磁控溅射靶材镀膜原理详解

磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动,提高电子的离化率.与传统溅射相比具有"低温(碰撞次数的增加,电子的能量逐渐降低,在能量耗尽以后才落在阳极)"、"高速(增长电子运动路径,提高离化率,电离出更多的轰击靶材的离子)"两大特点.

通过磁场提高溅射率的基本原理由Penning在60多年前发明,后来由Kay和其他人发展起来,并研制出溅射枪和柱式磁场源.1979年Chapin引入了平面磁控结构.

磁控溅射源装置

平面型

1.矩形:应用广泛,尤其适用于大面积平板的连续型镀膜;镀膜均匀性,产品的一致性较好.

2.圆形:只适合于做小型的磁控源,制靶简单,适合科研中应用.

电磁铁

电流的磁效应:如果一条直的金属导线通过电流,那么在导线周围的空间将产生圆形磁场;导线中流过的电流越大,产生的磁场越强.

圆柱形

适合镀覆尺寸变化大,形状复杂的工件.

1.水嘴组件 2.旋转机械 3.靶座 4.靶材 5.条状永磁体 6.轭铁 7.块状永磁体 8.紧固螺母 9.密封圈 10.螺帽倒锥形靶材

靶材利用率高;枪体结构紧凑,体积较小.

磁控溅射技术分类

磁控溅射在技术上可分为直流(DC)磁控溅射、中频(MF)磁控溅射、射频(RF)磁控溅射.

1.直流(DC)磁控溅射

溅射与气压的关系 - 在一定范围内提高离化率(尽量小的压强下维持高的离化率)、提高均匀性要增加压强和保证薄膜纯度、提高薄膜附着力要减小压强的矛盾,产生一个平衡.

辉光放电直流溅射系统

特点:提供一个额外的电子源,而不是从靶阴极获得电子.实现低压溅射(压强小于0.1帕).

缺点:难以在大块扁平材料中均匀溅射,而且放电过程难以控制,进而工艺重复性差.

2.中频(MF)磁控溅射

中评交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统中,工业上一般使用孪生靶溅射系统;靶材利用率最高可达70%以上,靶材有更长的使用寿命,更快的溅射速率,杜绝靶材中毒现象.

3.射频(RF)磁控溅射

射频溅射特点 - 射频方法可以被用来产生溅射效应的原因是它可以在靶材上产生自偏压效应.在射频溅射装置中,击穿电压和放电电压显着降低.不必再要求靶材一定要是导电体.

了解磁控溅射镀膜机的构成及靶中毒现象

磁控溅射真空镀膜机有很多部件组成，每个部件都有自己的独到的用处，缺一不可。磁控溅射真空镀膜机由

真空系统 ：真空系统设备集中于真空室区域，由抽气设备（机械泵、罗茨泵、分子泵），检测设备（电阻规、电离规、薄膜规），安全阀（腔体门阀、分子泵挡板阀、旋片泵罗茨泵间自吸阀、管道阀和破空阀）；通过旋片泵>罗茨泵>分子泵接力抽气，将腔室内压力由大气变为真空，并在生产过程中保持适合生产的真空环境。

旋片真空泵由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。其结构是利用装在钉子腔内偏心转子（转子的外圆与定子的内表面相切两者之间的间隙非常小）和转子槽内滑动的借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁的两块旋片，当转子旋片时，始终沿定子的内壁滑动。

▲ 旋片真空泵结构图

在热偶真空规中，在作为热丝的Pt丝中通过恒定强度的电流，在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射，金属热传导以及气体分子热传导而损失的功率相等，因而热丝的温度将随着真空度的不同而呈现有规律的变化。

皮拉尼规有称为热阻式真空规，其工作原理与热偶真空规相似，皮拉尼以电桥的方式，通过测量热丝的电阻随温度的变化来实现对真空度的测量。经常与热偶真空规结合使用的高真空规称为电离真空规，它是在高真空范围内最常使用的测量工具。

