薄膜的物理气相沉积-溅射法

薄膜技术与应用

——溅射镀膜主讲：朱家俊电子封装材料与薄膜技术研究所3溅射法及其他PVD方法概述辉光放电与等离子体物质的溅射现象溅射沉积装置2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所基本定义薄膜物理气相沉积的第二大类方法是溅射法。这种方法利用有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引到被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。溅射沉积的发展简史1852年，W.Grove在研究辉光放电的时候发现了溅射现象；1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阳极溅射出的产物；20世纪30年代，已有人开始利用溅射现象在实验室中制取薄膜；20世纪60年代初，Bell实验室和WesterElectic公司利用溅射制取集成电路用的Ta膜，从而开始了工业上的应用；1963年，指出全长10m的连续溅射镀膜装置；1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体材料的溅射成为可能；1969年，BattlePacficNorthwest实验室制成了使用的三级高速溅射装置；1974年，J.Chapin使高速、低温溅射镀膜成为现实。3.1概述Thomson形象的把溅射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，并称其为“Spluttering”，后来在印刷的过程中，将字母“l”漏印而成为“Sputtering”，不久这一词便被用作科学术语“溅射”。2023/2/12023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所溅射镀膜的特点膜层和基体的附着力强；可以方便的制取高熔点物质的薄膜；在大面积连续基板上可以制取均匀的薄膜；容易控制膜的成分，可以支取不同成分和配比的合金膜；可以进行反应溅射，制取多种化合物膜；可以方便的制取多层膜；便于工业化生产，易于实现连续化、自动化操作等。3.1概述电子封装材料与薄膜技术研究所3溅射法及其他PVD方法概述辉光放电与等离子体物质的溅射现象溅射沉积装置2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所等离子体

一种电离气体，是离子、电子和高能粒子的集合，整体显中性。它是一种由带电粒子组成的电离状态，亦称为物质的第四态。等离子体的获得利用粒子热运动的方法（燃烧或者热冲击使气体达到很高的温度，分子和原子剧烈碰撞而离解）；利用电磁波能量（光、X-ray）；利用接触电离（功函数不同的两种金属在高热表面接触发生离子化现象）；利用高能粒子（核聚变）；利用将电子和离子混合合成的方法（火箭推进器）；电子碰撞的方法（在电场的作用下，产生低气压气体放电）3.2辉光放电与等离子体2023/2/12023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体基本的溅射过程

在图所示的真空系统中，靶材作为阴极，相对于作为阳极并接地的真空室处于的负电位。沉积薄膜的衬底可以是接地的，也可以是处于浮动电位或是处于一定的正、负电位。在对系统预抽真空以后，充人适当压力的惰性气体，例如以Ar作为放电气体时，其压力范围一般于10-1~10Pa之间。在正负电极间外加电压的作用下，电极气体原子将被大量电离。电离过程使Ar原子电离为Ar’离子可以独立运动的电子，其中的电子会加速飞向阳极，而带正电离子则在电场的作用下加速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放出相应的能量。离子高速撞击靶材的结果之一是使大量的靶材表面原子获得了相当高的能量，使其可以脱离靶材的束缚而飞向衬底。在上述溅射的过程中，还伴随有其他粒子，包括二次电子等的发射过程。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体气体的辉光放电过程电子与气体的碰撞所称的激发、电离与反应。电离激发反应右图为简单的直流气体放电系统，电极之间由电动势E的直流电源提供电压V和电流I，并以电阻R作为限流电阻。高能亚稳中性原子的存在在气相沉积技术中很重要，一方面可以与沉积原子产生非弹性碰撞将一部分能量传递给沉积原子提高沉积原子的能量；另一方面，又可以产生累积电离，使受激离子电离，提高电离几率。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体直流气体放电伏安特性曲线在开始阶段电极间几乎没有电流（极少数的原子受到激发）随着电压的提高，电离粒子的运动随之加快，当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不在随电压升高而增加。电压继续升高，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来，（汤生放电）汤生放电后期，在一些电场强度较高的电极尖端开始出现一些跳跃的电晕光斑。随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流剧烈增加，进入电弧放电阶段。汤生放电后，气体突然发生点击穿现象，电路的电流大幅度增加，同时电压显著下降。在这一阶段，导电粒子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也足够高，会产生明显的辉光。随着电流的继续增加，将使辉光扩展到整个放电长度上。由于放电扩展到整个电极区域，再增加电流就需要额外增加电压。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体直流辉光放电区域的划分阿斯顿暗区，刚离开冷阴极的电子能量较低，不足以引起气体原子的激发；阴极光层，随着电子在电场中的加速足以使气体原子激发时，产生辉光；阴极暗区，电子能量进一步增加，引起气体原子的电离，从而产生大量的离子与低速电子，这一过程并不发可见光。（阴极位降区）负辉区，在阴极暗区产生的电子大多数在这里与气体原子碰撞激发或电离，并与离子复合，形成很强的辉光；法拉第暗区，大部分电子在负辉区失去能量，而且此区的电场也较弱，不足以引起明显的激发；正光柱区，在这里，正离子和电子密度相当，成为等离子体区，在此区，场强比阴极小几个数量级，带电粒子主要是无规则的运动。产生大量的非弹性碰撞；

