磁控濺射鍍膜

1、磁控濺射磁控濺射是為了在低氣壓下進行告訴濺射，必須有效地提高氣體的離化率。通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法。磁控濺射-工作原理    磁控濺射的工作原理如圖，電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar+和新的電子；新電子飛向基片，Ar+在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場作用，產(chǎn)生E（電場）×B（磁場）所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其

2、運動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。磁控濺射-種類    磁控濺射磁控濺射包括很多種類。各有不同工作原理和應(yīng)用對象。但有一共同點：利用磁場與電子交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率。所產(chǎn)

3、生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材。靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源鍍膜均勻，非平衡式靶源鍍膜膜層和基體結(jié)合力強。平衡靶源多用于半導體光學膜，非平衡多用于磨損裝飾膜。磁控陰極按照磁場位形分布不同，大致可分為平衡態(tài)和非平衡磁控陰極。平衡態(tài)磁控陰極內(nèi)外磁鋼的磁通量大致相等，兩極磁力線閉合于靶面，很好地將電子/等離子體約束在靶面附近，增加碰撞幾率，提高了離化效率，因而在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電，靶材利用率相對較高，但由于電子沿磁力線運動主要閉合于靶面，基片區(qū)域所受離子轟擊較小.非平衡磁控濺射技術(shù)概念，即讓磁控陰極外磁極磁通大于內(nèi)磁極，兩極磁力線在靶面不完全閉合，部分磁力線

4、可沿靶的邊緣延伸到基片區(qū)域，從而部分電子可以沿著磁力線擴展到基片，增加基片區(qū)域的等離子體密度和氣體電離率.不管平衡非平衡，若磁鐵靜止，其磁場特性決定一般靶材利用率小于30%。為增大靶材利用率，可采用旋轉(zhuǎn)磁場。但旋轉(zhuǎn)磁場需要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，同時濺射速率要減小。旋轉(zhuǎn)磁場多用于大型或貴重靶。如半導體膜濺射。對于小型設(shè)備和一般工業(yè)設(shè)備，多用磁場靜止靶源。用磁控靶源濺射金屬和合金很容易，點火和濺射很方便。這是因為靶（陰極），等離子體，和被濺零件/真空腔體可形成回路。但若濺射絕緣體如陶瓷則回路斷了。于是人們采用高頻電源，回路中加入很強的電容。這樣在絕緣回路中靶材成了一個電容。但高頻磁控濺射電源昂貴，濺射速率很小

5、，同時接地技術(shù)很復(fù)雜，因而難大規(guī)模采用。為解決此問題，發(fā)明了磁控反應(yīng)濺射。就是用金屬靶，加入氬氣和反應(yīng)氣體如氮氣或氧氣。當金屬靶材撞向零件時由于能量轉(zhuǎn)化，與反應(yīng)氣體化合生成氮化物或氧化物。磁控反應(yīng)濺射絕緣體看似容易,而實際操作困難。主要問題是反應(yīng)不光發(fā)生在零件表面，也發(fā)生在陽極，真空腔體表面，以及靶源表面。從而引起滅火，靶源和工件表面起弧等。德國萊寶發(fā)明的孿生靶源技術(shù)，很好的解決了這個問題。其原理是一對靶源互相為陰陽極，從而消除陽極表面氧化或氮化。冷卻是一切源（磁控，多弧，離子）所必需，因為能量很大一部分轉(zhuǎn)為熱量，若無冷卻或冷卻不足，這種熱量將使靶源溫度達一千度以上從而溶化整個靶源。磁控濺射-

6、技術(shù)分類    可以分為直流磁控濺射法和射頻磁控濺射法。磁控濺射-利用率    磁控濺射磁控濺射靶材的利用率可成為磁控濺射源的工程設(shè)計和生產(chǎn)工藝成本核算的一個參數(shù)。目前沒有見到對磁控濺射靶材利用率專門或系統(tǒng)研究的報道，而從理論上對磁控濺射靶材利用率近似計算的探討具有實際意義。對于靜態(tài)直冷矩形平面靶，即靶材與磁體之間無相對運動且靶材直接與冷卻水接觸的靶， 靶材利用率( 最大值) 數(shù)據(jù)多在20%30%左右(間冷靶相對要高一些，但其被刻蝕過程與直冷靶相同，不作專門討論)，且多為估計值。為了提高靶材利用率，研究出來了不同形

7、式的動態(tài)靶，其中以旋轉(zhuǎn)磁場圓柱靶最著名且在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用，據(jù)稱這種靶材的利用率最高可超過70%，但缺少足夠數(shù)據(jù)或理論證明。常見的磁控濺射靶材從幾何形狀上看有三種類型：矩形平面、圓形平面和圓柱管如何提高利用率是真空磁控濺射鍍膜行業(yè)的重點,圓柱管靶利用高,但在有些產(chǎn)業(yè)是不適用的,如何提高靶材利用,請到此一看的朋友,在下面留下你的見解,提供好的方法磁控濺射-特點    利用外加磁場捕捉電子，延長和束縛電子的運動路徑，搞高離化率，增加鍍膜速率。 磁控濺射-圓形磁控濺射靶    磁控濺射圓形磁控濺射靶 圓形磁控濺射靶直徑范

8、圍為：50250mm；靶結(jié)構(gòu)材料選取適合高真空的優(yōu)質(zhì)不銹鋼和銅合金材料；磁場源采用穩(wěn)定性最高的稀土釤鈷永磁材料；磁場采用模塊化排布并進行優(yōu)化設(shè)計，有效地提高靶材利用率和設(shè)備穩(wěn)定性；冷卻水循環(huán)量為1L/min，能有效的保證設(shè)備的冷卻效果；根據(jù)不同設(shè)備可以配置不同角度的安裝頭；采用20不銹鋼導管，復(fù)合法蘭進行安裝，適用于高真空高純度鍍膜。另外其他特殊性能可根據(jù)客戶需要進行設(shè)計。 圓形磁控濺射靶應(yīng)用領(lǐng)域：直徑50150mm靶主要應(yīng)用于大專院校與科研院所研究性磁控濺射鍍膜設(shè)備使用；直徑150mm以上靶為生產(chǎn)型磁控濺射鍍膜設(shè)備采用磁控濺射鍍膜用幾十電子伏或更高動能的荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠

9、的能量而濺出進入氣相，這種濺出的、復(fù)雜的粒子散射過程稱為濺射。 濺射鍍膜:在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進入氣相，然后在工件表面沉積的過程。在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。由于離子易于在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射。用離子束轟擊靶而發(fā)生的濺射，則稱為離子束濺射。 9.3.1基本原理                   

10、60; 圖1  濺射系統(tǒng)簡圖如圖1 是濺射系統(tǒng)簡圖。其中，靶是一平板，由欲沉積的材料組成，一般將它與電源的負極相連。故此法又常稱為陰極濺射。固定裝置可以接地、懸空、偏置、加熱、冷卻或同時兼有上述幾種功能。真空室中需要充入氣體作為媒介，使輝光放電得以啟動和維持，最常用的氣體是氬。當接通高壓電源時，陰極發(fā)出的電子在電場的作用下會向陽極運動,速度在電場中不斷增加，和氣體原子相撞會發(fā)生輝光放電,引起氣體原子電離,從而產(chǎn)生大量的離子與低速電子。離子在電場作用下加速撞擊靶,就會發(fā)生濺射產(chǎn)生待鍍材料原子沉積于基體上。  陰極濺射時濺射下來的材料原子具有1035ev的動能，比蒸鍍時原子動能

11、（0.11.0ev）大得多，因此濺射鍍膜的附著力也比蒸鍍膜大。入射一個離子所濺射出的原子個數(shù)稱為濺射率或濺射產(chǎn)額，單位通常為原子個數(shù)/離子。顯然，濺射率越大，生成膜的速度就越大。影響濺射率的因素主要有：入射離子：包括入射離子的能量、入射角、靶原子質(zhì)量與入射離子質(zhì)量之比、入射離子種類等；與靶有關(guān)：包括靶原子的原子序數(shù)、靶表面原子的結(jié)合狀態(tài)、結(jié)晶取向以及靶材是純金屬、合金或化合物等；與溫度有關(guān)：一般認為濺射率在和升華能密切相關(guān)的某一溫度內(nèi)，濺射率幾乎不隨溫度變化而變化，當溫度超過這一范圍時，濺射率有迅速增加的趨向。此外，根據(jù)物質(zhì)的微觀理論，量子力學和原子物理學我們知道，當氣體正離子打到靶上時，除了

12、濺射原子外，靶上還會有其他粒子發(fā)射,并產(chǎn)生輻射，所有這一切過程都會影響膜的性質(zhì)。一, 濺射鍍膜的方式具體的濺射工藝很多，如二極濺射、三極（四極）濺射、磁控濺射、對向靶濺射、離子束濺射、射頻濺射、吸氣濺射、反應(yīng)濺射等等。下面簡單介紹幾種。1.二極濺射最簡單的直流二極濺射裝置如圖2 所示。           圖2 二極濺射裝置它是一對陰極和陽極組成的冷陰極輝光放電管結(jié)構(gòu)。被濺射靶（陰極）和成膜的基片及其固定架（陽極）構(gòu)成濺射裝置的兩個極。陰極上接13KV的直流負高壓，陽極通常接地。工作時

13、先抽真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達到濺射氣壓。接通電源，陰極靶上的負高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陰極電位降的作用下，加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。這種裝置的最大優(yōu)點使結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。缺點有：因工作壓力較高，膜層有沾污；沉積速率低，不能鍍10微米以上的膜厚；由于大量二次電子直接轟擊基片，使基片溫升過高。 2.三極和四極濺射三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個電極，使放出熱電子強化放電，它既能使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方埂。與二極濺射不同的是，可以在主閥全開的狀態(tài)下

14、制取高純度的膜。四極濺射又稱為等離子弧柱濺射，其原理如圖3所示。在原來二極濺射靶和基板垂直的位置上，針別放置一個發(fā)射熱電子的燈絲(熱陰極)和吸引熱電子的輔助陽極，其間形成低電壓、大電流的等離子體弧柱。大量電子碰撞氣體電離，產(chǎn)生大量離子。這種濺射方法還是不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對基片的轟擊，還存在因燈絲具有不純物而使膜層沾污等問題。            圖3 四極濺射裝置 3.射頻濺射    60年代利用射頻輝光放電，可以制取從導體到絕緣體任意

15、材料的薄膜，因此在70年代得到普及。直流濺射是利用金屬、半導體靶制取薄膜的有效方法，但當靶是絕緣體時由于撞擊到靶上的離子會使靶帶電，靶的電位上升，結(jié)果離子不能繼續(xù)對靶進行轟擊。    射頻是指無線電波發(fā)射范圍的頻率，為了避免干擾電臺工作，濺射專用頻率規(guī)定為13.56MHz。在射頻電源交變電場作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，并使氣體電離為等離子體。    射頻濺射的兩個電極，既然是接在交變的射頻電源上，似乎就沒有陰極與陽極之分了。實際上射頻濺射裝置的兩個電極并不是對稱的。放置基片的電極與機殼相連，并且接地，這個電極相對安裝靶材的電極而

16、言，是一個大面積的電極。它的電位與等離子相近，幾乎不受離子轟擊。另一電極對于等離子處于負電位，是陰極，受到離子轟擊，用于裝置靶材。其缺點是大功率的射頻電源不僅價高，對于人身防護也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。 4.磁控濺射    磁控濺射是70年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術(shù)，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實際應(yīng)用。這是由于磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個數(shù)量級。具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點。高速是指沉積速率快；低溫和低損傷是指基片的溫升低、對膜層的損傷小。1974年Chapin發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對進人生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動作用。&

17、#160;   磁控濺射特點是在陰極靶面上建立一個環(huán)狀磁靶(圖4)，以控制二次電子的運動，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場加速之后飛向陽極。實際上，任何濺射裝置都有附加磁場以延長電子飛向陽極的行程。其目的是讓電子盡可能多產(chǎn)生幾次碰撞電離，從而增加等離子體密度，提高濺射效率。只不過磁控濺射所采用的環(huán)形磁場對二次電子的控制更加嚴密。    磁控濺射所利用的環(huán)狀磁場迫使二次電子跳欄式地沿著環(huán)狀磁場轉(zhuǎn)圈。相應(yīng)地，環(huán)狀磁場控制的區(qū)域是等離子體密度最高的部位。在磁控濺射時，可以看見濺射氣體氬氣在這部位發(fā)出強烈的淡藍色輝光，形成一個光環(huán)。處于光環(huán)

