磁控溅射、反应溅射与中频溅射

真空蒸发镀膜 1、真空蒸发镀膜原理真空镀膜按其技术种类可分成以下真空蒸发镀膜1、真空蒸发镀膜原理真空镀膜按其技术种类可分成以下几类:一:真空蒸发,包括电阻式加热蒸发,电子束加热蒸发，低压大电流反应蒸发等,,二:真空溅射,包括二极溅射、射频溅射、反应溅射、非平衡磁控溅射、中频磁控反应溅射等,,三:离子镀,包括溅射离子镀、空心阴极离子镀膜、反应离子镀、真空电弧离子镀等,。

真空获得、真空测量取得的进展是薄膜技术迅速实现产业化的决定性的因素。

真空镀膜方法的不断改进开创了真空技术在薄膜领域应用的新篇章. 真空蒸发和溅射这两种真空物理镀膜工艺，是迄今在工业上能够制备光学薄膜的两种最主要的工艺。

真空离子镀是大批量生产耐磨硬质膜层,如机械泵TiC，TiN等,的主要的工艺，在油扩散泵---抽气系统出现之后，它们才获得大规模地应用。

真空蒸发镀膜的原理是:先将镀膜室内的气体-2抽到10Pa以下的压强，通过加热蒸发源使臵于蒸发源中的物质蒸发，蒸汽的原子或分子从蒸发源表面逸出，沉积到基片上凝结后形成薄膜，它包括抽气,蒸发,沉积等基本过程。

真空环境是镀膜的首要条件:,1,可防止在高温下因空气分子和蒸发源发生反应，而使蒸发源劣化,,2,可防止蒸汽原子或分子在沉积到基片上的途中和空气分子碰撞而阻碍蒸汽原子或分子直接到达基片表面，以及由于蒸汽原子、分子间的相互碰撞而在到达基片表面前就凝聚，或在途中就生成其它化合物,,3,可防止在形成薄膜的过程中，空气分子作为杂质混入膜内或在膜中形成其它化合物。

真空蒸发镀膜常用的蒸发源有电阻式加热蒸发源、电子束加热蒸发源、激光加热蒸发源、空心热阴极等离子束加热蒸发源、感应式加热蒸发源等。

在高真空或超高真空下，用电阻、高频、电子束、激光等加热技术，在玻璃、塑料、和金属等基体上可蒸发沉积100多种金属、半导体、和化合物薄膜。

其中，电子束反应蒸发制备多层光学薄膜是一种方便有效的手段，在批量化生产中已被普遍采用，其优点是:电子束加热温度可达3500?左右，蒸发材料基本上不受限制，即使钨和钼也可蒸镀，蒸发速率高,100,750000 Å/s,，而且蒸发速率和电子束聚集调节方便，通过对蒸发材料的局部熔化或坩埚水冷，蒸发材料不与坩埚发生反应，保证了膜料的高纯度。

关于溅射发布时间：2010-4-28溅射一、溅射的基本内容：1、定义：所谓溅射，就是这充满腔室的工艺气体在高电压的作用下，形成气体等离子体（辉光放电），其中的阳离子在电场力作用下高速向靶材冲击，阳离子和靶材进行能量交换，使靶材原子获得足够的能量从靶材表面逸出（其中逸出的还可能包含靶材离子）。

这一整个的动力学过程，就叫做溅射。

入射离子轰击靶面时，将其部分能量传输给表层晶格原子，引起靶材中原子的运动。

有的原子获得能量后从晶格处移位，并克服了表面势垒直接发生溅射；有的不能脱离晶格的束缚，只能在原位做振动并波及周围原子，结果使靶的温度升高；而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲，将其临近的原子碰撞移位，反冲继续下去产生高次反冲，这一过程称为级联碰撞。

级联碰撞的结果是部分原子达到表面，克服势垒逸出，这就形成了级联溅射，这就是溅射机理。

当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时，动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略，这就是线性级联碰撞2、溅射的四要素：①：靶材物质②：电磁场③：底物④：一整套完整配备的镀膜设备3、溅射收益：3.1、离子每一次撞击靶材时，靶材所释放出的靶材原子。

