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真空溅射技术

真空溅射技术
真空溅射技术

《真空溅射技术》

第一章溅射技术

所谓“溅射”就是用荷能粒子(通常用气体正离子)轰击物体,从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。

1842年Grove(格洛夫)在实验室中发现了这种现象。

1877年美国贝尔实验室及西屋电气公司首先开始应用溅射原理制备薄膜。

1966年美国国际商用电子计算机公司应用高频溅射技术制成了绝缘膜。

1970年磁控溅射技术及其装置出现,它以“高速”、“低温”两大特点使薄膜工艺发生了深刻变化,不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求,而且促进了新工艺的发展。

我国在1980年前后,许多单位竞先发展磁控溅射技术。目前在磁控溅射装置和相应的薄膜工艺研究上也已出现了工业性生产的局面。

第一节溅射理论及其溅射薄膜的形成过程

溅射理论

被荷能粒子轰击的靶材处于负电位,所以一般称这种溅射为阴极溅射。关于阴极溅射的理论解释,主要有如下三种。

蒸发论

认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶,使靶表面受轰击的部位局部产生高温区,靶材达到蒸发温度而产生蒸发。

碰撞论

认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。轰击离子能量不足,不能发生溅射;轰击离子能量过高,会发生离子注入现象。

混合论

认为溅射是热蒸发论和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。

u辉光放电

u直流辉光放电

在压力为102-10-1Pa的容器内,在两个电极间加上直流电压后所发生的放电过程如图:

电压小时,由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。增加电压,带电粒子能量增加,碰撞中性气体原子,产生更多带电粒子,电流随之平稳增加,进入“汤森放电区”。电流增加到一定程度,发生“雪崩”现象,离子轰击阴极,释放二次电子,二次电子与中性气体原子碰撞,产生更多离子,这些离子再轰击阴极,又产生更多的二次电子,如此循环,当产生的电子数正好产生足够多离子,这些离子能够再生出同样数量的电子时,进入自持状态,气体开始起辉,电压降低,电流突然升高,此为“正常辉光放电区”。放电自动调整阴极轰击面积,最初轰击是不均匀的,随着电源功率增大,轰击面积增大,直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。当轰击区域覆盖整个阴极面后,再进一步增加功率,会使放电区内的电压和电流密度同时升高,进入溅射工艺工作区域,即“异常辉光放电区”。在该区域内,如果阴极没有水冷或继续增加功率,当电流密度达到约0.1A/cm2以上,将有热发射电子混入二次电子之中,随后发生又一个“雪崩”。由于输入阻抗限制着电压,将形成低压大电流的“弧光放电”。

形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压V B,主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。为了引起最初的雪崩,每个二次电子必须产生出约10-20个离子。若气压太低或极间距离太小,二次电子撞到阳极之前,无法到达所需要的电离碰撞次数;若气压太高或极间距离太大,气体中形成的离子将因非弹性碰撞而减速,以致于当轰击阴极时,已无足够的能量产生二次电子。

直流辉光放电的形貌和参量分布图:

i.阿斯顿暗区,不发生电离和激发;

ii.阴极辉光区,气体分子激发发光;

iii.阴极暗区,产生很强的电离,具有很高的正离子浓度,有较强的空间电荷;iv.负辉光区,光度最强,有较强的负空间电荷;

v.法拉第暗区,电离和激发都很小;不一定是辉光放电必须的,是起连接作用。vi.正柱区,等离子区,几乎与法拉第暗区等电位;

u低频交流辉光放电

在频率低于50KHz的交流电压条件下,离子有足够的活动能力且有充分的时间,在每个半周期内在各个电极上建立直流辉光放电。除了电极交替地成为阴极和阳极之外,其机理基本上与直流辉光放电相同。

我们常用的中频溅射属于这个范围,中频溅射的频率为40KHz。

u射频辉光放电

?两个重要特征:

第一、在辉光放电空间中电子振荡达到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,并且降低了击穿电压。

第二、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体,可以溅射任何材料。射频辉光放电的阴极室电容耦合电极,阳极接地。

?溅射靶和基片完全对称放置于射频辉光放电等离子体中,正离子以均等的机会轰击溅射靶和基片,溅射成膜是不可能的。实际上,只要求靶上得到溅射,那么这个电极(溅射靶)必须绝缘起来,并通过电容耦合到射频电源上;另一个电极(真空室壁)为直接耦合电极(即接地极),而且靶面积必须比直接耦合电极小。实验证明:在射频辉光放电等离子体中阴极电压Vc与阳极电压Va之比于阳极面积Aa和阴极面积Ac之比存在如下关系:Vc/Va=(Aa/Ac)4。

由于Aa >> Ac,所以Vc >> Va,放射频辉光放电时,等离子体重离子对接地零件只有极微小的轰击,而对溅射靶却进行强烈轰击并使之产生溅射。

下图为小的容性耦合电极(靶)至大的直接耦合电极之间发生射频辉光放电时,极间电位的分布图。

u溅射过程

u靶材的溅射现象

下图为荷能离子碰撞表面所产生的各种现象:

在等离子体中,任何表面具有一定负电位时,就会发生上述溅射现象,只是强弱程度不同而已。所以靶、真空室壁、基片都有可能产生溅射现象。以靶的溅射为主时,称为溅射成膜;对基片进行溅射现象称为溅射刻蚀;真空室和基片在高压强下的溅射称为溅射清洗。

我们一般应用为溅射成膜,在各种现象中,人们最关心的是溅射效应,即被正离子轰击出来的靶材中性粒子的数量,称为溅射量S。

溅射率?:表示一个正离子入射到靶材表面从其表面上所溅射出来的原子数。u溅射粒子向基片的迁移过程

靶材受到轰击所放出的粒子中,正离子由于逆向电场的作用是不能到达基片上的,其余粒子均会向基片迁移。压强为101-10-1Pa,粒子平均自由程约为1-10cm,因此靶至基片的空间距离应与该值大致相等。否则,粒子在迁移过程中将发生多次碰撞,即降低靶材原子的能量又增加靶材的散射损失。

虽然靶材原子在向基片迁移的过程中,因碰撞(主要与工作气体分子)而降低其能量,但是,由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量,所以溅射镀膜沉积在基片上的靶材原子的能量较大,其值相当于蒸发原子能量的几十至一百倍。u粒子入射到基片后的成膜过程

应考虑如下问题:

?沉积速率

指从靶材上溅射出来的材料,在单位时间内沉积到基片上得厚度,与溅射速率成正比。在选定镀膜环境以及气体的情况下,提高沉积速率的最好方法只有提高离子流。不增加电压条件下增加离子流只有提高工作气体压力。

如图所示,气体压力与溅射率的关系曲线,当压力增高到一定值时,溅射率开始明显下降。其原因是靶材粒子的背返射和散射增大,导致溅射率下降。所以由溅射率来考虑气压的最佳值是比较合适的,当然应当注意由于气压升高影响薄膜质量的问题。

?沉积薄膜的纯度

沉积到基片上得杂质越少越好。这里所说的杂质专指真空室残余气体。解决的方法是:

1、提高本底真空度

2、提高氩气量。

为此,在提高真空系统抽气能力的同时,提高本底真空度和加大送氩量是确保薄膜纯度必不可少的两项措施。

就溅射镀膜装置而言,真空室本底真空度应为10-3-10-4Pa。

?沉积成膜过程中的其它污染

2真空室壁和室内构件表面所吸附的气体。采用烘烤去气方法。

2扩散泵返油。配制涡轮分子泵或冷凝泵等比较好。

2基片清洗不彻底。应尽可能保证基片不受污染和不带有颗粒状污染物。

?成膜过程中的溅射条件

u溅射气体的选择

应具备溅射率高、对靶材呈惰性、价格便宜、来源方便、易于得到高纯度的气体。

一般采用氩气。

u溅射电压及基片电位

溅射电压及基片电位(即接地、悬浮或偏压)对薄膜特性的影响严重。

溅射电压不但影响沉积速率,而且严重英雄薄膜的结构。

基片电位直接影响入射的电子流或离子流。

1. 基片接地处于阳极电位,则它们受到等同电子轰击。

2. 基片悬浮,在辉光放电空间取得相对于地电位稍负的悬浮电位V f。而基片周围等

离子体电位V P高于基片电位为(V f+V P),将引起一定程度的电子和正离子的轰击,导致膜厚、成分或其它特性的变化。如下图:

