磁控溅射.ppt
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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。
磁控溅射技术和透明导电薄膜-PPT精选文档
等离子详解
定义:等離子體是一种电离气体，是离子、 电子和高能原子的集合体，整体显中性，它 是一种由带电粒子组成的电离状态. 等离子体的现象，所发生的辉光放电原理， 产生离子溅射基理（低压气体中显示辉光的 气体放电现象，即是稀薄气体中的自激导电 现象） 洛仑磁力：运动电荷在磁场中受到的作用力
电学薄膜
光学薄膜
力学薄膜
装饰薄膜
薄膜的制备手段
气相法： 化学气相沉积（CVD）硅烷和氮反应形成氮化硅膜(Si3N4) 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供 给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激光等能源， 借助气相作用或在基板表面的化学反应（热分解或化学 合成）生长形成固态的薄膜。 物理气相沉积（PVD）——热蒸发 溅射 离子镀 分子束外延 液相法：化学镀、电镀、浸渍镀等。 其他方法：喷涂、涂敷等。
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磁控溅射技术和透明导电薄膜
什么叫镀膜
薄膜： 在固体表面上镀上一层于基体材料不 同的薄层材料。
厚度通常在几微米以下。
溅射原理
溅射示意图
成膜示意图
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。
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 。
《磁控溅射工艺简介》课件
2 薄膜厚度均匀
与旋涂法、喷涂法等技术相比，薄膜质量更均匀、富于粘附力
3 制备材料种类广泛
可以沉积多种单金属材料、合金材料、复合材料
磁控溅射工艺设备和材料
1
靶材
靶材的物理性质是影响溅射沉积物及制备薄膜质量的主要因素
2
溅射设备
常见的溅射设备有平板型、同轴型、磁控隔离型、真空电弧离子镀等
3
衬底
影响沉积物与衬底之间的结合力，应匹配靶材和涂料。
磁控溅射工艺的工艺流程来自前处理沉积过程表面清洗和处理，消除表面缺陷。
喷射气体来形成气体击穿，形成 高能粒子撞击靶材表面所产生的 离子，将靶材材料沉积于衬底上
后处理
包括退火、薄膜表面处理、测厚 回火硬化等。
磁控溅射工艺的发展前景
工艺创新
磁控溅射正在不断被改进，通过改变靶材材料、改 变沉积时间以及扩大系统的尺寸，工艺将日益得到 完善和成熟。
新材料制备挑战
难以制备的材料，如功能性陶瓷、石墨烯等，成为 新的探索方向和研究热点，磁控溅射将在材料制备 技术中继续发挥重要作用。
磁控溅射工艺的应用领域
微电子领域
微电子元器件、TFT-LCD中的透明电极、光存储 器芯片存储材料
太阳能电池领域
提高太阳能电池转换效率的反射膜
表面工程领域
镀膜、切削刀具镀层、防护涂料
生物医学领域
医用材料表面涂层，如人工心脏瓣膜
磁控溅射工艺的优点
1 制备工艺简单
工艺流程简单、设备负荷小、较易实现工业生产
磁控溅射工艺简介
磁控溅射是一种全球广泛应用的薄膜制备技术，它通过高能离子轰击靶材表 面，使原子或离子从靶材表面剥离并沉积在制备基材上，达到薄膜沉积的目 的。
磁控溅射工艺的原理和特点
与旋涂法、喷涂法等技术相比，薄膜质量更均匀、富于粘附力
3 制备材料种类广泛
可以沉积多种单金属材料、合金材料、复合材料
磁控溅射工艺设备和材料
1
靶材
靶材的物理性质是影响溅射沉积物及制备薄膜质量的主要因素
2
溅射设备
常见的溅射设备有平板型、同轴型、磁控隔离型、真空电弧离子镀等
3
衬底
影响沉积物与衬底之间的结合力，应匹配靶材和涂料。
磁控溅射工艺的工艺流程来自前处理沉积过程表面清洗和处理，消除表面缺陷。
喷射气体来形成气体击穿，形成 高能粒子撞击靶材表面所产生的 离子，将靶材材料沉积于衬底上
后处理
包括退火、薄膜表面处理、测厚 回火硬化等。
磁控溅射工艺的发展前景
工艺创新
磁控溅射正在不断被改进，通过改变靶材材料、改 变沉积时间以及扩大系统的尺寸，工艺将日益得到 完善和成熟。
新材料制备挑战
难以制备的材料，如功能性陶瓷、石墨烯等，成为 新的探索方向和研究热点，磁控溅射将在材料制备 技术中继续发挥重要作用。
磁控溅射工艺的应用领域
微电子领域
微电子元器件、TFT-LCD中的透明电极、光存储 器芯片存储材料
太阳能电池领域
提高太阳能电池转换效率的反射膜
表面工程领域
镀膜、切削刀具镀层、防护涂料
生物医学领域
医用材料表面涂层，如人工心脏瓣膜
磁控溅射工艺的优点
1 制备工艺简单
工艺流程简单、设备负荷小、较易实现工业生产
磁控溅射工艺简介
磁控溅射是一种全球广泛应用的薄膜制备技术，它通过高能离子轰击靶材表 面，使原子或离子从靶材表面剥离并沉积在制备基材上，达到薄膜沉积的目 的。
磁控溅射工艺的原理和特点
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.
