薄膜物理3-1 磁控溅射原理
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
直流（DC）磁控溅射
直流磁控溅射装置图 与射频磁控溅射装置图相 比，其不需要外部复杂的 网络匹配装置和昂贵的射 频电源装置，适合溅射导 体或者半导体材料。现已 经在工业上大量使用。
溅射的基本原理
• 溅射法是利用气体辉光放电过程中产生的正离 子与靶材料的表面原子之间的能量和动量交换， 把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的淀积。
磁控溅射原理
一般溅射： 溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量 和动量交换的过程。 电子在电场的作用下加 速飞向基片的过程中与Ar原 子发生碰撞，电离出大量的 Ar离子和电子，电子飞向基 片，在此过程中不断和Ar原 子碰撞，产生更多的Ar离子 和电子。Ar离子在电场的作 用下加速轰击靶材，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。
右图为射频磁控溅射 实验装置示意图。
•
在一定气压下，在阴阳极 之间施加交流电压，当其频率 增高到射频频率时即可产生稳 定的射频辉光放电。 • 射频辉光放电在辉光放电 空间中电子震荡足以产生电离 碰撞的能量，所以减小了放电 对二次电子的依赖，并且能有 效降低击穿电压。射频电压可 以穿过任何种类的阻抗，所以 电极就不再要求是导电体，可 以溅射任何材料，因此射频辉 光放电广泛用于介质的溅射。
开始生长
• 开气瓶，开腔体上的Ar充气阀，开流量计MFC2 （15ml/min），关时顺序相反。 • 开射频源ON，调节功率和自偏压，使功率在 180W，尽量将自偏压调到最小。 • 开挡板，通过调节分子泵手动阀保持气压在 3.5Pa，调节射频源保持功率在180W。 • 按需要开触摸屏中的4个按钮，第一个为样品托 旋转，第二个为加热，第三个为灯 • 将靶材打上一段时间后，手动开片子下的挡板， 开始生长。
磁控溅射的原理及应用
磁控溅射的原理及应用1. 什么是磁控溅射磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，通过利用磁场将材料原子或离子从靶材表面释放出来，形成一个薄膜层，沉积在基底表面上的一种方法。
这种方法可以在真空环境中进行，可以用于各种材料包括金属、合金、氧化物等。
2. 磁控溅射的原理磁控溅射的原理基于带电粒子在磁场中的运动规律。
溅射系统通常由一个靶材和一个基底组成，它们被放置在真空室中。
磁控溅射的过程包括以下几个步骤：1.靶材表面被离子轰击，其中的原子或离子被释放出来。
2.磁场控制离子在真空室中的运动轨迹。
3.基底表面上的原子或离子吸附并形成一个薄膜层。
这个过程中，磁场是十分重要的。
磁场会引导离子沿着特定的轨迹运动，使得离子沉积在基底的特定位置上。
磁场还可以控制离子的能量和方向，从而影响薄膜的性质和微结构。
3. 磁控溅射的应用磁控溅射是一种多功能的薄膜沉积技术，广泛应用于各种领域。
3.1 表面涂层磁控溅射可以用于向基底表面沉积各种薄膜层。
这些薄膜层可以具有不同的功能，如防腐、耐磨、导电等。
它们可以用于改善材料的性能和外观。
3.2 光学薄膜磁控溅射可以制备高质量的光学薄膜。
这些薄膜可以应用于光学器件，如镜片、滤光片、反射镜等。
因为磁控溅射是在真空环境中进行的，所以这些光学薄膜可以具有良好的光学性能。
3.3 金属薄膜磁控溅射可以制备金属薄膜。
这些薄膜可以具有高导电性和优良的机械性能，可用于电子器件、导电材料等领域。
3.4 磁性材料磁控溅射还可以制备磁性材料薄膜。
这些薄膜可以具有特定的磁性性能，如高矫顽力、高饱和磁感应强度等。
它们可以应用于磁存储器件、传感器等领域。
4. 总结磁控溅射是一种重要的薄膜沉积技术，通过利用磁场控制离子运动和沉积位置，可以制备各种功能薄膜。
它在表面涂层、光学薄膜、金属薄膜和磁性材料等领域有着广泛的应用。
磁控溅射技术的发展，为材料科学和工程领域提供了新的可能性，为各种应用提供了高性能的薄膜材料。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理
磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，其工作原理主要包括磁场控制和离子控制两部分。
具体的工作原理如下：
1. 磁场控制：磁控溅射系统中一般有一个磁控溅射靶，靶材通常为金属或合金。
该靶材被放置在真空腔室中，并通过电源提供一个较大的直流电流。
这个直流电流会在靶材上产生一个电弧，随后靶材表面的原子会被电弧的高温高能所击打。
2. 离子控制：一个电子枪会产生一个束流的电子，该束流电子被加速，并进入到真空腔室中。
这些高速运动的电子会和靶材表面被击打出来的原子发生碰撞，产生溅射过程。
在这个过程中，靶材上的原子会离开靶材表面，并以高速沉积到待膜的基底材料上。
通过以上两个过程的共同作用，磁控溅射技术可以实现薄膜材料的制备。
在具体操作中，可以通过调节电弧电流、电子束流密度和速度等参数来控制溅射的行为和薄膜的性质。
磁控溅射技术具有简单、灵活、无毒污染等优点，因此在材料制备和表面修饰等领域得到广泛应用。
磁控溅射镀膜技术综合介绍
一.磁控溅射电镀上世纪80年代开始, 磁控溅射技术得到迅猛的发展, 其应用领域得到了极大的推广。
现在磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位, 在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。
正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长的需要使磁控溅射不断的发展。
在许多方面, 磁控溅射薄膜的表现都比物理蒸发沉积制成的要好；并且在同样的功能下采用磁控溅射技术制得的可以比采用其他技术制得的要厚。
因此, 磁控溅射技术在许多应用领域涉及制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要是影响。
磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。
