非平衡磁控溅射制备氮化铬膜及其摩擦学性能研究

镀膜的方式有很多种

镀膜的方式有很多种，主要分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积(CVD)。我公司采用的非平衡磁控溅射技术属于PVD的范畴。PVD的镀膜方式主要又分为蒸发和离子镀两种。蒸发沉积速度快，但是相对来说形成的膜层质量比较差。离子镀一般有阴极弧和磁控溅 射。阴极弧形成的膜层有明显金属液滴。 闭合场非平衡磁控溅射离子镀膜系统（CFUBMSIP）由英国Teer镀层公司发明，并经过20多年的工业应用和科技研发，完善形成。该系统易于优化镀膜条件，得到拥有良好结合力的致密硬质膜层；可以工业规模生产先进的复合、纳米、多层及非晶镀层；并可实现低温沉积，在塑料等器件上镀膜。和阴极弧镀相比，所形成的镀层不存在金属液滴，表面粗糙度低。溅射的原理是在充有氩气的真空条件下，采用辉光放电技术使得电子在电场的作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。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和离子。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，提高离化率。反应磁控溅射就是通入一定量的反应气体，溅射出的靶材离子与通入真空室中的反应气体发生反应，生成反应沉积物到基体上。 传统的磁控溅射镀膜的优点是工艺较易控制，膜层表面光滑，缺点是离化率低，膜的致密度低，膜基结合力差。经研究改进，在平衡磁控溅射基础上发展了非平衡磁控溅射，再从非平衡磁控溅射发展到闭合场非平衡磁控溅射，即本公司使用技术。Teer公司现用的新型闭合场非平衡磁控溅射系统的离子流是传统磁控溅射离子流的100倍，是该公司早期的非平衡磁 控溅射离子流的2.5倍。 所谓非平衡磁控溅射是将某一磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱，这就导致了磁场分布的“非平衡”。在保证靶面水平磁场分量有效地约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁极产生 的垂直靶面的纵向磁场，可以使逃逸出靶面飞向镀膜区域。这些飞离靶面的电子还会与中性粒子产生碰幢电离，进一步提高镀膜空间的离子体密度，有利于提高沉积速率，更有利于沉 积高品质的镀层。

关于磁控溅射发展历程的综述

磁控溅射 1852年，格洛夫（grove）发现阴极溅射现象，自此以后溅射技术就开始建立起来了！磁控溅射沉积技术制取薄膜是上世纪三四十年代发展起来的，由于当时的溅射技术刚刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在1pa以上，因此溅射镀膜技术一度在产业话的竞争中处于劣势。1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置。1974年，j.chapin发现了平衡磁控溅射。这些新兴发展起来的技术使得高速、低温溅射成为现实，磁控溅射更加快速地发展起来了，如今它已经成为在工业上进行广泛的沉积覆层的重要技术，磁控技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要的影响。 磁控溅射的发展历程： 溅射沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上的原子或离子被轰击出来，被轰击出的粒子沉积在基体表面生长成薄膜。 溅射沉积技术的发展历程中有几个具有重要意义的技术创新应用，现在归结如下： （1）二级溅射： 二级溅射是所有溅射沉积技术的基础，它结构简单、便于控制、工艺重复性好主要应用于沉积原理的研究，由于该方法要求工作气压高（>1pa）、基体温升高和沉积速率低等缺点限制了它在生产中的应用。 （2）传统磁控溅射（也叫平衡磁控溅射）： 平衡磁控溅射技术克服了二级溅射沉积速率低的缺点，使溅射镀膜技术在工业应用上具有了与蒸发镀膜相抗衡的能力。但是平衡磁控溅射镀膜同样也有缺点，它的缺点在于其对二次电子的控制过于严密，使等离子体被限制在阴极靶附近，不利于大面积镀膜。 （3）非平衡磁控溅射： B.Window在1985年开发出了“非平衡磁控溅射技术”，它克服了平衡磁控溅射技术的缺陷，适用于大面积镀膜。并且在上世纪90年代前期，在非平衡磁控溅射的基础上发展出了闭合非平衡系统（CFUBMS），采用多个靶以及非平衡结构构成的闭合磁场可以对电子进行有效地约束，使整个真空室的等离子体密度得以提高。这样可以使磁控溅射技术更适合工业生产。 （4）脉冲磁控溅射： 由于在通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的绝缘膜（尤其是氧化物薄膜）时，经常存在不少的问题。其结果会严重的影响膜的结构和性能。但是通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。近年来，随着脉冲中频电源的研发成功，使镀膜工艺技术又上了一个新的台阶；利用中频电源，采用中频对靶或者孪生靶，进行中频磁控溅射，有效地解决了靶中毒严重的现象，特别是在溅射绝缘材料的靶时，克服了溅射过程中，阳极消失的现象。 （5）磁控溅射技术新型应用： 磁控溅射技术的新型应用是指在以上基础上，再根据应用的需要，对磁控溅射系统进行改进而衍生出的多种多样的设备和装置。这些改进主要是在系统内磁力线的分布上以及磁控溅射靶的设置和分布上。

