磁控溅射阴极结构与工艺GENCOA
材料合成化学-磁控溅射技术
磁控溅射技术1、磁控溅射简介磁控溅射是一个磁控运行模式的二极溅射。
它与二~四极溅射的主要不同点：一是，在溅射的阴极靶后面设置了永久磁钢或电磁铁。
在靶面上产生水平分量的磁场或垂直分量的磁场(例如对向靶)，由气体放电产生的电子被束缚在靶面附近的等离子区内的特定轨道内运转；受电场力和磁场力的复合作用，沿一定的跑道作旋轮转圈。
靶面磁场对荷电粒子具有约束作用，磁场愈强束缚的愈紧。
由于电磁场对电子的束缚和加速，电子在到达基片和阳极前，其运动的路径也大为延长，使局部Ar气的碰撞电离几率大大增加，氩离子Ar+在电场作用下加速，轰击作为阴极的靶材。
把靶材表面的分子、原子及离子及电子等溅射出来，提高了靶材的飞溅脱离率。
被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿着一定的方向射向基体，最后沉积在基体上成膜。
经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶电源阳极上。
工作气体电离几率的增加和靶材离化率的提高，使真空气体放电时内阻减小，故磁控靶发生溅射沉积时的工作电压较低(多数在4-600V之间)，有的工作电压略高(例如>700V)，有的工作电压较低(例如300V左右)。
磁控溅射发生时，其溅射工作电压主要降落在磁控靶的阴极位降区上。
由于磁控溅射沉积的膜层均匀、致密、针孔少，纯度高，附着力强，可以在低温、低损伤的条件下实现高速沉积各种材料薄膜，已经成为当今真空镀膜中的一种成熟技术与工业化的生产方式。
磁控溅射技术在科学研究与各行业工业化生产中得到了迅速发展和广泛应用。
总之，磁控溅射技术就是利用电磁场来控制真空腔体内气体“异常辉光放电”中离子、电子的运动轨迹及分布状况的溅射镀膜的工艺过程。
2、产生磁控溅射的三个条件磁控气体放电进而引起溅射，必须满足三个必要而充分的条件：(1)第一，具有合适的放电气体压强P：直流或脉冲中频磁控放电，大约在0. 1 Pa~10Pa左右)，典型值为5×10-1Pa;射频磁控放电大约在10-1~10-2Pa。
磁控溅射工艺
磁控溅射工艺
磁控溅射工艺是一种常用的薄膜制备技术，利用高能量的离子束轰击材料表面，使其原子或分子从材料中剥离，并在真空中沉积到基底上形成薄膜。
磁控溅射工艺主要由以下几个步骤组成：
1. 原材料制备：将所需的材料制成均匀的块状，并将其放在磁控溅射靶材上。
2. 系统抽真空：将磁控溅射室抽真空，以获得高度清洁、无尘的加工环境。
3. 加热：在真空条件下对靶材进行加热处理，使其达到所需的激活温度。
4. 激活：使用高能离子束轰击靶材表面，将其原子或分子从靶材中剥离，并沉积到基底表面上。
5. 结晶：经过一定时间的沉积后，薄膜开始结晶形成晶体结构。
6. 薄膜完整性测试：对形成的薄膜进行缺陷和完整性测试，以确定其质量和可靠性。
磁控溅射工艺具有制备薄膜结构、成分均匀、密度高、粗糙度小等优点，广泛应用于电子器件、工具涂层、太阳能电池等领域。
阴极溅射与溅射阀值能量-磁控溅射基本原理与工况
阴极溅射与溅射阀值能量-磁控溅射基本原理与工况1、阴极溅射所谓阴极溅射就是真空腔体内荷能粒子(主要是工作气体电离后的正离子) 轰击阴极靶材，从而引起靶材表面粒子(正离子、原子和分子等)被撞击获能后从靶材表面逸出的现象。
它是高能离子轰击阴极，使阴极表面的中性原子或分子获能逸出的过程，溅射是轰击粒子与靶材原子之间动态能量传递的结果。
2、溅射能量阀值(1)阴极靶材溅射能量阀值是指将靶材原子溅射出来所须的入射(即轰击) 离子的最小能量值;(2)当入射离子的能量低于溅射阀值时，虽然可以见到等离子体发出的较强辉光，但是不会发生靶材原子溅射逸出现象;(3)溅射能量阀值与入射离子质量无明显依赖关系，但不同的工作气体对靶材溅射能量阀值会产生一定影响。
(4)不同阴极靶材的溅射能量阀值有很大的不同。
溅射能量阀值随靶材原子序数增加而减小(即与原子核外电子能级排列与最外层电子排列位置的满位或缺失状况有关)。
大多数金属靶材溅射能量阀值为10~30ev(氩Ar 为工作气体)。
(5)轰击靶材离子的能量可以通过调节靶电源的输出，即改变磁控靶溅射电压进行控制。
磁控靶溅射电压还会对溅射沉积的薄膜晶状结构造成影响。