真空薄膜式真空规是一种依靠金属薄膜在气体压力差作用下产生机械位移，从而可用于气体绝对压力测量，测量结果与气体种类无关的真空规。

薄膜真空规有两个被隔离的真空腔，当一个真空腔内的压力为已知，另一个真空腔的压力为未知的情况下，薄膜的移位量将与两个腔内的压力差成正比，为了提高测量的准确度，薄膜位移是靠测量薄膜与另一个金属电极间的电容的变化来实现的。在很大的量程范围内，薄膜真空规都具有很好的线性度，其探测下限约为10-3 Pa，这相当于探测到的薄膜位移只有一个原子尺度大小。

磁控溅射真空镀膜机传动系统：传统系统共24台驱动电机，上下片平台各4台，工艺区11台，回传区5台传动电机，除上下片平台各有2台电机可实现双向传动外，其余电极钧为单向传动。

溅射镀膜的靶中毒现象

众所周知磁控溅射真空镀膜设备用的是磁控溅射靶材，那么磁控溅射靶材在镀膜溅射的时候会出生靶中毒现象，既浪费了靶材，同时也耽误了生产时间，是非常让人头疼的事情。

一般情况下，金属化合物的二次电子发射系数比金属的高，靶中毒后，靶材表面都是金属化合物，在受到离子轰击之后，释放的二次电子数量增加，提高了空间的导通能力，降低了等离子体阻抗，导致溅射电压降低。从而降低了溅射速率。磁控溅射的溅射电压在400V-600V之间，当发生靶中毒时，溅射电压会显著降低。

金属靶材与化合物靶材本来溅射速率就不一样，一般情况下金属的溅射系数要比化合物的溅射系数高，所以靶中毒后溅射速率低。

反应溅射气体的溅射效率本来就比惰性气体的溅射效率低，所以反应气体比例增加后，综合溅射速率降低。

影响磁控溅射真空镀膜设备靶中毒的因素主要是反应气体和溅射气体的比例 ，反应气体过量就会导致靶中毒。反应溅射工艺进行过程中靶表面溅射沟道区域内出现被反应生成物覆盖或反应生成物被剥离而重新暴露金属表面此消彼长的过程。如果化合物的生成速率大于化合物被剥离的速率，化合物覆盖面积增加。在一定功率的情况下，参与化合物生成的反应气体量增加，化合物生成率增加。如果反应气体量增加过度，化合物覆盖面积增加，如果不能及时调整反应气体流量，化合物覆盖面积增加的速率得不到抑制，溅射沟道将进一步被化合物覆盖，当溅射靶被化合物全部覆盖的时候，靶完全中毒。

● 靶中毒的产生机制

❶ 化学反应：当反应气体（如氧气、氮气等）与靶材表面原子发生化学反应时，生成的化合物在靶材表面形成一层绝缘或半绝缘层。这层化合物阻碍了电子的传输和溅射过程，导致溅射速率下降。