3.2、影响溅射收益的因素：①：等离子体中离子动能②：入射离子的入射角度3.3、最大溅射收益的决定因素：①：入射角度在45°-50°左右②：取决于靶材物质3.4、入射角度的影响因素①：由电场决定②：靶材表面于入射源的相对角度4、溅射率：4.1、定义：每单位时间内靶材物质所释放出的原子个数4.2、溅射率的影响因素①：离子动能（取决于电源电压和气体压力）②：等离子密度（取决于气体压力和电流）4.3、统计学公式：Rs(统计学)=d/t。

注：溅射原子溢出角度大部分在0~10度之间，因此在腔室内所有区域都可能被镀上一层膜，久之会产生污染。

所以真空溅射腔室内必须进行定期清洁。

二、溅射种类：1、反应溅射：氧化物，氮化物作为沉积物质现象：①：靶材分子分裂，其于工艺气体离子发生反应，形成化合物②：膜层性能改变③：靶材有可能中毒2、二极溅射（见下图）：二极溅射是一种经典的标准溅射技术，其中等离子体和电子均只沿着电场方向运动。

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。

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。

这里主要讲一下山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i司: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年以后山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一靶，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（通常为氨气），在阴极和阳极间加儿千伏电压，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至儿十电子伏范用内。

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：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氮原子发生碰撞，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）xB （磁场）所指的方向漂移，简称ExB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，而且被束缚在黑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A r 正离子来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。

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。

中频反应磁控溅射制备二氧化硅薄膜的方法磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，可以制备多种材料的薄膜，包括二氧化硅（SiO2）薄膜。

磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过引入高能量离子束和磁场，将目标材料溅射到基底上形成薄膜。

本文将介绍中频反应磁控溅射制备二氧化硅薄膜的方法。

中频反应磁控溅射是一种特殊的磁控溅射技术，它利用中频发生器产生高频交变磁场，使离子束在基底表面发生快速反应。

相比传统的直流磁控溅射，中频反应磁控溅射可以提高溅射速率和界面结合强度，薄膜的致密性和平坦度也更好。

制备二氧化硅薄膜的中频反应磁控溅射方法可以分为以下几个步骤：1.基底准备：选择合适的基底材料，通常是硅基材料。

将基底进行表面清洗，去除杂质和氧化物，并进行表面处理以提高附着力。

常用的表面处理方法包括机械抛光、酸洗和超声清洗。

2.目标制备：选择合适的二氧化硅目标材料。

目标材料的选择要考虑到溅射效率、化学纯度和结构性能等因素。

常用的二氧化硅目标材料包括石英、硅酸钠和气相法制备的二氧化硅颗粒。

3.溅射设备设置：将目标材料安装在中频反应磁控溅射设备的靶架上，并调整靶架距离基底的距离和角度，使得离子束能够均匀地撞击目标材料。

同时设置反应室的真空度和气氛，通常使用高真空度（10^-5~10^-6 Torr）下的氩气环境。

4.溅射过程：打开中频发生器，产生交变磁场，并通过靶底之间的磁场和离子束进行中频反应。

离子束打击目标材料表面，将目标材料溅射到基底上形成薄膜。

同时，加热基底以提高薄膜的结晶度和致密性。

5.后处理：制备完成后的二氧化硅薄膜需要进行后处理。

常用的后处理方法包括热处理、化学处理和物理处理。

热处理可以提高薄膜的结晶度和致密性，化学处理可以改善薄膜的界面性能，物理处理可以提高薄膜的光学和电学性能。

中频反应磁控溅射制备二氧化硅薄膜的优点是制备过程简单、设备成本低、薄膜致密度高、界面结合强度好、薄膜平坦度高等。

它可以应用于多个领域，如光电子器件、微电子器件、光学涂层和传感器等。