其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,涉及各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,特别适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且反复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。
1.磁控溅射工作原理:磁控溅射属于辉光放电范畴, 运用阴极溅射原理进行镀膜。
膜层粒子来源于辉光放电中, 氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。
氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到元件表面形成所需膜层。
磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹, 使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动, 因而大大增长了与气体分子碰撞的几率。
用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶), 使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。
磁控溅射原理
百科名片磁控溅射原理：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。
氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，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。
二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子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。
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。
电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。
但一般基片与真空室及阳极在同一电势。
磁场与电场的交互作用（ E X B drift）使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。
至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。
磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。
在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。
所不同的是电场方向，电压电流大小而已。
磁控溅射的基本原理是利用 Ar一02混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下，被加速的高能粒子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面而成膜。
磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。
该技术可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。
磁控溅射(magnetron-sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。
磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。
当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。
磁控溅射镀膜原理及工艺 ppt课件
2.2.2磁场
用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上 保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均 匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适 当（比如过低），那么即使磁场强度一致也会 导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处 发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场 强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常 高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速 下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区 也会造成靶的利用率比较低。
（4）（选择操作）打开加热控温电源。启动 急停控制，报警至于通位置，功能选则为烘烤。 （5）但真空度达到5×10-4Pa时，关闭复合真 空计，开启电离真空计，通氩气（流量 20L/min），打开气路阀，将流量计Ⅰ拨至阀控 档，稳定后打开离子源，依次调节加速至 200V~250V，中和到12A左右，阳极80V，阴极10V， 屏极300V。从监控程序中调出工艺设置文件，启 动开始清洗。 （6）清洗完成后，按离子源参数调节相反的顺 序将各参数归零，关闭离子源，将流量计Ⅱ置于关 闭档。
在气体可以电离的压强范围内如果改变 施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随 之改变，引起气体中的电流发生变化。改 变气体中Байду номын сангаас电流可以产生更多或更少的离 子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速 率。
一般来说：提高电压可以提高离化率。这样 电流会增加，所以会引起阻抗的下降。提高电 压时，阻抗的降低会大幅度地提高电流，即大 幅度提高了功率。如果气体压强不变，溅射源 下的基片的移动速度也是恒定的，那么沉积到 基片上的材料的量则决定于施加在电路上的功 率。在VONARDENNE镀膜产品中所采用的范围 内，功率的提高与溅射速率的提高是一种线性 的关系。