3. 假如基片有目的地施加偏压,使其按电的极性接收电子或离子,不仅可以净化基

片增强薄膜附着力,而且还可以改变薄膜的结晶结构。

u基片温度

u高纯度的靶材

1. 必须具备高纯度的靶材和清洁的靶表面。

2. 溅射沉积之前对靶进行预溅射,使靶表面净化处理。

u由于溅射装置中存在多种参数间的相互影响,并且综合地决定溅射薄膜的特性,因此在不同的溅射装置上,或制备不同的薄膜时,应该对溅射工艺参数进行试验选择为宜。

第二节溅射薄膜的特点

u膜厚可控性和重复性好

?控制靶电流可以控制膜厚

?通过溅射时间控制膜厚

u薄膜与基片的附着力强

?高能量的溅射原子产生不同程度的注入现象,形成一层伪扩散层

?基片在成膜过程中始终在等离子区中被清洗和激活,清除了附着力不强的溅射原子,净化且激活基片表面。

u可以制备特殊材料的薄膜

?可溅射几乎所有的固体(包括粒状、粉状的物质),不受熔点的限制。

?使用不同材料同时溅射制备混合膜、化合膜。

?可制备氧化物绝缘膜和组分均匀的合金膜。

?可通入反应气体,采用反应溅射方法制备与靶材完全不同的新的物质膜。如用硅靶制作二氧化硅绝缘膜;用钛靶,充入氮气和氩气,制备氮化钛仿金膜。

u膜层纯度高

?没有蒸发法制膜装置中的坩埚构件,溅射膜层不会混入坩埚加热器材料的成分。u缺点:成膜速度比蒸发镀膜低、基片温升高、易受杂质气体影响、装置结构复杂。

第三节溅射应用范围简介

第二章直流溅射镀膜

依据直流辉光放电原理制造的镀膜装置统称为直流溅射镀膜装置,利用这种装置溅射的各种工艺统称为直流溅射镀膜工艺。

第一节直流二极溅射装置

直流二极溅射装置示意图

1—真空室;2—加热片;3—阴极(靶);4—基片(阳极);

5—氩气入口;6—负高压电源;7—加热电源;8—真空系统

u电源采用直流。

u靶材必须是导体。

u靶上通以负高压。

u阴极靶与基片间的距离大于阴极暗区的3-4倍较为合适。

u直流二极溅射工作原理图:

第二节偏压溅射装置

u与直流二极溅射的区别在于基片上施加一固定直流偏压。

u偏压使基片表面在薄膜沉积过程中,受到气体离子的稳定轰击,消除可能进入薄膜表面的气体,提高薄膜的纯度。

u偏压可以清除附着力较差的沉积粒子,可以在沉积之前对基片进行轰击清洗,净化表面,提高薄膜的附着力。

u偏压使荷能粒子(一般指正离子)不断地轰击正在形成的薄膜表面,一方面提高膜层的强度,另一方面降低了膜层的生成速度。

u偏压较大时,能产生少量非膜材离子(如氩离子)的参杂现象。为保证膜纯度,应选择适当的偏压值。

直流偏压溅射示意图

1—溅射室;2—阴板;3—基片;4—阳极;5—接抽气系统;6—氩氧气入口

第三节三极或四极溅射装置

u三极溅射是用热电子强化放电的一种方式,它能使溅射速率比二极溅射有所提高,又能使溅射工况的控制更方面。在二极溅射系统中提供一个热电子的源——一根发射自由热电子的帜热灯丝,当灯丝比靶电位更负的时候,电子朝向靶轰击,从而靶入射离子流增加,溅射量相应地增大。由于热电子的数量并不很大,不会引起靶材过分地加热。附加的热电子流,是靶电流的一个调整量,就是说,在二极溅射运行中,气压、电压和靶电流三个主要工艺参数中,电流可以独立于电压作一定程度的调整。三极溅射比二极溅射大于提高了一倍的溅射速率。

u四极溅射——等离子弧溅射

(a) (b)

(a)四极溅射装置结构示意图

1—机械泵;2—阀;3—可调漏泄阀;4—低真空计;5—高真空计;

6—阴极;7—稳定性电极;8—电磁线圈;9—溅射室;10—蒸镀基板灯丝;

11—靶;12—阳极;13—闸阀;14—液氮阱;15—放气阀;16—液氮阱;

17—扩散泵;18—水冷密封板;19—钛升华泵;20—加热器

(b)四极溅射装置的电气部分

1—热阴极;2—稳定性电极;3—基板;4—阳极;5—靶;6—线圈;7—靶电源?工作压强比二极溅射低(10-1——10-2Pa)。

?靶电流几乎不随靶电压改变,而依赖于阳极电流,实现了靶电流和电压的分别控制。

第三章磁控溅射镀膜

第一节磁控溅射的工作原理

磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动,其结果导致轰击基片的高能电子的减少和轰击靶材的高能离子的增多,使其具备了“低温”、“高速”两大特点。

u水冷系统:各种类型溅射靶,在辉光放电中因离子轰击都要发热。为保证溅射靶的正常工作温度,均应设置冷却系统。为保证冷却水的流速和进出口水温差在预定的范围内,要求溅射靶冷却水套应具有小流阻,溅射靶材和水冷背板的导热性能良好。其进水压力一般为2KG以上。

u“高速”以基片与靶材相对不动时,溅射Al的成膜速率达到1μm/min而言,已经与电子束蒸发Al的成膜速率接近了,比二极溅射的溅射速率提高了一个数量级。u“低温”是与二极溅射相比,在相同的条件下,二极溅射的基片温升可能达到350—450℃时,磁控溅射的基片温升大约只有250℃左右。

u除射频磁控装置外,其余的磁控溅射装置均是静止的电磁场,磁场为曲线形,均匀电场和对数电场则分别用于平面靶和同轴圆柱靶。它们的工作原理相同。

电子e在电场E的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,若电子具有足够的能量(约30eV)时,则电离出Ar+和另一个电子e。电子飞向基片,Ar+在电场E作用下加速飞向阴极(溅射靶)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,二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用以如图的摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子e1的运动路径不仅很长,而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,在该区域中电离出大量的Ar+用来轰击靶材,从而实现了磁控溅射速率高的特点。

随着碰撞次数的增加,电子e1的能量逐渐降低,同时逐渐远离靶面。低能电子e1将在如图中e3那样沿着磁力线来回振荡,待电子能量耗尽时,在电场E的作用下最终沉积到基片上。由于该电子的能量很低,传给基片的能量很小,致使基片温升较低。由于磁极轴线处电场与磁场平行,电子e2将直接飞向基片。但是,在磁控溅射装置中,磁极轴线处离子密度很低,所以E类电子很小,对基片温升作用不大。

磁控溅射工作原理

综上所述,磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动的方向,束缚和延长电子的运动轨迹,从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此在形成高密度等离子体的异常辉光放电中正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效,同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“地温”、“高速”两大特点的机理。磁控溅射等离子体中的物理过程如下所示:

与直流二极溅射相比较,区别只在于增加了正交电磁场对电子的束缚效应。可见,正交电磁场的建立,B值的大小及其分布,特别是平行于靶表面的磁场分量B1是磁控溅射中一个极其重要的参数。

为了提高对电子的束缚效应,磁控溅射装置中应当尽可能满足磁场B与电场E相互垂直(即正交)和利用磁力线及电极(一般为阴极靶)封闭等离子体的两个重要条件。由于束缚效应的作用,磁控溅射的放电电压和气压都远低于直流二极溅射,通常分别为500-600V和10-1Pa。

