3薄膜制备技术(PVD)(溅射)解析
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。
薄膜技术3溅射技术
Ni的溅射产额与入射离子种类和能量之间的关系
溅射有其阈值
(a) 400eV Ar离子对各种元素的溅射产额 (b) 45keV 的不同离子对Ag的溅射产额
元素的溅射产额呈周期性变化 惰性气体的溅射产额高，从经济性方面考虑, 多使用
Ar作为溅射气体
溅射产额随离子入 射角度的变化
（参见溅射产额的欠余弦分布）
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
Si单晶上Ge沉积量与入射Ge+离子能量间的关系
电子是等离子体中的主要能量携带者 电子、离子具有极不相同的速度：
电子—— va=(8kTe/m)1/2 9.5105 m/s Ar离子———— 约5102 m/s
电子的高速度导致产生鞘层电位
电子与离子具有不同速度的一个直接后果是产 生等离子体鞘层以及鞘层电位：
等离子体鞘层：任何位于等离子体中或其附近的 物体的外侧将伴随有正电荷的积累
原子溅射方向的欠余弦分布
不同于热蒸发时的余弦分布
物质溅射产额与靶材温度的关系
溅射产额随的温度变化也有阈值
合金的溅射产额
溅射法易于保证所制备的薄膜的化学成分与靶 材的成分相一致，这是它与蒸发法的另一区别
与不同元素在平衡蒸气压方面的巨大差别相比 ，元素溅射产额间的差别较小
溅射过程中靶物质处于固态，其扩散能力较弱 。溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离在 随后的溅射过程中会实现自动的补偿
等离子体密度、电子速度与温度
pvd磁控溅射原理
pvd磁控溅射原理PVD磁控溅射简介PVD磁控溅射（Physical Vapor Deposition Magnetron Sputtering）是一种常用的薄膜制备技术。
它能够在材料表面沉积一层精密、均匀的薄膜，具有广泛的应用领域。
原理PVD磁控溅射利用高能粒子撞击物质表面，使得物质从源材料蒸发、溅射并沉积在基底上。
以下是PVD磁控溅射的主要原理：1. 原始材料选择合适的源材料作为溅射靶材。
这些靶材通常是纯净且具有较高的密度，以保证沉积薄膜的质量。
2. 气氛控制通过调节气氛组成和压力来控制溅射过程中的气氛。
常用的气体有氩、氮等，其主要作用是保持反应室内的稳定环境。
3. 溅射过程在反应室内，将源材料靶材放置于阴极位置，并加上高压电源，形成磁场。
这个磁场激活了准直磁控电子束，使其环绕靶材运动。
电子束激发了靶材原子，使其脱离靶材并向基底表面运动。
4. 沉积薄膜溅射的源材料原子在运动过程中与基底表面相互冲击结合，形成薄膜沉积。
这些原子在基底表面形成结晶或非晶的薄膜结构。
应用PVD磁控溅射技术广泛应用于以下领域：•光电子学：制备光学薄膜，如反射层、透镜等。
•显示技术：用于制造液晶显示器、有机发光二极管（OLED）等。
•硬盘制造：用于制备磁性材料薄膜，如磁头、磁盘等。
•太阳能电池：制造多层薄膜太阳能电池。
•汽车工业：用于制备汽车玻璃涂层、汽车内部装饰等。
优缺点PVD磁控溅射技术具有以下优点和缺点：优点•薄膜均匀性好，可控性强。
•溅射速率可调节，适合制备不同厚度的薄膜。
•可制备多种材料薄膜，针对不同应用需求。
•薄膜在界面附着力强，具有较好的耐久性。
缺点•靶材利用率低，需定期更换。
•受制于靶材材料的限制，无法制备非金属或高熔点材料薄膜。
•沉积速率较慢，需要较长的时间。
综上所述，PVD磁控溅射技术是一种重要的薄膜制备方法。
它在各个领域都有广泛的应用，并呈现出许多独特的优点。
随着科学技术的不断发展，PVD磁控溅射技术将在未来发挥更大的作用。
chapter 3 薄膜物理气相沉积 ——溅射法及其他PVD方法
jennyx99@
3.2 气体放电现象与等离子体
在辉光放电时，电极之间有明显的放电辉光产生，典型的 放电区域划分如图：
23
College of Materials Science and Engineering, SWPU
jennyx99@
3.2 气体放电现象与等离子体
电弧蒸发法利用弧光放电过 程中物质的蒸发。
14
College of Materials Science and Engineering, SWPU
jennyx99@
3.2 气体放电现象与等离子体
气体的放电类型： •Townsend放电：气体击穿的初期，放电电压比较高，且 随输入功率的增加变化很小；放电电流随输入功率的增加 而增加，但比较小； •正常辉光放电：当放电达到一定值以后，足够多的电子和 离子使得放电可以自持，气体放电转化为正常辉光放电， 此时的气体电导率比较大，极板间电压下降； •异常辉光放电：当电离度达到比较高以后，电流随功率增 加变缓，但电压迅速增加； •弧光放电：进一步增加功率导致电弧出现，从而放电转化 为弧光放电，气体电导率再次增加，极板间电压再次下降
20世纪30年代，溅射现象在实验室中被用于制备薄膜；
5
College of Materials Science and Engineering, SWPU
jennyx99@
概 述
60年代初，Bell实验室和Western Electric公司将溅射 制膜技术应用于工业领域； 1963年 制作出全长约10m的连续溅射镀膜装置； 1965年 IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射 镀膜成为可能； 1974年，J.Chapin实现了高速、低温溅射镀膜，并发 表了关于平面磁控溅射装置的文章。
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。
薄膜材料制备的PVD法PPT课件
.