磁控溅射镀膜原理和工艺设计

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。这里主要讲一下由溅射镀 膜技术发展来的磁控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。 关键词：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年以后由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-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 常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，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至几十 电子伏范围内。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：真空蒸发、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）×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

基体偏压对直流非平衡磁控溅射氮化硅薄膜生长特性的影响

? 570 ? DOI: 10.19289/j.1004-227x.2018.13.003 基体偏压对直流非平衡磁控溅射氮化硅薄膜生长特性的影响 石志锋1, 2, *，郑志雯2，宁成云2，王迎军2 （1.华南理工大学医疗器械研究检验中心，广东 广州 510006；2.华南理工大学材料学院，广东 广州 510641） 摘要：采用高纯硅靶和氮气，以直流非平衡磁控溅射技术在单晶硅表面制备氮化硅薄膜。借助台阶仪、原子力显微镜、红外光谱 和X 射线光电子能谱考察了基体偏压(?50 ~ ?200 V )对氮化硅薄膜沉积速率、表面形貌及元素化学态的影响。结果表明：所得 氮化硅薄膜表面光滑，连续致密，均匀。随着样品负偏压的提高，薄膜的生长速率逐渐降低，但当偏压超过?150 V 时，薄膜的 沉积速率又升高。当基体偏压从?50 V 提高到?200 V 时，薄膜中Si 2p 的峰位向高能端移动了0.41 eV 。基片偏压为?150 V 时， 薄膜生长较为缓慢，但致密，Si ─N 键含量高。 关键词：单晶硅；氮化硅薄膜；非平衡磁控溅射；基体偏压；沉积速率；表面形貌；化学态 中图分类号：TB43; TG174.444 文献标志码：A 文章编号：1004 – 227X (2018) 13 – 0570 – 06 Effect of substrate bias voltage on growth characteristics of silicon nitride thin film by DC unbalanced magnetron sputtering // SHI Zhi-feng*, ZHENG Zhi-weng, NING Cheng-yun, WANG Ying-jun Abstract: Silicon nitride (Si–N) thin films were prepared on monocrystalline silicon surface by direct current (DC) unbalanced magnetron sputtering technique with highly pure silicon target and nitrogen gas. The effect of substrate bias voltage ranging from -50 V to -200 V on deposition rate and surface morphology of Si–N thin film as well as chemical states of the elements in it was examined using profilometer, atomic force microscope, infrared spectroscope, Raman spectroscope, and X-ray photoelectron spectroscope. It was found that the Si–N thin films are continuous and compact with smooth surfaces. The deposition rate is decreased initially with the increasing of substrate bias voltage, and then increased after -150 V. The Si 2p peak from the thin film prepared at a substrate bias voltage of -200 V shifts towards higher binding energy side by 0.41 eV as compared with that prepared at -50 V. The thin film grows slowly at a substrate bias voltage of -150 V, but features a compact surface with high content of Si ─N bonds. Keywords: monocrystalline silicon; silicon nitride thin film; unbalanced magnetron sputtering; substrate bias voltage; deposition rate; surface morphology; chemical state First-author’s address: Medical Device Research and Testing Center, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China 氮化硅薄膜是一种重要的精细陶瓷薄膜材料，由于硬度高、抗腐蚀、耐高温，阻挡杂质粒子扩散和 水汽渗透的能力强，而且具有优良的抗弹性形变能力和自润滑特性，因此倍受科学研究和工业应用的 关注[1-3]。薄膜的性能是由其微观结构和化学组分决定的，除了与薄膜材料本身性质有关外，还与薄膜的 制备技术密切相关。不同的制备方法有各自的优缺点[4-8]，所得到的薄膜在组织结构和机械性能上会有所 不同。 射频反应磁控溅射是其中一种常用的方法[9-10]，通过溅射不同的靶材(Si 或Si 3N 4)以及利用不同的 反应气体(N 2或NH 3)来沉积薄膜。磁控溅射技术成膜效率高，但是制备的薄膜与工件之间往往结合强度 较弱，影响其寿命[10]。常见的改进方法是对工件加以几十伏至几百伏的负偏压，从而达到在磁控溅射 沉积的同时轰击膜层的目的。荷能离子对薄膜表面的轰击混合将引起许多物理化学效应，如轰击导致的 喷丸碎化作用及热效应会引起晶粒长大，对薄膜的组织、结构等生长特性产生决定性的影响[11-13]。 薄膜中的化学键结构决定了薄膜的性能，而薄膜沉积过程中轰击薄膜表面的离子能量是决定薄膜 结构的重要因素。离子能量主要由沉积过程中施加在基体材料上的负偏压所决定。本文采用脉冲反应闭合 非平衡磁控溅射技术在单晶硅片基体表面沉积氮化硅薄膜，通过调整基体偏压来分析离子轰击能量对 薄膜的生长特性和元素化学态的影响。 收稿日期：2018–06–01 修回日期：2018–06–17 基金项目：国家重点研发计划“华南生物医用材料与植入器械创新示范基地”（2017YFC1105000）。 作者简介：石志锋（1981–），男，山东淄博人，博士，工程师，研究方向为生物材料表面工程和医疗器械研究检验。 作者联系方式：(E-mail) zhfs@https://www.wendangku.net/doc/855447678.html, 。 万方数据