3试验
3.1试验目的
①熟悉真空镀膜的操作过程和方法。 ②了解磁控溅射镀膜的原理及方法。 ③学会使用磁控溅射镀膜技术。
磁控溅射原理详细介绍
图1 溅射率与Ar气压强的关系
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 €è•þˆ?ŒÊƒ6
(2)沉积薄膜的纯度 (2)沉积薄膜的纯度 为了提高沉积薄膜的纯度，必须尽量减少沉积到基片上的杂质的量。这里所说的杂质主要是指真空 室的残余气体。因为通常有约百分之几的溅射气体分子注入沉积薄膜中，特别是在基片加偏压时。欲降 低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氢量这两项有效措施。 (3)沉积过程中的污染 (3)沉积过程中的污染 众所周知，在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真空区内是很有必要的，因此原有 工作气体的分压极低。即便如此，仍可存在许多污染源: (a)真空室壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体，如水蒸气和二氧化碳等。由于辉光放电中 电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在沉积过程中 适当冷却，以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡。 (b)在溅射气压下，扩散泵抽气效力很低，扩散泵油的回流现象十分严重。由于阻尼器各板间的距 离相当于此压强下平均自由程的若干倍，故仅靠阻尼器将不足以阻止这些气体进入真空室。因此，通常 需要在放电区与阻尼器之间进行某种形式的气体调节，例如在系统中利用高真空阀门作为节气阀，即可 轻易地解决这一问题。另外，如果将阻尼器与涡轮分子泵结合起来，代替扩散泵，将会消除这种污染。 (C)基片表面的颗粒物质将会使薄膜产生针孔和形成沉积污染，因此，沉积前应对基片进行彻底清 洗，尽可能保证基片不受污染或不携带微粒状污染物。
9
第二部分 溅射及辉光放电
2.2 辉光放电
使真空容器中Ar气的压力保持为，并逐渐提高两个电极 之间的电压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为 这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子 在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图2(b) 中曲线的开始阶段所示的那样。 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快， 即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱 和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个 饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，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。在碰撞趋于频繁的同时，外电路 转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于 阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加 到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生 电离，如图2(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即 碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电 电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤 汤 生放电。 生放电 在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这 时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电 晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电 电晕放电。 电晕放电
磁控溅射镀膜原理及工艺PPT学习教案
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。
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膜材料、功率、阴极的数量以及膜层的种类的
不同，通常的运行范围是每分钟90 ~ 400（大
约为2.286
~
10.16
米）英寸之间。 第17页/共44页
2.1.5 距离与速度及附着力
为了得到最大的沉积速率并提高膜层的附着 力，在保证不会破坏辉光放电自身的前提下， 基片应当尽可能放置在离阴极最近的地方。溅 射粒子和气体分子（及离子）的平均自由程也 会在其中发挥作用。当增加基片与阴极之间的 距离，碰撞的几率也会增加，这样溅射粒子到 达基片时所具有的能力就会减少。所以，为了 得到最大的沉积速率和最好的附着力，基片必 须尽可能地放置在靠近阴极的位置上。
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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。
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2.1.4 传动速度
玻璃基片在阴极下的移动是通过传动来进行
的。低传动速度使玻璃在阴极范围内经过的时
间更长，这样就可以沉积出更厚的膜层。不过，
为了保证膜层的均匀性，传动速度必须保持恒
磁控溅射原理
磁控溅射的基本原理1电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。
氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，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。
二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子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。
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。
电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。
但一般基片与真空室及阳极在同一电势。
磁场与电场的交互作用（ E X B drift）使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。
至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。
磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。
在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。
所不同的是电场方向，电压电流大小而已磁控溅射的基本原理2用高能粒子（大多数是由电场加速的正离子）撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射。
按照溅射理论的级联碰撞模型如图所示，当入射离子与靶原子发生碰撞时把能量传给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格的原子撞出，形成级联碰撞。
当级联碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材,，足以克服结合能时，表面粒子逸出成为溅射粒子。
溅射粒子沉积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。
对于直流溅射，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于基底有数千伏的电压。
磁控溅射仪原理
磁控溅射仪原理磁控溅射仪是一种常用的薄膜制备设备，利用磁场和离子束的作用，将固体材料溅射到基底上，形成薄膜。
它的原理主要包括磁控溅射过程、溅射材料的选择和基底的制备等。
磁控溅射过程是磁控溅射仪的核心原理。
在磁控溅射仪中，首先需要将固体材料放置在溅射靶材上。
然后，在真空室中建立一定的气压，以保证溅射过程中的气体分子不会对靶材和基底产生干扰。
接下来，通过施加磁场，可以将氩离子束引导到靶材的表面。
当氩离子与靶材表面相互碰撞时，会将靶材表面的原子和分子溅射出来，并以高速飞向基底。
最后，这些溅射粒子在基底表面堆积形成一层薄膜。
磁控溅射过程中的磁场起到了至关重要的作用。
磁场的作用是将氩离子束限制在靶材表面的一个区域内，使其只能与靶材表面相互碰撞，而不会飞散到其他地方。
磁场的强弱和方向可以通过调节磁控溅射仪中的磁铁来控制，以适应不同材料的溅射要求。
同时，磁场还可以影响溅射过程中的离子束的能量和轨道，从而控制薄膜的质量和性能。
在选择溅射材料时，需要考虑材料的物理和化学性质，以及薄膜的应用要求。
常用的溅射材料包括金属、氧化物、硅、氮化物等。
不同的材料会对薄膜的结构和性能产生不同的影响。
例如，金属材料可以制备导电性较好的薄膜，氧化物材料可以制备绝缘性较好的薄膜。
此外，还可以通过控制溅射工艺参数，如溅射功率、气体压力和溅射时间等，来调节薄膜的厚度和成分，以满足不同应用的需求。
除了溅射材料的选择，基底的制备也是磁控溅射过程中的重要环节。
基底的表面质量和结构对于薄膜的成长和性能具有重要影响。
在磁控溅射之前，需要对基底进行表面清洗和预处理，以去除表面的杂质和氧化物，并提供良好的溅射条件。
常用的基底材料包括硅、玻璃、金属等。
选择合适的基底材料可以使薄膜与基底之间具有良好的结合和界面性能。
磁控溅射仪通过磁场和离子束的作用，实现了将固体材料溅射到基底上制备薄膜的过程。
磁控溅射仪的原理包括磁控溅射过程、溅射材料的选择和基底的制备等。
磁控溅射法原理
磁控溅射法原理
磁控溅射法是一种常用的薄膜制备技术，它通过利用磁场控制离子在真空中运动来实现材料离子化和沉积。
磁控溅射法的基本原理如下：首先，通过加热材料将其转化为蒸气或离子状态。
随后，通过在真空室中施加磁场，使得磁场力线和离子运动方向垂直，从而形成所谓的“磁镜效应”。
这种磁镜效应可以阻止离子撞击到溅射靶材表面，从而使溅射源中的原子以准平行的方式射出。
在磁控溅射过程中，靶材的离子化和溅射是基于靶材与离子的相互作用力。
当离子击中靶材表面时，一部分离子将被散射回真空室中，形成所谓的“背景气体”。
而另一部分离子则进一步穿透靶材表面，将表面的原子或分子击出，并沉积在底板上形成薄膜。
这种沉积过程可以得到均匀、致密、具有良好结晶性的薄膜。
磁控溅射法有许多优点，例如可以控制薄膜的成分、结构和性能；可以在各种材料上制备薄膜；具有较高的沉积速率和较好的沉积效率等。
因此，磁控溅射法被广泛应用于各种领域，如光学、电子、材料科学等。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理磁控溅射一条摆线。
若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。
随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。
由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。
磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。
入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。
在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。
种类磁控溅射包括很多种类。
各有不同工作原理和应用对象。
