磁控溅射镀膜技术 PPT课件
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磁控溅射工艺简介.ppt
磁控溅射镀膜工艺简介
2014.6.6
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
一、名词解释
• Sputter溅镀定义：
• 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中 正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
四、反应溅射
四、反应溅射
四、反应溅射
五、常见薄膜
五、常见薄膜
六、影响薄膜质量的因素
请批评指正，谢谢！
一、名词解释
• 辉光放电： 低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,由于高压放电现象 在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。在置有板 状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约 1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生 二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强 度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现 象。
2014.6.6
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
一、名词解释
• Sputter溅镀定义：
• 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中 正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
四、反应溅射
四、反应溅射
四、反应溅射
五、常见薄膜
五、常见薄膜
六、影响薄膜质量的因素
请批评指正，谢谢！
一、名词解释
• 辉光放电： 低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,由于高压放电现象 在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。在置有板 状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约 1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生 二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强 度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现 象。
磁控溅射镀膜原理及工艺 ppt课件
2.2.2磁场
用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上 保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均 匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适 当（比如过低），那么即使磁场强度一致也会 导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处 发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场 强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常 高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速 下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区 也会造成靶的利用率比较低。
（4）（选择操作）打开加热控温电源。启动 急停控制，报警至于通位置，功能选则为烘烤。 （5）但真空度达到5×10-4Pa时，关闭复合真 空计，开启电离真空计，通氩气（流量 20L/min），打开气路阀，将流量计Ⅰ拨至阀控 档，稳定后打开离子源，依次调节加速至 200V~250V，中和到12A左右，阳极80V，阴极10V， 屏极300V。从监控程序中调出工艺设置文件，启 动开始清洗。 （6）清洗完成后，按离子源参数调节相反的顺 序将各参数归零，关闭离子源，将流量计Ⅱ置于关 闭档。
在气体可以电离的压强范围内如果改变 施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随 之改变，引起气体中的电流发生变化。改 变气体中Байду номын сангаас电流可以产生更多或更少的离 子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速 率。
一般来说：提高电压可以提高离化率。这样 电流会增加，所以会引起阻抗的下降。提高电 压时，阻抗的降低会大幅度地提高电流，即大 幅度提高了功率。如果气体压强不变，溅射源 下的基片的移动速度也是恒定的，那么沉积到 基片上的材料的量则决定于施加在电路上的功 率。在VONARDENNE镀膜产品中所采用的范围 内，功率的提高与溅射速率的提高是一种线性 的关系。