第二节磁控溅射靶靶型分类

u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。

u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

u平面磁控溅射

?圆形平面磁控溅射

u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。从而实现了电磁场的正交和对等离子体区域的封闭的磁控溅射所必备的条件。由磁场形状决定了异常辉光放电等离子区的形状,故而决定了靶材刻蚀区是一个与磁场形状相对称的圆环,其形状如下图:

圆形平面靶刻蚀形状

u冷却水的作用是控制靶温以保证溅射靶处于合适的冷却状态。温度过高将引起靶材熔化,温度过低则导致溅射速率的下降。

u屏蔽罩的设置,是为了防止非靶材零件的溅射,提高薄膜纯度。并且该屏蔽罩接地,还能起着吸收低能电子的辅助阳极的作用。其位置,可以通过合理设计屏蔽罩与阴极体之间的间隙来确定,其值应小于二次电子摆线轨迹的转折点距离d t,一般≤3mm。

u磁控溅射的磁场时由磁路结构和永久磁体的剩磁(或电磁线圈的安匝数)所决定的。

最终表现为溅射靶表面的磁感应强度B的大小及分布。通常,圆形平面磁控溅射靶表面磁感应强度的平行分量B1为0.02-0.05T,其较好值为0.03T左右。因此,无论磁路如何布置,磁体如何选材,都必须保证上述B1要求。

?矩形平面磁控溅射靶

2一个典型的矩形平面靶断面结构图

其结构与圆形平面磁控溅射靶基本相同,只是靶材是矩形的而不是圆形平面。

2其磁力线形状见下图:

矩形平面磁控溅射靶的磁力线

2磁体布局

磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均匀程度和沉积膜厚均匀性。为了改进该均匀性,可采用下图所示磁体布局:

矩形阴极改进了沉积膜厚度分布后的磁铁排布情况:

(a)—双环;(b)—带隙磁铁;注明了实验测定的均匀度

可见,矩形平面磁控溅射靶的两个端部是刻蚀和膜厚分布不均匀问题最严重的部位。其原因是端部磁场不均匀并与中部存在着差异。因此,保证磁路的长宽比大于3,基片应沿矩形靶的宽度方向运动或矩形靶加长使其端部位于基片之外。

2靶材的安装

安装方式分直接水冷和间接水冷两种形式。采用间接水冷,为了保证靶材的冷却效果,应将其紧紧压在水冷背板上,为此,压框与水冷却背板得间隙y必须大于

0.5mm。我们一般采用的是在靶材上开螺钉孔,直接用螺钉将靶材连接到水冷背板

上,为了使传热效果更好,在两者之间压一层薄薄的石墨纸。此外,也可以采用钎焊技术将靶材焊接在水冷背板上。安装形式如下图:

靶材冷却型式

(a)—直接冷却;(b)—间接冷却;

1—压框;2—靶材;3—背板;4—密封圈;5—冷却水;6—阴极体

2靶材刻蚀区域

对比如下两图:

2平面磁控溅射的工作特性

1) 电压、电流及气压的关系:通常,平面磁控溅射的工作条件为阴极电压300-600V、

电流密度4-60mA /cm2、氩气压力0.13-1.3Pa、功率密度1-36W/cm2。

(a)—各种气压下, 矩形平面磁控阴极的电流——电压特性

(b)—恒定的阴极平均电流密度数值下,阴极电压与气压的关系

2) 沉积速率

沉积速率是表征成膜速度的物理量,其值与溅射速率成正比。由于溅射靶的不均匀溅射和基片的运动方式决定了薄膜沉积的不均匀性。

平面磁控溅射的基片运动方式

(a)—行星运动;(b)—有小孔屏蔽极的平面运动;

(c)—鼓形转动;(d)—直线运动

因此,一般以膜的平均厚度除以沉积时间所定义的平均沉积速率(nm/min)来表征沉积速率。平均沉积速率与溅射靶的功率密度(W/cm2)的比值称为功率效率。在靶尺寸、磁路及功率密度一定时,沉积速率将随着靶材变化。对于非铁磁性材料,该变化是由于溅射率的差别而引起的。下表列出了600eV离子能量的溅射速率:

气体压力对平面磁控溅射沉积速率的影响如下图:

可见,对于具体的溅射装置和溅射条件,有一个最佳的气体压力值。

为尽可能地提高沉积速率,基片应尽量靠近溅射靶,但必须保证稳定地异常辉光放电。通常,其最小间距为5-7cm。

最大功率密度是限制沉积速率的另一个主要因素。

综上所述,溅射靶刻蚀区尺寸及其功率密度、靶-基距、靶材、气压、磁路及磁物等参数均是影响沉积速率的因素。溅射靶的热学特性和机械特性则是限制最大沉积速率的因素。

第四章膜厚均匀度

膜厚均匀度是衡量薄膜质量和镀膜装置性能的一项重要指标。为提高膜厚均匀度,可以采取优化靶基距、改变基片运动方式、增加挡板机构和膜厚监控仪等措施。对于磁控溅射镀膜,由于其电磁场并非均匀,尤其是不均匀的磁场分布造成不均匀的等离子密度,导致靶原子的不均匀溅射和不均匀的沉积。

第一节磁路布置

u磁场:在各种磁控溅射(包括直流磁控溅射和射频磁控溅射)靶中,束缚电子运动的磁场强度B是个极其重要的参数。主要是指靶面上最大平行磁场B1,该参数与所选用的磁体材料、磁体几何形状及其排列有关。

u改进磁路布置(其中包括磁体、极靴、间隙、形状等)能够改善磁场,拓宽靶刻蚀区和改善靶原子的沉积分布,从而提高膜厚的均匀度。

由上图可知,改变磁体形状等因素,就改变了磁场分布,进而改变了靶材的刻蚀情况。显然第二种情况优于第一种情况。

第二节靶——基距

u任何一台具体的溅射镀膜装置,与最佳的镀膜均匀度相对应,存在一个最佳的靶基距。

u圆形平面磁控靶的靶——基距

R1为刻蚀区内半径;

R2为刻蚀区外半径;

经过计算,得出此类型溅射靶的最佳靶基距离h≈2R2。

u平面磁控靶的靶——基距

真空镀膜的现状与发展趋势

真空镀膜的现状与发展趋势 发布日期:2010-07-17 <<返回前一页 -------------------------------------------------------------------------------- 薄膜是一种物质形态,它所使用的膜材料非常广泛,可以是单质元素或化合物,也可以是无机材料或有机材料。薄膜与块状物质一样,可以是单晶态的,多晶态的或非晶态的。近年来功能材料薄膜和复合薄膜也有很大发展。镀膜技术及薄膜产品在工业上的应用非常广泛,尤其是在电子材料与元器件工业领域中占有及其重要的地位。 镀膜方法可以分为气相生成法,氧化法,离子注入法,扩散法,电镀法,涂布法,液相生长法等。气相生成法又可分为物理气相沉积法,化学气相沉积法和放电聚合法等。 真空蒸发,溅射镀膜和离子镀等通常称为物理气相沉积法,是基本的薄膜制备技术。它们都要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。所以,真空技术是薄膜制作技术的基础,获得并保持所需的真空环境,是镀膜的必要条件。 真空系统的种类繁多。在实际工作中,必须根据自己的工作重点进行选择。典型的真空系统包括:获得真空的设备(真空泵),待抽空的容器(真空室),测量真空的器具(真空计)以及必要的管道,阀门和其它附属设备。 1.真空蒸发镀膜法 真空蒸发镀膜法是在真空室中,加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸汽流,入射到固体(称为衬底或基片)表面,凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发镀膜又可以分为下列几种: 1.1 电阻蒸发源蒸镀法 采用钽,钼,钨等高熔点金属,做成适当形状的蒸发源,其上装入待蒸发材料,让气流通过,对蒸发材料进行直接加热蒸发,或者把待蒸发材料放入氧化铝,氧化铍等坩锅中进行间接加热蒸发,这就是电阻加热蒸发法。 利用电阻加热器加热蒸发的镀膜机结构简单,造价便宜,使用可靠,可用于熔点不太高的材料的蒸发镀膜,尤其适用于对镀膜质量要求不太高的大批量的生产中,迄今为止,在镀铝制镜的生产中仍然大量使用着电阻加热蒸发的工艺。 电阻加热方式的缺点是:加热所能达到的最高温度有限,加热器的寿命液较短。近年来,为了提高加热器的寿命,国内外已采用寿命较长的氮化硼合成的导电陶瓷材料作为加热器。据日本专利报道,可采用20%~30%的氮化硼和能与其相熔的耐火材料所组成的材料来制作坩锅,并在表面涂上一层含62%~82%的锆,其余为锆硅合金材料。 1.2 电子束蒸发源蒸镀法 将蒸发材料放入水冷钢坩锅中,直接利用电子束加热,使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜,是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点,特别适合制作熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。 依靠电子束轰击蒸发的真空蒸镀技术,根据电子束蒸发源的形式不同,又可分为环形枪,直枪,e型枪和空心阴极电子枪等几种。 环形枪是由环形的阴极来发射电子束,经聚焦和偏转后打在坩锅内使金属材料蒸发。它的结构较简单,但是功率和效率都不高,基本上只是一种实验室用的设备,目前在生产型的装置中已经不再使用。 直枪是一种轴对称的直线加速枪,电子从灯丝阴极发射,聚成细束,经阳极加速后打在坩锅中使镀膜材料融化和蒸

