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磁控溅射（1讲义理论）磁控溅射【实验目的】1、了解磁控溅射基本原理。
2、了解射频磁控溅射仪器构造及使用方法。
3、了解利用射频磁控溅射制备薄膜。
【实验仪器】DHRM-3射频磁控溅射镀膜装置【实验原理】1、磁控溅射原理：用高能粒子（大多数是由电场加速的正离子）撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射。
按照溅射理论的级联碰撞模型如图1所示，当入射离子与靶原子发生碰撞时把能量传给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格的原子撞出，形成级联碰撞。
当级联碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量足以克服结合能时，表面粒子逸出成为溅射粒子。
溅射粒子沉积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。
对于直流溅射，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于基底有数千伏的电压。
对系统预抽真空以后，充入适当压力的惰性气体。
例如Ar2作为气体放电的载体，压力一般为1～10Pa的范围内。
在正负极高压的作用下，极间的气体原子将被大量电离。
电离过程使Ar原子电离成为Ar+离子和可以独立运动的电子e。
其中电子飞向阳极，而带正电荷的Ar＋离子则在高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并与靶材原子发生级联碰撞而使靶表面粒子逸出，沉积在基底上而形成薄膜。
直流溅射只能沉积金属膜，而不能沉积绝缘介质膜。
其原因是由于，当溅射绝缘介质靶材时，轰击绝缘介质靶材表面的正离子和电荷无法中和，于是导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶（绝缘介质）上，极间的粒子加速与电离就会变小，以至于溅射不能维持。
如果在靶和基底之间加一射频电压，那么溅射将可以维持。
这是因为在溅射靶电极处于高频电压的负半周时，正离子对靶材进行轰击引起溅射。
与此同时，在介质靶面积累了大量的正电荷。
当溅射靶电极处于高频电压的正半周时，由于电子对靶材进行轰击中和了积累在介质靶面的正电荷，就为下一周期的溅射创造了条件。
这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射材料实质的目的。
磁控反应溅射。
就是用金属靶，加入氩气和反应气体如氮气或氧气。
当金属靶材撞向零件时由于能量转化，与反应气体化合生成氮化物或氧化物。
若磁铁静止，其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%。
为增大靶材利用率，可采用旋转磁场。
但旋转磁场需要旋转机构，同时溅射速率要减小。
冷却水管。
旋转磁场多用于大型或贵重靶。
如半导体膜溅射。
用磁控靶源溅射金属和合金很容易，点火和溅射很方便。
这是因为靶（阴极），等离子体，和被溅零件/真空腔体可形成回路。
但若溅射绝缘体如陶瓷则回路断了。
于是人们采用高频电源，回路中加入很强的电容。
这样在绝缘回路中靶材成了一个电容。
但高频磁控溅射电源昂贵，溅射速率很小，同时接地技术很复杂，因而难大规模采用。
为解决此问题，发明了磁控溅射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。
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 和新的电子；新电子飞向基片，Ar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 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。
广州脉冲磁控溅射分类
1. 直流磁控溅射：使用直流电源将陶瓷靶材中的粒质喷溅到基板上。
2. 隧道磁控溅射：在陶瓷靶材和基板之间设置隧道，使靶材中的粒子通过隧道穿过基板表面。
3. 磁场过渡溅射：通过改变磁场的方向和强度来调节溅射生成的粒子运动轨迹和击中基板的位置。
4. 自组装式磁控溅射：利用表面活性剂等物质在溅射过程中自组装成固定形状，生成具有特定结构和性质的薄膜。
5. 双离子束溅射：利用两个离子束同时轰击靶材，可提高薄膜的质量和均匀性。
6. 多极磁控溅射：使用多极磁场来调节溅射过程中的粒子运动轨迹，使生成的薄膜更加均匀。
磁控溅射用金属及合金靶材
磁控溅射是一种新型的物理气相沉积方式，它利用电子枪系统将电子发射并聚焦在被镀的材料上，使其被溅射出来的原子遵循动量转换原理以较高的动能脱离材料飞向基片淀积成膜。
