圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理
磁控溅射原理详细介绍课件
氮气（N2）
常与氩气混合使用，用于增加 薄膜的硬度和抗氧化性。
氧气（O2）
用于形成氧化物薄膜，如TiO2 和Al2O3。
选择原则
根据被溅射材料和所需薄膜性 质选择合适的工作气体。
溅射功率与控制
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溅射功率
指用于产生溅射的功率， 通常以辉光放电的形式提 供。
控制方法
通过调节辉光放电的电流 或电压来控制溅射功率。
03
放电的物理过程
放电过程中，气体分子在电场中被电离，产生带电粒子，这些带电粒子
在电场中加速运动，与气体分子发生碰撞，使气体分子激发和电离，形
成电子和离子的雪崩效应。
粒子运动与碰撞
带电粒子的运动
在电场中，带电粒子受到电场力 的作用，沿着电场线方向加速运
动。
粒子的碰撞
带电粒子在运动过程中与气体分 子发生碰撞，将动能传递给气体 分子，使气体分子获得足够的能 量以克服束缚力，从原子或分子
磁控溅射原理详细介绍课件
目录
• 磁控溅射原理概述 • 磁控溅射装置与工作原理 • 磁控溅射的物理基础 • 磁控溅射技术参数与控制 • 磁控溅射沉积薄膜性能优化 • 磁控溅射研究前沿与展望
01
磁控溅射原理概述
定义与特性
定义
磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过在真空环境下利用磁场控制电子运动 ，实现高速离子轰击靶材表面，将靶材原子溅射出来并沉积在基材表面形成薄 膜。
工作气体
选择适当的工作气体，如氩气、氮气等，以 获得所需的薄膜性能。
薄膜结构与性能表征
成分分析
通过光谱分析技术确定薄膜的元素组 成。
晶体结构
采用X射线衍射技术分析薄膜的晶体 结构。
磁控溅射原理课件
适用材料广泛
磁控溅射可以用于多种金属、非金属 材料的镀膜，满足不同应用需求。
03
磁控溅射过程与机制
磁控溅射过程的物理机制
磁场控制电子运动
在磁控溅射过程中，磁场对电子的运动轨迹起到控制作用，使电子在靶材表面附近区域做回旋运动，延长了电子与气 体分子的碰撞时间，提高了离化率。
高速运动的电子与气体分子碰撞
04
磁控溅射技术的研究与发 展
磁控溅射技术的研究现状
国内外研究概况
磁控溅射技术在国内外的科研机构和 大学中得到了广泛的研究和应用，涉 及材料科学、电子学、光学等领域。
实验研究与理论模拟
当前的研究主要集中在实验研究和理 论模拟两个方面，通过实验验证理论 的预测，同时通过理论模拟指导实验 设计和优化。
阳极
通常为金属材料，与阴极相对 ，用于吸引真空室内的电子。
电源系统
提供直流或交流电，以驱动阴 极和阳极之间的电场。
磁控溅射系统的原理
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气体放电
在真空室内，通过电源系 统产生电场，使得气体分 子被电离成带电离子和电 子。
离子加速
带电离子在电场作用下加 速飞向阴极靶材，与靶材 表面原子碰撞并使其溅射 出来。
磁控溅射技术的发展趋势
高效能与环保
随着环保意识的提高和能源的日益紧张，磁控溅射技术正朝着高效能和环保的 方向发展，寻求更低的能耗和更少的废弃物排放。
多功能化
为了满足多样化的需求，磁控溅射技术正朝着多功能化的方向发展，如开发出 适用于不同材料、不同工艺的多功能磁控溅射设备。
磁控溅射技术的前沿问题
新型材料的制备
优良的附着力
由于靶材原子以一定的能量沉积在基片表面，与基片表面 产生较好的附着力。
圆柱靶磁控溅射技术
圆柱靶磁控溅射技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊圆柱靶磁控溅射技术。
这玩意儿可厉害啦！就好像是一位神奇的魔法师，能在各种材料上施展奇妙的魔法。
你想想看，圆柱靶就像是一个充满魔力的圆柱体，里面蕴含着无尽的可能。
而磁控溅射呢，就像是给这个圆柱体注入了神奇的力量，让它能够把各种材料的精华提取出来，然后均匀地洒在我们需要的地方。
它就像是一个超级精准的油漆工，能把那一层薄薄的“颜料”涂得恰到好处，不厚也不薄。
而且呀，它的工作效率还特别高，比那些普通的方法可强多了。
在很多高科技领域，圆柱靶磁控溅射技术都发挥着至关重要的作用呢！比如说在电子行业，它能让那些小小的电子元件变得更加出色；在光学领域，它能让镜片更加清晰明亮。