阳极暗区，电子被阳极吸收，离子被阳极排斥，形成负的空间电荷区，电位升高，形成阳极位降区；

阳极辉光，电子在阳极区被加速，足以在阳极前产生电离和激发，形成阳极辉光区。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体等离子鞘层电子与离子具有不同的速度的一个直接后果是形成所谓的等离子体鞘层，即相对于等离子体来讲，任何位于等离子体中或其附近的物体都将自动地处于一个负电位，并且在其表面外将伴随有电荷的积累。E2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体直流辉光放电的特点辉光放电时的发光的颜色与气体的种类有关；辉光放电气压一般选择10-1~102Pa；阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的一部分，放电主要在这个区域中进行；在等离子体中，任何处于等离子体中的物体相对于等离子体而言均呈现负电位；电子在整个辉光放电过程中起到决定性的作用。正常辉光放电和异常辉光放电阶段。异常辉光放电(glowdischarge)是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式，它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。弧光放电过程应尽力避免。该过程会导致不均匀蒸发和靶材料的损坏。放电击穿之后的气体变成为具有一定导电能力的等离子体，相对于弧光放电来讲，辉光放电等离子体中电离粒子的密度以及粒子的平均能量均较低，而放电的电压则较高。此时，质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于质量极小的电子的能量。这是因为，质量极小的电子极易在电场中加速而获得能量。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体辉光放电中的碰撞过程弹性碰撞

碰撞后粒子所获能量与碰撞前粒子能量之比当M1和M2相等时，有，说明同种气体原子的碰撞能量转移十分有效；当M1>>M2，有，即，说明轻粒子被碰撞后的速度为入射粒子速度的两倍；当M1<<M2，有，说明轻粒子转移给重粒子的能量很小。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体辉光放电中的碰撞过程非弹性碰撞碰撞后粒子所获能量的最大值与碰撞前粒子能量之比当M1和M2相等时，有，说明粒子最多将其能量的一半交出；当M1<<M2，有，说明轻粒子几乎将所有的能量传递给中性粒子。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.2辉光放电与等离子体结论在气体放电过程中，离子每发生一次弹性碰撞，最多可以损失其全部能量；而发生一次非弹性碰撞，最多失去能量的一半；电子与重粒子在弹性碰撞中几乎不损失能量，而在非弹性碰撞中几乎把所有的能量交给中性粒子。通Ar时溅射Al靶的辉光通Ar/N2时溅射Al靶的辉光电子封装材料与薄膜技术研究所3溅射法及其他PVD方法概述辉光放电与等离子体物质的溅射现象溅射沉积装置2023/2/12023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象轰击离子与物质表面的作用2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象溅射产额溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量与动量的转移，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射产额是被溅射出来的原子数与入射离子数之间的比值，它是衡量溅射过程效率的一个重要的参数。与入射离子能量的关系存在溅射阈值随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，其后在10KeV左右趋于平缓，最后反而下降。每种物质的溅射阈值与入射离子的种类关系不大，但与被溅射物质的升华热有一定比例关系。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象溅射产额与入射离子种类和被溅射物质的关系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、Az＼Au等元素的溅射产额明显高于Ti、Zr、Nb、Mo、W等元素的溅射产额；使用惰性气体作为入射离子源时，溅射产额较高，且重离子的溅射产额高于轻离子的。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象溅射产额与入射离子角度的关系随着离子入射方向与靶面法线间夹角的增加，溅射产额先是呈现l／cos规律的增加，即倾斜入射有利于提高溅射产额。但当入射角接近800时，产额迅速下降。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象溅射产额与靶材温度的关系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之后，溅射产额会发生急剧的上升。其原因可能与温度升高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阈值减小有关。因此，在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射的功率以及溅射靶材的温升。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象合金的溅射和沉积