(6)在磁控靶溅射的工艺过程中，如发现最终未能在基片和工件表面溅射沉积成膜的情况，究其原因，可以从以下几个方面着手分析：①磁控靶溅射电压是否足够高(靶输出电压的高低可以决定轰击靶材的电离气体离子的能量大小，只有轰击离子的能量大于靶材的溅射能量阀值，溅射才有可能发生)。
②磁控靶是否工作在气体放电伏-安特性曲线的异常放电区段上。
直流靶电源运行在异常放电区段时的典型特点是：调节磁控靶溅射电压高低时，溅射电流随之同步增加或减少;脉冲和射频电源随着输出频率的增高，这种相对应性会减弱，操作人员须在工艺实践中细心体会才能掌握。
③磁控靶前出现的靶材溅射离子发光的典型颜色是否正确，这是判断靶材是否发生溅射的一个重要衡量标准之一。
④可能部分靶材(例如铝靶材表面的氧化铝层)的预溅射过程还未结束。
磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计
致谢
三年的学习和科研工作，不仅使我的知识结构和研究能力上了一个新台阶，更重 要的是，综合素质得到了提高。而这一切，都要归功于陈长琦教授的深切教诲与热情 鼓励。陈老师知识渊博，待人和蔼，诲人不倦。值此论文顺利完成之际，首先向我的 导师陈老师表达深深的敬意和无以言表的谢意。
磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究 与结构设计
Key Technology and Structure Design of Cylindrical Rotating Cathode Target for Magnetron Sputtering
作者姓名 学位类型 学 科、专 业 研究方向 导师及职称
作者：穆怀普 2012 年 4 月 29 日
目录
第一章 绪论 .......................................................................................................................... 1
衷心地感谢真空教研室其他老师对我的教诲与帮助。 还要感谢 611 真空实验室的兄弟姐妹，是你们必言多，深深地感谢您们的养育之恩，多年来含辛茹苦，一直鼓励我 学有所成。感谢我的岳父、岳母平日里对我无微不至的照顾。特别感谢我的妻子，是 你始终如一默默的体贴、信任和鼓励我，让我有一个温馨的家庭，用一种舒适的心情 去面对困难。还有我的其他亲人们，感谢你们对我的关心。 最后，向所有关心我的亲人、师长和朋友们表示深深的谢意！
磁控溅射阴极结构与工艺-GENCOA
Example of cathode anode and target mounting
Anode Assembly (Anode Wall & Anode Assembly )
Target Clamp Assembly
Diaphragm
The unique anode design both reduces heat load on the substrate and prevents electrical shorts during operation by reduced coating build-ue-selected in tolerance bands and final bars are scanned for quality control – scans provided with each bar
GENCOA Magnetic Bars – offer optional elimination of side plasma’s Depending upon application Depending on the magnetic polarity the direction of the electron ExB drift will be different. This will shift the plasma towards one end of the rotatable. And typically the plasma density will grow from one end to the other which can lead to non-uniformities, arcing or end-block heating depending upon, field strength, power mode and target length.