实验一 真空蒸发和磁控溅射制备薄膜

实验一 真空蒸发和磁控溅射制备薄膜 姓名：许航 学号：141190093 姓名：王颖婷 学号：141190083 系别：材料科学与工程系 专业：材料物理 组号：A9 实验时间：3月16号 本实验主要介绍真空蒸发、磁控溅射两种常用而有效的制备薄膜的工艺，以便通过实际操作对典型的薄膜工艺的原理和基本操作过程有初步的了解。 一、 实验目的 1、 通过实验掌握磁控溅射、真空蒸发制备薄膜的基本原理，了解磁控溅射、真空蒸发制备薄膜的过程 2、 独立动手，学会利用磁控溅射、真空蒸发技术制备薄膜 3、 通过本实验对真空系统、镀膜系统以及辉光放电等物理现象有更深层次的了解 二、 实验原理 薄膜作为一种特殊形状的物质，与块状物质一样，可以是非晶态的，多晶态的和单晶态的。它既可用单质元素或化合物制作，也可用无机材料和有机材料制作。近年来随着薄膜工艺的不断进步和完善，复合薄膜和功能材料薄膜也又很大的发展，因此薄膜技术和薄膜产品已在机械、电子、光学、航天、建材、轻工等工业部门得到了广泛的应用，特别是在电子工业中占有极其重要的地位。例如光电极摄像器件、各种集成电路器件、各种显示器、太阳能电池及磁带、磁头等各种转化器、传感和记录器、电阻器、电容器等都是应用薄膜。目前，薄膜工艺不仅成为一门独立的应用技术，也是改善材料表面性能和提高某些工艺水品的重要手段。 1、 真空蒸发制备薄膜原理 真空蒸发镀膜是把待镀膜的衬底或工件置于高真空室内，通过加热使成膜材料气化（或升华）而淀积到衬底上，从而形成一层薄膜的工艺过程。 因为真空蒸发镀膜的膜层质量与真空室的真空度、膜料蒸发温度和衬底的温度都有很大的关系，因而在实验过程务必严格控制各个环节。下面讨论一下影响蒸发镀膜质量的主要因素和成膜的原理。 （1）、真空度 为了同时保证膜层的质量和生产效率及成本，通常要选择合理的真空度。在镀膜过程中，抽真空后处在同一温度下的残余气体分子相对于蒸发出的膜料分子（原子）可以视作静止，可以得到膜料分子（原子）在残余分子中运动的平均自由程： '2 1()n r r λπ=+ p n k T = n 为残余气体分子的密度，r’为残余气体分子半径，r 为蒸发膜料分子的半径，p 为残余气体的压强，k 为玻尔兹曼常数。若蒸发源到衬底的距离为L （cm ），为使得膜料分子中的大部分不与残余气体分子碰撞而直接到达衬底表面，则一般可以取平均自由程10L λ≥，这样：

翻译(非平衡磁控溅射阴极的优化研究)