但有一共同点:利用磁场与电子交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。
所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。
靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源镀膜均匀，非平衡式靶源镀膜膜层和基体结合力强。
平衡靶源多用于半导体光学膜，非平衡多用于磨损装饰膜。
磁控阴极按照磁场位形分布不同，大致可分为平衡态和非平衡磁控阴极。
平衡态磁控阴极内外磁钢的磁通量大致相等，两极磁力线闭合于靶面，很好地将电子/等离子体约束在靶面附近，增加碰撞几率，提高了离化效率，因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电，靶材利用率相对较高，但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面，基片区域所受离子轰击较小.非平衡磁控溅射技术概念，即让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极，两极磁力线在靶面不完全闭合，部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域，从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片，增加基片磁控溅射区域的等离子体密度和气体电离率.不管平衡非平衡，若磁铁静止，其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%。
为增大靶材利用率，可采用旋转磁场。
但旋转磁场需要旋转机构，同时溅射速率要减小。
磁控溅射原理
Making the IMPOSSIBLE possible
三种磁控溅射对比
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DC
MF
RF
电源价格
便宜
一般
昂贵
靶材
圆靶/矩形靶 平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶
靶材材质要求
导体
无限制
无限制
抵御靶中毒能力
弱
强
强
靶材利用率
15％ / 30％
30％ / 70％
应用
金属
金属/化合物 工业上不采用此法
易打弧，不稳定 工作稳定，
在反应溅射中要严格 无打弧现象， 控制反应气体流量 溅射速率快
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
Al背电极工艺参数
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制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶
工艺参数： • 本底真空2~3×10-3Pa
• 工作气压～0.3~0.6 Pa
射频辉光放电
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率增高到射频频率时即可 产生稳定的射频辉光放电。
射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量，所以减小 了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电压。
射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导电体，可以溅射 任何材料，因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射。
815－TCO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
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outline
磁控溅射原理 磁控溅射分类 直流平面靶溅镀Al电极 中频旋转靶溅镀ZAO和ITO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
磁控溅射镀膜原理及工艺
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。
2.2.2磁场
用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上 保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均 匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适 当（比如过低），那么即使磁场强度一致也会 导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处 发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场 强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常 高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速 下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区 也会造成靶的利用率比较低。
小心挤压到手指）。
（3）启动机械泵，抽一分钟左右之后，打开 复合真空计，当示数约为10E-1量级时，启动分子 泵，频率为400HZ（默认），同时预热离子清洗 打开直流或射流电源及流量显示仪。
（4）（选择操作）打开加热控温电源。启动 急停控制，报警至于通位置，功能选则为烘烤。
（5）但真空度达到5×10-4Pa时，关闭复合真 空计，开启电离真空计，通氩气（流量
2.1.3 气体压强
将气体压强降低到某一点可以提高离子的平均自 由程、进而使更多的离子具有足够的能量去撞击阴 极以便将粒子轰击出来，也就是提高溅射速率。超 过该点之后，由于参与碰撞的分子过少则会导致离 化量减少，使得溅射速率发生下降。如果气压过低， 等离子体就会熄灭同时溅射停止。提高气体压强可 提高离化率，但是也就降低了溅射原子的平均自由 程，这也可以降低溅射速率。能够得到最大沉积速 率的气体压强范围非常狭窄。如果进行的是反应溅 射，由于它会不断消耗，所以为了维持均匀的沉积 速率，必须按照适当的速度补充新的反应气体。
