闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀离化特性研究
磁控溅射
中文名称：磁控溅射英文名称：magnetron sputtering定义：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，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，从而实现高速率溅射的过程。
百科名片: 磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，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。
工作原理: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，其运动轨迹近似于磁控溅射一条摆线。
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。
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。
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。
3.1磁控溅射
原理示意图
磁控溅射镀膜是指将涂层材料做为靶阴极，利用氩离子轰击靶材， 产生阴极溅射，把靶材原子溅射到工件上形成沉积层的一种镀膜技 术。
二、溅射装置
直流溅射(DC sputtering)
1.阴极（靶) 2.阳极（基片） 3.真空室 4.进气口 5.真空抽气系 统 6.高压电源 （DC）
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
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。
系统参数
工艺会受到很多参数的影响。其中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。
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 异因
射频溅射
膜层附着力不良 （1）镀件除油脱脂不彻底，应加强镀前处理； （2）真空室内不清洁，应清晰真空室； （3）夹具不清洁，应清洗夹具； （4）溅射工艺条件控制不当，应改进溅射工艺条件。
（1）射频溅射条件：工作气压1.0Pa，溅射电压1000V，靶 电流密度1.0mA/cm2,薄膜沉积速率低于0.5μm/min。
（2）射频溅射法的特点 能够产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射，并沉积
在衬底上； 自发产生负偏压的过程与所用靶材是否是导体无关。但
是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至 靶材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏压； 与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能量 直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应 的靶电压较低。
•如果通过阴极的内外两个磁极端面的磁通量不等，则为非平衡磁控 溅射阴极，非平衡磁控溅射阴极磁场大量向靶外发散
采用非平衡磁控溅射法，有意识地增大（或减小）靶中心的磁体体 积，造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这时等离子体的 作用扩展到了衬底附近，而部分电子被加速射向衬底，同时在此过 程中造成气体分子电离和部分离子轰击衬底，保持适度的离子对衬 底的轰击效应，以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。
?如果通过阴极的内外两个磁极端面的磁通量不等则为非平衡磁控溅射阴极非平衡磁控溅射阴极磁场大量向靶外发散采用非平衡磁控溅射法有意识地增大或减小靶中心的磁体体积造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近这时等离子体的作用扩展到了衬底附近而部分电子被加速射向衬底同时在此过程中造成气体分子电离和部分离子轰击衬底保持适度的离子对衬底的轰击效应以提高薄膜的质量
磁控溅射
磁控溅射1、磁控溅射磁控溅射是一个磁控运行模式的二极溅射。
它与二~四极溅射的主要不同点：一是，在溅射的阴极靶后面设置了永久磁钢或电磁铁。
在靶面上产生水平分量的磁场或垂直分量的磁场(例如对向靶)，由气体放电产生的电子被束缚在靶面附近的等离子区内的特定轨道内运转;受电场力和磁场力的复合作用，沿一定的跑道作旋轮转圈。
靶面磁场对荷电粒子具有约束作用，磁场愈强束缚的愈紧。
由于电磁场对电子的束缚和加速，电子在到达基片和阳极前，其运动的路径也大为延长，使局部Ar气的碰撞电离几率大大增加，氩离子Ar+在电场作用下加速，轰击作为阴极的靶材。
把靶材表面的分子、原子及离子及电子等溅射出来，提高了靶材的飞溅脱离率。
被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿着一定的方向射向基体，最后沉积在基体上成膜。
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、真空室内壁及靶电源阳极上。