18、下的靶材是被離子轟擊最嚴重的部位，會濺射出一條環(huán)狀的溝槽。環(huán)狀磁場是電子運動的軌道，環(huán)狀的輝光和溝槽將其形象地表現(xiàn)了出來。    能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環(huán)運動，路程足夠長，每個電子使原子電離的機會增加，而且只有在電子的能量耗盡以后才能脫離靶表面落在陽極(基片)上，這是基片溫升低、損傷小的主要原因。高密度等離子體被電磁場束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣電離產(chǎn)生的正離子能十分有效地轟擊靶面，基片又免受等離子體的轟擊。電子與氣體原子的碰撞幾率高，因此氣體離化率大大增加。    磁控濺射靶大致可分為柱狀靶和平面靶兩大

19、類。柱狀靶原理結(jié)構(gòu)簡單，但其形狀限制了它的用途。在工業(yè)生產(chǎn)中多應(yīng)用的是矩形平面靶，目前已有長度達4m的矩形靶用于鍍制窗玻璃的隔熱膜，讓基片連續(xù)不斷地由矩形靶下方通過，不但能鍍制大面積的窗玻璃，還適于在成卷的聚酯帶上鍍制各種膜層。還有一種是濺射槍(S槍)，它的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般要配合行星式夾具使用，應(yīng)用較少。磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材，就會導致整塊靶材報廢，所以靶材的利用率不高，一般低于40，這是磁控濺射的主要缺點。          圖4  平面磁控濺射靶 5.反應(yīng)濺射在陰極濺射中

20、，真空槽中需要充入氣體作為媒介，使輝光放電得以啟動和維持。最常用的氣體是氬氣。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體（如O2，N2等），因而能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。 二, 陰極濺射的特點與真空蒸鍍法相比，陰極濺射有如下特點：結(jié)合力高；容易得到高熔點物質(zhì)的膜；可以在較大面積上得到均一的薄膜；容易控制膜的組成；可以長時間地連續(xù)運轉(zhuǎn)；有良好的再現(xiàn)性；幾乎可制造一切物質(zhì)的薄膜。 三,濺射法的組分控制利用濺射法不僅可獲得純金屬膜，也可以獲得多組元膜。獲得多組元膜的有代表性的三種方法為：<1>合金、化合物靶：用合金或復(fù)合

21、氧化物制成的靶，在穩(wěn)定放電狀態(tài)，可使各種組分都發(fā)生濺射，得到與靶的組成相差不大的膜。<2>復(fù)合靶：由兩個以上的單金屬復(fù)合而成,可有各種形狀。<3>多靶：采用兩個以上的靶并使基板進行旋轉(zhuǎn)，每一層約一個原子，經(jīng)過交互沉積而得到化合物膜。四, 濺射的用途    濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為饑械功能膜相物理功能膜兩大類。前者包括耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等表面強化薄膜材料、固體潤滑薄膜材料；后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。    采用Cr，Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,CH4等氣氛中進行反應(yīng)濺射鍍

22、膜，可以在各種工件上鍍Cr,CrC,CrN等鍍層。純Cr的顯微硬度為425840HV，CrN為1000350OHV，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。電鍍會使鋼發(fā)生氫脆、速率慢，而且會產(chǎn)生環(huán)境污染問題。    用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、模具等表面，摩擦系數(shù)小，化學穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、耐沖擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高310倍。    TiN，TiC，Al2O3等膜層化學性能穩(wěn)定，在許多介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，可以作為基體材料保護膜。濺射鍍膜法

23、和液體急冷法都能制取非晶態(tài)合金，其成分幾乎相同，腐蝕特性和電化學特性也沒有什么差別，只是濺射法得到的非晶態(tài)膜陽極電流和氧化速率略大。    在高溫、低溫、超高真空、射線輻照等特殊條件下工作的機械部件不能用潤滑油，只有用軟金屬或?qū)訝钗镔|(zhì)等固體潤滑劑。常用的固體潤滑劑有軟金屬(Au,Ag,Pb,Sn等)，層狀物質(zhì)(MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等)，高分子材料(尼龍、聚四氟乙烯等)等。其中濺射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。雖然MoS2膜可用化學反應(yīng)鍍膜法制作，但是濺射鍍膜法得到的MoS2膜致密性好，附著性優(yōu)良。MoS2濺射膜的摩擦系數(shù)很低，在0.02

24、0.05范圍內(nèi)。MoS2在實際應(yīng)用時有兩個問題:一是對有些基體材料如Ag,Cu,Be等目前還不能涂覆；二是隨濕度增加，MoS2膜的附著性變差。在大氣中使用要添加Sb2O3等防氧化劑，以便在MoS2表面形成一種保護膜。    濺射法可以制取聚四氟乙烯膜。試驗表明，這種高分子材料薄膜的潤滑特性不受環(huán)境濕度的影響，可長期在大氣環(huán)境中使用，是一種很有發(fā)展前途的固體潤滑劑。其使用溫度上限為5OºC，低于-260ºC時才失去潤滑性。MoS2、聚四氟乙烯等濺射膜，在長時間放置后性能變化不大，這對長時間備用、突然使用又要求可靠的設(shè)備如防震、報警、防火、保險裝置

25、等是較為理想的固體潤滑劑。真空磁控濺射鍍膜原理是什么(2008-10-15 20:33:56)標簽：雜談  磁控濺射原理；電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量

26、逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，最終沉積在基片上。磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。電子的歸宿不僅僅是基片，真空室內(nèi)壁及靶源陽極也是電子歸宿。但一般基片與真空室及陽極在同一電勢。磁場與電場的交互作用（ E X B drift）使單個電子軌跡呈三維螺旋狀，而不是僅僅在靶面圓周運動。至于靶面圓周型的濺射輪廓，那是靶源磁場磁力線呈圓周形狀形狀。磁力線分布方向不同會對成膜有很大關(guān)系。在E X B shift機理下工作的不光磁控濺射，多弧鍍靶源，離子源，等離