离子镀膜
29
零件镀膜：（1）机械零件镀TiN镀膜层（2）电气零件——在 金属材料上镀SiO2，Al2O3等，用于制作各种电工零件和电子 零件。（3）光学零件——在玻璃上镀SiO2，TiO2等镀膜层， 用于制作各种光学零件。
其他：在铀表面镀一层铝，应用于原子能工业中的原子反应堆 ；制成碳化硼薄膜，可应用与制作声学器件。
+
真空度1-几百 Pa
放电气体：Ar
只适用于导体
.
溅射镀膜
18
磁控溅射镀膜
与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场 ，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。
磁场之作用： ① 等离子束缚在靶表 面
② 电子作旋进运动， 使原子电离机会增加， 能量耗尽后落在阳极， 基片温升低、损伤小
.
Vacuum sputtering
磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜20常用直流磁控溅射可做铝薄膜tio2膜溅射镀膜溅射镀膜21高频溅射镀膜高频溅射镀膜采用高频电压绝缘体靶表面上的离子和电子的交互作用靶表面丌会积累正电荷可以维持辉光放电22活性气体混入放电气体中可以控制膜的组成和性质反应溅射镀膜反应溅射镀膜溅射镀膜溅射镀膜等气氛中进行反应溅射镀膜可以在各种工件上镀cr425840hvcrccrn10003500hv可代替电镀cr
.
26
（2）多弧离子镀
多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上 直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃 依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电仅仅在靶材表面的一 个或几个密集的弧斑处进行。
特 点：直接从阴极产生等离 子体，不用熔池，阴极靶可 根据工件形状在任意方向布 置，使夹具大为简化。
19
常用直流磁控溅射 可做 铝薄膜、TiO2膜
材料科学中的薄膜制备技术研究综述
材料科学中的薄膜制备技术研究综述薄膜作为一种重要的材料形态，在材料科学领域中具有广泛的应用。
薄膜制备技术的研究和发展，不仅能够扩展材料的功能性，并提高材料的性能，还可以为各个领域提供更多的应用可能性。
本文将综述材料科学中薄膜制备技术的研究进展，并重点探讨了几种常见的薄膜制备技术。
1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是一种常见的薄膜制备技术，它通过蒸发或溅射等方法将材料转化为蒸汽或离子，经过气相传输沉积在基底上形成薄膜。
物理气相沉积技术包括热蒸发、电子束蒸发、分子束外延和磁控溅射等方法。
这些方法在薄膜制备中具有高温、高真空和高能量等特点，能够制备出具有优异性能的薄膜。
然而，物理气相沉积技术在薄膜厚度的控制上存在一定的局限，且对于一些化学反应活性较高的材料来说，难以实现。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种将反应气体在表面上发生化学反应生成薄膜的方法。
CVD 技术根据反应条件的不同可以分为低压CVD、大气压CVD和等离子CVD等。
这些技术在实现复杂薄膜结构和化学组成控制上相较于PVD技术更具优势。
化学气相沉积技术可用于金属、氧化物、氮化物以及半导体材料等薄膜的制备。
然而，该技术所需的气体和化学物质成分较复杂，容易引起环境污染，并且对设备的要求较高。
3. 溶液法制备薄膜溶液法是一种常用的低成本、高效率的薄膜制备技术。
常见的溶液法包括旋涂法、浸渍法、喷涂法和柔性印刷法等。
这些方法通过将溶液中的溶质沉积在基底上，形成薄膜。
溶液法制备薄膜的优势在于简单易行、成本低、适用于大面积薄膜制备。
然而，溶液法制备出的薄膜常常具有较低的晶化程度和机械强度，且在高温和湿润环境下易失去稳定性。
4. 磁控溅射技术磁控溅射技术是一种通过离子轰击固体靶材的方法制备薄膜。
在磁控溅射过程中，离子轰击靶材，使靶材表面的原子转化为蒸汽，然后通过惰性气体的加速将蒸汽沉积在基底上。
磁控溅射技术可用于金属、氧化物、氮化物等薄膜的制备，并可实现厚度和成分的精确控制。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
下图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag、Cu、Ta表面时得到的 溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子 时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均 采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。
c、离子入射角度对溅射产额的影响
随着离子入射方向与靶面法线间夹 角θ的增加，溅射产额先呈现 1/cosθ 规律的增加，即倾斜入射 有利于提高溅射产额。0-60度左右 单调增加，当入射角θ接近70-80 度角时，达到最高，入射角再增加， 产额迅速下降。离子入射角对溅射 产额的影响如图。
（2) 各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在 10~40eV，只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质 表面原子的溅射。物质的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。
b、入射离子种类和被溅射物质种类
下图是在加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的 变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。