3试验
3.1试验目的
①熟悉真空镀膜的操作过程和方法。 ②了解磁控溅射镀膜的原理及方法。 ③学会使用磁控溅射镀膜技术。
《磁控溅射镀膜技术》课件
用于制备太阳能电池的吸收层和透明导电膜。
基本步骤和流程
沉积过程的影响。
3
溅射沉积
4
开启磁控溅射系统，控制溅射功率、 溅射时间和沉积速率。
准备工作
清洗基板，装载靶材和目标材料。
预处理
通过表面处理方法优化基板表面，提 高沉积质量。
优势和特点
1 高沉积速率
2 良好的附着力
磁控溅射镀膜技术
磁控溅射镀膜技术是一种高效、精确的薄膜沉积技术，利用磁场和离子束将 材料蒸发并沉积到基板上。
定义和原理
磁控溅射镀膜利用磁场产生的影响力将靶材表面的原子或分子击出，并通过离子束进行沉积。它基于磁 控电子密云的原理。
1 磁场作用
通过磁场控制离子束的 运动，实现靶材表面原 子的击出。
2 离子束沉积
提高沉积效率、减少材料浪费和能耗。
总结和展望
磁控溅射镀膜技术是一项极为重要的薄膜制备技术，具有广泛的应用前景和发展空间。持续的科技创新 将进一步推动其发展。
基板
用于接收沉积的薄膜，可以是 玻璃、硅基片等。
发展现状和趋势
磁控溅射镀膜技术在各个领域得到广泛应用，随着纳米科技的发展，其在导电膜、光学薄膜等方 面仍有进一步发展的潜力。
1 纳米制备
应用纳米材料和纳米结构进行高性能薄膜制备。
2 多功能薄膜
开发具备多种功能的复合薄膜，如防反射、传感等。
3 绿色环保
离子束具有高速度和高 能量，可实现高效的薄 膜沉积。
3 磁控电子密云
通过磁场调节电子密云， 优化离子束的特性和运 动。
应用领域
光学薄膜
用于制备反射镜、透镜等光学元件，提高光 学系统性能。
防护涂层
用于制备防腐、抗磨损等涂层，延长材料寿 命。
基本步骤和流程
沉积过程的影响。
3
溅射沉积
4
开启磁控溅射系统，控制溅射功率、 溅射时间和沉积速率。
准备工作
清洗基板，装载靶材和目标材料。
预处理
通过表面处理方法优化基板表面，提 高沉积质量。
优势和特点
1 高沉积速率
2 良好的附着力
磁控溅射镀膜技术
磁控溅射镀膜技术是一种高效、精确的薄膜沉积技术，利用磁场和离子束将 材料蒸发并沉积到基板上。
定义和原理
磁控溅射镀膜利用磁场产生的影响力将靶材表面的原子或分子击出，并通过离子束进行沉积。它基于磁 控电子密云的原理。
1 磁场作用
通过磁场控制离子束的 运动，实现靶材表面原 子的击出。
2 离子束沉积
提高沉积效率、减少材料浪费和能耗。
总结和展望
磁控溅射镀膜技术是一项极为重要的薄膜制备技术，具有广泛的应用前景和发展空间。持续的科技创新 将进一步推动其发展。
基板
用于接收沉积的薄膜，可以是 玻璃、硅基片等。
发展现状和趋势
磁控溅射镀膜技术在各个领域得到广泛应用，随着纳米科技的发展，其在导电膜、光学薄膜等方 面仍有进一步发展的潜力。
1 纳米制备
应用纳米材料和纳米结构进行高性能薄膜制备。
2 多功能薄膜
开发具备多种功能的复合薄膜，如防反射、传感等。
3 绿色环保
离子束具有高速度和高 能量，可实现高效的薄 膜沉积。
3 磁控电子密云
通过磁场调节电子密云， 优化离子束的特性和运 动。
应用领域
光学薄膜
用于制备反射镜、透镜等光学元件，提高光 学系统性能。
防护涂层
用于制备防腐、抗磨损等涂层，延长材料寿 命。
磁控溅射相关ppt..共21页PPT资料
磁控溅射镀膜
12
膜的检测手段
当对薄膜样品进行XRR测量时,由于空气与薄膜、薄膜与衬底 的X射线反射率不同,就会产生XRR衍射峰。通过计算相邻峰 位之间的距离就可推算薄膜的厚度,通过峰的强度和面积就可 以计算其界面粗糙度。如果在垂直于膜面方向上多层膜存在 较好的周期性结构(超晶格),在小角范围内还会出现布拉格衍 射峰。
磁控溅射镀膜
5
磁控溅射镀膜原理
2. 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中
与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞 向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表 面，使靶材发生溅射。在溅射 粒子中，中性的靶原子或分子 沉积在基片上形成薄膜，而产 生的二次电子会受到电场和磁 场作用，产生E（电场）×B （磁场）所指的方向漂移，简 称E×B漂移，其运动轨迹近似一条摆线。
直到1877年才真正应用于研究的溅射设备上。迄后70年中，由于实验 条件的限制，对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态，在1950年之前 有关溅射薄膜特性的技术资料，多数是不可信的。
到了19世纪中期，阴极溅射技术发展也相当缓慢，只是在化学活性极强 的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中，采 用溅射技术。
磁控溅射镀膜
6
磁控溅射镀膜原理
若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们 的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内， 并且在该区域中电离出大量的 Ar 来轰击靶材，从而实现了 沉积速率。随着碰撞次数的 增加，二次电子的能量消耗殆 尽，逐渐远离靶表面，并在电 场E的作用下最终沉积在基片上。 由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低 。