27、子源等都在次原理下工作。所不同的是電場方向，電壓電流大小而已   磁控濺射鍍膜技術(shù).磁控濺射鍍膜技術(shù)由于其顯著的特點已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是常規(guī)磁控濺射靶表面橫向磁場緊緊地束縛帶電粒子，使得一鍍膜區(qū)域的離子密度很低，一定程度上削弱了等離子體膜的優(yōu)勢。通過有意識地增強或削弱其中一個磁極的磁通量。使得磁控濺射靶的磁場不平衡，可以大大提高鍍區(qū)域的等離子體密度，從而改善鍍膜質(zhì)量，此外還討論該技術(shù)目前的發(fā)展狀況。  多弧磁控濺射復(fù)合離子鍍膜技術(shù)多弧磁控濺射復(fù)合離子鍍膜技術(shù)是一種新型的真空離子鍍膜技術(shù)，它把多弧和磁控濺射兩種技術(shù)有機地結(jié)合在一起，來獲得性能

28、更為優(yōu)異的硬質(zhì)膜和裝飾膜。它的基本原理是：在真空室中利用弧光（或輝光）放電所產(chǎn)生的能量將靶材（鈦等金屬或合金）直接蒸發(fā)（或濺射）離化生成金屬離子，并通過電場進行加速與反應(yīng)氣體生成金屬化合物，最后沉積在工件表面。與通常的離子鍍膜方法相比,除可鍍制單一的膜層外（如TiN），還可鍍制各種復(fù)合多層膜層，乃至納米疊層膜層，可廣泛用于刀刃、模具、鐘表、首飾、燈具、建筑五金及裝飾用彩色鋼板、眼鏡架、電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、儀器儀表等領(lǐng)域。   離子束輔助鍍膜（IAC）技術(shù)1技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵離子束輔助鍍膜的原理見圖1。在真空室中將離子源產(chǎn)生的離子引出，并在電場中加速，形成幾十電子伏

29、到幾十千電子伏能量的離子束。在離子束濺射沉積、離子束直接沉積或電子束蒸發(fā)沉積薄膜的同時，用上述離子束進行轟擊（也可先鍍膜后轟擊）。利用沉積原子和轟擊離子之間一系列的物理化學作用，可在常溫下合成各種優(yōu)質(zhì)薄膜。其關(guān)鍵技術(shù)是離子源、靶室和工藝參數(shù)的控制。離子源是產(chǎn)生所需離子的關(guān)鍵部件，它的種類與質(zhì)量決定著制備膜層的性能和質(zhì)量。離子源的種類不下二、三十種，用于離子束材料表面改性的也有十多種。目前在這方面用得較多或較好的有：考夫曼（Kaufman）源，它能產(chǎn)生氣體元素的大面積離子束，適合用于離子束濺射鍍膜、對膜層進行離子束轟擊以及對工件進行離子束表面清洗。金屬蒸氣真空電弧放電（MEVVA）離子源，這是近

30、十年來發(fā)展起來的新型離子源。它能產(chǎn)生強流金屬離子大面積束，適合用于離子束直接鍍膜以及金屬離子注入。弗里曼（Freeman）源和伯納斯（Bernas）源，它們能產(chǎn)生氣體和固體元素的離子束，具有狹長形離子發(fā)射縫，適用于帶粒子分析器的離子注入機及離子束鍍膜設(shè)備。微波離子源，該種離子源沒有發(fā)射電子的燈絲，它依靠微波能量產(chǎn)生離子，因此壽命長，能連續(xù)工作100h以上，它既能產(chǎn)生大面積結(jié)束，又能產(chǎn)生仄長條束；既能產(chǎn)生氣體離子，又能產(chǎn)生固體離子，是一種很有發(fā)展前途的離子源。圖1 離子束輔助鍍膜裝置a）離子束濺射沉積 b）離子束直接沉積 c）電子束沉積靶室是裝載工件，進行離子束表面處理的部件，它的容積大小、靶的

31、工件夾具機構(gòu)及其運動方式，隨工件種類的不同，差異很大。目前世界上最大的靶室在英國哈威爾（Harwell）研究中心。其直徑和深度均為2.5m，可裝載1.5t的大型零件。由于離子束對工件是直射注入，因此為了使非平面零件能均勻注入，零件的夾具必須轉(zhuǎn)動。大零件的夾具還需作X、Y二維移動。為了對零件的孔或斜面進行注入，應(yīng)采用斜靶。如果零件呈球狀，機構(gòu)的運動方式將更為復(fù)雜。通常靶的運動方式可參見圖2。精確控制工藝參數(shù)，保證工件表面的沉積原子數(shù)與轟擊原子數(shù)達到一定的比例，對膜層的性能和質(zhì)量至關(guān)重要。其技術(shù)關(guān)鍵是要精確控制離子束的能量和束流的穩(wěn)定性。而束流大小與離子源的放電功率及供氣量有關(guān)。通常是用質(zhì)量流量計

32、控制供氣量，并通過控制原子源的電源，穩(wěn)定放電功率，特別是穩(wěn)定放電電流。只有這樣，才能獲得高質(zhì)量的膜層。 2技術(shù)特性及使用范圍由于IAC技術(shù)增強膜層與基體的結(jié)合力，不是依靠提高基體的溫度，而是依靠離子轟擊膜層的能量，因此它能在基體接近室溫的條件下，獲得致密的、結(jié)合力很強的、應(yīng)力極小的高質(zhì)量膜層。也就是說，IAC技術(shù)兼有離子注入和一般鍍膜技術(shù)（CVD和PVD）的優(yōu)點，克服了二者的缺點。它們的優(yōu)缺點比較可見表1。 IAC技術(shù)由于具有以上的特點，使得它可在溫度不允許很高的基體上，制備出結(jié)合力很強的具有各種特殊的膜層，如ZrN、ZrC、BN、TiO2和類金剛石碳膜等。國外已有人將它用

33、于柴油機自動加工用的切削刀具、飛機燃料系統(tǒng)的零件和燃氣輪機葉片上。國內(nèi)亦有單位正在將它用于提高汽輪機葉片抗水蝕的性能。目前這一新技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用正在開發(fā)之中，予期會有很好的應(yīng)用前景。   什么叫反應(yīng)離子束刻蝕離子束刻蝕離子束刻蝕以離子束為刻飾手段達到刻飾目的的技術(shù)，其分辨率限制于粒子進入基底以及離子能量耗盡過程的路徑范圍。離子束最小直徑約10nm，離子束刻蝕的結(jié)構(gòu)最小可能不會小于10nm。目前聚焦離子束刻蝕的束斑可達100nm以下，最少的達到10nm，獲得最小線寬12nm的加工結(jié)果。相比電子與固體相互作用，離子在固體中的散射效應(yīng)較小，并能以較快的直寫速度進行小于50