磁控溅射镀膜原理及工艺
磁控溅射镀膜原理及工艺(总11页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--磁控溅射镀膜原理及工艺摘要：真空镀膜技术作为一种产生特定膜层的技术，在现实生产生活中有着广泛的应用。
真空镀膜技术有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。
这里主要讲一下由溅射镀膜技术发展来的磁控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。
关键词：溅射；溅射变量；工作气压；沉积率。
绪论溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。
常用二极溅射设备如右图。
通常将欲沉积的材料制成板材-靶，固定在阴极上。
基片置于正对靶面的阳极上，距靶一定距离。
系统抽至高真空后充入（10～1）帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。
放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子，其能量在1至几十电子伏范围内。
溅射原子在基片表面沉积成膜。
其中磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的成就之一。
它以溅射率高、基片温升低、膜-基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点，成为镀膜工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合)的首选方案。
1磁控溅射原理溅射属于PDV（物理气相沉积）三种基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀（空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀）中的一种。
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正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，其运动轨迹近似于一条摆线。
真科磁控溅镀阴极 cathode manual
Page 1矩形磁电管指导说明书Page 3Page 7警告事项――请首先阅读注意－隔膜靶材的冷却系统不要在隔膜上没有靶材或者背板时提供水压阴极采用隔膜冷却方法比常规的靶材冷却有很多优势。
然而这个系统提供水压前需装好一个靶材或者背板。
如果在没有装靶材的情况下提供水压，隔膜将会变形甚至爆破，如果压力大于5bar. 易碎靶材也不应该直接装在薄膜上。
靶材材料和背板的组合的建议，请联系真科－或见说明书中相关章节。
磁控溅镀源运行在可能致命的电压和电流。
必须极其注意确保运行期间的安全接地保护。
绝不要在没装安全盖子时运行。
总是将安全保护与磁电管电源单元通过使用提供的外部安全屏蔽的‘trip’开关互锁。
戴心脏起搏器的人应该远离磁控溅镀源――确保提供的警告标示可以在显眼位置，同时在进入有齿孔溅镀机台或者阴极的房间入口也要有提示。
Page 8磁场和它们的影响：心脏起搏器数据存储真科磁电管会产生很高的磁场强度，并会吸引任何散碎的铁磁性材料到磁电管。
如果没注意到并清除掉的话可能导致放电或短路。
由于这些原因，当从真空腔体移动溅镀源时，确保工作表面清洁没有散碎部件。
对于长期存放，要预防性的采用合适的包装来覆盖。
磁性数据存储媒介也要注意不要靠近磁电管。
例如，所有的电脑硬盘和信用卡都应该与溅镀源保持至少100cm 的距离。
如果磁电管或者磁体通过空运被返送到真科，磁体时作为危险等级的物品，如果没有正确处理的话，可能会干涉飞机的导航系统。
需要填写一个危险物品装运声明表格。
这只能由参加参加过相关空运安全课程或者可以负责包装物品的人来完成。
Page 9拆包和外观收到溅镀源时，拆掉外部包装再检查设备是否在运输期间有损坏。
如果有明显的损坏，请立即知会真科。
一些固定螺丝可能会在运输过程中松动，主要取决于产品的设计。
参考组装图纸确认螺丝的条件。
如果松了，再次锁紧。
拆开O-ring密封任何没有暴露在包装材料的密封圈都已经轻轻的涂抹了真空油，可准备直接应用了。
磁控溅射靶材的根瘤的形成
磁控溅射靶材的根瘤的形成磁控溅射是由于各种各样的行业，如薄膜太阳能电池，半导体，光学，装饰涂料，耐磨和防腐蚀保护应用的高度重视的技术。
据观察，在过去，在某些情况下，当溅射金属或陶瓷材料，结节表面形成溅射赛马场附近地区（自动转存面积），有时甚至在赛马场区域目标（图1）。
他们通常拥有一个到岗，圆锥或金字塔形状。
结节往往沉积运行收益增长。
最终，他们可以覆盖超过30％的目标的表面区域。
形成结节会带来不同的效果，如溅射速率，溅射原子的角分布的变化，增强电弧放电过程中漂移和不稳定，这反过来缺陷的结果，并导致质量差溅射薄膜。
涂层系统已被关闭经常清洗目标表面结节和碎片。
这会导致非预期的停机时间和降低生产速度。
目标表面上形成结节，因此极不可取的。
尽管这是一个严重的工业问题，一般有什么结果结节的增长，这是很重要的工艺参数的理解缺乏，以及如何解决这个问题。
因此，这篇文章的目的是阐明根瘤的形成机制，对靶材的关键工艺参数和提供解决方案以及一些轻。
图1。
A）扫描电镜图像显示结节形态。
从Lippens等。
[4] B）ITO靶材的黑色结节（图像- Gencoa有限公司提供）; C）在Si 靶材结节（图像- Faradox储能公司提供）。
根瘤的生长机制观察视锥细胞的离子轰击阴极的历史可以追溯到早在1942年[1]。
从那时起，这种现象一直受到学术界和工业界的科学家和工程师的兴趣。
韦纳锥的形成[2]进行了广泛的研究工作。
基于实验证据韦纳的结论，在溅射从另一个源提供的某些杂质原子或原子的极少量可以给离子轰击surfaces.The比种子诱导锥增长所需的主要原子可以上升到种子锥形成低至1 500人，分别为钼- 铜的情况下证明。
有趣的是，它也表明，种子原子材料具有较低的溅射率，但必须表现出了较高的熔点。
存款锥也可以出现更大的通量是一个较低的熔点金属热的熔点较高的金属，它是离子轰击下存放。
在低离子轰击能量（<1keV，即典型的磁控溅射应用）高温（〜⅓的熔点）为种子锥现象发生的重要。
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120 mm
Magnetic field – Gencoa bars – no AC leakage AC current “channelled”
NREL
70 mm 100 mm 120 mm
Gencoa have developed and patented a method to provide an effective anode away from the
change to the anode.