真空蒸发和离子溅射镀膜

实验一真空蒸发和离子溅射镀膜 随着材料科学的发展,近年来薄膜材料作为其中的一个重要分支从过去体材料一统天下的局面中脱赢而出。如过去需要众多材料组合才能实现的功能,现在仅需数几个器件或一块 集成电路板就能完成,薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。薄膜技术 还可以将各种不同的材料灵活的复合在一起,构成具有优异特性的复杂材料体系,发挥每种 材料各自的优势,避免单一材料的局限性。薄膜的应用范围越来越宽,按其用途可分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储薄膜、防护功能薄膜等。目前,薄膜材料在科学技术和社会经济各个领域发挥着越来越重要的作用。因此薄膜材料的制 备和研究就显得非常重要。 薄膜的制备方法可分为物理法、化学法和物理化学综合法三大类。物理法主要指物理气 相沉积技术(Physical Vapor Deposition, 简称PVD),即在真空条件下,采用各种物理方法 将固态的镀膜材料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面,从而形成固 体薄膜的一类薄膜制备方法。物理气相沉积过程可概括为三个阶段: 1.从源材料中发射出粒 子;2.粒子输运到基片;3.粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。由于粒子发射可以采用不同的方式,因而物理气相沉积技术呈现出各种不同形式,主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜 和离子镀膜三种主要形式。在这三种PVD基本镀膜方法中,气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各不相同,由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。本实验主要介绍了真空 蒸发和离子溅射两种镀膜技术。在薄膜生长过程中,膜的质量与真空度、基片温度、基片清 洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等有关。在溅射薄膜的生长过程中,气体流量(压力)也会对形成的薄膜的性质产生影响。通过改变镀膜条件,即可得到性质炯异的薄膜材料。 对制备的薄膜材料,可通过 X射线衍射、电子显微镜(扫描电镜、透射电镜等)、扫描探针(扫描隧道显微镜、原子力显微镜等)以及光电子能谱、红外光谱等技术来进行分析和 表征,还可通过其它现代分析技术测试薄膜的各种相应特性等。 【实验目的】 1?掌握溅射的基本概念,学习直流辉光放电的产生过程和原理; 2?掌握几种主要溅射镀膜法基本原理及其特点,掌握真空镀膜原理; 3.掌握真空镀膜和溅射镀膜的基本方法; 4?熟悉金属和玻璃片的一般清洗技术,学习薄膜厚度的测量方法; 5.了解真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等 因素,在薄膜生长过程中对形成薄膜性质的影响。 【实验原理】 一真空蒸发镀膜原理 任何物质在一定温度下,总有一些分子从凝聚态(固态,液态)变成为气态离开物质表 面,但固体在常温常压下,这种蒸发量是极微小的。如果将固体材料置于真空中加热至此材料蒸发温度时,在气化热作用下材料的分子或原子具有足够的热震动能量去克服固体表面原子间的吸引力,并以一定速度逸出变成气态分子或原子向四周迅速蒸发散射。当真空度高,分子平均自由程—远大于蒸发器到被镀物的距离d时(一般要求2~ 3 d ),材料的蒸气分子在散射途中才能无阻当地直线达到被镀物和真空室表面。在化学吸附(化学键力引起 的吸附)和物理吸附(靠分子间范德瓦尔斯力产生的吸附)作用下,蒸气分子就吸附在基片

磁控溅射镀膜原理和工艺设计

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

关于磁控溅射发展历程的综述

磁控溅射 1852年,格洛夫(grove)发现阴极溅射现象,自此以后溅射技术就开始建立起来了!磁控溅射沉积技术制取薄膜是上世纪三四十年代发展起来的,由于当时的溅射技术刚刚起步,其溅射的沉积率很低,而且溅射的压强基本上在1pa以上,因此溅射镀膜技术一度在产业话的竞争中处于劣势。1963年,美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置。1974年,j.chapin发现了平衡磁控溅射。这些新兴发展起来的技术使得高速、低温溅射成为现实,磁控溅射更加快速地发展起来了,如今它已经成为在工业上进行广泛的沉积覆层的重要技术,磁控技术在许多应用领域包括制造硬的、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的影响。 磁控溅射的发展历程: 溅射沉积是在真空环境下,利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面,使靶材上的原子或离子被轰击出来,被轰击出的粒子沉积在基体表面生长成薄膜。 溅射沉积技术的发展历程中有几个具有重要意义的技术创新应用,现在归结如下: (1)二级溅射: 二级溅射是所有溅射沉积技术的基础,它结构简单、便于控制、工艺重复性好主要应用于沉积原理的研究,由于该方法要求工作气压高(>1pa)、基体温升高和沉积速率低等缺点限制了它在生产中的应用。 (2)传统磁控溅射(也叫平衡磁控溅射): 平衡磁控溅射技术克服了二级溅射沉积速率低的缺点,使溅射镀膜技术在工业应用上具有了与蒸发镀膜相抗衡的能力。但是平衡磁控溅射镀膜同样也有缺点,它的缺点在于其对二次电子的控制过于严密,使等离子体被限制在阴极靶附近,不利于大面积镀膜。 (3)非平衡磁控溅射: B.Window在1985年开发出了“非平衡磁控溅射技术”,它克服了平衡磁控溅射技术的缺陷,适用于大面积镀膜。并且在上世纪90年代前期,在非平衡磁控溅射的基础上发展出了闭合非平衡系统(CFUBMS),采用多个靶以及非平衡结构构成的闭合磁场可以对电子进行有效地约束,使整个真空室的等离子体密度得以提高。这样可以使磁控溅射技术更适合工业生产。 (4)脉冲磁控溅射: 由于在通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的绝缘膜(尤其是氧化物薄膜)时,经常存在不少的问题。其结果会严重的影响膜的结构和性能。但是通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。近年来,随着脉冲中频电源的研发成功,使镀膜工艺技术又上了一个新的台阶;利用中频电源,采用中频对靶或者孪生靶,进行中频磁控溅射,有效地解决了靶中毒严重的现象,特别是在溅射绝缘材料的靶时,克服了溅射过程中,阳极消失的现象。 (5)磁控溅射技术新型应用: 磁控溅射技术的新型应用是指在以上基础上,再根据应用的需要,对磁控溅射系统进行改进而衍生出的多种多样的设备和装置。这些改进主要是在系统内磁力线的分布上以及磁控溅射靶的设置和分布上。