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
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.
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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）：
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二、溅射原理解释
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二、溅射原理解释
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二、溅射原理解释
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二、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
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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
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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
《磁控溅射镀膜技术》课件
要点二
溅射参数与工艺条件
溅射参数和工艺条件对磁控溅射镀膜的沉积速率、膜层质 量、附着力等有着重要影响。主要的溅射参数包括工作气 压、磁场强度、功率密度等，工艺条件包括基材温度、气 体流量和组成等。通过对这些参数的优化和控制，可以获 得具有优异性能的膜层。
磁控溅射镀膜设备
03
与系统
磁控溅射镀膜设备的组成
多元靶材磁控溅射
技术
研究多种材料同时溅射的工艺技 术，实现多元材料的复合镀膜， 拓展镀膜材料的应用范围。
磁控溅射与其他技术的结合应用
磁控溅射与脉冲激光沉积技术结合
01
通过结合两种技术，实现快速、大面积的镀膜，提高生产效率
。
磁控溅射与化学气相沉积技术结合
02
利用化学气相沉积技术在磁控溅射的基础上进一步优化镀膜性
磁控溅射机制
在磁场的作用下，电子的运动轨迹发生偏转，增加与气体分子的碰撞概率，产 生更多的离子和活性粒子，从而提高了溅射效率和沉积速率。
磁控溅射镀膜的工艺流程
要点一
工艺流程概述
磁控溅射镀膜的工艺流程包括前处理、溅射镀膜和后处理 三个阶段。前处理主要是对基材进行清洗和预处理，确保 基材表面的清洁度和粗糙度符合要求；溅射镀膜是整个工 艺的核心部分，通过控制溅射参数和工艺条件，实现膜层 的均匀、致密和附着力强的沉积；后处理主要包括对膜层 的退火、冷却和清洗等处理，以优化膜层性能。
纳米薄膜的制备与应用
总结词
纳米薄膜因其独特的物理和化学性质在许多 领域具有巨大的应用潜力。
详细描述
磁控溅射技术可以用于制备纳米级别的薄膜 ，如纳米复合材料、纳米陶瓷、纳米金属等 ，这些薄膜在催化剂、传感器、电池等领域 有广泛应用。
其他领域的应用研究
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通过磁场提高溅射率的基本原理由
Penning在60多年前发明，后来由Kay和
其他人发展起来，并研制出溅射枪和柱式
磁场源。1979年Chapin引入了平面磁控
结构。
速度为v的电子在电场E和磁感强度为B
的磁场中将受到洛仑兹力的作用：
F e( E v B )
电荷在均匀电磁场中运动
镜像磁场磁力线分布示意图
地球本身磁场的分布也属于镜像场，在外层空间运 动的带电粒子进入地球磁场影响范围后, 将绕地磁感 应线做变幅螺旋运动, 在两极间来回振荡, 形成有名 的范· 阿伦辐射带即地球大气层中的电离层 。 有时范· 阿伦辐射带中的带电粒子因空间磁场的变化 而在两极附近进入地球大气层，引起极光。