Optional anode cooling for web coating or hot
chambers
Integral gas injection through the anode wall – single or multizone
Example of plasma pre-treating magnetron and small double cathode For OLED and touch screens
Plot of magnetic field strength relative to distance from the target backing tube Parallel vector to surface at centre of the race-track
Gencoa Magnet Bars Gencoa high specification magnetic arrays
ExB
Plasma density growing in the ExB direction
Primary (Main) Plasma Secondary (Side) Plasma
BOC style industry standard magnetics shown – not Gencoa
Gencoa Magnet and Gas Bars Gencoa high specification magnetic arrays and gas bars for rotatable magnetrons
Layer uniformity less than the ±1% with HU magnet bar – optimized
on-site by GENCOA process team via 5 zone gas adjustment
Industry standard magnetics with AC power mode and electron movement AC current “leaks”
The unique anode design both reduces heat load on the substrate and prevents electrical shorts during operation by reduced coating build-up on the anode
Anode is at “zero height”
compared to target
Low profile anode below target surface
Having the anode at zero height means target thickness adjustment without a
Planar Magnetrons
Plasma PreTreaters
Rotatable Magnetrons
Reactive Gas Control
Pulsed Effusion Cells
按形状分： ① 平面圆形阴极，主要是实验室研发设
备。
② 平面矩形阴极，主要是生产设备（任 意长度）。
③ 靶材旋转圆柱阴极，主要是大中型生 产设备（长度<4米）。
coating flux that can collect all electrons escaping the plasma
The method effectively combines magnetic trapping with electrostatic attraction of electrons
Small sources for R&D with the option of VTech fully adjustable magnetics
Gencoa Retrofits - magnetic upgrades to existing magnetrons and various levels
Small cantilever mounted dual cathodes
Anode Assembly (Anode Wall & Anode Assembly )
Target Clamp Assembly
Diaphragm
Example of cathode anode and target mounting
6 design (Creo 3D CAD) 8 process development & simulation 14 assembly & test 4 sales & tech support (2 Asia based) 其中Hugo是亚洲的工艺/产品工程师 3 administration & accounts 3 hardware & software (Speedflo)
Gencoa’s magnet bars for rotatable magnetrons can be adapted to fit and make of end-block.
•High uniformity of field <2.5% as standard, <1.5% on request, each magnet scanned and whole array scanned •In single welded enclosure to prevent corrosion •Can be supplied with or without support tube •5 different strengths from 250 to 1000 Gauss •Gencoa 2 chamber gas bars from 1 to 7 zones – combines high uniformity with fast speed of gas response
• 全球销售阴极数量达3000多个
• 全球销售speedflo达1000台，在反应溅射控制市场占比95%以上
GENCOA 2015年新建的工厂
GENCOA新工厂将 2016年3月20日落成。 总占地面积为2600平 方米 包括设计部办公室， 现代化组装厂以及 R&D实验室
Gencoa offer the following range of products & process technology for the thin film industry developed over the last 20 years
of source enhancement depending upon the needs
new diaphragm system to isolate water from magnets and eliminate water leak during target change
new cooling body assembly
new magnetic array
new body/remachining of the body
Comparison of standard 2 pole and high yield type magnetics Magnetic Option - HY
2D magnetic field model for an High Yield type of design
• Gencoa magnetics are encapsulated in stainless steel housing to prevent corrosion and magnet movement
• The magnet bars can be adapted to fit to any manufacturers rotatable end-blocks • Unique Gencoa magnetic and mechanical design built into every bar to ensure a
Flatter field shape = wide erosion
2D magnetic field model for an standard 2 pole type of design
Typical 2 pole magnetic design
Uniformity SW350FFE Rotation speed can tune the uniformity (12” or larger FFE only)
GENCOA Magnetic Bars – offer optional elimination of side plasma’s Depending upon application
Depending on the magnetic polarity the direction of the electron ExB drift will be different. This will shift the plasma towards one end of the rotatable. And typically the plasma density will grow from one end to the other which can lead to non-uniformities, arcing or end-block heating depending upon, field strength, power mode and target length.