Studies on the optimisation of unbalanced magnetron sputtering cathodes Abstract The optimisation is reported on the design of unbalanced magnetron (UBM) sputtering cathodes. For the study, a planar circular cathode backed by a double-coil electromagnet (compatible for a 100mm diameter target) was developed. The variation of the structure and strength of the magnetic field in front of the target was investigated for different current combinations in the electromagnetic coils, and its effect on the sputtering process was analysed. The observations on the magnetic field geometry revealed some interesting features, such as the balancing point of the fields along the axis (null-point), and the zero axial region over the target surface (Bz=0 ring). The positions of both could be controlled by adjusting the ratio of the electric current in the coils. The magnetic field null-point could be used as a reference for the region of homogeneous film growth. The Bz=0 ring was the location where the glow discharge concentrated (or where the maximum target erosion occurred). The diameter of the ring determined the area covered by the discharge and thus the sputtering e|ciency. The optimum substrate position can be Txed according to the position of the null-point and optimisation of sputtering can be achieved by adjusting the diameter of the Bz=0 ring. The results of this study should be helpful in the designing of an ideal UBM using permanent magnets as well as electromagnets. 1. Introduction The unbalanced magnetron (UBM) has been the focus of interest for the PVDcommunity for over a decade [1]. While the conventional magnetron sputtering has already made its impact on the thin-film coating industry, the” unbalanced” version proves more advantageous because it combines high deposition rates and low-energy ion bombardment at the substrate. The ion bombardment is achieved by modifying the conventional magnetron (CM) with an additional magnetic field, which deviates the trajectories of secondary electrons from the glow discharge region concentrated near the target, towards the substrate. This would create an ionised region near the substrate and hence causes ion bombardment on the growing film, thereby modifying the properties of the coating [1D4]. The first ever detailed study of the UBM, is due to Window and Savvides [5]. They analysed dfferent modes of unbalancing the magnetron using permanent magnets and electromagnets, and proved that a magnetic field which converges towards the substrate (Type II, as they designated) gives the desired unbalancing effect. This field distribution was found to maintain considerable ion bombardment over the substrate at low energies, with a high ratio of ion-to-deposited atom.

用磁控溅射制备薄膜材料的概述

用磁控溅射制备薄膜材料的概述 1.引言 溅射技术属于PVD（物理气相沉积）技术的一种，是一种重要的薄膜材料制备的方法。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并最终在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射是把磁控原理与普通溅射技术相结合利用磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，以此改进溅射的工艺。磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。 2.溅射技术的发展 1852年，格洛夫(Grove)发现阴极溅射现象，从而为溅射技术的发展开创了先河。采用磁控溅射沉积技术制取薄膜是在上世纪三四十年代开始的，但在上世纪70年代中期以前，采蒸镀的方法制取薄膜要比采用磁控溅射方法更加广泛。这是凶为当时的溅射技术140刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在lpa以上但是与溅射同时发展的蒸镀技术由于其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技术一度在产业化的竞争中处于劣势溅射镀膜产业化是在1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实现的。在1974年，由J．Chapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射成为现

实，磁控溅射更加快速地发展起来。 溅射技术先后经历了二级、三级和高频溅射。二极溅射是最早采用，并且是目前最简单的基本溅射方法。二极溅射方法虽然简单，但放电不稳定，而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量，人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极，制作出三极溅射装置。 然而像这种传统的溅射技术都有明显的缺点： 1）．溅射压强高、污染严重、薄膜纯度差 2）．不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击，基片温升高、淀积速率低 3）．灯丝寿命低，也存在灯丝对薄膜的污染问题 3.磁控溅射的原理： 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。具有低温、高速两大特点。 电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内： F=－q(E+v×B) 电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。 具体地说来磁控溅射系统在真空室充入0.1～1OPa压力的惰性气

磁控溅射技术进展及应用

摘要：近年来磁控溅射技术的应用日趋广泛,在工业生产和科学研究领域发挥巨大作用。随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加,相应的磁控溅射技术也获得进一步的发展。本文将介绍磁控溅射技术的发展,以及闭合磁场非平衡溅射、高速率溅射及自溅射、中频及脉冲溅射等各种新技术及特点,阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。 关键词：磁控管溅射率非平衡磁控溅射闭合场非平衡磁控溅射自溅射 引言 磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于许多方面 1～8,特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。1852年Grove首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。60年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用。磁控溅射技术出现和发展,以及80年代用于制作CD的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术。 一、磁控溅射镀膜原理及其特点 1.1、磁控溅射沉积镀膜机理磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100～1000Gauss强力磁铁,真空室充入011～10Pa压力的惰性气体(Ar),作为气体放电的载体。在高压作用下Ar原子电离成为Ar+离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞,电离出大量的Ar+离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10～100倍,因此该区域内等离子体密度很高。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、真空室内壁及靶源阳极上。而Ar+离子在高压电场加速作用下,与靶材的撞击并释放出能量,导致靶材表面的原子吸收Ar+离子的动能而脱离原晶格束缚,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片,并在基片上沉积形成薄膜。溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为1～10eV,溅射镀膜理论密度可达98%。比较蒸镀011～