磁控溅射镀膜原理及工艺
3试验
3.1试验目的
①熟悉真空镀膜的操作过程和方法。 ②了解磁控溅射镀膜的原理及方法。 ③学会使用磁控溅射镀膜技术。 ④研究不同工作气压对镀膜影响。
3.2试验设备
SAJ-500超高真空磁控溅射镀膜机 （配有纯铜靶材）；氩气瓶；陶瓷基 片；擦镜纸。
3.3试验原理
3.3.1磁控溅射沉积镀膜机理
磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展 而来，解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、 等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问 题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置强力 磁铁，真空室充入0.1～10Pa 压力的惰性气体 (Ar)，作为气体放电的载体。
2.3.2速度
另一个变量是速度。对于单端镀膜机， 镀膜区的传动速度可以在每分钟0 ~ 600英 寸大约为0 ~ 15.24米）之间选择。对于双端 镀膜机，镀膜区的传动速度可以在每分钟0 ~ 200英寸（大约为0 ~ 5.08米）之间选择。 在给定的溅射速率下，传动速度越低则表 示沉积的膜层越厚。
2.3.3气体
最后一个变量是气体。可以在三种气体 中选择两种作为主气体和辅气体来进行 使用。它们之间，任何两种的比率也可 以进行调节。气体压强可以在1 ~ 5×10-3 torr之间进行控制。
2.3.4阴极/基片之间的关系
在曲面玻璃镀膜机中，还有一个可 以调节的参数就是阴极与基片之间 的距离。平板玻璃镀膜机中没有可 以调节的阴极。
2.2.2磁场
用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上 保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均 匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适 当（比如过低），那么即使磁场强度一致也会 导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处 发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场 强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常 高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速 下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区 也会造成靶的利用率比较低。
磁控溅射
开始生长
• 开气瓶，开腔体上的Ar充气阀，开流量计MFC2 （15ml/min），关时顺序相反。 • 开射频源ON，调节功率和自偏压，使功率在 180W，尽量将自偏压调到最小。 • 开挡板，通过调节分子泵手动阀保持气压在 3.5Pa，调节射频源保持功率在180W。 • 按需要开触摸屏中的4个按钮，第一个为样品托 旋转，第二个为加热，第三个为灯 • 将靶材打上一段时间后，手动开片子下的挡板， 开始生长。
关闭系统
• 生长完成后，先关手动挡板，关射频源(先将功率 调零->off->开关)，关靶材挡板，关旋转，关分子 泵手动阀，关分子泵，关气（与开气顺序相反） • 待分子泵转数降下来后，关前级阀，关机械泵 • 充气到10-5Pa，取片 • 关升降，用机械泵抽真空到4Pa以下 • 关机械泵 • 关电源及循环水
1-磁极 2-屏蔽罩 4-基片加热装置 6-磁力线 7-电场 3-基片 5-溅射靶 8-挡板
•
本实验室使用的JICK-450高真空多功能磁控溅射镀膜设备
•
操作流程
• •
• • • • • • 启动系统与装片 先开总电源（墙上最左边） 开循环水（逆时针开，顺时针关，确保循环水的两个阀 门都打开） 开控制箱上六个电源（顺序由下到上，不需要的可以不 开） 充气（逆时针旋转墙体上的通气阀，待气压计计显示为 标准大气压） 开真空罩 装靶材和片子，关通气阀（装靶材时用万用表检测：靶 材与基座应该导通，靶材与保护罩应该近似绝缘） 关真空罩 关两个充气阀
基片 e E Ar e + Ar+ + Ar+ e 靶材
V (<0)
磁控溅射原理
电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：
•
电子与Ar原子碰撞几率低，Ar离子密度偏低，溅射效率 低，成膜速度慢 • 电子运动路径短，轰击在基片上速度快，导致基片温度 升高。
磁控溅射镀膜原理及实用工艺
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。
若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar正离子来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。
磁控溅射
磁控溅射原理Sputter在辞典中意思为：（植物）溅散。
此之所谓溅镀乃指物体以离子撞击时，被溅射飞散出。
因被溅射飞散的物体附著于目标基板上而制成薄膜。
在日光灯的插座附近常见的变黑现象，即为身边最赏见之例，此乃因日光灯的电极被溅射出而附著于周围所形成。
溅镀现象，自19世纪被发现以来，就不受欢迎，特别在放电管领域中尤当防止。
近年来被引用于薄膜制作技术效效佳，将成为可用之物。
薄膜制作的应用研究，当初主要为Bell Lab.及Western Electric公司，于1963年制成全长10m左右的连续溅镀装置。
1966年由IBM公司发表高周波溅镀技术，使得绝缘物之薄膜亦可制作。
后经种种研究至今已达“不管基板的材料为何，皆可被覆盖任何材质之薄膜”目的境地。
而若要制作一薄膜，至少需要有装置薄膜的基板及保持真空状况的道具（内部机构）。
这种道具即为制作一空间，并使用真空泵将其内气体抽出的必要。
一、真空简介：所谓真空，依JIS（日本工业标准）定义如下：较大气压力低的压力气体充满的特定的空间状态。