溅射的优缺点
溅射工艺可重复性较好，膜厚可控制，可以在大面积 优点 基片上获得厚度均匀的薄膜。 对于任何材料，只要能做成靶材，就可实现溅射； 溅射所获得的薄膜与基片结合较好； 溅射所获得的薄膜纯度较高，致密性好；
缺点 它的沉积速率低，基片温升高
易受杂质气体影响
二、溅射装置
2.1 直流溅射(DC sputtering)
+
假设t= 0 时电子位于坐标原点并且初速 为零， E、B均为常数， 该方程的解为
运动轨迹为在YOZ 平面内沿Z 轴平行前 进的摆线
电荷在非均匀电磁场中运动
电荷在非均匀磁场中运动除了受到洛伦兹力外,还 要受到一个由于磁场的空间分布不均匀性而引起的磁 阻力
F m a q E ( x, y , z ) q v B( x, y , z ) B( x, y , z )
溅射率和离子能量的关系
Cu膜溅射蒸发速度对粒子数的 分布曲线
500eV下元素溅射率
1.3 溅射的基本过程
入射离子是如何产生的呢？
二级辉光放电系统
靶阴极
电子
Ar/Ar+
靶原子
基片阳极
溅射示意图
电子与其他粒子的碰撞过程：
弹性碰撞
E2 4 M 1M 2 cos 2 E1 ( M1 M 2 )
1.阴极（靶)
2.阳极（基片） 3.真空室 4.进气口 5.真空抽气系统
6.高压电源（DC）
辉光放电直流溅射系统
溅射与气压的关系
在一定范围内提高离化率、提高均匀性 要增加压强和保证薄膜纯度、提高薄膜附着 力要减小压强的矛盾，产生一个平衡。
目标：尽量小的压强下维持高的离 化率。
三级溅射
1 4 2 3
自偏压效应
+
正半周期 电子 正离子
射频溅射特点
射频方法可以被用来产生溅射效应的
原因是它可以在靶材上产生自偏压效应。
在射频溅射装置中，击穿电压和放电电压
显著降低。不必再要求靶材一定要是导电
体。
2.3 磁控溅射(megnetron sputtering)
2.3.1 磁控溅射原理 磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动， 提高电子的离化率。并且与传统溅射相比 具有“低温”、“高速”两大特点。
入射 粒子
电子 中性原子 正离子
入射粒子的 反射
气体分子
被溅射粒子 的返回
离子和固体表面的相互作用
离子轰击固体表面所产生各效应的几率
效应
溅射 入射离子反射 二次电子
发生几率
0.1-10 10-3-10-2 0.1-10
靶离子溅射
10-3-10-2
1852年Grove在研究辉光放电时首次发现
这一现象。
a平衡磁控
b非平衡磁控
2.3.2 磁控溅射源装置 平面型
矩形：应用广泛，尤其适用于大
面积平板的连续型镀膜。镀膜均 匀性，产品的一致性较好。
圆形:只适合于做小型
的磁控源，制靶简单， 适合科研中应用。
电磁铁
电流的磁效应：如果一条直的金属 导线通过电流，那么在导线周围的 空间将产生圆形磁场。导线中流过 的电流越大，产生的磁场越强。
Ar+
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
BACK
元 素 Al
V
Fe
Co
Ni
Cu
Pt
溅 射 13 阈值 (eV)
23
20
25
21
17
25
氩离子入射不同元素的溅射阈值
500eV下元素溅射率
溅射率随离子入射角度的变化
150eV氩离子轰击下，镍的溅射率和气压的关系
溅射粒子的速度和能量
溅射原子获得比热蒸发大1~2个数量 级的能量在1~10eV之间,它与靶材，入射 离子质量和能量有关。
磁控溅射
通过正交的电磁场作用增加电子离化 率，实现“低温”，“高速”
三、磁控溅射实例
3.1 磁控溅射镀膜 基本步骤： 抽真空 传样 通氩气 加磁场 加偏压
程序控制
对于单层膜 “ for=1； tx=y； （tx表示第x个靶位的溅射时间，y设定的 溅射时间，以sec为单位） next； ” 对于多层膜（n×i层） “ for=n； （ n为循环次数,i为周期内层数） tx1=y1； tx2=y2； …… ； txi=yi ； next;
m v2 其中 2B
