溅射工艺来说，含有2%铜的铝靶材就可以在晶圆上生长出含有2%铜的铝薄膜。
2 阶梯覆盖度也可以通过溅射改良。
蒸发来自于点源，而溅射来自平面源。
因为金属微粒被从靶材各个点溅射出来的，所以在到达晶圆承载台时，它们可以从各个角度覆盖晶圆表面。
阶梯覆盖度还可以通过旋转晶圆和加热晶圆，得到进一步的优化。
3溅射形成的薄膜对晶圆表面的粘附性也比蒸发工艺提高很多。
首先，轰击出的原子在到达晶圆表面时的能量越高，因而所形成薄膜的粘附性就越强。
其次，反应室中的等离子环境有“清洁”5晶圆表面的作用，从而增强了粘附性。
因此在淀积薄膜之前，将晶圆承载台停止运动，对晶圆表面溅射一小段时间，可以提高粘附性和表面洁净度。
在这种模式下，溅射系统所起的作用与在第十章介绍的离子刻蚀（溅射刻蚀，反溅射）设备一样。
4溅射最大的贡献恐怕就是对薄膜特性的控制了。
这种控制是通过调节溅射参数达到的，包括压力、薄膜淀积速率和靶材。
通过多种靶材的排列，一种工艺就可以溅射出像三明治一样的多层结构。
5清洁干燥的氩气（或氖气）可以保持薄膜的成分特征不变，而且低湿度可以阻止薄膜发生不必要的氧化。
反应室装载晶圆之后，泵开始抽气（向外），将其压力减小到1×10-9托左右。
然后充入氩气，并使其电离。
要严格控制进入室内的氩气的量，因为氩气增多会造成室内压力升高。
由于氩气和轰击出的原材料存在，室内压力将上升到大约10-3托。
四：溅射分类：
1直流溅射
在反应室中，靶接负电压呈阴极；而衬底呈阳极。
带负电的靶驱逐电子，使其加速飞向阳极。
在运动过程中，电子与氩原子碰撞，使氩原子电离成氩离子。
具有正电性的氩离子加速飞向靶，开始溅射工艺。
氩离子（+）和靶（-）形成了两极。
电离工艺的另一结果是电子对气体原子的影响。
这导致在靶下方的等离子区呈现可见的紫色。
暗区仅存在与靶的侧面和前方。
当等离子区被限制在靶和晶圆之间，溅射效率将大大提高。
将暗区护罩放置在靶的侧面可以增强这种限制。
护罩可以防止靶材从靶的侧面溅射出来，因而靶材不会淀积到晶圆上。
另一个问题是在反应室处于真空情况下，室壁污染物会产生外溢气体。
我们把这种情况称之为虚漏。
它与大气进入系统而形成的实际泄漏是相对的。
污染物除了破坏反应室的压力级别，还会掺入所淀积的薄膜。
下一个问题是在晶圆承载台放置的微小负偏压（电荷）。
它可以在晶圆表面产生离子，在淀积膜时驱逐游弋的外溢气体的分子。
直流二极溅射主要用于金属淀积。
2射频溅射
为了改善溅射，将靶材与高频发生器（RF）负极相连。
气体在靶表面附近发生电离，而不需要导电的靶。
高频溅射不仅可以溅射绝缘体材料，也可以溅射导体材料。
偏压还可与高频溅射共同作用，达到清洁晶圆表面的效果。
高频溅射偏压具有对已暴露的晶圆表面进行刻蚀和清洁的优点。
将晶圆承载台放在一个不同的场压下，使得氩原子直接轰击晶圆，来完成刻蚀和清洁。
这种工艺程序被称为溅射刻蚀（sputter etch）、反溅射（reverse sputter）或离子打磨（ion milling）。
它可清除晶圆上的污染物和一层薄的膜。
清除污染物提高了已暴露晶圆区域与薄膜之间的电连接，同时提高了薄膜对晶圆表面其他部分的粘度。
二极溅射中的许多工艺过程都发生在晶圆表面上或附近。
由于氩原子影响，
系统产生大量电子。
一方面，它们使衬底升温（可达到350ºC），造成镀膜不均匀；另一方面，它们还会产生辐射环境，造成敏感元件的损坏。
在二极溅射过程中，升温对铝膜的淀积带来一系列问题。
升温使得残余在靶上和反应室中的氧气与铝结合生成氧化铝。
它是绝缘体，破坏了铝膜的导电性。
更为严重的是，升温会在靶材表面生成一层氧化铝膜，这使得正在轰击的氩原子（在二极溅射过程中）没有足够能量击穿这层膜。
实际上，靶材被密封，溅射也就随之停止。
3磁控溅射
二极溅射的另一个问题是逃入反应室的电子，而且它们对用于淀积的等离子体建立不产生任何作用。
我们用磁控溅射系统来解决这个问题。
磁控系统是将磁极安装在靶的背面和四周，捕获和/或限制电子在靶的正面活动。
它对于提高淀积速率更加有效。
因此，磁控系统产生的离子流（轰击靶的氩离子的密度）要比传统的二极溅射系统好。
其次，反应室的压力将更低，这有利于淀积膜的清洁。
另外，磁控溅射系统使得靶的温度降低，有利于金属和合金的溅射。
实际生产用的溅射系统各种各样。
有的反应室是批晶圆系统，有的则是单晶圆生产系统。
大部分生产设备都有自动装料能力。
装料口就像接待室，它是局部真空，可以保证反应室维持真空。
它的优点就是提供了更高的生产率。
生产设备通常可以支持一种或两种靶材，而且随着机械技术的发展，将来的设备会有更大的扩展性。