第3章--溅射法分析课件

第3章 薄膜的物理气相沉积溅射法 被溅射出来的原子被溅射出来的原子E0,M1,Z1第3章 薄膜的物理气相沉积溅射法 被溅射出来的原本专题主要内容：3.1 溅射物理的发展史 3.2 气体放电现象 3.3 物质的溅射现象 3.4 溅射沉积装置及各种溅射镀膜方法本专题主要内容：3.1 溅射物理的发展史溅射物理的发展史1852年英国物理学家格罗夫（年英国物理学家格罗夫（William Robert Grove）发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。但当时他并不知道产生这份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因种现象的物理原因。1902年，年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是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，并且他由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。完成了第一个离子束溅射实验。20世纪世纪30年代，人们开始利用溅射现象在试验中制取薄年代，人们开始利用溅射现象在试验中制取薄膜。但由于早年用的直流溅射有许多缺陷，故长期未能得膜。但由于早年用的直流溅射有许多缺陷，故长期未能得到应有的发展。直到到应有的发展。直到20世纪世纪50年代中期，溅射工艺才得年代中期，溅射工艺才得到不断的发展和改进。到不断的发展和改进。3.1 溅射物理的发展史1852年到了到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。60年代初年代初，Bell实验室和实验室和Western Electric公司利用溅射公司利用溅射制取了集成电路用的制取了集成电路用的Ta膜。膜。1965年年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。膜成为可能。1969年年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它1974年年，H.H.Andersen 和和H.L.Bay 研究（实研究（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生非验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为线性溅射现象，通常称为“热钉扎热钉扎”(thermalized spike)效应。效应。1974年年，J Chapin发现了平衡磁控溅射后，使高发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射镀膜成为现实。速、低温溅射镀膜成为现实。1974年，H.H.Andersen 和H.L.Bay3.2 气体放电现象气体放电现象 在讨论气体放电现象之前，我们先考思一下直流电场作用下物质的溅射现象。如图所示真空系统，在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。3.2 气体放电现象 在讨论气体放电 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。如图直流气体放电体系。开始：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。汤生放电：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。汤生放电后期称为电晕放电。随电压升高：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）；气体放电是离子溅射过程的基础，下面辉光放电：辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。弧光放电：弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具气体放电与等离子体气体放电与等离子体气体放电：气体在电场作用下发生电离的过程。等离子体：带正电的粒子与带负电的粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的粒子集合体。与常态的物质相比，等离子体处于高温、高能量、高活性状态。薄膜技术中所用的等离子体，一般都是通过气体放电形成的。气体放电与等离子体气体放电：气体在电场作用下发生电离的过程。3.3 物质的溅射现象物质的溅射现象 在离子轰击条件下，固体表面可能发生的一系列的物理过程，溅射仅是其一。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，并维持气体的辉光放电过程。物质原子的溅射是制膜的基础。3.3 物质的溅射现象 在离子轰击条件第3章-溅射法分析课件溅射的基本原理溅射：是利用气体辉光放电过程中产生的荷能粒子（正离子）轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射，把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的沉积。溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果。溅射的基本原理溅射是轰击粒子与靶原子之间能量和动量传递的结果1 溅射产额溅射产额（1）溅射产额的定义）溅射产额的定义 靶靶材材释释放放出出来来的的各各种种粒粒子子中中，主主要要是是溅溅射射出出来来的的单单个个原原子子，另另外外还还有有少少量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有量原子团或化合物的分子，而离子所占的比例较少，一般仅有1%-10%。溅溅射射过过程程可可以以用用溅溅射射产产额额这这个个物物理理量量来来定定量量地地描描述述，其其定定义义为为平平均均每每入入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即溅射产额溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅溅射产额依赖于靶材料的射产额依赖于靶材料的结构结构、成份成份及及表面形貌表面形貌，同时还与入射离子的，同时还与入射离子的能量能量、电荷态电荷态和和种类种类有关。有关。1 溅射产额（1）溅射产额的定义溅射产额同样可以表述为溅射（2）溅射产额的影响因素溅射产额的影响因素a、入射离子能量、入射离子能量 入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响。入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响。（a)各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在各种物质都有自已的溅射阀值，大部分金属的溅射阀值在1040eV，只有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。如下表：的溅射阀值与它的升华热有一定的比例关系。如下表：溅射阀值：溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的种类与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。关系不大、与靶材有关。（2）溅射产额的影响因素(b)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。如下图下降。如下图 图 3.9(b)随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离b、入射离子种类和被溅射物质种类、入射离子种类和被溅射物质种类 入射离子种类入射离子种类和和被溅射物质种类被溅射物质种类对物质的溅射对物质的溅射产额也有很大的影响。产额也有很大的影响。图是在图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击加速电压条件下各种入射离子轰击Ag表面时得到的溅射产额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离离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。b、入射离子种类和被溅射物质种类图是在45kV加速电压条件下图是加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额的变化情况。可以看出，元素的溅射产额呈现明显的周期性，即随着元素外层d电子数的增加，其溅射产额提高，因而Cu、Ag、Au等元素的溅射产额明显高于Ti、Zr、Nb、Mo、W等元素。图是加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射c、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响图图3.11 随着离子入射方向与靶面法线随着离子入射方向与靶面法线间夹角间夹角的增加，溅射产额先呈现的增加，溅射产额先呈现1/cos 规律的增加，即倾斜入射规律的增加，即倾斜入射有利于提高溅射产额。当入射角有利于提高溅射产额。当入射角接近接近80度角时，产额迅速下降。离度角时，产额迅速下降。离子入射角对溅射产额的影响如图子入射角对溅射产额的影响如图3.11。c、离子入射角度对溅射产额的影响图3.11 随着d、靶材温度对溅射产额的影响、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。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。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。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溅射靶材的温升溅射靶材的温升溅射靶材的温升。d、靶材温度对溅射产额的影响2 合金的溅射与沉积合金的溅射与沉积（1）合金的溅射）合金的溅射 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的优点就是：易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。