这不就像是给这些东西注入了灵魂一样吗？它能让原本普通的材料一下子变得高大上起来，这可真是让人惊叹不已啊！你说这是不是很神奇？那薄薄的一层溅射出来的物质，就像是给材料披上了一件神奇的外衣，让它们拥有了全新的性能和特点。
你再想想，如果没有圆柱靶磁控溅射技术，那我们的生活得失去多少精彩呀！那些高科技产品可能就不会有现在这么出色的表现了。
这技术就像是一个默默无闻的幕后英雄，虽然我们平时可能不太注意到它，但它却一直在为我们的生活贡献着力量。
而且哦，这技术还在不断地发展和进步呢！就像我们人一样，要不断学习和成长。
说不定哪天，它又会给我们带来更大的惊喜呢！到时候，我们的生活又会发生翻天覆地的变化。
它的应用范围也越来越广泛，从小小的手机零件到大大的工业设备，都有它的身影。
这不就像是一个无处不在的小精灵吗？它在各个角落施展着自己的魔法，让一切都变得更加美好。
你说，这么厉害的圆柱靶磁控溅射技术，我们能不重视它吗？我们得好好感谢那些研究和开发这项技术的科学家们呀，是他们让我们的生活变得如此丰富多彩。
总之呢，圆柱靶磁控溅射技术可真是一项了不起的技术！它就像是一道闪耀的光芒，照亮了我们科技进步的道路。
让我们一起期待它未来能给我们带来更多的惊喜吧！。
磁控溅射靶靶型分类
磁控溅射靶靶型分类发布时间：2010-11-11磁控溅射靶靶型分类靶型开发的历程大致如下：首先开发的是轴状靶→圆盘形平面靶→S-枪→矩形平面靶→各种异形靶→对靶或孪生靶→靶面旋转的圆柱靶→靶-弧复合靶→……，目前应用最广泛的是矩形平面靶，未来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。
同轴圆柱形磁控溅射在溅射装置中该靶接500-600V的负电位，基片接地、悬浮或偏压，一般构成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体提供的曲线形磁场。
圆柱形磁控溅射靶的结构1—水咀座；2—螺母；3—垫片；4—密封圈；5—法兰；6—密封圈；7—绝缘套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—阴极靶；13—永磁体；14—垫片；15—管；16—支撑；17—螺母；18—密封圈；19—螺帽圆柱形磁控溅射靶的磁力线在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。
磁力线与靶表面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。
在异常辉光放电中，离子不断地轰击靶表面并使之溅射，而电子如下图那样绕靶表面作圆周运动。
在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图平面磁控溅射圆形平面磁控溅射圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体（包括环形磁铁和中心磁柱）、水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。
如下图所以结构：圆形平面磁控溅射靶的结构1—冷却水管；2—轭铁；3—真空室；4—环形磁铁；5—水管；6—磁柱；7—靶子；8—螺钉；9—压环；10—密封圈；11—靶外壳；12—屏蔽罩；13—螺钉；14—绝缘垫；15—绝缘套；16—螺钉通常，溅射靶接500-600V负电压；真空室接地；基片放置在溅射靶的对面，其电位接地、悬浮或偏压。
因此，构成基本上是均匀的静电场。
永磁体或电磁线圈在靶材表面建立如下图的曲线形静磁场：圆形平面磁控靶的磁力线1—阴极；2—极靴；3—永久磁铁；4—磁力线该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。
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。
平面靶原理
平面靶原理磁控溅射技术是目前最重要的工业化大面积真空镀膜技术之一。
溅射技术的历史发展如图3-1所示，从中可以看出发展的驱动力主要来自：降低工艺成本、解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化。