工作气体电离几率的增加和靶材离化率的提高，使真空气体放电时内阻减小，故磁控靶发生溅射沉积时的工作电压较低(多数在4-600V之间)，有的工作电压略高(例如>700V)，有的工作电压较低(例如300V左右)。
磁控溅射发生时，其溅射工作电压主要降落在磁控靶的阴极位降区上。
由于磁控溅射沉积的膜层均匀、致密、针孔少，纯度高，附着力强，可以在低温、低损伤的条件下实现高速沉积各种材料薄膜，已经成为当今真空镀膜中的一种成熟技术与工业化的生产方式。
磁控溅射技术在科学研究与各行业工业化生产中得到了迅速发展和广泛应用。
总之，磁控溅射技术就是利用电磁场来控制真空腔体内气体“异常辉光放电”中离子、电子的运动轨迹及分布状况的溅射镀膜的工艺过程。
2、产生磁控溅射的三个条件磁控气体放电进而引起溅射，必须满足三个必要而充分的条件：(1)第一，具有合适的放电气体压强P：直流或脉冲中频磁控放电，大约在0. 1 Pa~10Pa 左右)，典型值为5×10-1Pa;射频磁控放电大约在10-1~10-2Pa。
磁控溅射原理课件
01
磁控溅射原理概述
磁控溅射技术的特点
高沉积速率 优良的附着力 优良的薄膜质量
磁控溅射的应用领域
光学薄膜 功能性薄膜 装饰性薄膜
02
磁控溅射装置的组成
新型材料的制备 工艺参数优化
05
磁控溅射在薄膜制备中的应用
硬质薄膜
功能薄膜
光学薄膜
磁控溅射在表面改性中的应用
表面涂层
表面硬化
表面合金化
磁控溅射在装饰镀层制备中的应用
镀金 镀铬 镀锌
06
磁控溅射技术的总结
磁控溅射技术的原理 磁控溅射技术的应用领域 磁控溅射技术的优缺点
磁控溅射技术的展望
新型磁控溅射技术的研发 磁控溅射技术的展应用 磁控溅射技术的未来发展方向
适用材料广泛
磁控溅射可以用于多种金属、非金属 材料的镀膜，满足不同应用需求。
03
磁控溅射过程的物理机制
磁场控制电子运动 高速运动的电子与气体分子碰撞 溅射产额与镀膜速率
磁控溅射过程中的粒子行为
01
气体离化与离子加速
02
原子或分子从靶材表面溅射
03
溅射产物的能量分布与输运
磁控溅射过程中的能量转换与传递
真空室
。
阴极靶材
阳极 电源系统
磁控溅射系统的原理
01
02
气体放电
离子加速
03 溅射原子沉积
磁控溅射系统的特点
高沉积速率
由于磁控溅射利用磁场控制电子的运 动，提高了电子的利用率，从而提高 了沉积速率。
优良附着力
乱谈磁控溅射
磁控溅射技术是目前最重要的工业化大面积真空镀膜技术之一。
溅射技术的历史发展如图3-1所示，从中可以看出发展的驱动力主要来自：降低工艺成本、解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化。
前者关注于靶材利用率、沉积速率、薄膜均匀性以及溅射过程稳定性等方面的问题；后者由于低能离子轰击在薄膜沉积过程中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率和能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以更好地满足实际镀膜工艺中的多种需求。
其中，HIPIMS：高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering，MFMS：中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering，CFUBMS：闭合场非平衡磁控溅射closed field unbal anced magnetron sputtering，UBMS：非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering，IBAMS：离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputtering，HCM：空心阴极磁控溅射hollow cath ode sputtering，ICPMS：感应耦合等离子磁控溅射inductively coupled plasma magnetron sputterin g。
（一）磁控溅射工艺原理相对于其它的制备工艺（如CVD、PLD、Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最为常用的方法之一。
概括起来磁控溅射主要具有如下优点[20]：●∙∙∙∙∙∙∙ 较低的制备温度（可室温沉积）；●∙∙∙∙∙∙∙ 较高的成膜质量，与衬底附着力好；●∙∙∙∙∙∙∙ 可控性好，具有较高的沉积速率；●∙∙∙∙∙∙∙ 可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物；●∙∙∙∙∙∙∙ 成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。
本贴对一般性溅射过程原理部分从略，其详细介绍可参考文献[147-150]，而主要结合制备AZO薄膜的情况，重点对磁控靶构造、磁路设计和部分表观工艺参数（external paramet ers）与微观/等离子体参数（plasma parameters）的关系做一简要评述。
磁控溅射属于等离子体镀膜的原理
磁控溅射属于等离子体镀膜的原理一、磁控溅射技术概述磁控溅射技术是一种常用的薄膜制备技术，广泛应用于光学薄膜、电子器件、陶瓷材料等领域。
它利用磁场作用下的等离子体来制备薄膜，具有高附着力、高镀率、均匀性好等优点。
二、磁控溅射镀膜原理磁控溅射镀膜的原理基于溅射效应和电子轰击效应。
在磁控溅射设备中，将待镀物作为靶材，通过高能粒子轰击靶材表面，使靶材表面的原子或分子脱离，形成等离子体。
然后，利用磁场的作用，将等离子体中的离子引导到待镀物表面，形成均匀的薄膜。
三、磁控溅射工艺过程磁控溅射工艺一般包括预处理、溅射镀膜和后处理三个步骤。