磁阻力与磁场的梯度成正比, 但方向始终指向梯 度的负向，该力总是阻碍运动电荷从弱磁场向强 磁场区域的运动
电荷在镜像磁场中的运动——横向磁约束
磁力线沿y 轴是对称分布的, 在x = 0处, 磁场最弱, 在x = ±a 处, 磁场最强, 我们 把这种分布的磁场称为镜像场
2
非弹性碰撞
v1
U max
M v M 2 cos 2( M 1 M 2 )
2 1 1 2
M1：电子质量
M2：惰性气体粒子质量
A-B:无光放电区 B-C:汤森放电区 C-D:过渡区 D-E:正常辉光放电区 E-F:异常辉光放电区 F-G:弧光放电区
在“异常辉光放电区”内，电流可以通
过电压来控制，从而使这一区域成为溅射 所选择的工作区域。
非匀强电磁场下电荷的三维运动方程表达式 X:围绕磁力线的在 两极间往复振荡 Y:恒有一个离开靶 面的速度分量 Z:摆线运动
磁控溅射工作原理示意图
沉积速率高
增长电子运动路径，提高离化率，电离出更 多的轰击靶材的离子
低温
碰幢次数的增加，电子的能量逐渐降低，在 能量耗尽以后才落在阳极
非平衡磁控溅射技术 （沉积速率超过1μm/min ）
Thomson形象地把这一现象
类比于水滴从高处落在平静的水面所引起 的水花飞溅现象，并命名为“Spluttering”, 由于印刷错误写成“Sputtering”。从此 “Sputtering”便用作科学术语“溅射”。
1.2 溅射的基本原理 溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面 使其中的原子发射出来。早期人们认为这一现象 源于靶材的局部加热。但是不久人们发现溅射与 蒸发有本质区别，并逐渐认识到溅射是轰击粒子 与靶粒子之间动量传递的结果。
磁控溅射
报告人：郑远平 指导教师：李国庆
主要内容
溅射原理
溅射装置
磁控溅 射实例
定义 原理 特点
直流溅射 射频溅射 磁控溅射
镀膜
一、溅射原理
1.1 溅射定义
就像往平静的湖水里投入石子会溅起水 花一样，用高速离子轰击固体表面使固体 中近表面的原子（或分子）从固体表面逸 出，这种现象称为溅射现象。
5
1.辅助阳极
2.基片
3.线圈
4.靶
5.灯丝
三级溅射系统示意图
特点：提供一个额外的电子源，而不是从 靶阴极获得电子。 实现低压溅射（压强小于0.1帕）
缺点：难以在大块扁平材料中均匀溅射， 而且放电过程难以控制，进而工艺重复性 差。
2.2 射频溅射(RF sputtering)
-
+
负半周期 电子 正离子
当磁场B均匀而电场E为零时,电子沿磁力线方 向以不受磁场影响的速度v∥，同时沿着磁力线有 回旋运动,电子回旋半径： v
mv r eB
v∥
v B
当B和E为均匀场且二者平行时，一个由静止 开始运动的电子被自由地加速。 当B与E均匀且相互垂直时，一个由静止开始 运动的电子，其运动方程：
Y
X Z
B
如下实验事实充分证明了这一点：
溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向（a） 从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向（b）
溅射粒子的角分布
500eV的Ar、Kr、Xe离子溅 射单晶Cu（100）面的状态
Ar+
Ar+
动量传递级联碰撞示意图
溅射率不仅取决与入射粒子的能量，而且也取决 于入射粒子的质量（c） 溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均速 率高得多（d）
奥斯特
电流磁效应
圆柱形
圆柱形磁控 溅射靶的结 构 适合镀覆尺寸变 化大，形状复杂 的工件。 磁力线分布
S-GUN
倒锥形靶材
靶材利用率高；枪体结构紧凑，体积较小
靶是圆锥形，不易制备
直流二级溅射 构造简单
溅射速度低，薄膜纯度不高
三级溅射
提供额外电子源，降低溅射气压 放电过程难以控制
射频溅射
可以溅射非导体材料
形成“异常辉光放电”
的关键是击穿电压VB。 主要取决于二次电子 的平均自由程和阴阳 极之间的距离。
击穿 电压 VB
巴邢定律
辉光放电时明暗光区分布示意图
1.4 溅射参数