原因：原因：a、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；b、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。例如，对于成分为80%Ni-20%Fe的合金靶，1keV的Ar+离子溅射，溅射产额分别为：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。经过一段时间的预溅射之后，靶材表面的成分比将逐渐变为Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即70.2%Ni-29.8%Fe。在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。2 合金的溅射与沉积（1）合金的溅射 与蒸发法（2）溅射法的主要特点）溅射法的主要特点 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的主要特点主要特点有：a、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。b、制备合金薄膜时，成分的控制性能好。c、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。d、可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。e、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。（2）溅射法的主要特点 表表3.2是从沉积是从沉积原理方面对溅原理方面对溅射和蒸发这两射和蒸发这两种薄膜制备方种薄膜制备方法进行的总结法进行的总结与比较与比较表3.2是从沉积原理方面对溅射和蒸发这两种薄膜制备方法进行的3.4 溅射沉积装置溅射沉积装置及各种溅射镀膜方法及各种溅射镀膜方法多功能磁控溅射设备多功能磁控溅射设备 溅射靶溅射靶 3.4 溅射沉积装置及各种溅射镀膜方法多功能磁控溅射设备 靶材：靶材：纯金属、合金通过冶炼或粉末冶金法制备，纯度 及致密性较好。化合物 粉末热压法制备，纯度及致密性较差。靶材生产厂家：北京有研总院靶材中心、北京蒙泰有研技术开发中心、北京泛德辰公司、合肥科晶、深圳宏瑞兴、惠州天亿等。靶材：靶材生产厂家：北京有研总院靶材中心、北京蒙泰有研技术开主要溅射法：主要溅射法：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、离子束溅射主要溅射法：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、离子束溅1 直流溅射直流溅射 直直流流溅溅射射又又称称阴阴极极溅溅射射或或二二极极溅溅射射，适适用用于于导导电电性性较较好好的的各各类类合合金金薄膜。薄膜。（1）直流溅射设备）直流溅射设备(如右图）如右图）（2）直流溅射的基本原理：直流溅射的基本原理：在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。1 直流溅射 直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适（3）溅溅射射条条件件：工工作作气气压压10Pa，溅溅射射电电压压1000V，靶靶 电电 流流 密密 度度0.5mA/cm2,薄薄膜膜沉沉积积率率低低于于0.1m/min。（4）工工作作气气压压对对溅溅射射速速率率的影响的影响 气气压压低低，电电子子自自由由程程较较长长，通通过过碰碰撞撞而而引引起起的的气气体体分分子子电电离离的的几几率率较较低低，同同时时离离子子在在阳阳极极上上溅溅射射时时发发出出二二次次电电子子的的几几率率也也相相对对较较小小。这这些导致溅射速率很低；些导致溅射速率很低；图图3.16（3）溅射条件：工作气压10Pa，溅射电压1000V，靶电流 随气压升高，溅射速率提高；随气压升高，溅射速率提高；气气压压过过高高时时，溅溅射射出出来来的的原原子子在在飞飞向向衬衬底底的的过过程程中中受受过过多多的的散散射射，部部分分溅溅射射原原子子甚甚至至被被散散射射回回靶靶材材表表面面沉沉积积下下来，因此溅射速率反而下降。来，因此溅射速率反而下降。（5）工作气压对薄膜质量的影响）工作气压对薄膜质量的影响 溅溅射射气气压压较较低低时时，入入射射到到衬衬底底表表面面的的原原子子没没有有经经过过很很多多次次碰碰撞撞，因因而而其其能能量量较较高高，这这有有利利于于提提高高沉沉积积时时原原子子的的扩散能力，提高沉积组织的致密度。扩散能力，提高沉积组织的致密度。溅溅射射气气压压的的提提高高使使得得入入射射原原子子的的能能量量降降低低，这这不不利利于于薄膜组织的致密化。薄膜组织的致密化。（6）直流溅射装置的缺点）直流溅射装置的缺点 不不能能独独立立控控制制各各个个工工艺艺参参数数，如如阴阴极极电电压压、电电流流以以及及溅射气压；溅射气压；使使用用的的气气压压较较高高（10Pa左左右右），溅溅射射速速率率低低，薄薄膜膜质质量（致密度、纯度）差。量（致密度、纯度）差。随气压升高，溅射速率提高；（7）直流溅射装置的改进）直流溅射装置的改进 如如图图所所示示。在在直直流流二二极极溅溅射射的的基基础础上上，增增加加一一个个发发射射电电子的热阴极子的热阴极和一个和一个辅助阳极辅助阳极，构成三极（或称四极）溅射装置。