磁控溅射技术

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1、磁控溅射技术 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

2、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。真空镀膜过程均匀性真空镀膜过程非常复杂，由于镀膜原理的不同分为很多种类，仅仅 因为都需要

3、高真空度而拥有统一名称。所以对于不同原理的真空镀 膜，影响均匀性的因素也不尽相同。并且均匀性这个概念本身也会随着镀膜尺度和薄膜成分而有着不 同的意义。薄膜均匀性的概念：1厚度上的均匀性，也可以理解为粗糙度，在光学薄膜的尺度上 看（也就是1/10波长作为单位，约为100A），真空镀膜的均匀性 已经相当好，可以轻松将粗糙度控制在可见光波长的1/10范围内， 也就是说对于薄膜的光学特性来说，真空镀膜没有任何障碍。但是如果是指原子层尺度上的均匀度，也就是说要实现10A甚至 1A的表面平整，是现在真空镀膜中主要的技术含量与技术瓶颈所在, 具体控制因素下面会根据不同镀膜给出详细解释。2化学组分上的均匀性：

4、就是说在薄膜中，化合物的原子组分会由于尺度过小而很容易的产 生不均匀特性，SiTiO3薄膜，如果镀膜过程不科学，那么实际表面 的组分并不是SiTiO3，而可能是其他的比例，镀的膜并非是想要的 膜的化学成分，这也是真空镀膜的技术含量所在。具体因素也在下面给出。3晶格有序度的均匀性：这决定了薄膜是单晶，多晶，非晶，是真空镀膜技术中的热点问题, 具体见下。主要分类有两个大种类：蒸发沉积镀膜和溅射沉积镀膜，具体则包括很多种类，包括真空离 子蒸发，磁控溅射，MBE分子束外延，溶胶凝胶法等等一、对于蒸发镀膜：一般是加热靶材使表面组分以原子团或离子形式被蒸发出来，并 且沉降在基片表面，通过成膜过程（散点一岛

5、状结构迷走结构-层状 生长）形成薄膜。厚度均匀性主要取决于：1、基片材料与靶材的晶格匹配程度2、基片表面温度3、蒸发功率，速率4、真空度5、镀膜时间，厚度大小。组分均匀性：蒸发镀膜组分均匀性不是很容易保证，具体可以调控的因素同上,但是由于原理所限，对于非单一组分镀膜，蒸发镀膜的组分均匀性不好。晶向均匀性：1、晶格匹配度2、基片温度3、蒸发速率二、对于溅射类镀膜，可以简单理解为利用电子或高能激光轰击靶 材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并且最终沉积在 基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。二、对于溅射类镀膜，可以简单理解为利用电子或高能激光轰击靶 材，并使表面组分以原子团或离子形式被

6、溅射出来，并且最终沉积在 基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。对于不同的溅射材料和基片，最佳参数需要实验确定，是各不相同的, 镀膜设备的好坏主要在于能否精确控温，能否保证好的真空度，能否 保证好的真空腔清洁度。MBE分子束外沿镀膜技术，已经比较好的解决了如上所属的问题， 但是基本用于实验研究，工业生产上比较常用的一体式镀膜机主要以 离子蒸发镀膜和磁控溅射镀膜为主pvd 般术语6.1.1真空镀膜vacuum coati ng：在处于真空下的基片上制取膜层 的一种方法。6.1.2基片substrate：膜层承受体。6.1.3试验基片testing substrate:在镀膜开始、镀膜过程中或镀膜

7、结束后用作测量和（或）试验的基片。6.1.4镀膜材料coati ng material：用来制取膜层的原材料。6.1.5蒸发材料evapo ration mate rial：在真空蒸发中用来蒸发的 镀膜材料。6.1.6溅射材料sputtering material：有真空溅射中用来溅射的镀 膜材料。6.1.7膜层材料（膜层材质）film material：组成膜层的材料。6.1.8蒸发速率evaporation rate：在给定时间间隔内，蒸发出来的 材料量，除以该时间间隔6.1.9溅射速率sputtering rate：在给定时间间隔内,溅射出来的材 料量，除以该时间间隔。6.1.10沉积速

8、率deposition rate:在给定时间间隔内，沉积在基片 上的材料量，除以该时间间隔和基片表面积。6.1.11镀膜角度coati ng an gle :入射到基片上的粒子方向与被镀 表面法线之间的夹角。6.2工艺6.2.1真空蒸膜vacuum evaporatio n coati ng：使镀膜材料蒸发 的真空镀膜过程。6211同时蒸发simultaneous evaporation：用数个蒸发器把各 种蒸发材料同时蒸镀到基片上的真空蒸发。6212蒸发场蒸发evaporation field evaporation：由蒸发场同时蒸发的材料到基片上进行蒸镀的真空蒸发（此工艺应用于大面积蒸 发