第8章 溅射镀膜 ppt课件
体分子电离。
PPT课件
25
溅射镀膜方式
磁控溅射
特点： • 工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性； • 维持放电所需的靶电压低； • 电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉 积温度； • 容易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。
缺点：
• 对靶材的溅射不均匀，利用效率低（30%）；
Xe
Kr Ar Ne
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12
离子溅射参数
溅射产额的影响因素：(3) 入射离子的入射角
入射角：离子入射方向与 被溅射靶材表面法线间的 夹角;
随入射角的增大溅射率逐 渐增大。在0~60间相对溅
射率基本服从1/cosθ 规律;
60~80溅射率最大; 90时，溅射率为零。
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缺点： 当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能
电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。
PPT课件
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溅射镀膜方式
磁控溅射
磁控靶
溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但是它并
不直接飞向阳极，而在电场和磁场的作用下作旋轮线运动。
高能电子束缚在阴极表面与工作气体分子发生碰撞，传递能量，使气
负电位
四极溅射装置图
Байду номын сангаас
PPT课件
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溅射镀膜方式
三极和四极直流溅射
特点： • 靶电流和靶电压可独立调节，克服了二极溅射的缺点； • 靶电压低 (可低至102伏)，溅射损伤小； • 溅射过程不依赖二次电子，由热阴极发射电流控制； • 提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。
缺点： • 不能抑制电子轰击对基片的影响 (温度升高)； • 灯丝污染问题； • 不适合反应溅射等。
磁控溅射原理详细介绍课件
THANKS
感谢观看
控制系统
用于控制溅射过程， 包括真空度、电流、 电压等参数的监测和 控制。
磁控溅射的工作原理
气体放电
在真空室内，通过施加 高压电场，使气体产生 电离，产生等离子体。
粒子轰击
等离子体中的离子在电 场作用下加速飞向阴极 靶材，对靶材表面进行
轰击。
溅射
轰击导致靶材表面原子 或分子从表面射出，形
成溅射粒子。
沉积
溅射粒子在基片上沉积 形成薄膜。
磁控溅射的优缺点
高沉积速率
由于高密度的等离子体，使得溅射速 率较高。
低温沉积
可在较低的温度下实现沉积，适用于 某些热敏材料。
磁控溅射的优缺点
• 广泛的应用范围：可应用于金属、非金属、化合物等多种 材料的沉积。
磁控溅射的优缺点
需要高真空环境
需要建立高真空环境，增加了设备成本和运行成本。
特性
高沉积速率、低基材温度、高附着力、大面积成膜等。
磁控溅射的物理过程
气体放电
在阴极和阳极之间施加高压直 流电或射频电场，使气体产生 电离产生等离子体。
靶材溅射
高速离子轰击靶材表面，将靶 材原子从表面溅射出来。
真空环境建立
通过机械泵和分子泵等设备将 真空室内气压降低到10^-5Pa 以下。
磁场控制电子运动
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。
表面形貌
通过扫描电子显微镜视察薄膜的表面 形貌。
物理性能
测量薄膜的硬度、弹性模量、热导率 等物理性能。
磁控溅射原理详细介绍ppt课件
辉光放电是在真空度约为一的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。 设有图2那样的一个直流气体放电体系。在阴阳两极之间由电动势为的直流电源提供电压和电流，并以 电阻作为限流电阻。在电路中，各参数之间应满足下述关系：
V=E-IR
9
第二部分 溅射及辉光放电
2.2 辉光放电
使真空容器中Ar气的压力保持为，并逐渐提高两个电极
(C)基片表面的颗粒物质将会使薄膜产生针孔和形成沉积污染，因此，沉积前应对基片进行彻底清 洗，尽可能保证基片不受污染或不携带微粒状污染物。
6
第一部分 真空镀膜基础
1.4 薄膜技术
薄膜技术主要包括薄膜的制备技术和薄膜材料研究，薄膜的制备技术又称为镀膜技术。薄膜的制备 方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积方法（PVD）和化学气相沉积方法(CVD)。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
V=E-IR
9
第二部分 溅射及辉光放电
2.2 辉光放电
使真空容器中Ar气的压力保持为，并逐渐提高两个电极
