磁控溅射设备构造及其沉积薄膜原理
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。
磁控溅射方法制备铜薄膜实验
磁控溅射方法制备铜薄膜实验一、实验目的1．掌握物理气相沉积的根本原理，熟悉磁控溅射薄膜制备的工艺；2．掌握磁控溅射镀膜设备的构造和原理。
二、设备仪器磁控溅射薄膜沉积台构造如图1所示。
图1磁控溅射镀膜机构造示意图三、实验原理当高能粒子(电场加速的正离子，如Ar+)打在固体外表时，与外表的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来，沉积到基体材料外表形成薄膜的工艺过程。
四、实验内容掌握磁控溅射薄膜制备的气体放电理论和特性，观察气体放电现象，理解气体放电的物理过程；掌握磁控溅射膜制备的沉积原理及条件，薄膜制备过程中溅射气体的选择、溅射电压及基片电位、高纯度靶材的影响。
五、实验步骤1．准备：基体材料载玻片的清洗、烘干、装夹，铜靶材的安装；2．方案：a.描述低真空的抽气回路：真空室三通阀位置2低真空管道电磁阀机械泵大气。
b.描述高真空的抽气回路：真空室蝶阀挡油器油扩散泵储气罐三通阀位置1低真空管道电磁阀机械泵大气c.铜薄膜的沉积工艺参数：本底真空度、溅射电流、溅射电压、沉积时间、薄膜厚度。
3.步骤：本底真空获得后，进展氩气充气量的控制，溅射过程中电流、电压和时间的控制，薄膜制备完成后，充入大气，取出试样。
六．撰写实验报告1.真空系统的组成及作用，简述旋片泵、分子泵的工作原理。
2.真空测量系统的组成，简述电离真空规的工作原理。
3.气体放电理论的物理模型。
4.铜薄膜沉积原理与影响参数的关系。
简介真空镀膜在真空中制备膜层，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。
虽然化学汽相沉积也采用减压、低压或等离子体等真空手段，但一般真空镀膜是指用物理的方法沉积薄膜。
真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。
蒸发镀膜通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体外表，称为蒸发镀膜。
这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。
蒸发镀膜设备构造如图1。
蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。
磁控溅射薄膜淀积工艺原理
磁控溅射薄膜淀积工艺原理
磁控溅射薄膜淀积工艺是一种物理气相沉积（PVD）的方法，其工作原理可以简要概述为以下几个步骤：
1. 电子加速和电离: 在高真空的环境下，入射离子（通常为氩离子，Ar+）
在电场的作用下轰击靶材。
与此同时，电子在飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生新的Ar+离子和电子。
2. 电子束缚和二次电子发射: 新产生的电子在电场和磁场的作用下产生漂移，形成一种类似于摆线的运动轨迹。
在环形磁场的情况下，这些电子会在靶表面附近做圆周运动。
这个过程中，二次电子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。
3. 靶材溅射和薄膜形成: Ar+离子在电场的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。
溅射出的中性靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。
4. 温度控制: 由于二次电子的能量很低，传递给基片的能量很小，因此基片
的温升较低。
这使得磁控溅射工艺具有沉积温度低、基片温升低的优点。
磁控溅射的优点包括沉积温度低、沉积速度快、所沉积的薄膜均匀性好，成分接近靶材成分等。
这种工艺在高精度、高性能薄膜制备领域具有广泛应用。
磁控溅射镀膜机原理
磁控溅射镀膜机原理磁控溅射技术是一种用于镀膜的先进技术。
磁控溅射镀膜机是利用电子束的动能将固体材料从靶层中剥离并沉积在基板上的一种镀膜设备。
本文将为您介绍磁控溅射镀膜机的原理及其应用。
一、磁控溅射镀膜机的原理磁控溅射镀膜机又称磁控离子镀膜机，是一种利用外部电场和磁场激发离子束并蒸发靶材料形成镀层的设备。
这种技术源于20世纪60年代初期的物理研究。