，构成三极（或称四极）溅射装置。特特点点：由由于于热热阴阴极极发发射射电电子子的的能能力力较较强强，因因而而放放电电气气压压可可以以维维持持在在较较低低水水平平上上，这这对对于于提提高高沉沉积积速速率率、减减少少气气体体污污染染等等都都是是有有利利的的。此此时时提提高高辅辅助助阳阳极极的的电电流流密密度度即即可可提提高高等等离离子子体体的的密密度度和和薄薄膜膜的的沉沉积积速速率率，而而轰轰击击靶靶材材的的离离子子流流又又可可以以得得到到独独立立的的调节。调节。缺缺点点：难难于于获获得得大大面面积积且且分分布布均均匀匀的的等等离离子子体体，且且在在提提高高薄薄膜膜沉沉积积速速率率方方面面的的能能力力有限。有限。（7）直流溅射装置的改进特点：由于热阴极发射电子的能力较强，2 射频溅射射频溅射 适用于适用于各种金属各种金属和和非金属材料非金属材料的一种溅射沉积方法。的一种溅射沉积方法。（1）射频溅射设备）射频溅射设备（如图）（如图）（2）射频溅射的基本原理射频溅射的基本原理 两两极极间间接接上上射射频频（530MHz，国国际际上上多多采采用用美美国国联联邦邦通通讯讯委委员员会会（FCC）建建议议的的13.56MHz）电电源源后后，两两极极间间等等离离子子体体中中不不断断振振荡荡运运动动的的电电子子从从高高频频电电场场中中获获得得足足够够的的能能量量，并并更更有有效效地地与与气气体体分分子子发发生生碰碰撞撞，并并使使后后者者电电离离，产产生生大大量量的的离离子子和和电电子子，此此时时不不再再需需要要在在高高压压下下（10Pa左左右右）产产生生二二次次电电子子来来维维持持放放电电过过程程，射射频频溅溅射射可可以以在在低低压压（1Pa左左右右）下下进进行行，沉沉积积速速率率也也因因气气体体散散射射少少而而较较二二极极溅溅射射为为高高；高高频频电电场场可可以以经经由由其其他他阻阻抗抗形形式式耦耦合合进进入入沉沉积积室室，而而不不必必再再要要求求电电极极一一定定要要是是导导体体；由由于于射射频频方方法法可可以以在在靶靶材材上上产产生生自自偏偏压压效效应应，即即在在射射频频电电场场作作用用的的同同时时，靶靶材材会会自自动动处处于于一一个个较较大大的的负负电电位位下下，从从而而导导致致气气体体离离子子对对其其产产生生自自发发的的轰轰击击和和溅溅射射，而而在在衬衬底底上上自自偏偏压压效效应应很很小小，气气体体离离子子对对其其产产生生的的轰轰击击和和溅溅射射可可以以忽忽略略，将将主主要要是是沉积过程。沉积过程。2 射频溅射 适用于各种金属和非金属材料的一种溅如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？由由于于电电子子的的运运动动速速度度比比离离子子的的速速度度大大得得多多，因因而而相相对对于于等等离离子子体体来来说说，等离子体近旁的任何部位都处于负电位。等离子体近旁的任何部位都处于负电位。设设想想一一个个电电极极上上开开始始并并没没有有任任何何电电荷荷积积累累。在在射射频频电电压压的的驱驱动动下下，它它既既可可作作为为阳阳极极接接受受电电子子，又又可可作作为为阴阴极极接接受受离离子子。在在一一个个正正半半周周期期中中，电电极极将将接接受受大大量量电电子子，并并使使其其自自身身带带有有负负电电荷荷。在在紧紧接接着着的的负负半半周周期期中中，它它又又将将接接受受少少量量运运动动速速度度较较慢慢的的离离子子，使使其其所所带带负负电电荷荷被被中中和和一一部部分分。经经过过这这样样几几个个周周期期后后，电电极极上上将将带带有有一一定定数数量量的的负负电电荷荷而而对对等等离离子子体体呈呈现现一一定定的的负负电电位位。（此此负负电电位位对对电电子子产产生生排排斥斥作作用用，使使电电极极此此后后接接受受的的正正负负电电荷荷数目相等）数目相等）设设等等离离子子电电位位为为Vp（为为正正值值），则则接接地地的的真真空空室室（包包含含衬衬底底）电电极极（电电位位为为0）对对等等离离子子的的电电位位差差为为-Vp，设设靶靶电电极极的的电电位位为为Vc（是是一一个个负负值值），则则靶靶电电极极相相对对于于等等离离子子体体的的电电位位差差为为Vc-Vp。|Vc-Vp|幅幅值值要要远远大大于于|-Vp|。因因此此，这这一一较较大大的的电电位位差差使使靶靶电电极极实实际际上上处处在在一一个个负负偏偏压压之之下下，它它驱驱使使等等离子体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。离子体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。工作频率50Hz或60Hz叫工频,在它以下的叫低频;60Hz至20kHz叫中频;20kHz以上叫高频。如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？工作频率50Hz或60（3）溅射条件：）溅射条件：工工 作作 气气 压压 1.0Pa，溅溅 射射 电电 压压 1000V，靶靶 电电 流流 密密 度度1.0mA/cm2,薄膜沉积速率低于薄膜沉积速率低于0.5m/min。（）射频溅射法的特点（）射频溅射法的特点a、能够、能够产生自偏压效应产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射，并沉，达到对靶材的轰击溅射，并沉积在衬底上；积在衬底上；b、自发产生负偏压的过程与所用、自发产生负偏压的过程与所用靶材是否是导体无关靶材是否是导体无关。