前者关注于靶材利用率、沉积速率、薄膜均匀性以及溅射过程稳定性等方面的问题；后者由于低能离子轰击在薄膜沉积过程中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率和能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以更好地满足实际镀膜工艺中的多种需求。
其中，HIPIMS：高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering，MFMS：中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering，CFUBMS：闭合场非平衡磁控溅射closed field unbalanced magnetron sputtering，UBMS：非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering，IBAMS：离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputtering，HCM：空心阴极磁控溅射hollow cathode sputtering，ICPMS：感应耦合等离子磁控溅射inductively coupled plasma magnetron sputtering。
（一）磁控溅射工艺原理相对于其它的制备工艺（如CVD、PLD、Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最为常用的方法之一。
概括起来磁控溅射主要具有如下优点[20]：较低的制备温度（可室温沉积）；较高的成膜质量，与衬底附着力好；可控性好，具有较高的沉积速率；可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物；成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。
本贴对一般性溅射过程原理部分从略，其详细介绍可参考文献[147-150]，而主要结合制备AZO薄膜的情况，重点对磁控靶构造、磁路设计和部分表观工艺参数（external parameters）与微观/等离子体参数（plasma parameters）的关系做一简要评述。
磁控溅射原理及技术
方法的 及特点可参考有关 原理 文献队［ ｅ ）
１ ． ２磁控溅射
溅射镀膜如直流二极（ 三极） 溅射或射频溅射等的最大缺点是溅射速率较 低， 与蒸发镀膜速率相比 要低一个数ｔ级。 又如直流二极溅射需要的放电 压很 高， 处于阳 基体要受到高能粒子的轰击而损伤，并引 极的 起基体温度升高， 这 也是不希望存在的．二十世纪 ７ ０年代中期发展起来的磁控溅射技术克服了 上 述溅射镀膜的 “ 低速” “ 和 高温” 等缺点并保持了 其优点， 迅速发展和广 得以
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一 ， ＥＸＢ 卜
１阴极 一 ２阳极 一 图 １６表面有正交电磁场平板阴极电子运动 ．
阳 极加正电 ． 压Ｕ 在负Ｚ 建立阴 ， 方向 极表面场Ｂ 近阴 ， 极表面磁场强 度最强。 设 定 极 被离子 从阴 表面 轰击发射出 初始电 初速度 ｖ为 实际 有近５ 的 子的 。 零（ 上 ｅ Ｖ 能 。 子受Ｙ 场力作用向 极运动， 量） 电 向电 阳 其速度为 ｖ；同 受磁场力作 ， 时 用 向Ｘ 运动， 方向 其速度为 ｖ。 合作 ： 综 用结果，电 子将作回 运动， 旋半 旋 回 径 为ｒ其运动轨迹为一摆线。 ， 在任一点， 电子受Ｘ丫 力， ， 方向 具有两个方向（ ： ｖ、 ｖ 分速度。阴 ， ） 极表面建立磁场后， 除存在电 趋向阳 放电电 子 极的 流外， 还存
－－ ８
四川大学硕士学位论文
该区 离出 量的离 Ａ＇ 域电 大 子 ｒ ｌ击靶， 从而实现了 磁控溅 速沉积的 射高 特点。 随 碰撞次数的 增加，电 ， 子ｅ 的能量逐渐降 低， 同时逐步远离靶面。 低能电 ， 子ｅ 将沿着磁力线， 场Ｅ 在电 作用下最终到达基体。由 于该电 子的能ｉ很低， ｔ 传给 基体的能量也很小， 致使基体温升较低。 在磁极轴处电 磁场平行，电 场与 子离 ｅ ， 将直接飞向 体。 基 在通常的 磁控溅射系统中， 轴处离子密 低， ｅ 磁极 度很 故 ， 类电 子很少， 对基体温升作用不大。因而，磁控溅射又具有 “ 低温” 特点。 总之， 磁控溅射不但克服了 二极溅射的 “ 低速高温” 缺点， 的 而且仍然保
磁控溅射原理