(C)基片表面的颗粒物质将会使薄膜产生针孔和形成沉积污染，因此，沉积前应对基片进行彻底清 洗，尽可能保证基片不受污染或不携带微粒状污染物。
6
第一部分 真空镀膜基础
1.4 薄膜技术
薄膜技术主要包括薄膜的制备技术和薄膜材料研究，薄膜的制备技术又称为镀膜技术。薄膜的制备 方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积方法（PVD）和化学气相沉积方法(CVD)。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
磁控溅射工艺简介PPT演示文稿
磁控溅射镀膜工艺简介
2014.6.6
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一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
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一、名词解释
• Sputter溅镀定义： • 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中
正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
5
二、溅射原理解释
6
二、溅射原理解释
7
二、溅射原理解释
8
二、溅射原理解释
9
三、磁控溅射原理解释
10
三、磁控溅射原理解释
11
三、磁控溅射原理解释
12
三、磁控溅射原理解释
13
三、磁控溅射原理解释
14
三、磁控溅射原理解释
2014.6.6
1
一、名词解释
尖端放电：
通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负 电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电 离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空 气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。 由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来 分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电 场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击 空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现 象.
4
一、名词解释
• Sputter溅镀定义： • 在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中
正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积 于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。而透过激发、解离、离子化……等反应面产生 的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质， 而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模 型）：
5
二、溅射原理解释
6
二、溅射原理解释
7
二、溅射原理解释
8
二、溅射原理解释
9
三、磁控溅射原理解释
10
三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
13
三、磁控溅射原理解释
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三、磁控溅射原理解释
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• 阴极暗区宽度一般为1-2cm，镀膜设备中 阴极与基片距离大多5-10cm，可知两极 间只存在阴极暗区和负辉区，尽量减小 极间距离（靶-基距），获得尽量高的镀 膜速率。
• 阴极暗区边缘的电位几乎接近阳极电位， 相当于在辉光放电时，等离子体将阳极 推到阴极暗区边缘，此时真正的阳极在 哪里并不重要。
• 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和 圆筒磁控溅射阴极。-- Penning放电、 Penning规、Penning离子源相继出现
• 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续 溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首 次实现溅射镀膜产业化。
• 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用
2、发展概况（3）
• 溅射镀膜中放电气体压力通常选P=1x10-2 至5x10-4Torr，工作点选在左半支曲线， 对于相邻的相互绝缘的两个导体，要求 有足够高的耐击穿电压U，相互之间距离 不宜太大，d=1.5--3.0mm
2、放电的伏安特性曲线--不提倡“一 拖二
辉光放电中靶电压与靶电流关系曲线称 靶的伏安特性曲线.
