Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作 用，提高了沉积速率。 (c) 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近， 不与基片接触。这样，电离产生的正离子能 有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰 击，制膜过程中温升较小。
有效地解决了直流溅射中基片温 升高和溅射速率低两大难题
存在的问题： ➢ 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 ➢ 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 ➢ 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面
直流溅射沉积装置示意图
已很少用，主要因为沉积速率太低 ~ 0.1mm/min
溅射沉积速率与工作气压间的关系
➢ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的 散射（方向及能量无序），到达基片的几率 随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均 匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极 平面面积为基片面积的两倍。
对膜层结构的影响
膜层的晶粒尺 寸和内应力
膜层的晶 面间距
第七节 溅射方法和溅射装置
➢ 直流溅射(二极，三极，四极) ➢ 射频溅射 ➢ 磁控溅射 ➢ 反应溅射
1. 直流溅射（双极型）
电压约1－5 kV，出射 原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV， 到达基板的原子能量约 1-2eV。
第二节 溅射机制 溅射原子的联级碰撞示意图
溅射机制：
局部加热蒸发机制
动能直接传递机制
(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦 规律，而趋向于晶体密度最高的方向；
(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也 决定于其质量；
(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。
入 射 离 子 种 类 的 影 响
溅射率与入射离子的关系 1.Ag靶；2.Cu靶；3.W靶
3.溅射原子的能量分布
原 子 数
原子能量 能量为80~1200 eV的离子轰击下， 从[110]方向逸出的铜原子能量分布
4.沉积速率
沉积速率:
Q CIr
Q为沉积速率，C为表示溅射装置特性 的常数，I为离子流，r为溅射系数。溅 射系数本身是溅射电压与溅射离子种类 得函数。沉积速率与靶到基片的距离、 溅射电压、溅射电流等有关。
e A P dnP / dt k(e,T )nenA
反应也可能在靶上或基板上进行=>靶中毒。 化合物的溅射产率约为纯金属的10%~20%
Ti靶；靶电压415~430V；靶-基片距离13 cm； 溅射气体N2/Ar或N2；总压强0.47 Pa；沉积率 ~1mm/h
非搀杂Si靶；溅射气体O2/Ar；靶-基 片距离8 cm；溅射压强0.7 ～2Pa； 溅射功率3.0kW；基片温度为室温； 薄膜中磷含量可达3 x 1021cm-3，且 可由坩锅温度和溅射气体压强控制。
反应溅射的实例
5. 离子束溅射
工作压强低，溅射粒子 被散射少，基片远离粒 子发生过程；凝聚粒子 能量较高，利于扩散。 增加了控制自由度：可 改变离子束方向及基片 方向，可独立控制离子 束能量和电流。
轰击到的靶面积小，沉积率较低，不适 合沉积厚度均匀的大面积薄膜
HgCdTe
6. 离子镀
在真空条件下，利用气体放电使 气体或被蒸发物部分离化，产生 离子轰击效应，最终将蒸发物或 反应物沉积在基片上。结合蒸发 与溅射两种薄膜沉积技术而发展 的一种 PVD方法。
反应气体：如 O2, N2, NH3, CH4, H2S 氧化物，如 Al2O3, SiO2, In2O3, SnO2 碳化物，如 SiC, WC, TiC, DLC 氮化物，如 TiN, AlN, Si3N4 硫化物，如 CdS, ZnS, CuS
等离子体中的化学反应： 活性高，如Ar+反应活性类似于Cl原子 反应速率：
电流电压之间不是线性关系， 不服从欧姆定律。
暗汤 光逊 放放 电电
过 渡 区
正 常 放 电
直
弧 光 放 电
流 辉 光 放
电
伏
安
特
性
曲
线
非 A-B:电流小，主要是游离状态的电子，离子
自
导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；
持 B-C: 增加电压，粒子能量增加，达到电离所
放
需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电
第五章、 离子溅射镀膜
第一节 溅射的定义 ❖ 用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子
束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获 得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进 入到真空中，这种现象称为溅射。
一、等离子体和辉光放电
溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放 电是溅射技术的基础。
辉光放电：真空度为10-1~10-2 Torr，两电极间加高 压，产生辉光放电。
➢ 低气压溅射：降低污染，提高溅射原子的平 均能量；需额外的电子源；外加磁场或高频 放电提高离化率。
直流三极溅射：
可以在低压强 （<0.13Pa）下运 行，但放电过程难 控制，重复性差
等离子体的密度可通过改变电子发射电流和加速 电压来控制。离子对靶材轰击能量可通过靶电压 加以控制。从而解决了二极溅射中靶电压、靶电 流及气压之间相互约束的矛盾。
电
源的输出阻抗限制电压(类似稳压源)。
C-D: 起辉（雪崩）；离子轰击产生二次电子，
电流迅速增大，极板间压降突然减小(极板
间电阻减小从而使分压下降)；
自 持
D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关，与
放 电
电压无关；随电流增大，离子轰击区域增大；
极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持
放电； e A 2e A
在溅射沉积过程中，引起衬底温度升高的能量有以 下三个来源：
(1)原子的凝聚能； (2)沉积原子的平均动能； (3)等离子体中的其它粒子，如电子、中性原子等 的轰击带来的能量。
第六节 离子轰击在溅射过程中的作用
1) 在膜层沉积之前的离子溅射清洗 2) 离子轰击对基体和镀层交界面的影响
a) 使基体中产生缺陷； b) 热效应； c) 物理混合；反冲注入，伪扩散层。 3) 离子轰击在薄膜生长中的作用 a) 优先去除松散结合的原子； b) 增强扩散和反应活性，提高成核密度； c) 对形貌的影响(晶粒的择优取向)； b) 对沉积膜组分的影响； c) 对膜层物理性能的影响（应力，结合力）
值，是Us和M2/M1的函数。Sn(E)是弹性碰撞截面，也是 能量与原子质量及原子序数的函数。
影响溅射产额的因素：
➢靶材料（靶表面原子结合能）； ➢轰击离子的质量； ➢轰击离子的能量； ➢轰击原子的入射角。
靶 材 料 的 影 响
Ar离子在400KV加速电压 下对各种元素的溅射产额
取决于表面 原子束缚能
(4)离子镀的类型和特点
①直流二极型离子镀
1－阳极 2－蒸发源 3－ 进气口 4－辉光放电区 5－阴极暗区 6－基片 7 －绝缘支架 8－直流电 源 9－真空室 10－蒸发 电源 11－真空系统
②直流三极型
(%) 2.2103 Jc (MT )1/2
P
1－阳极 2－进气口 3－蒸发源 4－电子吸收极 5－基片 6－热电子发射极 7－直流电源 8－真空室 9－蒸发电源 10－真空系统
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好，致密性好； ❖ 溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大
面积基片上获得厚度均匀的薄膜； ❖ 缺点是：沉积速率低，基片会受到等离子体的辐照
E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；
电压与电流、气体压强相关（可控制区域，
溅射区域）；
F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；
辉 光 放 电 示 意 图
❖ 阿斯顿暗区：慢电子区域； ❖ 阴极辉光：激发态气体发光； ❖ 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降
主要在前面的三个区域：阴极位降区)； ❖ 负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高； ❖ 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；
❖ 二极型：0.1~2% ❖ 射频： 10%
(3) 离子镀的粒子绕射性
①离子镀的工作气压约10-1Pa，比普通的真空 蒸镀10-4高，所以蒸发原子的平均自由程低， 散射严重，所以绕射性好。
②在气体放电的离子镀中，沉积粒子呈现 正电 性，从而受到处于负电位的基片的吸引作用。 离子镀的粒子绕射性提高薄膜对于复杂外形 表面的覆盖能力。
⑤离子束辅助沉积
第八节 蒸发、溅射和离子镀特点比较
类型 蒸发
粒子荷 电性
中性
溅射 中性 离子镀 带正电
能量 （eV）
沉积速率 绕射性 基片负荷
0.10.3
高
差
接0
3 10
低
差
接0 或负 偏压
10100
高
好 接负
（三） 溅射镀膜的特点
相对于真空镀膜，溅射镀膜具有如下特点： ❖ 对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅
无负偏压
有负偏压
3. 磁控溅射 1) 磁控溅射的原理和装置
dV e V B
dt m
不 同 磁 场 方 向 的 效 应
磁控溅射中电子运动示意图
各种不同的磁控溅射装置
2) 磁控溅射的特点： (a) 二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，
路程足够长，电子使原子电离的机会增加。 (b) 提高了电离效率，工作气压可降低到10-310-4
不均匀溅射 ➢ 反应性磁控溅射中的电弧问题 ➢ 膜的均匀性 ➢ 靶的非均匀腐蚀及内应力 ➢ 颗粒（重溅射）
4. 反应性气体溅射（量的反应性气体如N2,O2,烷类等， 使反应气体与靶材原子一起在衬底上沉积，对一些不 易找到块材制成靶材的材料，或在溅射过程中薄膜成 分容易偏离靶材原成分的，都可利用此方法。