但是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至靶但是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至靶材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏压；材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏压；c、与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能、与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能量直接耦合给等离子体中的电子，因而其量直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应的工作气压和对应的靶电压较低靶电压较低。（3）溅射条件：相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有的两个缺点：a、沉积速率较蒸发法低；b、所需工作气压较高，否则电子的平均自由程太长，放电现象不易维持。从而导致薄膜被污染的可能性较高。磁控溅射法则因为磁控溅射法则因为其沉积速率较高（比其他溅射法高出一个数量级），工作气其沉积速率较高（比其他溅射法高出一个数量级），工作气体压力较低而具有独特的优越性。体压力较低而具有独特的优越性。磁控溅射磁控溅射相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有的两个缺点：磁控溅射设备磁控溅射仪（型号JGP-560）磁控溅射设备磁控溅射仪（型号JGP-560）磁控溅射装置示意图磁控溅射装置示意图实验样品实验样品（1）磁控溅射的基本原理）磁控溅射的基本原理当电子在正交电磁场中运动时，由于受到洛仑兹力的影响，当电子在正交电磁场中运动时，由于受到洛仑兹力的影响，电子的运动将由直线运动变成摆线运动，如图所示。电子电子的运动将由直线运动变成摆线运动，如图所示。电子将可以被约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运将可以被约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率。这动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率。这样，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以显著提高溅样，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以显著提高溅射效率和沉积速率。射效率和沉积速率。（1）磁控溅射的基本原理磁控溅射原理电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响，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。磁控溅射原理电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响磁控溅射原理Ar离子在磁场的作用下加速撞击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。磁控溅射原理Ar离子在磁场的作用下加速撞击靶材，溅射出大量的磁控溅射特点电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加，提高溅射效率。电子只有在其能量将耗尽时才会落得基片上，基片温度上升慢。磁控溅射特点电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加，提高溅影响溅射效率的因素磁场分布工作气压工作电压溅射功率靶基距磁控溅射的分类磁控溅射的分类射频（RF）磁控溅射直流（DC）磁控溅射影响溅射效率的因素磁场分布（2）磁控溅射）磁控溅射设备设备 根据靶材形根据靶材形状不同，磁状不同，磁控溅射可以控溅射可以有许多形式，有许多形式，常用的主要常用的主要有：平面磁有：平面磁控靶、圆柱控靶、圆柱磁控靶。磁控靶。a、平面磁控靶、平面磁控靶b、圆柱磁控靶、圆柱磁控靶 这里用的是电磁线圈，这里用的是电磁线圈，书中用的是永磁铁来提供磁场。书中用的是永磁铁来提供磁场。（2）磁控溅射设备a、平面磁控靶（）磁控溅射的特点（）磁控溅射的特点a、工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；、工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；b、维持放电所需的靶电压低；、维持放电所需的靶电压低；c、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；、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；d、容易实现在、容易实现在塑料塑料等衬底上的薄膜低温沉积。等衬底上的薄膜低温沉积。