闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀离化特性研究

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。

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。

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。