34、nm的刻飾，故而聚焦離子束刻蝕是納米加工的一種理想方法。此外聚焦離子束技術(shù)的另一優(yōu)點是在計算機控制下的無掩膜注入，甚至無顯影刻蝕，直接制造各種納米器件結(jié)構(gòu)。但是，在離子束加工過程中，損傷問題比較突出，且離子束加工精度還不容易控制，控制精度也不夠高。    什么是等離子刻蝕 首先是要利用氣壓為101000帕的特定氣體（或混合氣體）的輝光放電，產(chǎn)生能與薄膜發(fā)生離子化學反應(yīng)的分子或分子基團，生成的反應(yīng)產(chǎn)物是揮發(fā)性的。它在低氣壓的真空室中被抽走，從而實現(xiàn)刻蝕。通過選擇和控制放電氣體的成分，可以得到較好的刻蝕選擇性和較高的刻蝕速率，但刻蝕精度不高.

35、60;真空濺射技術(shù)第一章 濺射技術(shù)² 所謂“濺射”就是用荷能粒子（通常用氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象。² 1842年Grove（格洛夫）在實驗室中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。² 1877年美國貝爾實驗室及西屋電氣公司首先開始應(yīng)用濺射原理制備薄膜。² 1966年美國國際商用電子計算機公司應(yīng)用高頻濺射技術(shù)制成了絕緣膜。² 1970年磁控濺射技術(shù)及其裝置出現(xiàn)，它以“高速”、“低溫”兩大特點使薄膜工藝發(fā)生了深刻變化，不但滿足薄膜工藝越來越復(fù)雜的要求，而且促進了新工藝的發(fā)展。²

36、; 我國在1980年前后，許多單位競先發(fā)展磁控濺射技術(shù)。目前在磁控濺射裝置和相應(yīng)的薄膜工藝研究上也已出現(xiàn)了工業(yè)性生產(chǎn)的局面。 第一節(jié) 濺射理論及其濺射薄膜的形成過程u濺射理論被荷能粒子轟擊的靶材處于負電位，所以一般稱這種濺射為陰極濺射。關(guān)于陰極濺射的理論解釋，主要有如下三種。Ø 蒸發(fā)論認為濺射是由氣體正離子轟擊陰極靶，使靶表面受轟擊的部位局部產(chǎn)生高溫區(qū)，靶材達到蒸發(fā)溫度而產(chǎn)生蒸發(fā)。Ø 碰撞論認為濺射現(xiàn)象是彈性碰撞的直接結(jié)果。轟擊離子能量不足，不能發(fā)生濺射；轟擊離子能量過高，會發(fā)生離子注入現(xiàn)象。Ø 混合論認為濺射是熱

37、蒸發(fā)論和碰撞論的綜合過程。當前傾向于混合論。u輝光放電u直流輝光放電在壓力為102-10-1Pa的容器內(nèi)，在兩個電極間加上直流電壓后所發(fā)生的放電過程如圖：電壓小時，由宇宙射線或空間殘留的少量離子和電子的存在只有很小的電流。增加電壓，帶電粒子能量增加，碰撞中性氣體原子，產(chǎn)生更多帶電粒子，電流隨之平穩(wěn)增加，進入“湯森放電區(qū)”。電流增加到一定程度，發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象，離子轟擊陰極，釋放二次電子，二次電子與中性氣體原子碰撞，產(chǎn)生更多離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生更多的二次電子，如此循環(huán)，當產(chǎn)生的電子數(shù)正好產(chǎn)生足夠多離子，這些離子能夠再生出同樣數(shù)量的電子時，進入自持狀態(tài)，氣體開始起輝，電壓降低，電流突然

38、升高，此為“正常輝光放電區(qū)”。放電自動調(diào)整陰極轟擊面積，最初轟擊是不均勻的，隨著電源功率增大，轟擊面積增大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻為止。當轟擊區(qū)域覆蓋整個陰極面后，再進一步增加功率，會使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度同時升高，進入濺射工藝工作區(qū)域，即“異常輝光放電區(qū)”。在該區(qū)域內(nèi)，如果陰極沒有水冷或繼續(xù)增加功率，當電流密度達到約0.1A/cm2以上，將有熱發(fā)射電子混入二次電子之中，隨后發(fā)生又一個“雪崩”。由于輸入阻抗限制著電壓，將形成低壓大電流的“弧光放電”。形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓VB，主要取決于二次電子的平均自由程和陰陽極之間的距離。為了引起最初的雪崩，每個二次電子必須產(chǎn)生出約

39、10-20個離子。若氣壓太低或極間距離太小，二次電子撞到陽極之前，無法到達所需要的電離碰撞次數(shù)；若氣壓太高或極間距離太大，氣體中形成的離子將因非彈性碰撞而減速，以致于當轟擊陰極時，已無足夠的能量產(chǎn)生二次電子。直流輝光放電的形貌和參量分布圖：i.     阿斯頓暗區(qū)，不發(fā)生電離和激發(fā)；ii.     陰極輝光區(qū)，氣體分子激發(fā)發(fā)光；iii.     陰極暗區(qū)，產(chǎn)生很強的電離，具有很高的正離子濃度，有較強的空間電荷；iv.  

