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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 膜技术发展来的磁绪论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，成为镀膜工业应的连续镀膜场合 ） 的首选方案 1用领域 （特别是建筑镀膜玻璃、 透明磁导电控膜玻溅璃射、 柔原性理基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻 要求溅射属于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）XB （磁场）所指的方向漂移，简称EXB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 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。

1.1 磁控溅射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： 利用磁场与电场 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1.1.1技术分类 磁控溅射在技术上可以分为直流（DC）磁控溅射、中频（MF）磁控溅射、射频（RF）磁 控 溅射三种分类的主要对比如下表DCMFRF电源价格便宜一般昂贵靶材圆靶/矩形靶平面靶/旋转靶试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应用金属金属/化合物工业上不采用此法» 4可靠性一知亠E宀好较好较好22.1 溅射变量2.1.1 电压和功率 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 改变气体中的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VONARDEN镀NE 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2.1.2 气体环境真空系统和工艺气体系统共同控制着气体环境 首先， 真空泵将室体抽到一个高真空 （大 约为 10-6torr ）然后，由工艺气体系统（包括压强和流量控制调节器）充入工艺气体，将气体 压强降低到大 约2Xl0-3torr为了确保得到适当质量的同一膜层，工艺气体必须使用纯度为99.995%的高纯气体在反应溅射中，在反应气体中混合少量的惰性气体（如氩）可以提高溅射速率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 可以提高离化率，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。

降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定镀膜区内一 般的传动速度范围为每分钟0 ~ 600 英寸（大约为 0 ~ 15.24 米）之间根据镀膜材料、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2.2 系统参数 工艺会受到很多参数的影响其中， 一些是可以在工艺运行期间改变和控制的；而 另外一 些则虽然是固定的，但是一般在工艺运行前可以在一定范围内进行控制两个重要的固定参数 是：靶结构和磁场2.2.1 靶结构 每个单独的靶都具有其自身的内部结构和颗粒方向。

由于内部结构的不同，两个看起来完 全相同的靶材可能会出现迥然不同的溅射速率在镀膜操作中，如果采用了新的或不同的靶，应当特别注 意这一点 如果所有的靶材块在加工期间具有相似的结构，调节电源，根据需要提高或降低功率可以 对它进行补偿在一套靶中，由于颗粒结构不同，也会产生不同的溅射速率加工过程会造成靶材内 部结构的差异，所以即使是相同合金成分的靶材也会存在溅射速率的差异同样，靶材块的晶体结构、 颗粒结构、硬度、应力以及杂质等参数也会影响到溅射速率，而这些则可能会在产品上形成条状的缺陷 这也需要在镀膜期间加以注意不过，这种情况只有通过更换靶材才能得到解决靶材损耗区自身也会 造成比较低下的溅射速率这时候，为了 得到优良的膜层，必须重新调整功率或传动速度因为速度 对于产品是至关重要的，所以标准 而且适当的调整方法是提高功率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2.3 可变参数在溅射过程中，通过改变改变这些参数可以进行工艺的动态控制这些可变参数包括：功率、速 度、气体的种类和压强2.3.1 功率每一个阴极都具有自己的电源根据阴极的尺寸和系统设计，功率可以在 o ~ 150KW （标称值）之间变化电源是一个恒流源在功率控制模式下，功率固定同时监控电压，通过改变输出电流来 维持恒定的功率在电流控制模式下，固定并监控输出电流，这时可以调节电压施加的功率越高，沉积 速率就越大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 X10-3 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〜lOPa压力的惰性气体(Ar)，作为气体放电的载体在高压作用下Ar原 子 电离成为Ar+离子和电子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向基片的过程中，受到垂直于电场的磁 场影响， 使电子产生偏转， 被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内， 电子以摆线的方 式沿着靶表面前 进，在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞，电离出大量的Ar+离子，与没有磁控管的结构的溅射相比， 离化率迅速增加 lO〜 lOO 倍，因此该区域内等离子体密度很高经过 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、真空室内壁及靶源阳极上。

而Ar+离子在高压电场加速作用下，与 靶材的撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收Ar+离子的动能而脱离原晶格束缚，呈中性的靶原子 逸出靶材的表面飞向基片，并在基片上 沉积形成薄膜3.4 试验过程3.4.1 准备过程(1) 动手操作前认真学习讲操作规程及有关资料，熟悉镀膜机和有关仪器的结构及功能、操作程序 与注意事项，保证安全操作2) 清洗基片用无水酒精清洗基片，使基片镀膜面清洁无脏污后用擦镜纸包好，放在 干燥器内备 用3) 镀膜室的清理与准备先向真空腔内充气一段时间，然后升钟罩，装好基片，清理 镀膜室，降 下钟罩3.4.2 试验主要流程(1) 打开总电源，启动总控电，升降机上升，真空腔打开后，放入需要的基片，确定基 片位置(A、B、C、D),确定靶位置(1、2、3、4,其中4为清洗靶)2) 基片和靶准备好后，升降机下降至真空腔密封(注意：关闭真空腔时用手扶着顶盖， 以控制顶 盖与强敌的相对位置，过程中注意安全，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 1OE。