9、以获得到理想的膜厚分布）。6213反应性真空蒸发reactive vacuum evaporation：通过与气体反应获得理想化学成分的膜层材料的真空蒸发。6214蒸发器中的反应性真空蒸发reactive vacuumevapo ratio n in evapo rato r：与蒸发器中各种蒸发材料反应，而获得理想化学成分膜层材料的真空蒸发。6215直接加热的蒸发direct heating evaporation：蒸发材料蒸发所必须的热量是对蒸发材料（在坩埚中或不用坩埚）本身加热的 蒸发。6216感应加热蒸发induced heating evaporation：蒸发材料 通过感应涡流加热的

10、蒸发。6217电子束蒸发electron beam evaporation：通过电子轰击使蒸发材料加热的蒸发。6218激光束蒸发laser beam evaporation通过激光束加热蒸 发材料的蒸发。6219间接加热的蒸发in direct heat ing evaporatio n：在加热装置（例如小舟形蒸发器，坩埚,灯丝,加热板，加热棒,螺旋线圈等）中 使蒸发材料获得蒸发所必须的热量并通过热传导或热辐射方式传递 给蒸发材料的蒸发。62110闪蒸flash evaportion：将极少量的蒸发材料间断地做瞬 时的蒸发。622真空溅射vacuum sputtering：在真空中，惰性气体离

11、子从靶表面上轰击出原子（分子）或原子团的过程。6221反应性真空溅射reactive vacuum sputtering通过与气体的反应获得理想化学成分的膜层材料的真空溅射。6222偏压溅射bias sputtering：在溅射过程中，将偏压施加于 基片以及膜层的溅射。6223 直流二级溅射 direct current diode sputtering：通过二个电极间的直流电压，使气体自持放电并把靶作为阴极的溅射。6224非对称性交流溅射asymmtric alternate current sputtering：通过二个电极间的非对称性交流电压，使气体自持放电 并把靶作为吸收较大正离子流的

12、电极。6225 高频二极溅射 high frequency diode sputtering 通过二个电极间的高频电压获得高频放电而使靶极获得负电位的溅射。6226热阴极直流溅射（三极型溅射）hot cathode direct curre nt sputtering：借助于热阴极和阳极获得非自持气体放电，气体放电所 产生的离子，由在阳极和阴极（靶）之间所施加的电压加速而轰击靶 的溅射。6227热阴极高频溅射（三极型溅射）hot cathode highfrequency sputtering：借助于热阴极和阳极获得非自持气体放电， 气体放电产生的离子，在靶表面负电位的作用下加速而轰击靶的溅

13、射。6228离子束溅射ion beam sputtering：利用特殊的离子源获 得的离子束使靶的溅射。6.2.2.9辉光放电清洗glow discharge cleaning利用辉光放电原 理，使基片以及膜层表面经受气体放电轰击的清洗过程。6.2.3 物理气相沉积;PVD physical vapor deposition 在真空状 态下，镀膜材料经蒸发或溅射等物理方法气化，沉积到基片上的一种 制取膜层的方法。6.2.4 化学气相沉积；CVD chemical vapor deposition： 定化学配比的反应气体，在特定激活条件下（通常是一定高的温度），通 过气相化学反应生成新的膜层材料

14、沉积到基片上制取膜层的一种方 法。6.2.5磁控溅射magnetron sputtering：借助于靶表面上形成的正 交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域，来增强电离效率，增 加离子密度和能量，因而可在低电压，大电流下取得很高溅射速率。6.2.6等离子体化学气相沉积；PCVD plasma chemistry vapor depositio n：通过放电产生的等离子体促进气相化学反应，在低温下， 在基片上制取膜层的一种方法。6.2.7 空心阴极离子镀 HCD hollow cathode dischargedepositio n：利用空心阴极发射大量的电子束，使坩埚内镀膜材料 蒸发并电离，

15、在基片上的负偏压作用下，离子具有较大能量，沉积在 基片表面上的一种镀膜方法。628电弧离子镀arc discharge deposition：以镀膜材料作为靶 极，借助于触发装置，使靶表面产生弧光放电，镀膜材料在电弧作用 下，产生无熔池蒸发并沉积在基片上的一种镀膜方法。6.3专用部件N MmB3h?0c6.3.1镀膜室coati ng chamber：真空镀膜设备中实施实际镀膜过程的部件632蒸发器装置evaporator device：真空镀膜设备中包括蒸发器 和全部为其工作所需要的装置（例如电能供给、供料和冷却装置等）在 内的部件。633蒸发器evaporator：蒸发直接在其内进行蒸发的装置,例如小 舟形蒸发器，坩埚,灯丝，加热板,加热棒，螺旋线圈等等,必要时还包括 蒸发材料本身。634直接加热式蒸发器evaporator by direct heat蒸发材料本身被加热的蒸发器。635间接加热式蒸发器evaporat or by in direct heat：蒸发材料通过热传导或热辐射被加热的蒸发器。636蒸发场evaporation field：由数个排列的蒸发器加热相同蒸发材料形成的场。