40、60;  負輝光區(qū)，光度最強，有較強的負空間電荷；v.     法拉第暗區(qū)，電離和激發(fā)都很小；不一定是輝光放電必須的，是起連接作用。vi.     正柱區(qū)，等離子區(qū)，幾乎與法拉第暗區(qū)等電位；u低頻交流輝光放電在頻率低于50KHz的交流電壓條件下，離子有足夠的活動能力且有充分的時間，在每個半周期內(nèi)在各個電極上建立直流輝光放電。除了電極交替地成為陰極和陽極之外，其機理基本上與直流輝光放電相同。我們常用的中頻濺射屬于這個范圍，中頻濺射的頻率為40KHz。u射頻輝光放電Ø&

41、#160;兩個重要特征：第一、在輝光放電空間中電子振蕩達到足以產(chǎn)生電離碰撞的能量，所以減小了放電對二次電子的依賴，并且降低了擊穿電壓。第二、射頻電壓可以穿過任何種類的阻抗，所以電極就不再要求是導體，可以濺射任何材料。射頻輝光放電的陰極室電容耦合電極，陽極接地。Ø 濺射靶和基片完全對稱放置于射頻輝光放電等離子體中，正離子以均等的機會轟擊濺射靶和基片，濺射成膜是不可能的。實際上，只要求靶上得到濺射，那么這個電極（濺射靶）必須絕緣起來，并通過電容耦合到射頻電源上；另一個電極（真空室壁）為直接耦合電極（即接地極），而且靶面積必須比直接耦合電極小。實驗證明：在射頻輝光放電等離子體中陰

42、極電壓Vc與陽極電壓Va之比于陽極面積Aa和陰極面積Ac之比存在如下關(guān)系：Vc/Va=（Aa/Ac）4。由于Aa >> Ac,所以Vc >> Va，放射頻輝光放電時，等離子體重離子對接地零件只有極微小的轟擊，而對濺射靶卻進行強烈轟擊并使之產(chǎn)生濺射。  下圖為小的容性耦合電極（靶）至大的直接耦合電極之間發(fā)生射頻輝光放電時，極間電位的分布圖。    u濺射過程u靶材的濺射現(xiàn)象下圖為荷能離子碰撞表面所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象：在等離子體中，任何表面具有一定負電位時，就會發(fā)生上述濺射現(xiàn)象，只是強弱程度不同而已。所以靶、真空室壁、

43、基片都有可能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。以靶的濺射為主時，稱為濺射成膜；對基片進行濺射現(xiàn)象稱為濺射刻蝕；真空室和基片在高壓強下的濺射稱為濺射清洗。我們一般應(yīng)用為濺射成膜，在各種現(xiàn)象中，人們最關(guān)心的是濺射效應(yīng)，即被正離子轟擊出來的靶材中性粒子的數(shù)量，稱為濺射量S。濺射率ç：表示一個正離子入射到靶材表面從其表面上所濺射出來的原子數(shù)。u濺射粒子向基片的遷移過程靶材受到轟擊所放出的粒子中，正離子由于逆向電場的作用是不能到達基片上的，其余粒子均會向基片遷移。壓強為101-10-1Pa，粒子平均自由程約為1-10cm，因此靶至基片的空間距離應(yīng)與該值大致相等。否則，粒子在遷移過程中將發(fā)生多次碰撞，即降低靶材原子

44、的能量又增加靶材的散射損失。雖然靶材原子在向基片遷移的過程中，因碰撞（主要與工作氣體分子）而降低其能量，但是，由于濺射出的靶材原子能量遠遠高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射鍍膜沉積在基片上的靶材原子的能量較大，其值相當于蒸發(fā)原子能量的幾十至一百倍。u粒子入射到基片后的成膜過程應(yīng)考慮如下問題：Ø 沉積速率指從靶材上濺射出來的材料，在單位時間內(nèi)沉積到基片上得厚度，與濺射速率成正比。在選定鍍膜環(huán)境以及氣體的情況下，提高沉積速率的最好方法只有提高離子流。不增加電壓條件下增加離子流只有提高工作氣體壓力。 如圖所示，氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線，當壓力增高到一定值時，濺射率開始明顯下降。其原因

45、是靶材粒子的背返射和散射增大，導致濺射率下降。所以由濺射率來考慮氣壓的最佳值是比較合適的，當然應(yīng)當注意由于氣壓升高影響薄膜質(zhì)量的問題。Ø 沉積薄膜的純度沉積到基片上得雜質(zhì)越少越好。這里所說的雜質(zhì)專指真空室殘余氣體。解決的方法是:1、提高本底真空度2、提高氬氣量。為此，在提高真空系統(tǒng)抽氣能力的同時，提高本底真空度和加大送氬量是確保薄膜純度必不可少的兩項措施。就濺射鍍膜裝置而言，真空室本底真空度應(yīng)為10-3-10-4Pa。Ø 沉積成膜過程中的其它污染² 真空室壁和室內(nèi)構(gòu)件表面所吸附的氣體。采用烘烤去氣方法。² 擴散泵返

46、油。配制渦輪分子泵或冷凝泵等比較好。² 基片清洗不徹底。應(yīng)盡可能保證基片不受污染和不帶有顆粒狀污染物。Ø 成膜過程中的濺射條件u濺射氣體的選擇應(yīng)具備濺射率高、對靶材呈惰性、價格便宜、來源方便、易于得到高純度的氣體。一般采用氬氣。u濺射電壓及基片電位濺射電壓及基片電位（即接地、懸浮或偏壓）對薄膜特性的影響嚴重。濺射電壓不但影響沉積速率，而且嚴重英雄薄膜的結(jié)構(gòu)?；娢恢苯佑绊懭肷涞碾娮恿骰螂x子流。1. 基片接地處于陽極電位，則它們受到等同電子轟擊。2. 基片懸浮，在輝光放電空間取得相對于地電位稍負的懸浮電位Vf。而基片周圍等離子體電位V

47、P高于基片電位為（Vf+VP），將引起一定程度的電子和正離子的轟擊，導致膜厚、成分或其它特性的變化。如下圖:3. 假如基片有目的地施加偏壓，使其按電的極性接收電子或離子，不僅可以凈化基片增強薄膜附著力，而且還可以改變薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。u基片溫度u高純度的靶材1. 必須具備高純度的靶材和清潔的靶表面。2. 濺射沉積之前對靶進行預(yù)濺射，使靶表面凈化處理。u由于濺射裝置中存在多種參數(shù)間的相互影響，并且綜合地決定濺射薄膜的特性，因此在不同的濺射裝置上，或制備不同的薄膜時，應(yīng)該對濺射工藝參數(shù)進行試驗選擇為宜。 第二節(jié) 濺射薄膜的特點u膜厚可控性和重復(fù)性好Ø