溅射法易于保证所制备的薄膜的化学成分与靶材的成分基本一致。而这一点对于蒸发法来说是很难做到的溅射法与蒸发法在保持确定的化学成分方面具有巨大差别的原因与不同元素溅射产额间的差别相比，元素之间在平衡蒸气压方面的差别太大；在蒸发的情况下，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较弱。由于溅射产额差别造成的靶材表面成分的偏离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：溅射产额高的物质已经贫化，溅射速率下降；而溅射产额低的元素得到了富集，溅射速率上升。其最终的结果是，尽管靶材表面的化学成分已经改变，但溅射出来的物质成分却与靶材的原始成分相同。溅射沉积引起衬底温度升高的原因原子的凝聚能；沉积原子的平均动能；等离子体中的其他粒子，如电子、中性原子等的轰击带来的能量。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.3物质的溅射现象溅射过程中入射离子与靶材之间的能量传递溅射出的原子将从溅射过程中获得很大的动能，其数值一般为5～20eV，蒸发法为0.1eV电子封装材料与薄膜技术研究所3溅射法及其他PVD方法概述辉光放电与等离子体物质的溅射现象溅射沉积装置离化PVD技术2023/2/12023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置根据其特征分为直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射离子束溅射电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置直流溅射典型的溅射条件工作气压：10Pa，溅射电压3KV，靶电流密度0.5mA／cm2，薄膜沉积速率低于0.1m/min.在直流溅射过程中，常用Ar作为工作气体。工作气压是一个重要的参数，它对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响。沉积速率通常与溅射功率（或者溅射电流的平方）成正比，与靶材和衬底之间的间距成反比。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置溅射沉积速率和工作气压的关系气压太低时，电子的平均自由

程较大，电离几率降低，大部

分电子在阳极消失，溅射沉积

速率降低；气压太高时，溅射出来的原子

在向阳极衬底发行的过程中将

会受到过多的碰撞和散射；一般的沉积气压可取70~150mTorr。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置直流溅射的改进型-三极溅射系统利用灯丝热电子发射离化气体工作条件为：工作气压0.5Pa，溅射电压1500V，靶电流密度2.0mA／cm2，薄膜沉积的速率0.3m／min。系统参数二极

溅射三极

溅射射频

溅射压力

Pa100.51电压

V300015001000电流

mA/cm20.52.01沉积率

m/min<0.10.30.5不同溅射系统的典型工作参数比较2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置射频溅射无线电波13.56MHZ，交变电场。负半周时，靶材为阴极，基片为阳极，正离子轰击靶材，溅射正常进行。正半周，靶材为阳极，基片为阴极，电子质量比离子小，迁移率高，很快飞向靶面，中和正电荷，且可能迅速积累大量电子，使靶表面空间电荷呈现负电性，即正半周也可实现离子轰击。射频能溅射绝缘靶。2023/2/1射频电极上的电流与电压电子速度比离子的快得多，因而射频电极在正半周内接受的电子比在负半周内接受的离子多得多，或者说其特性就象二极管。其平均电流为零，则相应产生鞘层电位3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1射频溅射时自偏压效应的产生每个射频电极既是阴极，又是阳极电子的速度比离子的速度高得多每个电极在半周期内倾向于接受的电子电量要比离子电量多许多，因此逐渐形成了鞘层电位，它的形成与靶是否是导体无关非对称的电极形式：真空室、地电极并接在一起，形成面积很大的非溅射极靶溅射极面积相对较小可将两个电极及中间的等离子体看成是两个串联的电容，其中靶电极与等离子体间的电容因靶面积小而较小，而等离子体与接地极间的电容因电极面积大而较大。两“电容”的电压降V与电极面积A的二次方成反比，即其中，角标c和d分别指经电容C或是直接耦合至射频电源的靶电极和接地极。因此，面积较小的靶电极拥有较高的自偏压3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1射频溅射时自偏压效应的产生接地极对等离子体的电位为-Vp，而射频极对等离子体的电位为Vc-Vp。则，溅射极自偏压Vb射频溅射方法靶电极上的自偏压很高，造成射频靶的溅射，使非导体的溅射成为可能真空室壁的自偏压小，受到离子轰击和溅射的效应小，可被忽略出于同样的道理，在衬底或薄膜（可以是绝缘体）上施加一射频电源，也可以起到施加负偏压的作用3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1射频溅射阻抗匹配3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所ErR等效电路右图中：E：理想电源r：电源内阻R：负载电阻当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率，这种工作状态就称为匹配。装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、匹配网络装置与安装、电极冷却等多种装置部件。大功率的射频电源价格较高，对于人身防护也成问题。2023/2/1解决的办法：磁控溅射3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所磁控溅射一般溅射方法的两大缺点：溅射沉积薄膜的速率较低溅射所需的气压较高，否则放电现象不易维持,两者导致污染几率增加，溅射效率低2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置磁控溅射磁控溅射是利用溅射方法的普遍原理，在垂直电场的方向上加一磁场。这样，垂直方向上的磁力线可以将电子约束在靶表面附近，延长其在等离子体内的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程几率的作用，从而降低溅射过程的气体压力，提高溅射效率和沉积速率。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置磁控溅射2023/2/13.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所磁控溅射直流与磁控溅射情况下气体放电的帕邢曲线磁控溅射的优点：气压可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染；且沉积速率高（可大于10m/hr）、靶电压低

