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
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。
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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3838
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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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4040
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
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离子溅射镀膜仪
磁控溅射镀膜仪
粒子束溅射镀膜仪
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。
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。
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
图3 对向靶溅射装置
离子束溅射法
在这以前叙述的溅射方式中，无论哪种都是把工件置于 等离子区中，因此在成膜的过程中，膜面总是会受到气氛气 体或载荷粒子的轰击，向工件射入的溅射粒子多次反复的和 等禽区中的气体原子或载荷粒子冲撞，由于扩散而到达工件， 它的能量根据工件的电位和等离子区电位而变化，因此，由 于等离子的状态，膜的性能会受到一定程度的影响。另外， 不能独立控制气氛气压，材料靶附加电压，放电电流等，也 就不可能严格控制成膜条件了。而采用把离化室和溅射室分 开的离子束溅射法(见图4)，就可以避免种影响，能更严格地 控制成膜条件和保证渡层的质量。这种结构由于离子束放射 到位于10-5高真空溅射室中的靶材上，溅射出拉子而沉积在 工件表面上
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。
溅射镀膜及其应用简介
溅射镀膜
定义：利用高能离子冲击材料靶， 从其表面溅射出粒子并沉积在工件表面 上形成薄膜的方法。
溅射镀膜的基本方式及原理
溅射镀膜最基本的方法是两电极溅射法。镀 膜是在真空溅射槽内进行的，真空度要达10ⅹ103毛以上，充入一定量惰性气体，以材料靶作为 阴极，工件作为阳极，(见图1)在两电极间加上高 压使惰性气体电离， Ar+离子被阴极的负高压 (一500v)加速，以高速轰击材料靶，从靶面飞溅 出来的粒子以足够的速度飞向阳极工件并沉积在 其表面上，形成镀层
磁控管溅射方法
磁控管溅射法是加一个 与材料靶表面平行的磁场， 如图2：由于从靶面飞溅 出的高速电子被偏转而不 冲击工件，这就克服了由 电子冲击工件所引起的温 升，同时也促进了惰性气 体的离子化。因而可以在 10-3的低气压下，工件处 于100℃的条件下进行溅 射镀膜。
图2平面型磁控管溅射
对向靶溅射法
图4 离子束溅射装置
优点:
( 1)高速电子完全不轰击工件，可以确保工 件处于低温。 (2)可以严格控制成膜条件。
(3)靶材即使0%左右， 溅射靶材 沿着环形跑道刻蚀。
靶材冷却与靶背板
◆靶功率密度与靶材冷却 靶功率越大，溅射速率越大； 靶允许的功率与靶材的性质及冷却有关； 靶材采用直接水冷，允许的靶功率高。 ◆靶背板 材质要求： 导热性好—常用无氧铜，无氧铜的导热性比紫铜好； 强度足够—太薄，容易变形，不易真空密封。 结构：空心或者实心结构—磁钢不泡或泡在冷水中； 厚度适—当太厚，消耗部分磁强；太薄，容易变形。
由于对于氧化铁、铍莫合金等磁性记录材料的低温、高速成膜要求， 研制出了对向靶溅射方式。如图3所示，把两块靶材相对布置，工件位 于靶的一侧，由线圈产生的外加磁场垂直地加在磁性材料靶的表面， 在这里磁场H和电场平行。这样就可以把Y电子封闭在两个靶之间的空 间里，并可促进气氛气体的离子化。因为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。
溅射镀膜的应用
这些镀膜方法中以磁控溅射应用最为广泛
磁控溅射在PVD行业是应用及研究最广 泛的，在装饰、工模具镀膜、太阳能、幕墙 玻璃、半导体、显示屏等许多行业都有广泛 的应 用。在此对以上某几个方面的应用做简 单介绍。