❷ 二次电子发射减少：绝缘或半绝缘的化合物层会减少二次电子的发射，从而降低了等离子体的密度和能量，进一步影响溅射过程。

❸ 正离子轰击减弱：化合物层对正离子的轰击具有一定的阻挡作用，减少了靶材表面原子的溅射。

● 影响靶中毒的因素

❶ 气体种类和流量：不同的反应气体以及其流量大小对靶中毒的影响程度不同。例如，氧气比氮气更容易导致靶中毒，且气体流量越大，中毒的可能性越高。

❷ 靶材种类：靶材的化学活性和稳定性决定了其对反应气体的敏感性。活泼金属靶材（如铝、钛等）更容易发生中毒现象。

❸ 溅射功率：较高的溅射功率会导致更多的热量产生，可能加速化学反应的进行，从而增加靶中毒的风险。

❹ 工作气压：工作气压的高低影响等离子体的密度和能量分布，进而影响靶中毒的发生。

❺ 基片温度：基片温度的升高可能促进反应气体与溅射原子在基片表面的反应，间接影响靶中毒。

● 靶中毒对薄膜质量的影响

❶ 成分不均匀：由于溅射速率的变化，薄膜中元素的比例可能偏离预期，导致成分不均匀。

❷ 结构缺陷：靶中毒引起的溅射不稳定可能导致薄膜出现结晶度差、孔隙率增加等结构缺陷。

❸ 性能下降：薄膜的电学、光学和机械性能可能因靶中毒而受到损害，如电阻率升高、透光率降低、硬度下降等。

● 靶中毒的预防和解决措施

❶ 优化工艺参数：合理选择气体种类和流量，根据靶材和薄膜的要求，精确控制反应气体的比例；调整溅射功率和工作气压，找到最佳的工艺条件，减少靶中毒的发生。

❷ 靶材预处理：对靶材进行表面处理，如清洗、抛光等，去除表面的氧化物和杂质，降低化学反应的可能性。

❸ 引入辅助手段：采用射频偏压辅助，增强对靶材表面的离子轰击，去除化合物层；或采用脉冲磁控溅射技术，通过控制脉冲参数，减少靶中毒的影响。

❹ 定期维护和更换靶材：定期检查靶材的表面状态，及时清理或更换表面严重中毒的靶材，保证溅射过程的稳定性。

控溅射真空镀膜设备常见的靶中毒现象有：

正离子堆积：靶中毒时，靶面形成一层绝缘膜，正离子到达阴极靶面时由于绝缘层的阻挡，不能直接进入阴极靶面，而是堆积在靶面上，容易产生冷场致弧光放电---打弧，使阴极溅射无法进行下去。

阳极消失：靶中毒时，接地的真空室壁上也沉积了绝缘膜，到达阳极的电子无法进入阳极，形成阳极消失现象。

相关问答

关于磁控溅射的几个问题,刚刚开始做磁控溅射,现在有几个问题...

[最佳回答]回答问题可能不是特别对口,部分题目不是特别详细,也没办法详细.如果有疑问再追问或者联系我.1.膜层厚度测量问题:如果是纯净的氧化锌,或者说是透明...

射频溅射镀膜与直流溅射镀膜相比较有何特点?

直流和射频是对加在靶上的电源所说的。本质区别自然就在直流是持续不间断加在上面,射频是具有一定的频率(13.56MHz)间隔加在靶上的。详细解释只能去看书,没...

真空镀膜瓶盖上的水气怎么去除–960化工网问答

磁控溅射镀膜设备及技术介绍a旋转磁控溅射镀膜机;旋转磁控溅射镀膜技术,是国内外最先进的磁控溅射镀膜技术,靶材利用率达到70~80%以上,基体镀膜均匀,色泽一致。...

朋友们谁了解原装施乐百离心风机RF系列价格表，施乐百离心...

[回答]合作伙伴没选好很头疼的,施乐百风机就做得很不错,做得全面也能够看到效果,推荐给楼主!徐州乐加义进出口贸易有限公司经营离心风机、轴流风扇、贯流...

射频磁控溅射镀膜机哪个牌子的好?

[回答]首先要看质量,其次看价格,三看公司实力。我们公司是这个产品的专业供应商,如有需求,欢迎与我们联系。有听说过创世威纳的这个产品供应还不错,质量...

溅射靶材的主要应用?

溅射靶材主要应用于电子及信息产业,如集成电路、信息存储、液晶显示屏、激光存储器、电子控制器件等;亦可应用于玻璃镀膜领域;还可以应用于耐磨材料、高温耐蚀...

真空集热管镀膜问题1:磁控溅射镀膜时,工作温度在多少度?(指...

[回答]1.磁控溅射,镀膜室温度基体温度越高膜层附着力越好.但是,工作过程中,基体温度不可以太高.但是一般不会超过70度.镀膜线一般50-60度.镀膜室一般35-50...

什么叫中频磁控溅射?

中频磁控溅射的原理是基于阴极辉光放电理论,把阴极表面磁场扩展到接近工件表面,提高了溅射原子离化率。既保留磁控溅射的细腻又增强了表面光泽度。在优化阴极...

读王希季阅读感想?

王希季的创新精神值得我们学习。他善于从领域之外的视角来看待材料科学问题,提出了许多具有前瞻性和开创性的理论和研究思路,如“巨磁电效应”和“射频磁控溅...

急!急……磁控溅射镀膜机的工作原理，有谁知道啊?

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...