2023/2/1非平衡磁控溅射方法磁控溅射还具有可将等离子体约束于靶附近，离子对薄膜的轰击作用小的特点，这对于希望减少薄膜损伤、降低沉积温度的场合来说是有利的;但有时，又希望保持适度的离子对薄膜的轰击效应。这时，可借助所谓的非平衡磁控溅射方法;非平衡磁控溅射靶有意减小（或加大）了靶中心的磁体体积，使部分磁力线发散至距靶较远的地方;非平衡磁控溅射时，等离子体的作用范围扩展到了薄膜附近，造成气体分子电离和部分离子轰击薄膜表面3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1偏压溅射方法在一般溅射装置的基础上，将衬底的电位与接地阳极（真空室）的电位分开设置，在衬底与等离子体之间有意识地施加一偏置电压，吸引部分离子轰击薄膜的方法。有时，这种方法又被称为溅射离子镀通常，负偏压的大小控制在数百伏之内。偏压溅射是改善薄膜组织及性能的常用手段偏压直流溅射和偏压射频溅射制备的Ta薄膜显示了类似的结果，表明偏压对薄膜组织及电阻率的影响遵循着一种普遍的内在规律3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所Ta薄膜电阻率随偏置电压的变化

2023/2/13.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射调整制备化合物薄膜时，可以直接使用化合物作为靶材。但有时化合物溅射会发生化合物分解的情况，使沉积的薄膜在成分上与靶材有很大的差别上述现象的原因是溅射环境中相应元素的分压低于形成相应化合物所需的压力。因此，解决问题的办法是调整气体的组成和压力，通入相应的活性气体，抑制化合物的分解进一步，也可采用纯金属作溅射靶，但在工作气体中混入适量的反应气体（如O2、N2、NH3、CH4、H2S等），在溅射沉积的同时生成所需的化合物。这种溅射技术被称为反应溅射方法2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置反应溅射调整溅射室内的气体组成和压力，限制化合物分解过程，也可以采用纯金属作为溅射靶材，在工作气体中混入活性气体如O2、N2、NH3、CH4、H2S等时期在溅射沉积的同时生成特定的化合物从而完成从溅射、反应到沉积多个步骤。可以沉积的化合物有：（1）氧化物：Al2O3、SiO2、SnO2等；（2）碳化物：SiC、WC、TiC等；（3）氮化物：TiN、AlN、Si3N4等；（4）硫化物：CdS、ZnS、CuS等。

反应溅射由于采用了金属靶材，因而它不仅可以大大降低靶材的制造成本，而且还可以有效地改善靶材和薄膜的纯度2023/2/1反应溅射N2分压对Ta薄膜电阻率及电阻率温度系数的影响通过控制活性气体的压力，可控制沉积产物的成分与性能。如反应溅射沉积TaN时，可形成的相包括Ta、Ta2N、TaN及它们的混合物3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1反应溅射反应溅射时遇到的问题随着活性气体压力的增加，靶材表面也要形成一层相应的化合物,并导致溅射和薄膜沉积速率的变化化合物的溅射产额一般低于金属，即溅射效率会下降。这时，靶材上活性气体的吸附速率已经大于和等于其溅射速率；大量的入射离子不是在对靶进行溅射，而是在溅射不断吸附到靶上的气体，并大量产生二次电子发射上述溅射特征的变化呈现出滞后的特征。只有当活性气体的流量降低至更低的水平时，溅射效率才会提高到原来的水平。变化前后的溅射模式被称为金属态的溅射和化合物态的溅射3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1