48、 控制靶電流可以控制膜厚Ø 通過濺射時間控制膜厚u薄膜與基片的附著力強Ø 高能量的濺射原子產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，形成一層偽擴散層Ø 基片在成膜過程中始終在等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著力不強的濺射原子，凈化且激活基片表面。u可以制備特殊材料的薄膜Ø 可濺射幾乎所有的固體（包括粒狀、粉狀的物質(zhì)），不受熔點的限制。Ø 使用不同材料同時濺射制備混合膜、化合膜。Ø 可制備氧化物絕緣膜和組分均勻的合金膜。Ø 可通入反應(yīng)氣體，采用反應(yīng)濺射方法制備與靶材

49、完全不同的新的物質(zhì)膜。如用硅靶制作二氧化硅絕緣膜；用鈦靶，充入氮氣和氬氣，制備氮化鈦仿金膜。u膜層純度高Ø 沒有蒸發(fā)法制膜裝置中的坩堝構(gòu)件，濺射膜層不會混入坩堝加熱器材料的成分。u缺點：成膜速度比蒸發(fā)鍍膜低、基片溫升高、易受雜質(zhì)氣體影響、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 第三節(jié) 濺射應(yīng)用范圍簡介工業(yè)部門應(yīng)用實例備注電子工業(yè)半導體材料、電介質(zhì)材料、導電材料、超導材料、太陽能電池、集成線路及電路元件等低基片溫度機械工業(yè)耐蝕、耐熱、耐摩擦性能保護性材料等厚膜光學工業(yè)反射膜、選擇性透光膜、光集積回路、反射鏡保護膜低基片溫度裝飾塑料涂層、陶瓷涂層、彩虹包裝等厚膜航天及交通導電玻璃擋風玻璃&#

50、160;     第二章 直流濺射鍍膜依據(jù)直流輝光放電原理制造的鍍膜裝置統(tǒng)稱為直流濺射鍍膜裝置，利用這種裝置濺射的各種工藝統(tǒng)稱為直流濺射鍍膜工藝。第一節(jié) 直流二極濺射裝置直流二極濺射裝置示意圖1真空室；2加熱片；3陰極（靶）；4基片（陽極）；5氬氣入口；6負高壓電源；7加熱電源；8真空系統(tǒng)u電源采用直流。u靶材必須是導體。u靶上通以負高壓。u陰極靶與基片間的距離大于陰極暗區(qū)的3-4倍較為合適。u直流二極濺射工作原理圖：  第二節(jié) 偏壓濺射裝置u與直流二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓。u偏壓使基片表面在薄膜沉積過程中

51、，受到氣體離子的穩(wěn)定轟擊，消除可能進入薄膜表面的氣體，提高薄膜的純度。u偏壓可以清除附著力較差的沉積粒子，可以在沉積之前對基片進行轟擊清洗，凈化表面，提高薄膜的附著力。u偏壓使荷能粒子（一般指正離子）不斷地轟擊正在形成的薄膜表面，一方面提高膜層的強度，另一方面降低了膜層的生成速度。u偏壓較大時，能產(chǎn)生少量非膜材離子（如氬離子）的參雜現(xiàn)象。為保證膜純度，應(yīng)選擇適當?shù)钠珘褐怠Ｖ绷髌珘簽R射示意圖1濺射室；2陰板；3基片；4陽極；5接抽氣系統(tǒng)；6氬氧氣入口 第三節(jié) 三極或四極濺射裝置u三極濺射是用熱電子強化放電的一種方式，它能使濺射速率比二極濺射有所提高，又能使濺射工況的控制更方面。在二極濺

52、射系統(tǒng)中提供一個熱電子的源一根發(fā)射自由熱電子的幟熱燈絲，當燈絲比靶電位更負的時候，電子朝向靶轟擊，從而靶入射離子流增加，濺射量相應(yīng)地增大。由于熱電子的數(shù)量并不很大，不會引起靶材過分地加熱。附加的熱電子流，是靶電流的一個調(diào)整量，就是說，在二極濺射運行中，氣壓、電壓和靶電流三個主要工藝參數(shù)中，電流可以獨立于電壓作一定程度的調(diào)整。三極濺射比二極濺射大于提高了一倍的濺射速率。u四極濺射等離子弧濺射                 &#

53、160; （a）                                （b）（a）四極濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖1機械泵；2閥；3可調(diào)漏泄閥；4低真空計；5高真空計；6陰極；7穩(wěn)定性電極；8電磁線圈；9濺射室；10蒸鍍基板燈絲；11靶；12陽極；13閘閥；14液氮阱；15放氣閥；16液氮

54、阱；17擴散泵；18水冷密封板；19鈦升華泵；20加熱器（b）四極濺射裝置的電氣部分1熱陰極；2穩(wěn)定性電極；3基板；4陽極；5靶；6線圈；7靶電源Ø 工作壓強比二極濺射低（10-110-2Pa）。Ø 靶電流幾乎不隨靶電壓改變，而依賴于陽極電流，實現(xiàn)了靶電流和電壓的分別控制。 第三章 磁控濺射鍍膜第一節(jié) 磁控濺射的工作原理磁控濺射是利用磁場束縛電子的運動，其結(jié)果導致轟擊基片的高能電子的減少和轟擊靶材的高能離子的增多，使其具備了“低溫”、“高速”兩大特點。u水冷系統(tǒng)：各種類型濺射靶，在輝光放電中因離子轟擊都要發(fā)熱。為保證濺射靶的正常工作溫度，均應(yīng)設(shè)

55、置冷卻系統(tǒng)。為保證冷卻水的流速和進出口水溫差在預(yù)定的范圍內(nèi)，要求濺射靶冷卻水套應(yīng)具有小流阻，濺射靶材和水冷背板的導熱性能良好。其進水壓力一般為2KG以上。u“高速”以基片與靶材相對不動時，濺射Al的成膜速率達到1m/min而言，已經(jīng)與電子束蒸發(fā)Al的成膜速率接近了，比二極濺射的濺射速率提高了一個數(shù)量級。u“低溫”是與二極濺射相比，在相同的條件下，二極濺射的基片溫升可能達到350450時，磁控濺射的基片溫升大約只有250左右。u除射頻磁控裝置外，其余的磁控濺射裝置均是靜止的電磁場，磁場為曲線形，均勻電場和對數(shù)電場則分別用于平面靶和同軸圓柱靶。它們的工作原理相同。電子e在電場E的作用下加速飛向基片