Making the IMPOSSIBLE possible
三种磁控溅射对比
23
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
24
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
2
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
圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理
圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理作者：admin来源：本站发表时间：2010-2-2 9:49:13点击：2557磁控溅射膜常见故障的排除膜层灰暗及发黑(1)真空度低于0.67Pa。
应将真空度提高到0.13-0.4Pa。
(2)氩气纯度低于99．9％。
应换用纯度为99．99％的氩气。
(3)充气系统漏气。
应检查充气系统，排除漏气现象。
(4)底漆未充分固化。
应适当延长底漆的固化时间。
(5)镀件放气量太大。
应进行干燥和封孔处理膜层表面光泽暗淡(1)底漆固化不良或变质。
应适当延长底漆的固化时间或更换底漆。
(2)溅射时间太长。
应适当缩短。
(3)溅射成膜速度太快。
应适当降低溅射电流或电压膜层色泽不均(1)底漆喷涂得不均匀。
应改进底漆的施涂方法。
(2)膜层太薄。
应适当提高溅射速度或延长溅射时间。
(3)夹具设计不合理。
应改进夹具设计。
(4)镀件的几何形状太复杂。
应适当提高镀件的旋转速度膜层发皱、龟裂(1)底漆喷涂得太厚。
应控制在7—lOtan厚度范围内。
(2)涂料的粘度太高。
应适当降低。
(3)蒸发速度太快。
应适当减慢。
(4)膜层太厚。
应适当缩短溅射时间。
(5)镀件温度太高。
应适当缩短对镀件的加温时间膜层表面有水迹、指纹及灰粒(1)镀件清洗后未充分干燥。
应加强镀前处理。
(2)镀件表面溅上水珠或唾液。
应加强文明生产，操作者应带口罩。
(3)涂底漆后手接触过镀件，表面留下指纹。
应严禁用手接触镀件表面。
(4)涂料中有颗粒物。
应过滤涂料或更换涂料。
(5)静电除尘失效或喷涂和固化环境中有颗粒灰尘。
应更换除尘器，并保持工作环境的清洁膜层附着力不良(1)镀件除油脱脂不彻底。
应加强镀前处理。
(2)真空室内不清洁。
应清洗真空室。
值得注意的是，在装靶和拆靶的过程中，严禁用手或不干净的物体与磁控源接触，以保证磁控源具有较高的清洁度，这是提高膜层结合力的重要措施之一。
(3)夹具不清洁。
应清洗夹具。
(4)底涂料选用不当。
应更换涂料。
(5)溅射工艺条件控制不当。
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！
圆筒式磁控溅射靶的磁场仿真与结构设计
第52卷第8期表面技术2023年8月SURFACE TECHNOLOGY·371·圆筒式磁控溅射靶的磁场仿真与结构设计王栋，蔡长龙，弥谦，王麟博，刘桦辰，侯杰（西安工业大学 兵器科学与技术学院，西安 710021）摘要：目的探究一种可用于实现圆柱形工件外表面镀膜设备的可能性，设计了一种新型的圆筒式磁控溅射靶结构，溅射在圆筒状靶材内表面发生，从整个圆周方向对工件外表面镀膜，以改善传统长管工件镀膜设备体积庞大、结构复杂的不足。
方法首先对圆筒式磁控溅射靶进行初始结构设计，再运用有限元分析软件COMSOL中静磁无电流仿真模块，通过控制变量法对溅射靶内部冷却背板厚度d1、内磁环轴向高度h1、内磁环径向宽度Δr1、外磁环轴向高度h2、外磁环径向宽度Δr2以及内外磁环间距d2不同结构参数下的靶面水平磁感应强度值进行仿真与研究。
在此基础上进行磁场优化并设计出溅射靶的理想磁铁结构参数。
结果计算结果表明，当冷却背板厚度为13 mm，外磁环内径为266 mm、外径为310 mm、厚度为20 mm，内磁环内径为270 mm、外径为310 mm、厚度为22 mm，内外磁环间距为50 mm时，距靶面上方3 mm处最大水平磁感应强度为40 mT，磁场分布均匀区域可达40%左右。
结论此外考虑溅射靶内部的水冷、密封以及绝缘结构，最终设计的圆筒式磁控溅射靶整体高384 mm，最大直径432 mm，结构紧凑可靠，为长管工件外表面金属薄膜的制备提出了一种新的磁控溅射靶结构。