从提高溅射效率的角度考虑，希望在保证薄膜成分的同时，尽量将溅射过程控制在曲线的E点附近。3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射反应溅射薄膜沉积速率随反应气体流量的变化2023/2/13.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射反应溅射法所独有的靶中毒问题更严重的是，阳极上生成化合物,导致阳极不能再接受电子即出现阳极消失现象,以至溅射过程不能稳定进行靶面上形成的化合物会使得靶面上发生电荷积累、不时引起电弧放电，损害靶材与薄膜上述反应溅射特有的靶上形成化合物的现象被称为靶材的中毒靶中毒不仅会降低薄膜的沉积速度，而且也会损害靶和薄膜，它对溅射工艺的控制提出了严格的要求。2023/2/13.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射避免靶材中毒的可能措施包括将反应气体的输入位置尽量设置在远离靶材而靠近衬底的地方，提高活性气体的利用效率，抑制其与靶材表面反应的进行提高反应气体的活性，以降低其所需的压力提高靶材的溅射速率，降低活性气体吸附的相对影响导致靶中毒问题出现的原因在于靶材与阳极表面出现化合物层和电荷积累显然，若可以每隔一段时间让靶及阳极表面积累的电荷得以释放的话，就可避免靶面打火等现象的出现因此，解决的办法之一:可采取对溅射靶周期地施加交变电压的方法，不断提供释放靶电荷的机会2023/2/1反应溅射避免靶材中毒的可能措施包括针对靶表面的电荷积累，可估计靶面电弧击穿”打火”现象出现的时间间隔。设相应化合物层的介电常数与击穿场强为εr

和Eb

，轰击靶面的离子流密度为J，从电荷开始积累到发生放电击穿的时间间隔大致等于 以反应溅射SiO2为例，设靶面溅射区离子流密度为1mA/cm2，SiO2的Eb=3105V/cm，介电常数ε

=3.7，则放电现象发生的时间间隔约等于tb=100us。因此，电荷释放所需要的放电频率应该高于10kHz中频孪生靶溅射和脉冲溅射3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/13.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射中频孪生靶溅射和脉冲溅射目前,反应溅射多使用频率为10-150kHz的正弦波中频电源频率为10-70kHz的脉冲电源在中频溅射的情况下，靶材周期性地处于高电位和低电位低电位时，靶材在被离子被溅射的同时，正电荷积累下来高电位时，等离子体中的电子迅速涌入,中和掉靶材表面积累的电荷，抑制了靶材表面的打火现象2023/2/1中频孪生靶磁控溅射装置的示意图

3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射中频孪生靶溅射中频溅射法常使用两个并列的靶、即孪生靶，它们各自与中频电源的一端相连，并与整个的真空室相绝缘。两靶交替作为阴极和阳极,分别被离子所溅射2023/2/13.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所反应溅射脉冲溅射法脉冲溅射法使用的是矩形波式的脉冲电源在负脉冲期间，靶材处于被溅射的状态在正脉冲期间，靶材表面积累的电荷将由于电子的迅速流入而得到中和脉冲溅射法也可以使用与中频溅射法时类似的孪生靶脉冲溅射时的电压波形