缺点：缺点：a、对靶材的溅射不均匀；、对靶材的溅射不均匀；b、不适合铁磁材料的溅射不适合铁磁材料的溅射，如果铁磁，如果铁磁材料，则少有漏磁，等离子体内无磁力线通过；材料，则少有漏磁，等离子体内无磁力线通过；（）磁控溅射法的改进（）磁控溅射法的改进保持适度的离子对衬底的轰击效应，保持适度的离子对衬底的轰击效应，以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。a、采用非平衡磁控溅射法，有意识、采用非平衡磁控溅射法，有意识地增大（或减小）靶中心的磁体体积，造成地增大（或减小）靶中心的磁体体积，造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这时等离子体的作用扩展到了衬底附近，而部时等离子体的作用扩展到了衬底附近，而部分电子被加速射向衬底，同时在此过程中造分电子被加速射向衬底，同时在此过程中造成气体分子电离和部分离子轰击衬底，成气体分子电离和部分离子轰击衬底，如图如图3.23所示。所示。b、为进一步提高离子的轰击效果，、为进一步提高离子的轰击效果，还可以在衬底上有意地施加各种偏压。对衬底施加偏压时的磁控溅射法又叫还可以在衬底上有意地施加各种偏压。对衬底施加偏压时的磁控溅射法又叫磁控溅射离子镀磁控溅射离子镀。（）磁控溅射的特点引言 为何要使用离子束溅射 溅射系统的一个主要缺点就是工作压强较高，由此导致溅射膜中有气体分子的进入。而离子束溅射，除具有工作压强低，减小气体进入薄膜，溅射粒子输送过程中较少受到散射等优点外，还可以让基片远离离子发生过程。离子束溅射的靶和基片与加速极不相干，因此，通常在传统溅射沉积中由于离子碰撞引起的损伤会降到极小。并且在外延生长薄膜领域，离子束溅射沉积变得非常有用。因为在高真空环境下，离子束溅射出来的凝聚粒子具有超过10eV的动能。即使在低基片温度下，也会得到较高的表面扩散率，对外延生长十分有利。4 离子束溅射离子束溅射引言 为何要使用离子束溅射 溅射系统的一个（1）离子束溅射薄膜沉积装置示意图）离子束溅射薄膜沉积装置示意图（如图（如图3.29）（2）离子束溅射的基本原理）离子束溅射的基本原理 产产生生离离子子束束的的独独立立装装置置被被称称为为离离子子枪枪，它它提提供供一一定定的的束束流流强强度度、一一定定能能量量的的ArAr离离子子流流。离离子子束束以以一一定定的的入入射射角角度度轰轰击击靶靶材材并并溅溅射射出出其其表表层层的的原原子子，后后者者沉沉积积到到衬衬底底表表面面即即形形成成薄薄膜膜。在在靶靶材材不不导导电电的的情情况况下下，需需要要在在离离子子枪枪外外或或是是在在靶靶材材的的表表面面附附近近，用用直直接接对对离离子子束束提提供供电电子子的的方方法法，中中和和离离子子束所携带的电荷。束所携带的电荷。（1）离子束溅射薄膜沉积装置示意图（如图3.29）（2）离子（3 3）特点）特点 a a、气气体体杂杂质质小小，纯纯度度高高，因因为为溅溅射射是是在在较较高高的的真真空空度度条件下进行的。条件下进行的。b b、由由于于在在衬衬底底附附近近没没有有等等离离子子体体的的存存在在，因因此此也也就就不不会会产产生生等等离离子子轰轰击击导导致致衬衬底底温温度度上上升升、电电子子和和离离子子轰轰击击损损伤等一系列问题。伤等一系列问题。c c、由由于于可可以以用用到到精精确确地地控控制制离离子子束束的的能能量量、束束流流大大小小与与束束流流方方向向，而而且且溅溅射射出出的的原原子子可可以以不不经经过过碰碰撞撞过过程程而而直直接接沉沉积积薄薄膜膜，因因而而离离子子束束溅溅射射方方法法很很适适合合于于作作为为一一种种薄薄膜膜沉积的研究手段。沉积的研究手段。（4 4）缺点）缺点 装置过于复杂，薄膜的沉积速率较低，设备运行成本装置过于复杂，薄膜的沉积速率较低，设备运行成本较高。较高。（3）特点离子束辅助沉积离子束溅射沉积Rms：表面光洁度离子束辅助沉积离子束溅射沉积Rms：表面光洁度 理想的薄膜应该具有光学性质稳定、无散射和吸收、机械性能强和化学性质稳定等特征，而离子束溅射技术正好提供了能够达到这些要求的技术平台，目前离子束溅射技术的应用领域不断地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、射线等范围。离子束溅射技术在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域即将发挥其强大的作用。应用应用 理想的薄膜应该具有光学性质稳定、无散射和吸收、离子束溅射镀膜技术（IBSD）离子束溅射镀膜技术（IBSD）磁性材料的溅射采用高磁靶：采用高磁靶：因磁性材料对磁场有一定的屏蔽作用，故要对磁性材料靶进行溅射镀膜时，要采用高磁靶，保证磁力线穿透靶材才能达到磁控溅射的效果，提高溅射效率。磁性材料的溅射采用高磁靶：本章的小结1、气体放电现象与等离子体；2、物质的溅射现象 包括溅射现象，溅射产额及影响因素（入射离子能量、种类、入射角度，被溅射物种类，温度），合金的溅射与沉积；3、溅射沉积装置 包括直流溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射。本章的小结1、气体放电现象与等离子体；第3章习题1.何谓溅射法，请通过气体放电现象解释溅射法的工作原理。2.试分析溅射产额的影响因素。3.何谓磁控溅射法，磁控溅射装置及其工作原理如何？第3章习题何谓溅射法，请通过气体放电现象解释溅射法的工作原理