关键词：磁控溅射靶；磁场仿真；有限元分析；优化；结构设计；圆筒式中图分类号：TG174.442 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)08-0371-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.08.032Magnetic Field Simulation and Structure Design ofCylindrical Magnetron Sputtering TargetWANG Dong, CAI Chang-long, MI Qian, WANG Lin-bo, LIU Hua-chen, HOU Jie(College of Ordnance Science and Technology, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China)ABSTRACT: In order to explore the possibility of a device which can be used to coat the outer surface of cylindrical workpiece, a new type of cylindrical magnetron sputtering target is designed. Sputtering takes place on the inner surface of the cylindrical target, and the outer surface of the workpiece is coated from all sides to improve the large volume and complex structure of the traditional coating device for long tube workpiece. Firstly, the initial structure of the cylindrical magnetron sputtering target was designed, and then the magnetostatic non-current simulation module in the finite element analysis software收稿日期：2022-06-24；修订日期：2022-09-14Received：2022-06-24；Revised：2022-09-14基金项目：国家自然科学基金（11975177）；西安市智能探视感知重点实验室资助项目（201805061ZD12CG45）；西安市智能兵器重点实验室资助项目（2019220514SYS020CG042）Fund：National Natural Science Foundation of China (11975177); Xi'an Key Laboratory of Intelligent Visitation Perception (201805061ZD12CG45); Xi'an Key Laboratory of Intelligence (2019220514SYS020CG042)作者简介：王栋（1998—），男，硕士研究生。
磁控溅射技术原理、现状、发展及应用实例
磁控溅射技术原理、现状、发展及应用实例（薄膜物理大作业论文）班级：1035101班学号：1101900508姓名：孙静一、前言镀膜玻璃是一种在玻璃表面上镀一层或多层金属氧化物薄膜，使其具有一种或多种功能的玻璃深加工产品。
自七十年代开始，在世界发达国家和地区，传统的单一采光材料—普通建气琳璃，已逐步为具有节能、控光、调温、改变墙体结构以及具有艺术装饰效果的多功能玻璃新产品所替代，如茶色玻璃、中空玻璃、镀膜玻璃等，其中又以镀膜玻璃尤汐引人注目，发展也颇为迅速，如欧洲共同体国家在1985年建筑玻璃总量的三分之二用的是镀膜玻璃，美国镀膜玻璃的市场在八十年代就已达5000万平方米/年，在香港、新加坡、台湾等经济崛起的东南亚国家和地区，镀膜玻璃的使用也日渐盛行。
镀膜玻璃作为一种新型的建筑装饰材料已得到了人们普遍的肯定和喜爱。
目前生产镀膜玻璃所采用的方法大体上可分为浸渍法、化学气相沉积法、真空蒸发法、磁控溅射法以及在线镀膜等五种方法。
浸渍法是将玻璃浸人盛有金属有机化合物溶液的槽中，取出后送人炉中加热，去除有机物，从而形成了金属氧化物膜层。