56、的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，若電子具有足夠的能量（約30eV）時，則電離出Ar+和另一個電子e。電子飛向基片，Ar+在電場E作用下加速飛向陰極（濺射靶）并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子（或分子）沉積在基片上形成薄膜，二次電子e1在加速飛向基片時受磁場B的洛侖茲力作用以如圖的擺線和螺旋線狀的復(fù)合形式在靶表面作圓周運動。該電子e1的運動路徑不僅很長，而且被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域中電離出大量的Ar+用來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了磁控濺射速率高的特點。   隨著碰撞次數(shù)的增加，電子e1的能量逐漸降低，同時逐漸遠離靶面。低能電子e1將

57、在如圖中e3那樣沿著磁力線來回振蕩，待電子能量耗盡時，在電場E的作用下最終沉積到基片上。由于該電子的能量很低，傳給基片的能量很小，致使基片溫升較低。由于磁極軸線處電場與磁場平行，電子e2將直接飛向基片。但是，在磁控濺射裝置中，磁極軸線處離子密度很低，所以E類電子很小，對基片溫升作用不大。磁控濺射工作原理綜上所述，磁控濺射的基本原理就是以磁場改變電子運動的方向，束縛和延長電子的運動軌跡，從而提高了電子對工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。因此在形成高密度等離子體的異常輝光放電中正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，同時受正交電磁場的束縛的電子只能在其能量將要耗盡時才能沉積在基片上。這

58、就是磁控濺射具有“地溫”、“高速”兩大特點的機理。磁控濺射等離子體中的物理過程如下所示：與直流二極濺射相比較，區(qū)別只在于增加了正交電磁場對電子的束縛效應(yīng)?？梢?，正交電磁場的建立，B值的大小及其分布，特別是平行于靶表面的磁場分量B1是磁控濺射中一個極其重要的參數(shù)。為了提高對電子的束縛效應(yīng)，磁控濺射裝置中應(yīng)當盡可能滿足磁場B與電場E相互垂直（即正交）和利用磁力線及電極（一般為陰極靶）封閉等離子體的兩個重要條件。由于束縛效應(yīng)的作用，磁控濺射的放電電壓和氣壓都遠低于直流二極濺射，通常分別為500-600V和10-1Pa。 第二節(jié) 磁控濺射靶靶型分類u靶型開發(fā)的歷程大致如下：首先開發(fā)的是軸狀靶

59、圓盤形平面靶S-槍矩形平面靶各種異形靶對靶或?qū)\生靶靶面旋轉(zhuǎn)的圓柱靶靶-弧復(fù)合靶，目前應(yīng)用最廣泛的是矩形平面靶，未來最受關(guān)注的是旋轉(zhuǎn)圓柱靶和靶-弧復(fù)合靶。u同軸圓柱形磁控濺射在濺射裝置中該靶接500-600V的負電位，基片接地、懸浮或偏壓，一般構(gòu)成以濺射靶為陰極、基片為陽極的對數(shù)電場和以靶中永磁體提供的曲線形磁場。  圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)1水咀座；2螺母；3墊片；4密封圈；5法蘭；6密封圈；7絕緣套；8螺母；9密封圈；10屏蔽罩；11密封圈；12陰極靶；13永磁體；14墊片；15管；16支撐；17螺母；18密封圈；19螺帽 圓柱形磁控濺射靶的磁力線在每個永磁體單元的對稱面上

60、，磁力線平行于靶表面并與電場正交。磁力線與靶表面封閉的空間就是束縛電子運動的等離子區(qū)域。在異常輝光放電中，離子不斷地轟擊靶表面并使之濺射，而電子如下圖那樣繞靶表面作圓周運動。在圓柱形陰極與同軸陽極之間發(fā)生冷陰極放電時的電子遷移簡圖 u平面磁控濺射Ø 圓形平面磁控濺射u圓形平面靶采用螺釘或釬焊方式緊緊固定在由永磁體（包括環(huán)形磁鐵和中心磁柱）、水冷套和靶外殼等組成的陰極體上。如下圖所以結(jié)構(gòu)：圓形平面磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)1冷卻水管；2軛鐵；3真空室；4環(huán)形磁鐵；5水管；6磁柱；7靶子；8螺釘；9壓環(huán)；10密封圈；11靶外殼；12屏蔽罩；13螺釘；14絕緣墊；15絕緣套；16

61、螺釘通常，濺射靶接500-600V負電壓；真空室接地；基片放置在濺射靶的對面，其電位接地、懸浮或偏壓。因此，構(gòu)成基本上是均勻的靜電場。永磁體或電磁線圈在靶材表面建立如下圖的曲線形靜磁場：圓形平面磁控靶的磁力線1陰極；2極靴；3永久磁鐵；4磁力線該磁場是以圓形平面磁控靶軸線為對稱軸的環(huán)狀場。從而實現(xiàn)了電磁場的正交和對等離子體區(qū)域的封閉的磁控濺射所必備的條件。由磁場形狀決定了異常輝光放電等離子區(qū)的形狀，故而決定了靶材刻蝕區(qū)是一個與磁場形狀相對稱的圓環(huán)，其形狀如下圖：圓形平面靶刻蝕形狀u冷卻水的作用是控制靶溫以保證濺射靶處于合適的冷卻狀態(tài)。溫度過高將引起靶材熔化，溫度過低則導致濺射速率的下降。u屏蔽

62、罩的設(shè)置，是為了防止非靶材零件的濺射，提高薄膜純度。并且該屏蔽罩接地，還能起著吸收低能電子的輔助陽極的作用。其位置，可以通過合理設(shè)計屏蔽罩與陰極體之間的間隙來確定，其值應(yīng)小于二次電子擺線軌跡的轉(zhuǎn)折點距離dt,一般3mm。u磁控濺射的磁場時由磁路結(jié)構(gòu)和永久磁體的剩磁（或電磁線圈的安匝數(shù)）所決定的。最終表現(xiàn)為濺射靶表面的磁感應(yīng)強度B的大小及分布。通常，圓形平面磁控濺射靶表面磁感應(yīng)強度的平行分量B1為0.02-0.05T，其較好值為0.03T左右。因此，無論磁路如何布置，磁體如何選材，都必須保證上述B1要求。  Ø 矩形平面磁控濺射靶² 一個典型的矩形平面靶斷面結(jié)構(gòu)圖其結(jié)構(gòu)與圓形平面磁控濺射靶基本相同，只是靶材是矩形的而不是圓形平