真空镀膜试验

真空镀膜实验 一、 实验目的 真空镀膜技术广泛地应用在现代工业和科学技术中,光学仪器的反射镜,增透镜,激光器谐振腔的高反射膜,计算机上存储和记忆用的磁性薄膜,以及材料表面的超硬薄膜。此外在电子学、半导体等其它各尖端学科也都采用了真空技术。 本实验的目的是学习真空蒸发镀膜技术。通过本门实验,要求学生掌握如下几点:①较系统了解真空镀膜仪器的结构;②了解真空系统各组件的功能;③了解石英晶体振荡器测厚原理;④掌握真空蒸镀的基本原理;⑤了解真空镀膜仪器的基本操作。 二、预习要求 要求学生在实验之前对真空系统有一定了解,可以通过以下几本相关书籍获得相关信息。《薄膜材料制备原理、技术及应用》—— 唐伟忠著,冶金工艺出版社出版社;《薄膜物理与技术》—— 杨邦朝,王文生编著,电子科学出版社;《薄膜技术》—— 王力衡,清华大学出版社;《薄膜技术》—— 顾培夫,浙江大学出版社;《真空技术物理基础》—— 张树林,东北工学院出版社;《真空技术》—— 戴荣道,电子工业出版社。 三、实验所需仪器设备 实验过程需要的主要设备为DMDE 450型光学多层镀膜机。 真空镀膜机:本实验使用DMDE-450光学多层镀膜机,其装置结构如图3所示。它主要由真空系统、蒸发设备及膜厚监控系统组成。真空系统由各种真空器件组成,主要包括:真空室;真空泵(机械泵、和分子泵);真空导管;各种真空阀门和测量真空度的真空计等。高真空阀门为碟式,机械泵与分子泵的连通阀门为三同式,将阀门拉出时,机械泵可以直接对镀膜室抽气,推入时机械泵与分子泵连通,同时也切断了机械泵与镀膜室的连接。 蒸发系统由真空钟罩,蒸发电极(共有二对), 活动挡板,蒸发源,底盘等组成。蒸发源安装在电 图3镀膜机装置图 1电离管 2高真空碟阀 3分子泵 4机械泵 5低真空磁力阀 6储气桶 7低真空三同阀 8磁力充气阀 9热偶规 10钟罩 11针型阀

磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展-郭聪

磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展 郭聪 (黄石理工学院机电工程学院黄石 435000) 摘要:磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。探讨了磁控溅射技术在非平衡磁场溅射、脉冲磁控溅射等方面的进步,说明利用新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等,并进一步取代电镀等传统表面处理技术。阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。 关键词:非平衡磁控溅射脉冲磁控溅射薄膜制备工艺应用 中图分类号:O484.1 0 前言 薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米到数十微米的薄层材料。薄膜材料种类很多,根据不同使用目的可以是金属、半导体硅、锗、绝缘体玻璃、陶瓷等。从导电性考虑,可以是金属、半导体、绝缘体或超导体;从结构考虑,可以是单晶、多晶、非晶或超晶格材料;从化学组成来考虑,可以是单质、化合物或无机材料、有机材料等。制备薄膜的方法有很多,归纳起来有如下几种:1)气相方法制模,包括化学气相淀积(CVD),如热、光或等离子体CVD和物理气相淀积(PVD),如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离子注入成膜等; 2)液相方法制膜,包括化学镀、电镀、浸喷涂等; 3)其他方法制膜,包括喷涂、涂覆、压延、印刷、挤出等。[1] 而在溅射镀膜的发展过程中,新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等。辉光等离子体溅射的基本过程是负极的靶材在位于其上的辉光等离子体中的载能离子作用下,靶材原子从靶材溅射出来,然后在衬底上凝聚形成薄膜;在此过程中靶材表面同时发射二次电子,这些电子在保持等离子体稳定存在方面具有关键作用。溅射技术的出现和应用已经经历了许多阶段,最初,只是简单的二极、三极放电溅射沉积;经过30多年的发展,磁控溅射技术已经发展成为制备超硬、耐磨、低摩擦系数、耐蚀、装饰以及光学、电学等功能性薄膜的一种不可替代的方法,脉冲磁控溅射技术是该领域的另一项重大进展。利用直流反应溅射沉积致密、无缺陷绝缘薄膜尤其是陶瓷薄膜几乎难以实现,原因在于沉积速度低、靶材容易出现电弧放电并导致结构、组成及性能发生改变。利用脉冲磁控溅射技术可以克服这些缺点,脉冲频率为中频10~200kHz,可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺,实现高速沉积高质量反应薄膜。 1 基本原理 磁控溅射(Magnetlon Sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射镀膜采用在靶材表面设置一个平行于靶表面的横向磁场,磁场由置于靶内的磁体产生。在真空室中,基材端接阳极极,靶材端接阴极,阴极靶的下面即放置着一个强力磁铁。溅射时持续通入氩气,使之作为气体放电的载体(溅射气体),同时通入氧气,作为与被溅射出来的锌原子发生反应的反应气体。在真空室内,电子e在电场E的作用下,在加速飞向基板过程中与氩原子发生碰撞,使其电离出Ar+和一个新的电子(二次电子)e。Ar+计在电场作用下加速飞向阴极靶,以高能量轰击Zn靶表面使其发生溅射,溅射出来的锌原子吸收Ar离子的动能而脱离原晶格束缚,飞往基材方向,途中与O 2 发生反应并释放部分能量,最后反应产物继续飞行最终沉积在基材表面。我们需要通过不断的实验调整工艺参数,从而 使得溅射出来的历原子能与O 2 充分反应,制得纯度较高的薄膜。另一方面,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作回旋运动,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

磁控溅射镀膜技术的发展

第46卷第2期2009年3月 真空VACUUM Vol.46,No.2Mar.2009 收稿日期:2008-09-03 作者简介:余东海(1978-),男,广东省广州市人,博士生 联系人:王成勇,教授。 *基金项目:国家自然科学基金(50775045);东莞市科技计划项目(20071109)。 磁控溅射镀膜技术的发展 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤 (广东工业大学机电学院,广东 广州 510006) 摘 要:磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛,成为工业镀膜生产中最主要的技术之一,相应的溅 射技术与也取得了进一步的发展。 非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布,提高了膜层质量;中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象,消除靶中毒和打弧问题,提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率;改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率;高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。 关键词:镀膜技术;磁控溅射;磁控溅射靶中图分类号:TB43 文献标识码:A 文章编号:1002-0322(2009)02-0019-07 Recent development of magnetron sputtering processes YU Dong-hai,WANG Cheng-yong,CHENG Xiao-ling,SONG Yue-xian (Guangdong Universily of Technology,Guangzhou 510006,China ) Abstract:Magnetron sputtering processes have been widely appleed to thin film deposition nowadays in various industrial fields due to its outstanding advantages,and the technology itself is progressing further.The unbalanced magnetron sputtering process can improve the plasma distribution in deposition chamber to make film quality better.The medium -frequency and pulsed magnetron sputtering proceses can efficiently avoid the hysteresis during reactive sputtering to eliminate target poisoning and arcing,thus improving the stability and depositing rate in preparing thin compound films.Higher utilization of target can be obtained by improved target design,and the high -speed sputtering and self -sputtering provide a new field of applications in magnetron sputtering coating processes. Key words:coating technology;magnetron sputtering;magnetron sputtering target 溅射镀膜的原理[1]是稀薄气体在异常辉光 放电产生的等离子体在电场的作用下,对阴极靶材表面进行轰击,把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来,被溅射出来的粒子带有一定的动能,沿一定的方向射向基体表面,在基体表面形成镀层。 溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射,它的优点是装置简单,但是直流二极溅射沉积速率低;为了保持自持放电,不能在低气压(<0.1Pa )下进行;不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极,就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离,这样使溅射即使在低气压下 也能进行;另外,还可降低溅射电压,使溅射在低 气压,低电压状态下进行;同时放电电流也增大,并可独立控制,不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极(栅网状),构成四极溅射装置,可使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区,沉积速度较低,因而未获得广泛的工业应用。 磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来,在靶材表面建立与电场正交磁场,解决了二极溅射沉积速率低,等离子体离化率低等问题,成为目前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点:可制备成靶的材料广,几乎所有金属,合金和陶瓷材料都可以制成靶材;在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积