真空区域大致划分及分子运动如下：二、Sputter（磁控溅镀）原理：1、Sputter溅镀定义：在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。
而透过激发、解离、离子化……等反应面产生的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质，而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。
下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模型）：图一中的母球代表被电离后的气体分子，而红色各球则代表将被溅镀之靶材（Si、ITO&Ti等），图二则代表溅镀后被溅射出的原子、分子等的运动情形；即当被加速的离子与表面撞击后，通过能量与动量转移过程（如图三），低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁式碰撞。
薄膜物理3-1磁控溅射原理
气体放电时两电极间的电压和电流关系不满足欧姆定律，其伏安 特性曲线如图
放电曲线分为： n 汤生放电段（气体分子开始出现电离） n 辉光放电段（产生大面积辉光等离子体） n 弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）
1、无光放电
由于在放电容器中充有少量气体，因而始终有一部分气体分子以游离状态 存在着。当两电极上加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动， 形成电流。曲线的开始阶段。
282020420292020420溅射率溅射率表示正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶阴极上打出溅射出的原子个数又称溅射产额或溅射系数常用溅射率与人射离子的种类能量角度以及靶材的类型晶格结构表面状态升华热大小等因素有关如果靶材是单晶靶材溅射率还与晶体的取向有关
第三章
溅射镀膜
3—1 气体的放电现象与等离子体
薄膜技术中，所利用的几乎都是部分电离及弱电离等离子体， 在这种等离子体中，只要电离度达到1% ,其导电率 就与完全电离等 离子体相同。我们的讨论主要针对这类等离子体。
对于 1Pa 左右气压下的辉光放电而言，理想气体定律给出电子、 离子与中性粒子的总密度应该是 3x1014 个/ cm3 ，但这中间只有大约 1/10000比例的电子和离子。
在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积；最初，轰击是不均匀的， 轰击集中在靠近阴极边缘处，或在表面其他不规则处。随着电源功率的增 大．轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。正常辉光放电时 的电流密度仍比较小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。
4、异常辉光放电
E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率， 会使放电区内的电压和电流密度同时增大，即两极间的电流随着电压的 增大而增大，EF这一区域称“异常辉光放电区”。
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1、无光放电
由于在放电容器中充有少量气体，因而始终有一部分气体分子以游离状态 存在着。当两电极上加直流电压时，这些少量的正离子和电子将在电场下运动， 形成电流。曲线的开始阶段。
由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的，所以，当正离子和电 子一产生，便被电极拉过去。即使再升高电压，到达电极的电子与离子数目不 变。此时的电流密度很小，一股情况下仅有10-16-10-11安培左右。此区是导电而 不发光，所以称为无光放电区。
因为此时辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，
这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间距离缩短．此时若要想提高
电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极．使阴极产生
20更20/多4/的10 二次电子才行。
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5、弧光放电
在F点以后，整个特性都改变了，两极间电压将会再次突然大幅 度下降，降至很小的数值，而电流强度则会伴随有剧烈的增加，其大 小几乎是由外电阻的大小来决定，而且电流越大，极间电压越小，FG 区域称为“弧光放电区”。此时，相当于极间短路。且放电集中在阴 极的局部地区，致使电流密度过大而可能将阴极烧毁。同时，骤然增 大的电流有损坏电源的危险。
E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率， 会使放电区内的电压和电流密度同时增大，即两极间的电流随着电压的
增大而增大，EF这一区域称“异常辉光放电区”。
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异常辉光放电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，因为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。
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2、汤森放电
随着电压逐渐升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升 而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。 此时，电流达到了一个饱和值，曲线中第一个垂直段(AB段)。 当电压继续升 高时，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，在碰撞 趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。