• 用大功率启动新靶，材料表面出气，局 部真空变坏
• 直流溅射情况，靶面有不良导体形成 • 靶设计、安装不当，及在运用过程中受
力、受热引起的机械变形，造成的局部 击穿
3、辉光放电区电位分布---靶-基距
（1）阿斯顿暗区 （2）阴极暗区，克罗克斯暗区（3） 负辉区
（4）法拉第暗区 （5）正辉柱 （6）阳极暗区 （7） 阳极辉柱
• 在靶电源为恒功率模式下，随反应气体 （如氧）流量变化（增加或减小），靶 电压变化呈非线性，类似磁滞回曲线
4、硅靶通氧反应溅射制备二氧化硅：靶电 压随氧气流量变化曲线有滞回现象（反应 溅射的固有特性）
650
600
电
550
压
500
(v
)
450
400 0
金属态
20
40
氧流量(SCCM)
氧化态
60
5、三种状态（金属态--过度态--氧化态） 的特点及溅射速率变化
2、双靶---孪生靶
• 双靶的“双”字，如前所述原文是：twin 或dual都有孪生的意思，而不是简单的 two
• 构成双靶的两个靶一定要严格一致：结 构、材料、形状、尺寸，加工与安装精 度；
• 运用中两个靶处于同一环境，压力及气 体组分、抽气速率等
3反应溅射与反应溅射滞回曲线
• 大部分化合物薄膜特别是介质膜均由金 属靶通反应气体，用反应溅射方法制备
2、发展概况（4）
• 1986年Window发明了非平衡溅射 （Closed-fied unbalanced magnetron spattering, CFUMS),有广阔的应用前景
3、国内发展情况
• 1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇 等先后发表了有关平面磁控溅射靶设计 方面的论文报告
• 1985年后，各类小型平面磁控溅射镀膜 机问世
• 设备安装、调试及维护比射频溅射容易 运行稳定
• 膜层质量(緻密程度)不比射频的差
• 用扫描电镜做了某样品表面形貌的初步 观察，RF和MF的表面都很平整，没有龟 裂、针孔等缺陷。二者在放大50，000倍 的条件下得到的表面情况存在明显区别。 RF有20nm左右的密密麻麻的小圆丘，而 MF显得很平
7、控制系统的稳定性
8、PEM闭环控制回路示意图
等离子体
阴极
氧分压
可控阀门 接氧气源
光探头
滤光片
放大器
控制器
设定 闭环控制方块图
真空室内靶、布气、抽气、基片位置之一
Substrate
Magnetron
Reactive gas inlet
Vacuum Pump
真空室内靶、布气、抽气、基片位置之一
电压 V/N
V VB
P=133Pa(Ne) 汤森放电
异常辉光
正常辉光 弧光
电流密度 J/(A·cm )
A) 伏安特性曲线，分几段：
• 电压很小时，只有很小电流通过： • 加大电压进入汤生放电区； • “雪崩”，进入“正常辉光放电区”
• 离子轰击区覆盖整个阴极表面，再增加 功率进入“非正常辉光放电区”，溅射 工艺的工作点选在此区：
• 光强度正比于激发态密度n*和相应的mn 跃迁机率P
• 特征光谱
荷能粒子与材料表面相互作用
1、产生的效应
• 表面粒子发射：电子、中性原子与分子、正离 子和负离子、气体分子解吸、气体分解发射、 射线（光）、入射粒子的背散射、
• 入射粒子（离子）在固体表面或内部与材料原 子（分子）的级联碰撞、注入、扩散、化合
• 阳极位置只影响击穿电压。
4、等离子体、等离子体发光与PEM
• 等离子体特点：
• 等离子体内的基本过程 • 电离过程
• （3）式描述了快电子离过程，能电量由 电子提供
• （4）式表示了光电离过程，能电h量由 光子提供
• 激发、退激发及中和过程
• 退激发过程的能态跃迁释放能量---发光
D)两个靶并联用一台电源难以使两个靶都 处于最佳状态,影响电源寿命,降低膜层质量。 E）所谓“双跑道靶”是将靶面加宽（例如 由140mm加大到220mm）磁场作相应改变， 放电时形成两个放电区，这与双靶并联无 本质差别，放电不稳定，影响电源寿命,降 低膜层质量,基片上膜层不均匀区加大。
E）避免弧光放电
Substrate
Back Plate
Plasma Shield
Cathodes
gas inlet
Vacuum Pump
六、射频磁控溅射
• 1966年IBM采用射频溅射镀制SiO2膜 • 采用13.6MHz高频功率电源，注意接地与
匹配调节。
• 靶材可以是导电的金属靶，也可以是绝 缘的陶瓷靶，但由于射频电磁辐射对人 体有害，工业应用仅限于采用绝缘靶材
• 继续增加功率，达到新的击穿，进入低 电压大电流的“弧光放电区”
B) 靶的放电的伏安特性曲线与哪些因 素有 关？
• 靶的几何形状、尺寸，零部件安装精 度，受力或热引起的变形
• 靶电极材料及表面状态（污染、光洁 度等）
• 靶区气体压力及组分
•
C) 没有完全相同的靶，任何两个靶的伏安 特性曲线不可能完全相同
• 射频电磁辐射的屏蔽及靶的设计及安装 应特别强调。
结束语
请批评指正，谢谢！
• 1999年北京仪器厂设计中频反应磁控溅 射双靶
• 2000年和2001年豪威公司先后研制出两 条新的大型中频双靶反应溅射制备二氧 化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置并投 入生产.