它的基本原理是利用电子束加速器向金属靶材料表面注入精细定位的、高能单元电子束，从而促使靶材料发生电子冲击下物质的剥离，形成离子束，进而被磁场聚拢并加速击打在待镀基材料表面，从而沉积成膜。
这种技术对材料的选择范围较广，可使用的原材料包括各种无机材料和合金，如氧化物、硅、合金、氟化物等。
而磁控溅射技术也因此被广泛应用于各种领域，如电子、计算机、晶体管、固态照明、太阳能电池、生物医学、汽车、航空航天、建筑室内装修等领域。
二、磁控溅射镀膜机的类型及分类根据靶材料种类和制备过程条件的不同，磁控溅射镀膜机可以分为多种类型。
下面我们介绍一下主要的几种类型。
1、平板离子源平板离子源是最基本的离子源类型，通常由一个平板放电电极和一个屏蔽靶组成。
它的靶材料为物质的块状，可将注入的能量转换成游离原子形成高能离子束，使其透过向靶和基板之间发射的离子束，再到达基板表面。
由于靶和基板之间的角度限制，使该装置产生较低的折射率，从而制造较低的细节图案。
因此，平板离子源多用于制造器件外壳全面涂层。
2、圆柱形偏心离子源圆柱形偏心离子源由两极电源和一个圆柱形靶台制成。
表面不平整的靶材料块在高速离子束的作用下被剥离，形成离子束并沉积在基板上。
该离子源的形状和设计使得离子束方向发散，从而可以与表面平面的材料相交，产生均匀的涂层。
此外，偏心离子源具有抗污染能力强、精度高和效率高等特点，适用于工业和商业应用。
3、环柱形偏心离子源环柱形偏心离子源由一个圆筒形壳体、一个中央靶、四组电极和一个基板组成。
中央靶材料在离子束的作用下形成薄膜，并沉积在基板上。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光学薄膜、导电膜、装饰膜等领域。
在磁控溅射过程中，通过磁场控制等离子体的运动，使靶材表面的原子或分子被溅射出来，沉积在基板上形成薄膜。
下面将详细介绍磁控溅射的工作原理。
首先，磁控溅射系统主要由真空室、靶材、基板、磁控装置和电源等部分组成。
在工作时，首先将真空室抽成高真空状态，排除其中的气体，以确保溅射过程在无氧或低氧环境中进行。
然后，在真空室中加入惰性气体，如氩气，作为溅射过程中的靶材表面的溅射气体。
其次，通过外加电场和磁场，使靶材表面产生等离子体。
在磁控溅射系统中，通常采用环形磁场，通过磁控装置在靶材表面形成较为均匀的等离子体。
这些等离子体受到磁场的作用，沿着磁力线运动，撞击靶材表面，将靶材表面的原子或分子溅射出来。
随后，溅射出的原子或分子沉积在基板表面，形成薄膜。
在溅射过程中，可以通过调节靶材和基板的相对位置、溅射功率、溅射时间等参数，控制薄膜的厚度、成分和结构。
同时，磁控溅射系统还可以采用多靶材溅射、旋转靶材和旋转基板等技术，实现多层薄膜的沉积和复合薄膜的制备。
最后，磁控溅射工艺具有高沉积速率、较好的薄膜致密性和成膜均匀性等优点，广泛应用于半导体器件、光学镀膜、导电膜、装饰膜等领域。
同时，磁控溅射系统还可以与其他薄膜沉积技术相结合，如离子束溅射、化学气相沉积等，实现多种功能薄膜的制备。
总的来说，磁控溅射工作原理是通过磁场控制等离子体的运动，使靶材表面的原子或分子被溅射出来，沉积在基板上形成薄膜。
通过精确控制工艺参数，可以实现对薄膜厚度、成分和结构的调控，满足不同领域对薄膜材料的需求。
这种工艺在材料科学和工程领域具有重要的应用前景。
吉林平衡磁控溅射原理
吉林平衡磁控溅射原理一、前言吉林平衡磁控溅射技术是一种新型的表面处理技术，其在表面涂覆、金属化、陶瓷化等方面有着广泛的应用。
本文将从吉林平衡磁控溅射原理的基本概念、设备构造、工艺流程和应用等方面进行详细介绍。
二、基本概念1. 磁控溅射磁控溅射是利用高能离子轰击靶材表面，使靶材原子或分子脱离并沉积在基板上形成薄膜的一种表面处理技术。
在磁场作用下，靶材表面被电子轰击后，释放出的原子或分子被加速并沉积在基板上。
2. 平衡磁控溅射平衡磁控溅射是指通过调节气体流量、功率密度和靶材距离等参数来实现稳定沉积速率和均匀沉积厚度的一种磁控溅射技术。
相比传统的磁控溅射技术，平衡磁控溅射技术具有更高的沉积速率和更好的膜层均匀性。
三、设备构造吉林平衡磁控溅射设备主要由真空室、气体供给系统、靶材支架、基板支架、磁控系统和电源等组成。
1. 真空室真空室是吉林平衡磁控溅射设备的核心部分，其主要作用是提供一个高度真空的环境，以保证沉积过程中的稳定性。
真空室一般采用不锈钢材料制作，内部表面光洁度高，以避免对沉积膜层产生影响。
2. 气体供给系统气体供给系统主要提供工艺所需的气体，并通过调节气体流量来实现沉积速率和膜层均匀性的控制。
气体供给系统一般包括气源、流量计和阀门等组件。