气体的直流放电
是在真空度为10~ 1pa的稀薄气体中，两 个电极之间加上电压 时产生的一种气体放 电现象。
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在阴阳两极间，由电动 势为E的直流电源提供靶电 压V 和靶电流 I，并以电阻 R 作为限流电阻。
将真空容器抽真空，到 达10~1pa时的某一压力时， 接通相距为d的两个电极间 的电源，使电压逐渐上升。
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在D点以后，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整
个电极表面扩展。在这一阶段，电流与电压无关，而只与阴极板上产生
辉光的表面积有关。且气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程
伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。 维持辉
光放电的电压较低，且不变。从D到E之间区域叫做“正常辉光放电区”。
和正离子存在，则放电不会发生。因此，这种放电方式又称为非自持放电。
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在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度 较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。——电晕放电
3、正常辉光放电
在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象（雪崩点火）；气体
开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了—定的导电能力的气体称为等离
将电离源去掉放电仍能维持，
则称为自持放电过程。
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为维持放电进行，下述两个过程必不可少：
a) 电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个电子（初始电子）， 该电子在电极间电压的作用下，向阳极运动。当电子能量超过 一定值后，使气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子，重复这一过程 ，即实现电子的所谓繁衍。
安徽大学
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薄膜物理与技术
教师 ： 石市委 邮箱 ： swshi@ 院系 ： 物理与材料科学学院
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第三章
溅射镀膜
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3—1 气体的放电现象与等离子体
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一、 气体放电现象描述
气体放电是溅射过程的基础，所以首先讨论一下气体的 放电过程。
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此时，一方面离子对阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能 量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离。 这些均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。 这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。——汤森放电
上述两种情况的放电，都以有自然电离源为前提，如果没有游离的电子
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在正常辉光放电时．放电自动调整阴极轰击面积；最初，轰击是不均匀的， 轰击集中在靠近阴极边缘处，或在表面其他不规则处。随着电源功率的增 大．轰击区逐渐扩大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。正常辉光放电时 的电流密度仍比较小，所以在溅射等方面均是选择在非正常辉光放电区工作。
4、异常辉光放电
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当电压较低时，电路中仅
流过与初始电子数相当的暗电
流。随着电压增加，当加速电
子能量大到一定值之后，与中
性气体原子（分子）碰撞使之
电离，于是电子数按等比级数
迅速增加，形成电子的繁衍过
程，也称为雪崩式放电过程，
但此时的放电属于非自持放电
过程，其特点是，若将原始电
离源除去，放电立即停止。若
子体。 “雪崩点火”后，离子轰击阴极．释放出二次电子，二次电子与中性气体
分子碰撞．产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生出新的更多的二次电
子。
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一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉， 两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻特性。曲线CD区域叫做 过渡区。
b) 二次电子发射过程：离子在阴极电位降的作用下，轰击阴极表 面，产生二次电子。
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气体放电时两电极间的电压和电流关系不满足欧姆定律，其伏安 特性曲线如图
放电曲线分为：
汤生放电段（气体分子开始出现电离）
辉光放电段（产生大面积辉光等离子体）
2020/4/10 弧光放电段（产生高密度弧光等离子体）