磁控溅射镀膜

磁控溅射磁控溅射是为了在低气压下进行告诉溅射，必须有效地提高气体的离化率。通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法。磁控溅射-工作原理磁控溅射的工作原理如图，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+和新的电子；新电子飞向基片，Ar+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+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-种类磁控溅射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。旋转磁场多用于大型或贵重靶。如半导体膜溅射。对于小型设备和一般工业设备，多用磁场静止靶源。用磁控靶源溅射金属和合金很容易，点火和溅射很方便。这是因为靶（阴极），等离子体，和被溅零件/真空腔体可形成回路。但若溅射绝缘体如陶瓷则回路断了。于是人们采用高频电源，回路中加入很强的电容。这样在绝缘回路中靶材成了一个电容。但高频磁控溅射电源昂贵，溅射速率很小，同时接地技术很复杂，因而难大规模采用。为解决此问题，发明了磁控反应溅射。就是用金属靶，加入氩气和反应气体如氮气或氧气。当金属靶材撞向零件时由于能量转化，与反应气体化合生成氮化物或氧化物。磁控反应溅射绝缘体看似容易,而实际操作困难。主要问题是反应不光发生在零件表面，也发生在阳极，真空腔体表面，以及靶源表面。从而引起灭火，靶源和工件表面起弧等。德国莱宝发明的孪生靶源技术，很好的解决了这个问题。其原理是一对靶源互相为阴阳极，从而消除阳极表面氧化或氮化。冷却是一切源（磁控，多弧，离子）所必需，因为能量很大一部分转为热量，若无冷却或冷却不足，这种热量将使靶源温度达一千度以上从而溶化整个靶源。磁控溅射-技术分类可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。磁控溅射-利用率磁控溅射磁控溅射靶材的利用率可成为磁控溅射源的工程设计和生产工艺成本核算的一个参数。目前没有见到对磁控溅射靶材利用率专门或系统研究的报道，而从理论上对磁控溅射靶材利用率近似计算的探讨具有实际意义。对于静态直冷矩形平面靶，即靶材与磁体之间无相对运动且靶材直接与冷却水接触的靶，靶材利用率(最大值)数据多在20%~30%左右(间冷靶相对要高一些，但其被刻蚀过程与直冷靶相同，不作专门讨论)，且多为估计值。为了提高靶材利用率，研究出来了不同形式的动态靶，其中以旋转磁场圆柱靶最著名且在工业上被广泛应用，据称这种靶材的利用率最高可超过70%，但缺少足够数据或理论证明。常见的磁控溅射靶材从几何形状上看有三种类型：矩形平面、圆形平面和圆柱管如何提高利用率是真空磁控溅射镀膜行业的重点,圆柱管靶利用高,但在有些产业是不适用的,如何提高靶材利用,请到此一看的朋友,在下面留下你的见解,提供好的方法磁控溅射-特点利用外加磁场捕捉电子，延长和束缚电子的运动路径，搞高离化率，增加镀膜速率。磁控溅射-圆形磁控溅射靶磁控溅射圆形磁控溅射靶圆形磁控溅射靶直径范围为：50～250mm；靶结构材料选取适合高真空的优质不锈钢和铜合金材料；磁场源采用稳定性最高的稀土钐钴永磁材料；磁场采用模块化排布并进行优化设计，有效地提高靶材利用率和设备稳定性；冷却水循环量为1L/min，能有效的保证设备的冷却效果；根据不同设备可以配置不同角度的安装头；采用Φ20不锈钢导管，复合法兰进行安装，适用于高真空高纯度镀膜。另外其他特殊性能可根据客户需要进行设计。圆形磁控溅射靶应用领域：直径50～150mm靶主要应用于大专院校与科研院所研究性磁控溅射镀膜设备使用；直径150mm以上靶为生产型磁控溅射镀膜设备采用磁控溅射镀膜用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，这种溅出的、复杂的粒子散射过程称为溅射。溅射镀膜:在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。在溅射镀膜中，被轰击的材料称为靶。由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。用离子束轰击靶而发生的溅射，则称为离子束溅射。9.3.1基本原理图1溅射系统简图如图1是溅射系统简图。其中，靶是一平板，由欲沉积的材料组成，一般将它与电源的负极相连。故此法又常称为阴极溅射。固定装置可以接地、悬空、偏置、加热、冷却或同时兼有上述几种功能。真空室中需要充入气体作为媒介，使辉光放电得以启动和维持，最常用的气体是氩。当接通高压电源时，阴极发出的电子在电场的作用下会向阳极运动,速度在电场中不断增加，和气体原子相撞会发生辉光放电,引起气体原子电离,从而产生大量的离子与低速电子。离子在电场作用下加速撞击靶,就会发生溅射产生待镀材料原子沉积于基体上。阴极溅射时溅射下来的材料原子具有10～35ev的动能，比蒸镀时原子动能（0.1～1.0ev）大得多，因此溅射镀膜的附着力也比蒸镀膜大。入射一个离子所溅射出的原子个数称为溅射率或溅射产额，单位通常为原子个数/离子。显然，溅射率越大，生成膜的速度就越大。影响溅射率的因素主要有：①入射离子：包括入射离子的能量、入射角、靶原子质量与入射离子质量之比、入射离子种类等；②与靶有关：包括靶原子的原子序数、靶表面原子的结合状态、结晶取向以及靶材是纯金属、合金或化合物等；③与温度有关：一般认为溅射率在和升华能密切相关的某一温度内，溅射率几乎不随温度变化而变化，当温度超过这一范围时，溅射率有迅速增加的趋向。