由于浸渍法使玻璃两边涂膜，且低边部膜层较厚，同时可供水解盐类不多，因而在国内未得到很好推广。
化学气相沉积法是将金属化合物加热成蒸汽状，然后涂到加热后的玻璃表面上。
这种方法由于受到所镀物质的限制，且在大板上也难真空蒸发法是在真空条件下，通过电加热使镀膜材料蒸发，由固相转化为气相，从而沉积在玻璃表面上，形成稳定的薄膜。
此法的不足之处是所镀膜层不太均匀、有疵点、易脱落。
只能生产单层金属镀膜玻璃，颜色也难以控制。
磁控溅射法是在真空条件下电离惰性气休，气体离子在电场的作用下，轰击金属靶材使金属原子沉积到玻璃表面上。
在线镀膜一般是在浮法玻璃生产线上进行，如电浮法、热喷涂等方法，目前我国较少使用。
在这些方法中，磁控溅射镀膜法是七十年代末期发展起来的一种先进的工艺方法，它的膜层由多层金属或金属氧化层组成，允许任意调节能量通过率、能量反射率，具有良好的外观美学效果，它克服了其它几种生产方法存在的一些缺点，因而目前国际上广泛采用这一方法。
平面圆形磁控溅射靶枪的磁场分析
龙源期刊网
平面圆形磁控溅射靶枪的磁场分析
作者：屈宝鹏张喜凤
来源：《现代电子技术》2009年第13期
摘要：磁控溅射靶枪中磁通量密度的横向分布情况对靶材的利用率、沉积薄膜的质量及磁控溅射过程的稳定性等都有重大的影响。
利用有限元理论对靶表面磁通量密度的横向分量进行了模拟分析。
同时，也使用高斯计对靶表面磁场强度的横向分布进行了实际测量。
比较得知，模拟结果和实际测量结果在很高的精度上是一致的。
这个结果对于优化磁控溅射靶枪的设计及提高膜层的特性等方面都具有很高的实用价值。
关键词：磁控溅射；有限元；横向分量；磁通量密度。
磁控溅射靶靶型分类
磁控溅射靶靶型分类发布时间：2010-11-11磁控溅射靶靶型分类靶型开发的历程大致如下：首先开发的是轴状靶→圆盘形平面靶→S-枪→矩形平面靶→各种异形靶→对靶或孪生靶→靶面旋转的圆柱靶→靶-弧复合靶→……，目前应用最广泛的是矩形平面靶，未来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。
同轴圆柱形磁控溅射在溅射装置中该靶接500-600V的负电位，基片接地、悬浮或偏压，一般构成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体提供的曲线形磁场。
圆柱形磁控溅射靶的结构1—水咀座；2—螺母；3—垫片；4—密封圈；5—法兰；6—密封圈；7—绝缘套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—阴极靶；13—永磁体；14—垫片；15—管；16—支撑；17—螺母；18—密封圈；19—螺帽圆柱形磁控溅射靶的磁力线在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。
磁力线与靶表面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。
在异常辉光放电中，离子不断地轰击靶表面并使之溅射，而电子如下图那样绕靶表面作圆周运动。
在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图平面磁控溅射圆形平面磁控溅射圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体（包括环形磁铁和中心磁柱）、水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。
如下图所以结构：圆形平面磁控溅射靶的结构1—冷却水管；2—轭铁；3—真空室；4—环形磁铁；5—水管；6—磁柱；7—靶子；8—螺钉；9—压环；10—密封圈；11—靶外壳；12—屏蔽罩；13—螺钉；14—绝缘垫；15—绝缘套；16—螺钉通常，溅射靶接500-600V负电压；真空室接地；基片放置在溅射靶的对面，其电位接地、悬浮或偏压。
因此，构成基本上是均匀的静电场。
永磁体或电磁线圈在靶材表面建立如下图的曲线形静磁场：圆形平面磁控靶的磁力线1—阴极；2—极靴；3—永久磁铁；4—磁力线该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。
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圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理