3. 靶材支架靶材支架是将靶材固定在真空室内并与电源相连的装置。
靶材支架一般采用铜或铝制作，其表面必须保持光洁度，以保证沉积膜层的质量。
4. 基板支架基板支架是将待处理的基板固定在真空室内的装置。
基板支架一般采用不锈钢材料制作，其表面必须保持光洁度，以避免对沉积膜层产生影响。
5. 磁控系统磁控系统主要是通过调节磁场强度和方向来控制离子轰击靶材表面的能量和方向。
磁控系统一般由永磁体和电磁体组成，其结构复杂，需要精确调节。
6. 电源电源主要是为靶材提供高频或直流电能，并通过调节功率密度来控制沉积速率和膜层均匀性。
电源一般采用高频或直流电源，其输出功率可达数千瓦。
四、工艺流程吉林平衡磁控溅射工艺流程包括预处理、真空抽气、气体灌注、沉积、退火和后处理等步骤。
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至几十电子伏围。
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域，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。
磁控溅射镀膜原理及工艺课件
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。
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VONARDENNE镀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。
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。
基片
e -
E
Ar e -
+ Ar+
e -
+ Ar+ 靶材
V (<0)
三种分类的主要对比如下表：
DC MF RF
电源价格
靶材
便宜
圆靶/矩形靶
一般
平面靶/旋转 靶
昂贵
试验室一般用圆平 面靶
靶材材质要 求 抵御靶中毒 能力 应用 可靠性
导体
无限制
无限制
弱 金属 好
强 金属/化合物 较好
强 工业上不采用此法 较好
2磁控溅射工艺研究
2.1溅射变量
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磁控溅射设备构造及其沉积薄膜原理
1. 实验目的：
了解磁控溅射设备的构造，熟悉磁控溅射沉积薄膜的基本原理。
2. 实验内容：
2.1 了解磁控溅射设备的构造
总体来讲，磁控溅射薄膜沉积系统包括：气路、真空系统、循环水冷却系统、控制系统。
其中
(1) 气路系统：与PECVD系统类似，磁控溅射系统应包括一套完整的气路系统。
但是，与PECVD系统不同的是，PECVD系统中，气路中为反应气体的通道。
而磁控溅射系统气路中一般为Ar、N2等气体。
这些气体并不参与成膜，而是通过发生辉光放电现象将靶材原子轰击下来，使靶材原子获得能量沉积到衬底上成膜。
(2) 真空系统：与PECVD系统类似，磁控溅射沉积薄膜前需要将真空腔室抽至高真空。
因此，其真空系统也包括机械泵、分子泵这一高真空系统。
(3) 循环水冷却系统：工作过程中，一些易发热部件(如分子泵)需要使用循环水带走热量进行冷却，以防止部件损坏。
(4) 控制系统：综合控制PECVD系统各部分协调运转完成薄膜沉积，一般集成与控制柜。
2.2 磁控溅射沉积薄膜原理
在阳极(除去靶材外的整个真空室)和阴极溅射靶材(需要沉积的材料)之间加上一定的电压，形成足够强度的静电场。
然后再在真空室内通入较易离子化的惰性Ar气体，在静电场E的作用下产生气体离子化辉光放电。
Ar气电离并产生高能的Ar+离子和二次电子e。
高能的Ar+阳离子由于电场E的作用会加速飞向阴极溅射靶表面，并以高能量轰击靶表面，使靶材表面发生溅射作用。
被溅射出的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。
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Ar+离子来轰击靶的表面，溅射出大量的靶材粒子向工件表面沉积；另一方面，二次电子在加速飞离靶表面的同时，受到磁场的洛伦兹力作用，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，电子的能量逐渐降低，到达基片后的能量很小，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，形成拓宽的溅蚀环凹状区。