为保持高的溅射速率，同时也由于电子的速度远高于离子的速度，因此正脉冲的宽度可以小于负脉冲的宽度2023/2/1反应溅射反应溅射的交流溅射方法可以理解，脉冲溅射与中频溅射两者在克服溅射靶材表面电荷积累方面的作用是相同的，因而它们也具有相同的优点，即抑制靶中毒和打火现象发生、稳定并提高薄膜的沉积速率与质量中频溅射和脉冲溅射法统称为交流溅射法。它克服了困扰反应溅射技术的靶电极电荷积累问题，因而靶材毒化的问题不再是妨害反应溅射过程进行的限制性因素。这大大促进了化合物薄膜材料制备技术的发展，因而已在实际生产中迅速获得了推广与使用3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所2023/2/1离子束溅射3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所离子源2023/2/1离子束溅射一般的溅射方法多是将靶、薄膜置于辉光放电环境中，气体压力一般在0.1-10Pa之间。其缺点是薄膜沉积过程处于等离子体中，这造成离子能量、强度不能精确控制体杂质的污染等离子体轰击导致薄膜温度上升会产生电子、离子轰击损伤离子束溅射方法与此不同，它将离子的产生与靶的溅射过程相分开。离子产生区的真空度保持在0.1Pa的数量级，而溅射区的真空度则可维持在低于10-3Pa（甚至可达10-7Pa）3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所离子束以一定的角度轰击靶材并溅射出其表层的原子。在靶材不导电时，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近，用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携带的电荷。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置溅射用靶材利用率比较2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置溅射用靶材利用率比较2023/2/1各种溅射方法的相互关系3.4溅射沉积装置电子封装材料与薄膜技术研究所组合方式2023/2/12023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.4溅射沉积装置离子溅射与蒸发方法的原理及特性比较

电子封装材料与薄膜技术研究所3溅射法及其他PVD方法概述辉光放电与等离子体物质的溅射现象溅射沉积装置离化PVD技术2023/2/1概述2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.5离化PVD技术概念：通过将成膜材料高度电离化形成膜材料离子，从而其增加沉积动能，并使之在高化学活性状态下沉积薄膜的技术。出发点：

以其它手段激发沉积物质粒子，然后使之与高度电离的等离子体交互作用(类似PECVD)，促使沉积粒子离化，使之既可被电场加速而获得更高动能，同时在低温状态下具有高化学活性。基本特点：

大多数是蒸发/溅射(气相物质激发)与等离子体离化过程(赋能、激活)的交叉结合！主要优势：低温沉积、甚至可以低温外延生长；薄膜性能≥溅射(结合力、致密度)、沉积速率≥蒸发(>>溅射)；可沉积化合物薄膜；薄膜表面形貌、粗糙程度高度可控。2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.5离化PVD技术概述沉积离子的轰击作用：1、对基片的作用：物理/化学清洁作用；形成注入型缺陷；

改变表面形貌及粗糙度；改变局部化学成分；

破坏晶体结构；造成局部温升。2、对膜基界面的作用：形成伪扩散层(沉积物/基体物质的物理混合梯度层)；

输入动能，增强扩散/形核，易于成膜；

界面致密化；

改善沉积粒子的绕射性，提高薄膜的均匀程度及其对基片表面复杂形状的覆盖能力。主要沉积技术分类：2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.5离化PVD技术一、概念：真空下，通过气体放电使气体或靶材料部分离化，

在离化离子轰击基片的同时，形成其离化物质或

其化学反应产物在基片上的沉积。二、技术关键：1、膜材料的气化激发：既可蒸发、也可溅射；2、气相粒子的离化：输运过程中必须路经等离子体，并被离化！三、实现原理：1、基片置于阴极，等离子体中的正离子轰击基片并成膜。

2、成膜时沉积物中约20~40%来自离化的膜材料离子，其余为原子。

3、离化后的膜材料离子具有高化学活性和高动能，并轰击基片对薄

膜的生长形成有利影响。

4、形成的薄膜由于离子的轰击作用，具有结合力高、低温沉积、

表面形貌及粗糙度可控、可形成化合物等一系列优点。四、沉积装置：1、直流辉光放电型离子镀：二极型：如右图所示≈

蒸发+二极溅射电子束蒸发出成膜物质气相粒子，路经二极辉光放电系统形成

的等离子体，并部分离化，在基片负偏压作用下被加速轰击基片，形成薄膜的沉积。离子镀(IonPlating)2023/2/1电子封装材料与薄膜技术研究所3.5离化PVD技术沉积装置：1、直流辉光放电型离子镀：三极型：如右图1所示≈

电阻蒸发+三极溅射

引入热阴极（第三极）的作用：

发射更多电子，气体离化率、等离子体荷电密度！2、电弧离子镀：阴极电弧离子镀(CathodicArcIonPlating)：如右图2所示。■阴极斑点内电流密度、温度极高，可大量蒸发出阴极物质；

■蒸发物质离化，既可维持放电，又可提供镀膜离子；

■因此：阴极电弧既是蒸发源，又