在磁控溅射中，金属及合金靶材的选择和使用是至关重要的。
常见的金属及合金靶材包括高纯度金属靶材（如铝、铜、钛等）、高熔点金属靶材（如钨、钼等）、贵金属靶材（如金、银等）以及各种合金靶材（如不锈钢、镍合金等）。
这些靶材的纯度和质量对沉积膜层的性能有着重要影响。
一般来说，高纯度靶材可以获得高纯度的沉积膜层，而合金靶材则可以获得具有特定性能的合金膜层。
在选择金属及合金靶材时，需要考虑以下因素：
1. 纯度：靶材的纯度对沉积膜层的纯度和质量有着重要影响。
一般来说，高纯度靶材可以获得高纯度的沉积膜层。
2. 密度：靶材的密度对沉积膜层的致密性和硬度有着重要影响。
一般来说，高密度靶材可以获得高致密性和硬度的沉积膜层。
3. 晶粒结构：靶材的晶粒结构对沉积膜层的结晶度和力学性能有着重要影响。
一般来说，粗晶粒靶材可以获得粗晶粒的沉积膜层，而细晶粒靶材则可以获得细晶粒的沉积膜层。
4. 抗腐蚀性：靶材的抗腐蚀性对沉积膜层的耐腐蚀性和使用寿命有着重要影响。
一般来说，耐腐蚀性好的靶材可以获得耐腐蚀性好的沉积膜层。
5. 成本：不同种类和质量的靶材成本差异较大，因此在选择靶材时需
要考虑成本因素。
总之，在选择磁控溅射用金属及合金靶材时，需要根据具体的应用需求和工艺条件进行综合考虑，选择合适的靶材以获得最佳的沉积膜层性能。
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。
磁控溅射镀膜靶材料磁控溅射镀膜技术作为一种重要的表面修饰方法，在电子、光电、材料等领域有着广泛的应用。
而作为磁控溅射镀膜技术的核心材料——靶材，其选择和使用直接关系到溅射膜层的质量和性能。
本文将介绍磁控溅射镀膜靶材料的分类、常见材料及其特点，并讨论靶材的制备工艺和质量控制方法，旨在为磁控溅射镀膜相关科研和工业应用提供指导。
首先，磁控溅射镀膜靶材料可以按照化学性质和物理性质进行分类。
从化学性质上看，主要分为金属靶材、合金靶材和化合物靶材等。
金属靶材主要包括铜、铝、钛等，合金靶材常见的有镍铬合金、钴铬合金等，化合物靶材则包括氮化物、氧化物等。
从物理性质上看，靶材可以分为导体靶材和绝缘体靶材。
常见的磁控溅射镀膜靶材包括铝、铜、钛等金属靶材。
这些材料具有较高的导电性和良好的热稳定性，可以在真空环境下长时间稳定地发挥作用。
另外，氮化铝、二氧化硅等绝缘体靶材也广泛应用于磁控溅射镀膜领域。
绝缘体靶材的使用可以改变溅射过程中的离子束能量分布，提高溅射膜层的质量和均匀性。
靶材的制备工艺对镀膜质量及性能起着至关重要的作用。
首先，靶材的制备要求其成分纯净，无杂质。
通常采用电弧熔炼、电子束熔炼等方法制备金属靶材；而化合物靶材的制备则需要采用化学气相沉积、固相反应等特殊工艺。
其次，制备过程中要确保靶材的均匀性，避免出现微观或宏观缺陷。
同时，靶材的密度和结构也需要进行严格控制，以确保其在溅射过程中的稳定性和利用率。
为了保证磁控溅射镀膜的质量，还需要对靶材进行质量控制。
首先，靶材的表面需要进行表面处理，以去除氧化物和杂质，提高溅射效率。
其次，靶材的形状和尺寸需要进行严格控制，以确保靶材与阴极的匹配度和镀膜的均匀性。
最后，溅射过程中需要监测靶材的损耗情况，及时更换和调整靶材，以保证膜层的一致性和稳定性。
综上所述，磁控溅射镀膜靶材是影响溅射膜层质量和性能的重要因素。
不同的靶材具有不同的特点和适用范围，其制备和质量控制工艺也需要注意。
磁控溅射靶靶型分类
发布时间：2010-11-11
磁控溅射靶靶型分类
靶型开发的历程大致如下：首先开发的是轴状靶→圆盘形平面靶→S-枪→矩形平面靶→各种异形靶→对靶或孪生靶→靶面旋转的圆柱靶→靶-弧复合靶→……，目前应用最广泛的是矩形平面靶，未来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。
同轴圆柱形磁控溅射
在溅射装置中该靶接500-600V的负电位，基片接地、悬浮或偏压，一般构成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体提供的曲线形磁场。
圆柱形磁控溅射靶的结构
1—水咀座；2—螺母；3—垫片；4—密封圈；5—法兰；6—密封圈；
7—绝缘套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—阴极靶；
13—永磁体；14—垫片；15—管；16—支撑；17—螺母；18—密封圈；19—螺
帽
圆柱形磁控溅射靶的磁力线
在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。
磁力线与靶表面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。
在异常辉光放电中，离子不断地轰击靶表面并使之溅射，而电子如下图那样绕靶表面作圆周运动。
在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图
