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1、磁控溅射镀膜技术1概述2溅射镀膜的基本原理3磁控溅射书目|CONTENT3一、概述1.1.定义定义 溅溅射射镀镀膜膜是是利利用用气气体体放放电电产产生生的的正正离离子子在在电电场场作作用用下下高高速速轰轰击击阴阴极极靶靶，使使靶靶材材中中的的原原子子（或或分分子子）逸逸出出而而淀淀积积到到被被镀镀衬衬底底（或或工工件件）的的表表面，形成所须要的薄膜。面，形成所须要的薄膜。2.2.特点（与真空蒸发镀膜相比）特点（与真空蒸发镀膜相比）（1 1）可以溅射任何物质；）可以溅射任何物质；（2 2）溅射薄膜与衬底的附着性好；）溅射薄膜与衬底的附着性好；（3 3）溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；）溅射
2、镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；（4 4）膜层厚度可控性和重复性好。）膜层厚度可控性和重复性好。溅溅射射镀镀膜膜的的缺缺点点：溅溅射射设设备备困困难难，须须要要高高压压装装置置；溅溅射射沉沉积积的的成成膜膜速度低；基片温度较高；易受杂质气体影响等。速度低；基片温度较高；易受杂质气体影响等。4二、溅射镀膜的基本原理 溅射镀膜基于高能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。放电方式：（1）直流溅射直流辉光放电 （2）射频溅射射频辉光放电 （3）磁控溅射环状磁场限制下的辉光放电5二、溅射镀膜的基本原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：直直
3、流流辉辉光光放放电电是是在在真真空空度度约约1 110Pa10Pa的的淡淡薄薄气气体体中中，两两个电极之间在确定电压下产生的一种气体放电现象。个电极之间在确定电压下产生的一种气体放电现象。气气体体放放电电时时，两两电电极极之之间间的的电电压压和和电电流流的的关关系系困困难难，不不能用欧姆定律描述。能用欧姆定律描述。6二、溅射镀膜的基本原理7二、溅射镀膜的基本原理8二、溅射镀膜的基本原理 由巴邢定律知，在气体成分和电极材料确定的状况下，起辉电压V只与气体压强P和电极距离d的乘积有关。9二、溅射镀膜的基本原理10二、溅射镀膜的基本原理11二、溅射镀膜的基本原理常压气体高温下放电12二、溅射镀膜的基
4、本原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：7.7.辉光的产生辉光的产生 众众多多的的电电子子、原原子子碰碰撞撞导导致致原原子子中中的的轨轨道道电电子子受受激激跃跃迁迁到到高高能能态态，而而后后又又衰衰变变到到基基态态并并放放射射光光子子，大大量量的的光光子子形形成成辉光。辉光。对对于于一一对对平平行行平平板板放放电电电电极极，当当电电源源功功率率增增加加，形形成成辉辉光光放放电电时时，阴阴阳阳两两极极间间明明暗暗光光区区的的分分布布状状况况，以以及及暗暗区区和和亮亮区对应的电位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。区对应的电位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。13二、溅射镀膜的基本
5、原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：（1 1）阿斯顿暗区：）阿斯顿暗区：冷阴极放射的电子能量很低，冷阴极放射的电子能量很低，约约1eV1eV左右，很难与气体发生碰撞左右，很难与气体发生碰撞电离，所以在阴极旁边形成一个电离，所以在阴极旁边形成一个黑暗的区域，称为阿斯顿暗区。黑暗的区域，称为阿斯顿暗区。运用氩、氖之类气体时这个运用氩、氖之类气体时这个暗区很明显。对于其它气体，这暗区很明显。对于其它气体，这个暗区很窄，难以视察到。个暗区很窄，难以视察到。14二、溅射镀膜的基本原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：（2 2）阴极辉光区：）阴极辉光区：电子通过阿斯顿暗区后，在电场的作用下获
6、得了足够的能量，与气体发生碰撞，使气体分子被激发，而后又衰变到基态并放出辉光，形成阴极辉光区。（3 3）克鲁克斯克鲁克斯暗区：暗区：随电子加速获足够能量，穿过阴极辉光区时与正离子不易发生复合，从而形成又一个暗区，叫做克鲁克斯暗区。暗区的宽度与电子的平均自由程有关。15二、溅射镀膜的基本原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：（4 4）负辉光区（辉光最强）：）负辉光区（辉光最强）：随着电子速度增大，很快获随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后使大量气体电离，离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。产生大量的正离子。正离子移动速度