此外，根据物质的微观理论，量子力学和原子物理学我们知道，当气体正离子打到靶上时，除了溅射原子外，靶上还会有其他粒子发射,并产生辐射，所有这一切过程都会影响膜的性质。一,溅射镀膜的方式具体的溅射工艺很多，如二极溅射、三极（四极）溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射、射频溅射、吸气溅射、反应溅射等等。下面简单介绍几种。1.二极溅射最简单的直流二极溅射装置如图2所示。图2二极溅射装置它是一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电管结构。被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极。阴极上接1～3KV的直流负高压，阳极通常接地。工作时先抽真空，再通氩气，使真空室内达到溅射气压。接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的氩离子在阴极附近的阴极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉积在基片表面，形成靶材料的薄膜。这种装置的最大优点使结构简单，控制方便。缺点有：因工作压力较高，膜层有沾污；沉积速率低，不能镀10微米以上的膜厚；由于大量二次电子直接轰击基片，使基片温升过高。2.三极和四极溅射三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使放出热电子强化放电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方埂。与二极溅射不同的是，可以在主阀全开的状态下制取高纯度的膜。四极溅射又称为等离子弧柱溅射，其原理如图3所示。在原来二极溅射靶和基板垂直的位置上，针别放置一个发射热电子的灯丝(热阴极)和吸引热电子的辅助阳极，其间形成低电压、大电流的等离子体弧柱。大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。这种溅射方法还是不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，还存在因灯丝具有不纯物而使膜层沾污等问题。图3四极溅射装置3.射频溅射60年代利用射频辉光放电，可以制取从导体到绝缘体任意材料的薄膜，因此在70年代得到普及。直流溅射是利用金属、半导体靶制取薄膜的有效方法，但当靶是绝缘体时由于撞击到靶上的离子会使靶带电，靶的电位上升，结果离子不能继续对靶进行轰击。射频是指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz。在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。射频溅射的两个电极，既然是接在交变的射频电源上，似乎就没有阴极与阳极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极并不是对称的。放置基片的电极与机壳相连，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。另一电极对于等离子处于负电位，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。其缺点是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。4.磁控溅射磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中实际应用。这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。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、对膜层的损伤小。1974年Chapin发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶，对进人生产领域起了推动作用。磁控溅射特点是在阴极靶面上建立一个环状磁靶(图4)，以控制二次电子的运动，离子轰击靶面所产生的二次电子在阴极暗区被电场加速之后飞向阳极。实际上，任何溅射装置都有附加磁场以延长电子飞向阳极的行程。其目的是让电子尽可能多产生几次碰撞电离，从而增加等离子体密度，提高溅射效率。只不过磁控溅射所采用的环形磁场对二次电子的控制更加严密。磁控溅射所利用的环状磁场迫使二次电子跳栏式地沿着环状磁场转圈。相应地，环状磁场控制的区域是等离子体密度最高的部位。在磁控溅射时，可以看见溅射气体——氩气在这部位发出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环。处于光环下的靶材是被离子轰击最严重的部位，会溅射出一条环状的沟槽。环状磁场是电子运动的轨道，环状的辉光和沟槽将其形象地表现了出来。能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极(基片)上，这是基片温升低、损伤小的主要原因。高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等离子体的轰击。电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大增加。磁控溅射靶大致可分为柱状靶和平面靶两大类。柱状靶原理结构简单，但其形状限制了它的用途。在工业生产中多应用的是矩形平面靶，目前已有长度达4m的矩形靶用于镀制窗玻璃的隔热膜，让基片连续不断地由矩形靶下方通过，