平面磁控溅射
圆形平面磁控溅射
圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体（包括环形磁铁和中心磁柱）、水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。
如下图所以结构：
圆形平面磁控溅射靶的结构
1—冷却水管；2—轭铁；3—真空室；4—环形磁铁；5—水管；6—磁柱；
7—靶子；8—螺钉；9—压环；10—密封圈；11—靶外壳；12—屏蔽罩；
13—螺钉；14—绝缘垫；15—绝缘套；16—螺钉
通常，溅射靶接500-600V负电压；真空室接地；基片放置在溅射靶的对面，其电位接地、悬浮或偏压。
因此，构成基本上是均匀的静电场。
永磁体或电磁线圈在靶材表面建立如下图的曲线形静磁场：
圆形平面磁控靶的磁力线
1—阴极；2—极靴；3—永久磁铁；4—磁力线
该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。
从而实现了电磁场的正交和对等离子体区域的封闭的磁控溅射所必备的条件。
由磁场形状决定了异常辉光放电等离子区的形状，故而决定了靶材刻蚀区是一个与磁场形状相对称的圆环，其形状如下图：
圆形平面靶刻蚀形状
冷却水的作用是控制靶温以保证溅射靶处于合适的冷却状态。
温度过高将引起靶材熔化，温度过低则导致溅射速率的下降。
屏蔽罩的设置，是为了防止非靶材零件的溅射，提高薄膜纯度。
并且该屏蔽罩接地，还能起着吸收低能电子的辅助阳极的作用。
其位置，可以通过合理设计屏蔽罩与阴极体之间的间隙来确定，其值应小于二次电子摆线轨迹的转折点距离d t,一般≤3mm。
磁控溅射的磁场时由磁路结构和永久磁体的剩磁（或电磁线圈的安匝数）所决定的。
最终表现为溅射靶表面的磁感应强度B的大小及分布。
通常，圆形平面磁控溅射靶表面磁感应强度的平行分量B1为0.02-0.05T，其较好值为0.03T左右。
因此，无论磁路如何布置，磁体如何选材，都必须保证上述B1要求。
矩形平面磁控溅射靶
一个典型的矩形平面靶断面结构图
其结构与圆形平面磁控溅射靶基本相同，只是靶材是矩形的而不是圆形平面。
其磁力线形状见下图：
矩形平面磁控溅射靶的磁力线
磁体布局
磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均匀程度和沉积膜厚均匀性。
为了改进该均匀性，可采用下图所示磁体布局：
矩形阴极改进了沉积膜厚度分布后的磁铁排布情况：
（a）—双环；（b）—带隙磁铁；注明了实验测定的均匀度可见，矩形平面磁控溅射靶的两个端部是刻蚀和膜厚分布不均匀问题最严重的部位。
其原因是端部磁场不均匀并与中部存在着差异。
因此，保证磁路的长宽比大于3，基片应沿矩形靶的宽度方向运动或矩形靶加长使其端部位于基片之外。
靶材的安装
安装方式分直接水冷和间接水冷两种形式。
采用间接水冷，为了保证靶材的冷却效果，应将其紧紧压在水冷背板上，为此，压框与水冷却背板得间隙y必须大于0.5mm。
我们一般采用的是在靶材上开螺钉孔，直接用螺钉将靶材连接到水冷背板上，为了使传热效果更好，在两者之间压一层薄薄的石墨纸。
此外，也可以采用钎焊技术将靶材焊接在水冷背板上。
安装形式如下图：
靶材冷却型式
（a）—直接冷却；（b）—间接冷却；
1—压框；2—靶材；3—背板；4—密封圈；5—冷却水；6—阴极体
靶材刻蚀区域
对比如下两图：
平面磁控溅射的工作特性
）电压、电流及气压的关系：通常，平面磁控溅射的工作条件为阴极电压300-600V、电流密度4-60mA /cm2、氩气压力0.13-1.3Pa、功率密度1-36W/cm2。
（a）—各种气压下, 矩形平面磁控阴极的电流——电压特性
（b）—恒定的阴极平均电流密度数值下，阴极电压与气压的关系
）沉积速率
沉积速率是表征成膜速度的物理量，其值与溅射速率成正比。
由于溅射靶的不均匀溅射和基片的运动方式决定了薄膜沉积的不均匀性。
平面磁控溅射的基片运动方式
（a）—行星运动；（b）—有小孔屏蔽极的平面运动；
（c）—鼓形转动；（d）—直线运动
因此，一般以膜的平均厚度除以沉积时间所定义的平均沉积速率（nm/min）来表征沉积速率。
平均沉积速率与溅射靶的功率密度（W/cm2）的比值称为功率效率。
在靶尺寸、磁路及功率密度一定时，沉积速率将随着靶材变化。
对于非铁磁性材料，该变化是由于溅射率
的差别而引起的。
下表列出了600eV离子能量的溅射速率：
气体压力对平面磁控溅射沉积速率的影响如下图：
可见，对于具体的溅射装置和溅射条件，有一个最佳的气体压力值。
为尽可能地提高沉积速率，基片应尽量靠近溅射靶，但必须保证稳定地异常辉光放电。
通常，其最小间距为5-7cm。
最大功率密度是限制沉积速率的另一个主要因素。
综上所述，溅射靶刻蚀区尺寸及其功率密度、靶-基距、靶材、气压、磁路及磁物等参数均是影响沉积速率的因素。
溅射靶的热学特性和机械特性则是限制最大沉积速率的因素。