磁控溅射技术的基本原理

张继成吴卫东许华唐晓红 中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳 材料导报, 2004, 18(4): 56-59 介绍磁控溅射技术的基本原理、装置及近年出现的新技术。 1 基本原理 磁控溅射技术是在普通直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的。早期的直流(射频)溅射技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的。但这种溅射技术的成膜速率较低,工作气压高(2~10Pa)。为了提高成膜速率和降低工作气压,在靶材的背面加上了磁场,这就是最初的磁控溅射技术。 磁控溅射法在阴极位极区加上与电场垂直的磁场后,电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动,其轨迹是一圆滚线,这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率,提高了气体的离化率,降低了工作气压,同时,电子又被约束在靶表面附近,不会达到阴(阳)极,从而减小了电子对基片的轰击,降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高。 2 基本装置 (1) 电源 采用直流磁控溅射时,对于制备金属薄膜没有多大的问题,但对于绝缘材料,会出现电弧放电和“微液滴溅射”现象,严重影响了系统的稳定性和膜层质量。为了解决这一问题,人们采用了射频磁控溅射技术,这样靶材和基底在射频磁控溅射过程中相当于一个电容的充放电过程,从而克服了由于电荷积累而引起的电弧放电和“微液滴溅射”现象的发生。 (2) 靶的冷却 在磁控溅射过程中,靶不断受到带电粒子的轰击,温度较高,其冷却是一个很重要的问题,一般采用水冷管间接冷却的方法。但对于传热性能较差的材料,则要在靶材与水冷系统的连接上多加考虑,同时需要考虑不同材料的热膨胀系数的差异,这对于复合靶尤为重要(可能会破裂损坏)。 (3) 磁短路现象 利用磁控溅射技术溅射高导磁率的材料时,磁力线会直接通过靶的内部,发生刺短路现象,从而使磁控放电难以进行,这时需要在装置的某些部分做些改动以产生空间凝

磁控溅射镀膜技术的发展_余东海

第46卷第2期2009年3月 真 空 VACUUM Vol.46,No.2Mar.2009 收稿日期:2008-09-03 作者简介:余东海(1978-),男,广东省广州市人,博士生 联系人:王成勇,教授。 *基金项目:国家自然科学基金(50775045);东莞市科技计划项目(20071109)。 磁控溅射镀膜技术的发展 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤 (广东工业大学机电学院,广东 广州 510006) 摘 要:磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛,成为工业镀膜生产中最主要的技术之一,相应的溅 射技术与也取得了进一步的发展。 非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布,提高了膜层质量;中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象,消除靶中毒和打弧问题,提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率;改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率;高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。 关键词:镀膜技术;磁控溅射;磁控溅射靶中图分类号:TB43 文献标识码:A 文章编号:1002-0322(2009)02-0019-07 Recent development of magnetron sputtering processes YU Dong-hai,WANG Cheng-yong,CHENG Xiao-ling,SONG Yue-xian (Guangdong Universily of Technology,Guangzhou 510006,China ) Abstract:Magnetron sputtering processes have been widely appleed to thin film deposition nowadays in various industrial fields due to its outstanding advantages,and the technology itself is progressing further.The unbalanced magnetron sputtering process can improve the plasma distribution in deposition chamber to make film quality better.The medium -frequency and pulsed magnetron sputtering proceses can efficiently avoid the hysteresis during reactive sputtering to eliminate target poisoning and arcing,thus improving the stability and depositing rate in preparing thin compound films.Higher utilization of target can be obtained by improved target design,and the high -speed sputtering and self -sputtering provide a new field of applications in magnetron sputtering coating processes. Key words:coating technology;magnetron sputtering;magnetron sputtering target 溅射镀膜的原理[1]是稀薄气体在异常辉光 放电产生的等离子体在电场的作用下,对阴极靶材表面进行轰击,把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来,被溅射出来的粒子带有一定的动能,沿一定的方向射向基体表面,在基体表面形成镀层。 溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射,它的优点是装置简单,但是直流二极溅射沉积速率低;为了保持自持放电,不能在低气压(<0.1Pa )下进行;不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极,就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离,这样使溅射即使在低气压下 也能进行;另外,还可降低溅射电压,使溅射在低 气压,低电压状态下进行;同时放电电流也增大,并可独立控制,不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极(栅网状),构成四极溅射装置,可使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区,沉积速度较低,因而未获得广泛的工业应用。 磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来,在靶材表面建立与电场正交磁场,解决了二极溅射沉积速率低,等离子体离化率低等问题,成为目前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点:可制备成靶的材料广,几乎所有金属,合金和陶瓷材料都可以制成靶材;在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积 DOI:10.13385/https://www.sodocs.net/doc/29816431.html,ki.vacuum.2009.02.026

真空镀膜技术

真空镀膜技术 磁控溅射膜即物理气相沉积(PVD) 金属镀膜不一定用磁控溅射,可以根据成本&工艺需求选择合理的沉积方法,具体有: 物理气相沉积(PVD)技术 第一节概述 物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用,但在最近30年迅速发展,成为一门极具广阔应用前景的新技术。,并向着环保型、清洁型趋势发展。20世纪90年代初至今,在钟表行业,尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面达到越来越为广泛的应用。 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有,真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜,及分子束外延等。发展到目前,物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 真空蒸镀基本原理是在真空条件下,使金属、金属合金或化合物蒸发,然后沉积在基体表面上,蒸发的方法常用电阻加热,高频感应加热,电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体表面,历史上,真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。 溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下,使氩气进行辉光放电,这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+),氩离子在电场力的作用下,加速轰击以镀料制作的阴极靶材,靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电,称直流(Qc)溅射,射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下,用引弧针引弧,使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电,阴极表面快速移动着多个阴极弧斑,不断迅速蒸发甚至“异华”镀料,使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体,并能迅速将镀料沉积于基体。因为有多弧斑,所以也称多弧蒸发离化过程。 离子镀基本原理是在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。 物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤: (1)镀料的气化:即使镀料蒸发,异华或被溅射,也就是通过镀料的气化源。 (2)镀料原子、分子或离子的迁移:由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后,产生多种反应。 (3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。 物理气相沉积技术工艺过程简单,对环境改善,无污染,耗材少,成膜均匀致密,与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域,可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。

磁控溅射与真空技术

磁控溅射与真空技术 溅射时打火放电 1、可能靶材表面脏。 在低功率下长时间空溅,把靶材表面杂志打掉。然后慢慢加大功率。 2、靶与地之间有导电颗粒,导致高压下放电打火。 3、电源柜有问题,建议调换电源柜再观察。 扩散泵的常见故障及原因 由于真空设备长期运转及其它一些因素的影响,扩散泵的性能可能会逐渐变坏,现将使用中经常出现的一些问题如述如下; 1)极限真空变低,原因: a.系统中有渗漏; b.系统太脏; c.泵油污染; d.加热功率不够; e.冷却水不足; f.过量或过冷的冷却水; g.前级压力高;检查密封性能及前级管道是否有泄漏现象; h.快冷管内有水。 2) 抽气较慢,原因: a.加热功率低; b.油量不足; c.喷帽安装位置不当或受损。

3)进口压力波动,原因: a.加热器输入功率不当; b.油脱气; c.扩散泵进口前面系统有渗漏。 4)工作腔污染大,原因: a.前级压力高; b.在高于10-1Pa压力下长期工作; c.系统操作有误。 5) 返油率过大,原因: a. 顶喷嘴帽松动,间隙过大; b. 加热功率不对; 真空系统上测量规管座位置安排应遵循如下原则 ①不能将测量规管放在密封面较多的地方。因为每一个密封面都不可能保证绝对不漏气,密封面集中之处,必然是容易漏气的地方,测量值可能不准。 ②规管内壁各处,必须保证真空卫生。否则会造成测量不准。 ③规管应尽量接在靠近被测量的地方,以减少测量误差。 扩散泵的结构示意图和工作原理 当扩散泵油被电炉加热时,产生油蒸气沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械 泵提供的真空(Pa),故油蒸气流可喷出一长段距离,构成一个向出气口方向运动 的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁凝结为液体流回蒸发器,即靠油的蒸发喷射凝结重复循环来实现抽气。由进气口进入泵内的气体分子一旦落入蒸气流中便获得向下运动的动量向下飞去。由于射流具有高流速(约200m/s),高的蒸气密度,且扩散泵油分子量大(300~500),故能有效地带走气体分子。气体分子被带往出口处再由机械泵抽走。