作者：admin来源：本站发表时间：2010-2-2 9:49:13点击：2557
磁控溅射膜常见故障的排除
膜层灰暗及发黑
(1)真空度低于0.67Pa。
应将真空度提高到0.13-0.4Pa。
(2)氩气纯度低于99．9％。
应换用纯度为99．99％的氩气。
(3)充气系统漏气。
应检查充气系统，排除漏气现象。
(4)底漆未充分固化。
应适当延长底漆的固化时间。
(5)镀件放气量太大。
应进行干燥和封孔处理
膜层表面光泽暗淡
(1)底漆固化不良或变质。
应适当延长底漆的固化时间或更换底漆。
(2)溅射时间太长。
应适当缩短。
(3)溅射成膜速度太快。
应适当降低溅射电流或电压
膜层色泽不均
(1)底漆喷涂得不均匀。
应改进底漆的施涂方法。
(2)膜层太薄。
应适当提高溅射速度或延长溅射时间。
(3)夹具设计不合理。
应改进夹具设计。
(4)镀件的几何形状太复杂。
应适当提高镀件的旋转速度
膜层发皱、龟裂
(1)底漆喷涂得太厚。
应控制在7—lOtan厚度范围内。
(2)涂料的粘度太高。
应适当降低。
(3)蒸发速度太快。
应适当减慢。
(4)膜层太厚。
应适当缩短溅射时间。
(5)镀件温度太高。
应适当缩短对镀件的加温时间
膜层表面有水迹、指纹及灰粒
(1)镀件清洗后未充分干燥。
应加强镀前处理。
(2)镀件表面溅上水珠或唾液。
应加强文明生产，操作者应带口罩。
(3)涂底漆后手接触过镀件，表面留下指纹。
应严禁用手接触镀件表面。
(4)涂料中有颗粒物。
应过滤涂料或更换涂料。
(5)静电除尘失效或喷涂和固化环境中有颗粒灰尘。
应更换除尘器，并保持工作环境的清洁膜层附着力不良
(1)镀件除油脱脂不彻底。
应加强镀前处理。
(2)真空室内不清洁。
应清洗真空室。
值得注意的是，在装靶和拆靶的过程中，严禁用手或不干净的物体与磁控源接触，以保证磁控源具有较高的清洁度，这是提高膜层结合力的重要措施之一。
(3)夹具不清洁。
应清洗夹具。
(4)底涂料选用不当。
应更换涂料。
(5)溅射工艺条件控制不当。
应改进溅射工艺条件
圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理
摘要：介绍了一种根据矩形平面靶的结构原理设计圆柱形、平面式磁控溅射靶的方法．并对如何发挥圆柱形、平面式磁控溅射靶的优点进行了分析．
关键词：磁控溅射；靶；真空镀膜
1磁控溅射技术
磁控溅射技术是70年代发展起来的一种新型溅射技术，目前已在科研和生产中实际应用．磁控溅射镀膜主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通讯等，具有高速、低温、低损伤等优点．高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，损伤小．
2磁控溅射镀膜原理与磁控溅射靶
2.1磁控溅射镀膜原理
磁控溅射镀膜原理是将磁控溅射靶放在真空室内，在阳极(真空室)和阴极靶(被沉积的材料)之间加上足够的直流电压，形成一定强度的静电场E．然后再在真空室内充入氩气，在静电场E的作用下，氩气电离并产生高能的氩离子A+r和二次电子e1．高能的A+r在电场E 的作用下加速飞向溅射靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材表面发生溅射．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(如图1所示)［1］．
图1磁控溅射镀膜原理
由于磁场B的作用，一方面在阴极靶的周围，形成一个高密度的辉光等离子区，在该区域电离出大量的A+r来轰击靶的表面，溅射出大量的金属粒子向工件表面沉积；另一方面，二次电子e1在加速飞向靶表面的同时，受到磁场B的洛伦兹力作用，以摆线和螺旋线的复合形式在靶表面作圆周运动．随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低，传给基片的能量很小，故基片的温升较低．当溅射量达到一定程度后，靶表面的材料也就被消耗掉，形成拓宽的腐蚀环形凹状区［1］．
2.2磁控溅射靶在镀膜过程中的重要作用
磁控溅射靶是真空磁控溅射镀膜的核心部件，它的重要作用主要表现在以下两个方面(1)对于大面积表面的镀膜，磁控溅射靶影响着膜层的均匀性与重复性；(2)当膜层材料为贵重金属时，靶的结构决定着靶材(形成薄膜的材料)，即该贵重金属的利用率．
3常用的磁控溅射靶及其优缺点
3.1矩形平面靶