1. 预处理：在进行磁控溅射镀膜之前，需要对待镀物进行表面清洁和处理。
常用的预处理方法有超声波清洗、溶剂清洗、离子清洗等，这些方法可以有效去除表面的杂质和氧化物，提高薄膜附着力。
2. 溅射镀膜：在预处理完成后，将待镀物和靶材放置在真空室中，通过抽气将真空度提高到一定程度。
然后，在电弧放电或射频场的作用下，使靶材表面的原子或分子脱离，形成等离子体。
通过调节磁场的强度和方向，控制离子的运动轨迹，使其沉积在待镀物表面，形成均匀的薄膜。
3. 后处理：在薄膜形成后，需要进行后处理以提高薄膜的性能。
后处理包括退火、氧化、抛光等步骤，可以改善薄膜的结晶性、致密性和光学性能。
四、磁控溅射技术的优势与其他薄膜制备技术相比，磁控溅射技术具有以下优势：1. 高附着力：由于磁控溅射过程中离子能量较高，使得薄膜与基底之间的结合更紧密，附着力更强。
2. 高镀率：磁控溅射技术可以实现较高的镀率，镀膜速度快，可以提高生产效率。
3. 均匀性好：通过调节磁场的强度和方向，可以控制离子的运动轨迹，使薄膜在待镀物表面均匀沉积。
4. 可控性强：磁控溅射技术可以通过调节工艺参数，如气压、离子能量、靶材成分等，来控制薄膜的组成、结构和性能。
五、磁控溅射技术在实际应用中的例子磁控溅射技术在光学薄膜、电子器件和陶瓷材料等领域有着广泛的应用。
磁控溅射
真空磁控溅射技术磁控溅射是目前应用最广泛的一种溅射沉积方法。
它是在二极直流溅射的基础上，在靶表面附近增加一个磁场。
电子由于受电场和磁场的作用，做螺旋运动，大大提高了电子的寿命，增加了电离产额，从而放电区的电离度提高，即离子和电子的密度增加。
放电区的有效电阻变小，电压下降。
另外放电区集中在靶表面，放电区中的离子密度高，所以入射到靶表面的离子密度大大提高，因而溅射产额大大增加。
也就是磁场控制溅射方式。
所谓溅射(sputtering)是指被加速的正离子轰击阴极（靶）表面时，将自身的能量传给阴极表面的原子，原子离开阴极沉积在基体上。
是动量传递过程。
利用溅射现象沉积薄膜的技术称溅射沉积技术。
溅射理论：公认的是碰撞理论，入射离子与固体表面原子发生弹性碰撞后，将其中一部分能量给了原子，该原子的动能超过它与其他原子形成的势垒（对金属约5--10ev)时，原子就会从晶格点阵碰出，形成离位原子，又与其他附近原子发生反复碰撞--联级碰撞。
当原子动能超过结合能（1--6ev)时，原子离开表面进入真空室沉积在设置的基体上，形成薄膜。
入射正离子轰击固体表面后除产生原子外，还有其他现象产生，主要是原子和电子。
原子沉积在基体上形成薄膜，电子用来维持辉光放电的继续。
产生原子的多少用溅射产额（S)表示。
一、溅射产额及其影响因素溅射产额--单位离子入射到表面后产生的原子数，单位：原子数/离子，也叫溅射率或溅射系数。
决定阴极被剥离的速度，并在很大程度上决定薄膜的沉积速率。
溅射产额与入射离的能量、质量、种类、入射角度及被溅材料的种类有关。
1、溅射产额与入射离子的关系：1）与入射离子种类的关系：对于同一种被溅材料，当轰击离子的质量增加时，溅射产额随之增加，而且最大溅射产额出现在周期表惰性气体上；2）与入射离子能量的关系：在入射离子的能量很低的一个范围内，没有或者几乎没有溅射发生，随着离子能量的增加，溅射产额也增加，当能量继续增加超过某一个值时，溅射产额不但不增加反而还要下降（S=0时的最高能量称为溅射的域值能量，一般为10--30ev）；3）与离子入射角的关系：当入射角从0°（离子垂直入射到靶面）逐渐增加时，最初的溅射产额（S)也随之增加，当达到某一值（Al为75°）时，S达到最大，角度再增加S反而下降，至90°时，溅射产额下降到零。
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书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀离化特性研究
应用闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀系统，研究了溅射靶电流、偏压和Ar 流量对偏流密度的影响。
结果表明，偏流密度随着偏压和靶电流的升高而增大，但随偏压的提高偏流密度的增加趋势趋于平缓；偏流密度随着Ar 流量的增大而出现峰值。
磁控溅射离子镀（MS
离化率是指被电离的原子占全部溅射原子的百分比，是磁控溅射离子镀
过程中的一个重要指标。
特别是在活性反应离子镀时，离化率直接反映等离子体的活化程度。
溅射原子和反应气体的离化程度对镀层的各种性质，如附着力、硬度、耐热耐蚀性、结晶结构等，都产生直接的影响。
如何提高等离子体的密度或电离度，以降低气体放电的阻抗，从而在相
同的放电功率下获得更大的电流，也就是获得更多的离子轰击靶材和基体，关键在于如何充分的利用电子的能量，使其最大限度地用于电离。
不同离子镀方法因电离和激发方式不同，其离化率也差别较大。
闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术是在普通磁控溅射技术基础上发展起来的一种新型磁控溅射镀膜技术，它是对普通磁控溅射技术进行设备改良和工艺完善的产物。
一块磁控靶的N 极对应另一块靶的S 极，即闭合式结构，闭合式结构将靶系统边缘上的磁力线闭合在两块靶之间，构成逃逸电子的闭合阱，等离子体区域被有效限制在真空室中间区域，即基体所在区域，这样一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基片表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基片，起到离子束辅助沉积的作用，极大地改善了薄膜质量。
因此，不仅具有普通磁控溅射（MS）过程稳定、控制方便和大面积膜厚均匀性的特点，而且克服了基片附近离子密度。