高真空磁控溅射镀膜系统介绍

高真空磁控溅射镀膜系统介绍 1.设备简介 ●名称:高真空磁控溅射镀膜系统 ●型号:JGP560 ●极限真空:6.60E-05 Pa ●最高可控可调温度:500℃(1个样品位) ●3个靶位,8个样品位 2.真空简介 ●真空是一种不存在任何物质的空间状态,是一种物理现象。在“真空” 中,声音因为没有介质而无法传递,但电磁波的传递却不受真空的影响。 事实上,在真空技术里,真空系针对大气而言,一特定空间内部之部份 物质被排出,使其压强小于一个标准大气压,则我们通称此空间为真空 或真空状态。1真空常用帕斯卡(Pascal)或托尔(Torr)做为压力的单 位。目前在自然环境里,只有外太空堪称最接近真空的空间。 ●我国真空区域划分为:粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。 ●高真空的获得 油扩散泵的结构

●真空镀膜 ●真空镀膜实质上是在高真空状态下利用物理方法在镀件的表面 镀上一层薄膜的技术,它是一种物理现象。 ●真空镀膜按其方式不同可分为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和现 代发展起来的离子镀膜。 3.磁控溅射镀膜原理介绍 ●磁控溅射法是一种较为常用的物理沉积法。磁控溅射是在真空室中,利

用低压气体放电现象,使处于等离子状态下的离子轰击靶表面,并利用环状磁场控制辉光放电,使溅射出的粒子沉积在基片上。磁控溅射可以方便地制取高熔点物质的薄膜,在很大面积上可以制取均匀的膜层。 ●磁控溅射工艺流程 在镀膜过程中,工艺的选择对薄膜的性能具有重要的影响,根据磁控溅射技术原理,结合设备的实际应用,制定工艺流程如图1 ●膜层的要求 磁控溅射膜层的沉积是物理气相沉积。膜层厚度范围为nm~μm数量级,膜厚<550nm,对光有干涉作用,属于薄膜范畴,通常称薄膜技术。 太阳能集热管内管外壁镀膜是采用属于物理气相沉积技术的磁控溅射镀获得太阳光谱选择吸收薄膜。 ●磁控溅射镀 磁控溅射镀特点 溅射速率高,沉积速率高 磁控溅射阴极源是一个较为理想的可控源,沉积的膜层厚度与溅射源的功率或放电电流有较好的线性相关性,所以有较好的可控性, 能较好地实现批量生产产品的一致性和重复性。 溅射源采用靶材有广泛的选择性和组合性 溅射源可较理想地置于真空室内长时间稳定工作,获得纯正的膜层,确保膜层质量。

真空镀膜技术的现状及发展

真空镀膜技术的现状及发展 薄膜是一种物质形态,它所使用的膜材料非常广泛,可以是单质元素或化合物,也可以是无机材料或有机材料。薄膜与块状物质一样,可以是单晶态的,多晶态的或非晶态的。近年来功能材料薄膜和复合薄膜也有很大发展。镀膜技术及薄膜产品在工业上的应用非常广泛,尤其是在电子材料与元器件工业领域中占有及其重要的地位。 镀膜方法可以分为气相生成法,氧化法,离子注入法,扩散法,电镀法,涂布法,液相生长法等。气相生成法又可分为物理气相沉积法,化学气相沉积法和放电聚合法等。 真空蒸发,溅射镀膜和离子镀等通常称为物理气相沉积法,是基本的薄膜制备技术。它们都要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。所以,真空技术是薄膜制作技术的基础,获得并保持所需的真空环境,是镀膜的必要条件。 真空系统的种类繁多。在实际工作中,必须根据自己的工作重点进行选择。典型的真空系统包括:获得真空的设备(真空泵),待抽空的容器(真空室),测量真空的器具(真空计)以及必要的管道,阀门和其它附属设备。 1 真空蒸发镀膜法 真空蒸发镀膜法是在真空室中,加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸汽流,入射到固体(称为衬底或基片)表面,凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发镀膜又可以分为下列几种: 1.1 电阻蒸发源蒸镀法 采用钽,钼,钨等高熔点金属,做成适当形状的蒸发源,其上装入待蒸发材料,让气流通过,对蒸发材料进行直接加热蒸发,或者把待蒸发材料放入氧化铝,氧化铍等坩锅中进行间接加热蒸发,这就是电阻加热蒸发法。

利用电阻加热器加热蒸发的镀膜机结构简单,造价便宜,使用可靠,可用于熔点不太高的材料的蒸发镀膜,尤其适用于对镀膜质量要求不太高的大批量的生产中,迄今为止,在镀铝制镜的生产中仍然大量使用着电阻加热蒸发的工艺。 电阻加热方式的缺点是:加热所能达到的最高温度有限,加热器的寿命液较短。近年来,为了提高加热器的寿命,国内外已采用寿命较长的氮化硼合成的导电陶瓷材料作为加热器。据日本专利报道,可采用20%~30%的氮化硼和能与其相熔的耐火材料所组成的材料来制作坩锅,并在表面涂上一层含62%~82%的锆,其余为锆硅合金材料。 1.2 电子束蒸发源蒸镀法 将蒸发材料放入水冷钢坩锅中,直接利用电子束加热,使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜,是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点,特别适合制作熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。 依靠电子束轰击蒸发的真空蒸镀技术,根据电子束蒸发源的形式不同,又可分为环形枪,直枪,e型枪和空心阴极电子枪等几种。 环形枪是由环形的阴极来发射电子束,经聚焦和偏转后打在坩锅内使金属材料蒸发。它的结构较简单,但是功率和效率都不高,基本上只是一种实验室用的设备,目前在生产型的装置中已经不再使用。 直枪是一种轴对称的直线加速枪,电子从灯丝阴极发射,聚成细束,经阳极加速后打在坩锅中使镀膜材料融化和蒸发。直枪的功率从几百瓦至几百千瓦的都有,有的可用于真空蒸发,有的可用于真空冶炼。直枪的缺点是蒸镀的材料会污染枪体结构,给运行的稳定性带来困难,同时发射灯丝上逸出的钠离子等也会引起膜层的污染,最近由西德公司研究,在电子束的出口处设置偏转磁场,并在灯丝部位制成一套独立的抽气系统而做成直枪的改进形式,不但彻底干便了灯丝对膜的污染,而且还有利于提高枪的寿命。

真空溅射技术

《真空溅射技术》 第一章溅射技术 所谓“溅射”就是用荷能粒子(通常用气体正离子)轰击物体,从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。 1842年Grove(格洛夫)在实验室中发现了这种现象。 1877年美国贝尔实验室及西屋电气公司首先开始应用溅射原理制备薄膜。 1966年美国国际商用电子计算机公司应用高频溅射技术制成了绝缘膜。 1970年磁控溅射技术及其装置出现,它以“高速”、“低温”两大特点使薄膜工艺发生了深刻变化,不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求,而且促进了新工艺的发展。 我国在1980年前后,许多单位竞先发展磁控溅射技术。目前在磁控溅射装置和相应的薄膜工艺研究上也已出现了工业性生产的局面。 第一节溅射理论及其溅射薄膜的形成过程 溅射理论 被荷能粒子轰击的靶材处于负电位,所以一般称这种溅射为阴极溅射。关于阴极溅射的理论解释,主要有如下三种。 蒸发论 认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶,使靶表面受轰击的部位局部产生高温区,靶材达到蒸发温度而产生蒸发。 碰撞论 认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。轰击离子能量不足,不能发生溅射;轰击离子能量过高,会发生离子注入现象。 混合论 认为溅射是热蒸发论和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。 u辉光放电