矩形平面靶的结构简图如图2所示［1］，磁场方向与靶面阴极平行，形成环形磁场，该磁场与电场E正交．当真空室内充入氩气后，便被电离放电，放电产生的A+r离子轰击阴极(靶)的表面．二次电子e1受磁场B的洛仑兹力作用，沿垂直于磁力线方向运动(如图3所示)．这些电子运动路径长，增加了气体分子磁撞的机会，使气体的电离几率增加，进而增大了溅射速率．
图2矩形平面靶的结构
图3靶表面由磁场构成的封闭环形跑道
矩形平面靶的特点是结构简单，通用性强，膜层均匀性与重复性好．但缺点是靶材的利用率低，一般约为20%［2］左右．当辉光区，即磁力线分布区域的靶材消耗到一定程度时，将形成条形凹坑，靶材体变薄，凹坑深度达到一定程度时，靶材就不能继续使用．
3.2同轴圆柱形磁控溅射靶
同轴圆柱形磁控溅射靶如图4所示［2］，磁力线平行于靶表面，并与电场E正交．磁力线与靶表面封闭的空间就是约束电子运动的等离子区域．该区域为一环形空间，由图可以看出，同轴圆柱形磁控溅射靶有多个环形空间．
同轴圆柱形磁控测射靶的优点是结构紧凑，靶材利用率较平面矩形靶高．但缺点是在溅射时，整个靶表面上为多个辉光环，不能形成连续的条形辉光，故在镀制大面积的膜层时，膜层表面的均匀性差，很难满足要求．
4圆柱形、平面式磁控溅射靶的设计思路
4.1原理
把矩形平面磁控靶的结构原理应用到圆柱形磁控溅射靶中，设计的磁控溅射靶称为圆柱形、平面式磁控溅射靶．它兼有平面矩形靶和同轴圆柱靶两者的优点．即镀膜的均匀性好，和靶材利用率较高．
将两个矩形平面靶绕X轴(见图2)卷曲成半圆形，并将其合扰，如图5所示，即初步完成了平面矩形靶向圆柱形、平面式磁控溅射靶的演变．X轴变成了轴心线，磁力线在圆柱体的表面上形成了4条封闭的空间，即约束二次电子e1运动的等离子区域．
4.2要解决的技术问题
在把矩形平面靶演变成圆柱形、平面式靶的过程中，矩形平面靶中沿X轴方向布置的磁铁变成了圆柱形、平面式靶中沿轴线方向分布的磁铁．而平面矩形靶中垂直于X轴的端头磁铁A端从理论上讲，应变成圆环形磁铁A环，而且其充磁方向应该是圆环内表面和外表面，即内外表面应分别为S极和N极，如图6所示．然而，这种充磁方法几乎是办不到的．因此，设计圆柱形、平面式磁控溅射靶，解决两端的磁场问题是成功的关键．
图4同轴圆柱形磁控靶的磁铁布置
图5圆柱形、平面式磁控溅射靶的磁铁布置
图6理想环形磁铁的充磁方向
图7轴向充磁的磁铁与极靴
如图7所示，采用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与极靴的原理，即用轴向充磁的环形磁铁(两端面分别为S极和N极)，在端面加一导磁材料制做的环形“极靴”，根据磁力线沿表面分布这一特点可知：这时磁力线是沿“极靴”的外圆表面发射的，即“极靴”代替了磁铁的一个磁极．而“极靴”的外圆表面发射的磁力线，正好与所希望的理想环形磁铁的磁力线方向相同．由此可知，用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与极靴的原理，可解决圆柱形、平面式磁控溅射靶端部磁场与中间段磁场的连接问题．
图8平面矩形靶的环状腐蚀凹坑
图9圆柱形、平面式磁控靶的环状腐蚀凹坑
5圆柱形、平面式磁控溅射靶与矩形靶工作状况对比
平面矩形靶在靶面上形成一条封闭的环形辉光带，随着靶材的消耗，在靶材表面上形成与辉光区对应的环状腐蚀凹坑(如图8所示)．
圆柱形、平面式磁控溅射靶在靶面上形成两组(四条)对称的封闭的环形辉光带，随着靶材的消耗，将在靶材表面上形成与辉光区对应的环状腐蚀凹坑(如图9所示)．
6圆柱形、平面式磁控溅射靶的优势
与其它形式的磁控溅射靶相比，圆柱形、平面式磁控溅射靶在保留了矩形平面靶镀膜均匀性好的优点的同时，可通过以下两条途径最大限度地提高靶材的利用率，(1)当靶材表面的2组(四条)环状凹坑达到一定深度时，可将靶芯(磁体部分)相对靶管旋转45°，这样就可以对靶管上另外没有腐蚀过的区域进行利用；(2)当圆柱形、平面式磁控溅射靶的靶芯设计成转靶芯时，(溅射时靶芯在旋转)，可将靶材表面一层一层均匀地溅射掉，而不会产生凹坑，此时，靶材将得到最有效的利用，靶材的利用率可达50%～60%．当靶材为贵重金属材料时，这无疑是具有重大意义的［2］．
7结论
通过采用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与靴的原理来解决端部磁场问题，可以将矩形平面靶演变成圆柱形、平面式磁控溅射靶．该靶在保留矩形平面靶镀膜均匀性好的情况下，可最大限度地提高靶材的利用率．从而提高经济效益．。