气体放电现象 气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨论一下 气体放电过程。 开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有 少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的 电流。随电压升高，电离粒子的运动速度加快，则电流 随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一 个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）； 汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电 子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子 和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子， 参与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的 离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不 大，这一放电阶段称为汤生放电。 电晕放电：汤生放电的后期称为电晕放电，此时电场强度 较高的电极尖端出现一些跳跃的电晕光斑。
荷能粒子与表面的相互作用
当离子入射到靶材料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个， 其一是物质的溅射，其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得 能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光击固体表面所产生的各种效应及发生几率
溅射产额及影响因素
知道产生这种现象的物理原因 。
•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。 20世纪30年代，出现利用溅射现象在实验室制取薄膜。
20世纪60年代，Bell实验室和Western Electric公司用溅射制取集成电路
用Ta薄膜，开始了溅射在工业上的应用。 1974年，J.Chapin发表平面磁控溅射装置文章，实现高速、低温镀膜。
溅射过程可以用溅射产额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
溅射出来的原子数 Y 每入射一个粒子
a、入射离子能量
(1) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量 达到10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额 反而下降。
溅射的机制
（1）经典的热蒸发机制：溅射是由于入射粒子的能量使靶表面局 部升温，使靶原子蒸发，此过程是能量转移过程，为“标量”过 程 （2）动量转移机制：溅射是由于入射粒子与靶表面原子碰撞产 生动量传递而引起的，此过程是动量转移过程，为“矢量”过程
动量传递机制成立的实验基础
• • • • 溅射原子的角分布不象热蒸发原子那样符合余弦规律，单晶靶 溅射趋向于集中在晶体原子密排方向 溅射产额不仅决定于轰击离子能量，也决定于其质量与靶原子 质量比 离子能量很高时，溅射产额会减少 溅射原子能量比热蒸发原子能量高许多倍
选择溅射现象
对合金和化合物等多原子固体的溅射中，由于构成固体的元素彼此 之间的溅射产额不同，被溅射后，固体表面组分和溅射前组分相比， 发生变化，这种现象称为选择溅射现象。
但是，在不考虑靶温升引起材料原子的扩散，以及基片薄膜原子 的再蒸发情况下，选择溅射现象不明显，通过溅射可获得和靶成 分相同的溅射膜。 相对于蒸发镀膜而言，合金和化合物的溅射沉积镀膜，薄膜和靶 材成分的一致性要好的多。基于以下两方面原因：
溅射法的主要特点
与蒸发法相比，溅射法最大的主要特点有：
• 在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因此溅射出的原子 将从中获得很大的能量，在沉积时，高能量的原子对衬底的撞击提高了原 子自身在薄膜表面的扩散能力，使薄膜的组织更致密、附着力也得到明显 改善。当然这也会引起衬底温度的升高。
• 制备合金薄膜时，成分的控制性能好。 • 溅射靶材可以是极难熔的材料。因此，溅射法可以方便地用于高熔点物质 的溅射和薄膜的制备。 • 可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。 • 有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度。
物理气相沉积——溅射法
溅射现象
荷能粒子（例如氩离子）轰击固体表面，引起表面各种 粒子，如原子、分子或团束从该物体表面逸出的现象称 “溅射”。
溅射物理的发展史
•1853年Grove就观察到了溅射现象，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
（1）不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压相差太大； （2）更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对流，从而表现 出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面成分持续变动； 相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅射产额差别而造成 的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于某一平衡成分，从而 在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效应：溅射产额高的物质 贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，溅射速率上升。最终的结 果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出的物质的成分却与靶材的原 始成分相同。
d、靶材温度对溅射产额的影响
在一定的温度范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。但是，当温 度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。原因可能与温度升 高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阀值减小有关。因 此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射靶材的温升。
Xe+对几种样品轰击时，溅射产额与温度的关系