7、慢，产生积正离子移动速度慢，产生积聚，电位上升；与阴极之间的电聚，电位上升；与阴极之间的电位差成为阴极压降。位差成为阴极压降。电子在高浓度正离子积聚区电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，与正离子复经过碰撞速度降低，与正离子复合几率增加，形成光明的负辉光合几率增加，形成光明的负辉光区。区。靶材的位置16二、溅射镀膜的基本原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：（5 5）法拉第暗区：法拉第暗区：经过负辉光区后，大多数动经过负辉光区后，大多数动能较大的电子因碰撞都已丢失了能较大的电子因碰撞都已丢失了能量，少数电子穿过负辉光区，能量，少数电子穿过负辉光区，形成暗区。形成暗区。（6 6）正离子
8、柱：）正离子柱：法拉第暗区过后，少数电子法拉第暗区过后，少数电子渐渐加速，并使气体电离；由于渐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。成密集的空间电荷。此区域电压降很小，类似一此区域电压降很小，类似一个良导体。个良导体。17二、溅射镀膜的基本原理（一）直流辉光放电：（一）直流辉光放电：8.8.常用气体辉光放电各区域常用气体辉光放电各区域颜色颜色气体种类气体种类阴极光层阴极光层负辉区负辉区正柱区正柱区空气桃色兰色桃红色红褐色淡兰色桃色桃色兰色桃色红色黄白色淡黄色有桃色中心红色绿色红发紫桃色暗兰色暗紫色黄色橙色橙红色绿色绿色绿色18二、溅
9、射镀膜的基本原理19二、溅射镀膜的基本原理（三）溅射参数：（三）溅射参数：溅射阀值溅射阀值溅射率及其影响因素溅射率及其影响因素溅射粒子的速度和能量分布溅射粒子的速度和能量分布溅射原子的角度分布溅射原子的角度分布 20二、溅射镀膜的基本原理（三）溅射参数：（三）溅射参数：1.1.溅射阀值溅射阀值 溅溅射射阈阈值值是是指指使使靶靶材材原原子子发发生生溅溅射射的的入入射射离离子子所所必必需需的的最小能量，主要取决于靶材料。最小能量，主要取决于靶材料。对绝大多数金属靶材，溅射阈值为1030eV21二、溅射镀膜的基本原理 溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料
10、，得到的溅射率不同。溅射率呈周期性变更，随靶材料元素的原子序数的增大而增加。22二、溅射镀膜的基本原理23二、溅射镀膜的基本原理（三）溅射参数：（三）溅射参数：（3 3）入射离子种类：）入射离子种类：入射离子的原子量越大，溅射率就越高入射离子的原子量越大，溅射率就越高;溅溅射射率率随随入入射射离离子子的的Z Z周周期期性性变变更更而而变变。同同一一周周期期中中凡凡闭闭合合电子壳层的元素溅射率最大，所以惰性气体的溅射率最高。电子壳层的元素溅射率最大，所以惰性气体的溅射率最高。24二、溅射镀膜的基本原理25二、溅射镀膜的基本原理（三）溅射参数：（三）溅射参数：（5 5）靶材温度：）靶材温度：靶材存
11、在与升华相关的某一温度。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。除此之外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、溅射压强等因素有关26二、溅射镀膜的基本原理（三）溅射参数：（三）溅射参数：3.3.溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度不同靶材具有不同的原子逸出能量；入射离子种类和能量（守恒定律）；倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。27二、溅射镀膜的基本原理28二、溅射镀膜的基本原理（四）溅射镀膜过程：（四）溅射镀膜过程：1.1.靶材的溅射过程靶材的溅射过程 入入射射高高能能粒粒子子轰轰击击靶靶，将将动动量量转转给给靶靶材材原原子子，把把靶靶材材原原子子从从靶靶表表面
12、面撞撞动动身身生生溅溅射射。只只有有靶靶材材原原子子吸吸取取的的能能量量超超过过其其结合能，溅射才能发生。结合能，溅射才能发生。2.2.溅射粒子的迁移过程溅射粒子的迁移过程3.3.溅射粒子的成膜过程溅射粒子的成膜过程29二、溅射镀膜的基本原理（五）溅射机理：（五）溅射机理：1.1.热蒸发理论（早期理论）热蒸发理论（早期理论）溅溅射射现现象象是是被被电电离离气气体体的的离离子子在在电电场场中中加加速速并并轰轰击击靶靶面面，而而将将能能量量传传递递给给碰碰撞撞处处的的原原子子，导导致致很很小小的的局局部部区区域域产产生生高高温，使靶材溶化，发生热蒸发。温，使靶材溶化，发生热蒸发。可可以以说说明明溅
13、溅射射率率与与靶靶材材蒸蒸发发热热和和入入射射离离子子的的能能量量关关系系，余余弦弦分布规律；分布规律；不不能能说说明明溅溅射射率率与与入入射射离离子子角角度度关关系系，非非余余弦弦分分布布规规律律，以以及溅射率与入射离子质量关系等。及溅射率与入射离子质量关系等。30二、溅射镀膜的基本原理（五）溅射机理：（五）溅射机理：2.2.动量转移理论动量转移理论 深化探讨结果表明，溅射完全是一个动量转移过程。深化探讨结果表明，溅射完全是一个动量转移过程。该该理理论论认认为为，低低能能离离子子碰碰撞撞靶靶时时，不不能能干干脆脆从从表表面面溅溅射射出出原原子子，而而是是把把动动量量传传递递给给被被碰碰撞撞的