• 2002年豪威公司在国内首次引进PEM控 制系统,自行安装调试,成功的应用于多层 光学膜的研发工作中.
二、气体放电某些特性
6、按不同采样方法控制方式可分为:
• 质谱法 检测反应气体的分压强来控制反 应气体流量。
• 等离子体发射检测法(PEM: Plasma Emission Monitor），根据某种元素（通 常是金属离子）特征光谱的强弱变化来 对反应气体进行控制。
• 利用靶中毒时的外部特征（如靶电位、 靶电流）来控制反应气体流量。
Web coatings and glass coating.
Target materials sometimes difficult to find in cylindrical shape.
2、特点
• 等离子体密度比二极溅射提高一个数量 级,达到10-3，靶电流密度提高一个数量级
• 靶材刻蚀速率，镀膜速率与靶电流密度 成正比，即磁控溅射镀膜速率比二极溅 射提高一个数量。
• 如果通过阴极的内外两个磁极端面的磁 通量不等，则为非平衡磁控溅射阴极， 非平衡磁控溅射阴极磁场大量向靶外发 散
• 普通的磁控溅射阴极的磁场将等离子体 约束在靶面附近，基片表面附近的等离 子体很弱，只受轻微的离子和电子轰击。
• 非平衡磁控溅射阴极磁场可将等离子体 扩展到远离靶面的基片，使基片浸没其 中，因此又称“闭合磁场非平衡溅射” （Closed-field Unbalanced Magnetron Sputtering,CFUBMS),可以以高速率沉积 出多种材料的、附着力强的高质量薄膜。 这有利于以磁控溅射为基础实现离子镀， 有可能使磁控溅射离子镀与阴极电弧蒸 发离子镀处于竞争地位。
• 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中 频单靶磁控溅射，发展为中频双靶磁控溅 射。
• 双靶磁控溅射（Dual Magnetron Sputtering）的方法的最早专利是 Kirchhoff 等1986年申请的
• 工 业 上 ， 德 国 Leybold 的 孪 生 靶 （ TwinMag® ） 系 统 是 其 典 型 代 表 , 已 于 1994年正式投入生产。
（2）溅射产额y与材料种类、表面状态、温度 有关。
三、磁控溅射
1、 在二极溅射装置上加一与电场
E的正交磁场B
2、在正交电磁场作用下电子围绕磁力线作 曲线运动加大了运动路径,大大提高电子对 气体的电离几率
e-
SN E
B ExB
B
x
B
e-
NS
e-
•
Rotatable cylindrical magnetron (BOC, 1994).
I
W心= W外 普通的（平衡）磁控溅射阴极
I型 W外=0
II型 W心=0
五、脉冲磁控溅射--中频双靶反应溅 射
近年来磁控溅射另一发展当属脉冲磁控 溅射，这里只介绍其中应用较广的中频双 靶反应溅射
• 1、特点 • 减少了弧光放电 • 解决了阳极消失问题 • 沉积速率比射频溅射高五倍左右 • 设备购置费和维修费较射频溅射低
• 加进磁场使放电容易，靶电压降低，膜 层质量提高
• 靶材经离子刻蚀形成溅射沟道，此沟道 一旦穿通，靶材即报废，靶材利用率低