u直流辉光放电 在压力为102-10-1Pa的容器内,在两个电极间加上直流电压后所发生的放电过程如图: 电压小时,由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。增加电压,带电粒子能量增加,碰撞中性气体原子,产生更多带电粒子,电流随之平稳增加,进入“汤森放电区”。电流增加到一定程度,发生“雪崩”现象,离子轰击阴极,释放二次电子,二次电子与中性气体原子碰撞,产生更多离子,这些离子再轰击阴极,又产生更多的二次电子,如此循环,当产生的电子数正好产生足够多离子,这些离子能够再生出同样数量的电子时,进入自持状态,气体开始起辉,电压降低,电流突然升高,此为“正常辉光放电区”。放电自动调整阴极轰击面积,最初轰击是不均匀的,随着电源功率增大,轰击面积增大,直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。当轰击区域覆盖整个阴极面后,再进一步增加功率,会使放电区内的电压和电流密度同时升高,进入溅射工艺工作区域,即“异常辉光放电区”。在该区域内,如果阴极没有水冷或继续增加功率,当电流密度达到约0.1A/cm2以上,将有热发射电子混入二次电子之中,随后发生又一个“雪崩”。由于输入阻抗限制着电压,将形成低压大电流的“弧光放电”。 形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压V B,主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。为了引起最初的雪崩,每个二次电子必须产生出约10-20个离子。若气压太低或极间距离太小,二次电子撞到阳极之前,无法到达所需要的电离碰撞次数;若气压太高或极间距离太大,气体中形成的离子将因非弹性碰撞而减速,以致于当轰击阴极时,已无足够的能量产生二次电子。 直流辉光放电的形貌和参量分布图: i.阿斯顿暗区,不发生电离和激发; ii.阴极辉光区,气体分子激发发光;

磁控溅射镀膜技术的发展及应用_马景灵

溅射镀膜过程主要是将欲沉积成薄膜的材料制成靶材,固定在溅射沉积系统的阴极上,待沉积薄膜的基片放在正对靶面的阳极上。溅射系统抽至高真空后充入氩气等,在阴极和阳极之间加几千伏的高压,阴阳极之间会产生低压辉光放电。放电产生的等离子体中,氩气正离子在电场作用下向阴极移动,与靶材表面碰撞,受碰撞而从靶材表面溅射出的靶材原子称为溅射原子,溅射原子的能量一般在一至几十电子伏范围,溅射原子在基片表面沉积而后成膜。溅射镀膜就是利用低气压辉光放电产生的氩气正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材,把靶材中的原子或分子等粒子溅射出而沉积到基片或者工件表面,形成所需的薄膜层。但是溅射镀膜过程中溅射出的粒子的能量很低,导致成膜速率不高。 磁控溅射技术是为了提高成膜速率在溅射镀膜基础上发展起来的,在靶材表面建立与电场正交的磁场,氩气电离率从0.3%~0.5%提高到了5%~6%,这样就解决了溅射镀膜沉积速率低的问题,是目前工业上精密镀膜的主要方法之一[1]。可制备成磁控溅射阴极靶材的原料很广,几乎所有金属、合金以及陶瓷材料都可以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用下,沉积速度快,膜层致密且与基片附着性好,非常适合于大批量且高效率的工业化生产。 1磁控溅射的工艺流程 在磁控溅射过程中,具体工艺过程对薄膜性能影响很大,主要工艺流程如下[2]:(1)基片清洗,主要是用异丙醇蒸汽清洗,随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干,以去除表面油污;(2)抽真空,真空须控制在2×104Pa以上,以保证薄膜的纯度;(3)加热,为了除去基片表面水分,提高膜与基片的结合力,需要对基片进行加热,温度一般选择 在150℃~200℃之间;(4)氩气分压,一般选择在0.0l~lPa范围内,以满足辉光放电的气压条件;(5)预溅射,预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜,以免影响薄膜质量;(6)溅射,氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下,高速轰击靶材,使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜;(7)退火,薄膜与基片的热膨胀系数有差异,结合力小,退火时薄膜与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力。 2磁控溅射镀膜技术的发展 近年来磁控溅射技术发展非常迅速,代表性方法有非平衡磁控溅射、反应磁控溅射及高速溅射等等。 平衡磁控溅射技术:即最传统的磁控溅射技术,将永磁体或电磁线圈放到在靶材背后,在靶材表面会形成与电场方向垂直的磁场。在高压作用下氩气电离成等离子体,Ar+离子经电场加速轰击阴极靶材,靶材二次电子被溅射出,且电子在相互垂直的电场及磁场作用下,被束缚在阴极靶材表面附近,增加了电子与气体碰撞的几率,即增加了氩气电离率,使氩气在低气体下也可维持放电,因而磁控溅射既降低了溅射气体压力,同时也提高了溅射效率及沉积速率[3]。但传统磁控溅射有一些缺点,比如:低气压放电产生的电子和溅射出的靶材二次电子都被束缚在靶面附近大约60mm的区域内,这样工件只能被安放在靶表面50~100mm的范围内。这样小的镀膜区间限制了待镀工件的尺寸,较大的工件或装炉量不适合传统方法。 非平衡磁控溅射技术:这种磁控溅射方法部分解决了平衡磁控溅射的不足,是将靶面的等离子体引到靶前200~300mm的范围内,使阳极基片沉浸在等离子体中,减少了粒子移动的距离,离子束起到辅助沉积的作用[4]。然而单独的非平衡磁控靶在基片上很难沉积出均匀的薄膜层, 为此研究人员开发出了多靶非平衡磁控溅射镀膜系统,弥补了单靶非平衡磁控溅射的不足。 反应磁控溅射:随着表面工程技术的发展,越来越多地用到各种化合物薄膜材料。可以直接使用化合物材料制作的靶材通过溅射来制备化合物薄膜,也可在溅射金属或合金靶材时,通入一定的反应气体,通过发生化学反应制备化合物薄膜,后者被称为反应磁控溅射。一般来说纯金属作为靶材和气体反应较容易得到高质量的化合物薄膜,因而大多数化合物薄膜是用纯金属为靶材的反应溅磁控射来制备的[5]。 中频磁控溅射:这种镀膜方法是将磁控溅射电源由传统的直流改为中频交流电源。在溅射过程中,当系统所加电压处在交流电负半周期时,靶材被正离子轰击而溅射,而处于正半周期时,靶材表面被等离子体中的电子轰击而溅射,同时靶材表面累积的正电荷被中和,打弧现象得到抑制。中频磁控溅射电源的频率通常在10~80kHz之间,频率高,正离子被加速的时间就短,轰击靶材时的能量就低,溅射沉积速率随之下降。中频磁控溅射系统一般有两个靶,这两个靶周期性轮流作为阴极和阳极,一方面减小了基片溅伤;另一方面也消除了打弧现象。 高速溅射与自溅射:随着工业发展和表面工程的需求,高速溅射与自溅射等新型磁控溅射成膜方法成为镀膜领域新的发展趋势。高速溅射能够缩短镀膜时间,提高沉积速率,当溅射速率非常高,以至于在没有惰性气体氩气的情况下也能维持辉光放电,这种溅射方法称为自溅射[6]。高速溅射与自溅射中,被溅射材料的离子、电子化以及减少甚至取消惰性气体,都明显影响薄膜的形成机理,因此,可以制备出特殊性能的薄膜材料。 ①基金项目:河南科技大学实验技术开发基金(SY1112008); 科研创新能力培育基金(2012ZCX017)。  作者简介:马景灵(1970—),女,河南科技大学副教授,博士,E-mail:majingling.student@sina.com。 磁控溅射镀膜技术的发展及应用① 马景灵 任风章 孙浩亮 (河南科技大学材料科学与工程学院 河南洛阳 471023) 摘 要:近年来,随着新材料的开发,尤其是薄膜材料的发展和应用,带动磁控溅射沉积技术的飞速发展,在科学研究领域和工业生产中有着不可替代的重要作用。本文主要介绍了磁控溅射沉积技术的工艺过程及其发展情况,各种主要磁控溅射镀膜技术的特点,并介绍磁控溅射技术在各个领域的主要应用。关键词:磁控溅射 镀膜 辉光放电中图分类号:G4文献标识码:A文章编号:1673-9795(2013)10(b)-0136-02 (下转138页)

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