14、的原原子子，引引起起原原子子的的联联级级碰碰撞撞。这这种种碰碰撞撞沿沿晶晶体体点点阵阵的的各各个个方方向向进进行行。当当原原子子的的能能量量大于结合能时，就从表面溅射出来。大于结合能时，就从表面溅射出来。图图4.1 4.1 溅射原子的联级碰撞示意图溅射原子的联级碰撞示意图 31三、磁控溅射 溅射沉积方法有两个缺点:第一，沉积速率较低；其次，溅射所需的工作气压较高。为了在低气压下进行高速溅射，必需有效的提高气体的离化率，发展出了磁控溅射技术。（一）磁控溅射的工作原理：（一）磁控溅射的工作原理：引引入入正正交交电电磁磁场场来来变变更更电电子子运运动动方方向向，束束缚缚和和延延长长电电子子的的运运动
15、动路路径径，提提高高电电子子的的电电离离概概率率和和有有效效地地利利用用了了电子的能量。电子的能量。32三、磁控溅射33三、磁控溅射（三）磁控溅射的分类：（三）磁控溅射的分类：1.1.直流磁控溅射直流磁控溅射1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板34三、磁控溅射（三）磁控溅射的分类：（三）磁控溅射的分类：2.2.射频磁控溅射射频磁控溅射1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板9-匹配网络 10-电源 11-射频发生器35三、磁控溅射36三、磁控溅射（四）磁控溅射的应用实例（四）磁控溅射的应用
16、实例-TCO-TCO薄膜的制备：薄膜的制备：TCOTCO薄薄膜膜为为晶晶粒粒尺尺寸寸数数百百纳纳米米的的多多晶晶层层，晶晶粒粒取取向向单单一一。目目前前探探讨讨较较多多的的是是ITOITO、FTOFTO和和AZOAZO。电电阻阻率率达达10-10-44cmcm量级，可见光透射率为量级，可见光透射率为80%80%90%90%。FTO(SnO2FTO(SnO2F)F)：电电阻阻率率可可达达5.010-45.010-4cmcm，可可见见光光透透过过率率80%80%。ITO(In2O3ITO(In2O3Sn)Sn)：电电阻阻率率可可达达7.010-57.010-5cm cm，可可见见光光透透过率过率8
17、5%85%。AZO(ZnOAZO(ZnOAl)Al)：电电阻阻率率可可达达1.510-41.510-4cm cm，可可见见光光透透过过率率80%80%。薄薄膜膜的的性性质质是是由由制制备备工工艺艺确确定定的的，一一般般要要求求为为：薄薄膜膜电电阻阻率率低低、透透射射率率高高且且表表面面形形貌貌好好；薄薄膜膜生生长长温温度度低低，与与基板附着性好；能大面积匀整制膜且制膜成本低。基板附着性好；能大面积匀整制膜且制膜成本低。37三、磁控溅射（四）磁控溅射的应用实例（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：薄膜的制备：1.基片温度的影响基片温度的影响晶粒过大晶粒过大缺陷增多缺陷增多 晶界散射多晶界散
18、射多电阻率上升电阻率上升温度较低温度较低薄膜晶粒小薄膜晶粒小温度过高温度过高电阻率下降电阻率下降38三、磁控溅射（四）磁控溅射的应用实例（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：薄膜的制备：2.沉积时间沉积时间的影响的影响温度过高温度过高 晶粒过大晶粒过大缺陷增多缺陷增多 电阻率下降电阻率下降电阻率上升电阻率上升沉积时间延长沉积时间延长薄膜厚度增加薄膜厚度增加透过率下降透过率下降沉积时间过长沉积时间过长温度上升温度上升晶化率增加晶化率增加电阻率下降电阻率下降39三、磁控溅射（四）磁控溅射的应用实例（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：薄膜的制备：3.溅射功率的影响溅射功率的影响溅射功率
19、增加溅射功率增加溅射粒子增加溅射粒子增加粒子能量增加粒子能量增加溅射功率过高溅射功率过高薄膜致密性增加薄膜致密性增加膜层与基体粘附力增加膜层与基体粘附力增加溅射粒子能量过大溅射粒子能量过大氩离子能量过大氩离子能量过大陶瓷靶易开裂陶瓷靶易开裂薄膜致密性下降薄膜致密性下降40三、磁控溅射（四）磁控溅射的应用实例（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：薄膜的制备：4.氩气气压氩气气压的影响的影响氩离子过多氩离子过多 碰撞增多碰撞增多 薄膜薄、晶化率低薄膜薄、晶化率低薄膜晶化率低薄膜晶化率低氩气气压过低氩气气压过低氩离子少氩离子少溅射原子少溅射原子少氩气气压过高氩气气压过高41三、磁控溅射（四）磁控溅射的应用实例（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：薄膜的制备：5.靶基距靶基距的影响的影响散射增大散射增大 轰击过大轰击过大 薄膜薄、晶化率低薄膜薄、晶化率低薄膜致密性下降薄膜致密性下降距离过小距离过小加速不够加速不够动能过小动能过小距离过大距离过大部分粒子不能溅射到基片上部分粒子不能溅射到基片上感谢倾听Thank You