实验磁控溅射法制备薄膜材料

实验磁控溅射法制备薄 膜材料 GE GROUP system office room 【GEIHUA16H-GEIHUA GEIHUA8Q8-

实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉

光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流 气体放电体系，在阴阳两极之间 由电动势为的直流电源提供电压 和电流，并以电阻作为限流电 阻。在电路中，各参数之间应满 足下述关系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保持一定，并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。

磁控溅射仪的缺点调研2

平衡磁控溅射的概念和优缺点 平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar 原了电离成为Ar+离子和电子，产生辉光放电，Ar+ 离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。 电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率。 但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60 mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。 图1 （a) 平衡磁控溅射(b) 非平衡磁控溅射 非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300 mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图1 所示。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，

磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展-郭聪

磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展 郭聪 （黄石理工学院机电工程学院黄石 435000） 摘要：磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。探讨了磁控溅射技术在非平衡磁场溅射、脉冲磁控溅射等方面的进步，说明利用新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等，并进一步取代电镀等传统表面处理技术。阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。 关键词：非平衡磁控溅射脉冲磁控溅射薄膜制备工艺应用 中图分类号：O484.1 0 前言 薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米到数十微米的薄层材料。薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属、半导体硅、锗、绝缘体玻璃、陶瓷等。从导电性考虑，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体；从结构考虑，可以是单晶、多晶、非晶或超晶格材料；从化学组成来考虑，可以是单质、化合物或无机材料、有机材料等。制备薄膜的方法有很多，归纳起来有如下几种：1）气相方法制模，包括化学气相淀积（CVD）,如热、光或等离子体CVD和物理气相淀积（PVD），如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离子注入成膜等； 2）液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸喷涂等； 3）其他方法制膜，包括喷涂、涂覆、压延、印刷、挤出等。[1] 而在溅射镀膜的发展过程中，新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等。辉光等离子体溅射的基本过程是负极的靶材在位于其上的辉光等离子体中的载能离子作用下，靶材原子从靶材溅射出来，然后在衬底上凝聚形成薄膜；在此过程中靶材表面同时发射二次电子，这些电子在保持等离子体稳定存在方面具有关键作用。溅射技术的出现和应用已经经历了许多阶段，最初，只是简单的二极、三极放电溅射沉积；经过30多年的发展，磁控溅射技术已经发展成为制备超硬、耐磨、低摩擦系数、耐蚀、装饰以及光学、电学等功能性薄膜的一种不可替代的方法，脉冲磁控溅射技术是该领域的另一项重大进展。利用直流反应溅射沉积致密、无缺陷绝缘薄膜尤其是陶瓷薄膜几乎难以实现，原因在于沉积速度低、靶材容易出现电弧放电并导致结构、组成及性能发生改变。利用脉冲磁控溅射技术可以克服这些缺点，脉冲频率为中频10~200kHz，可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺，实现高速沉积高质量反应薄膜。 1 基本原理 磁控溅射(Magnetlon Sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射镀膜采用在靶材表面设置一个平行于靶表面的横向磁场，磁场由置于靶内的磁体产生。在真空室中，基材端接阳极极，靶材端接阴极，阴极靶的下面即放置着一个强力磁铁。溅射时持续通入氩气，使之作为气体放电的载体(溅射气体)，同时通入氧气，作为与被溅射出来的锌原子发生反应的反应气体。在真空室内，电子e在电场E的作用下，在加速飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子(二次电子)e。Ar+计在电场作用下加速飞向阴极靶，以高能量轰击Zn靶表面使其发生溅射，溅射出来的锌原子吸收Ar离子的动能而脱离原晶格束缚，飞往基材方向，途中与O 2 发生反应并释放部分能量，最后反应产物继续飞行最终沉积在基材表面。我们需要通过不断的实验调整工艺参数，从而 使得溅射出来的历原子能与O 2 充分反应，制得纯度较高的薄膜。另一方面，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作回旋运动，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

实验磁控溅射法制备薄膜材料

实验磁控溅射法制备薄膜 材料 The final edition was revised on December 14th, 2020.

实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流气 体放电体系，在阴阳两极之间由电 动势为的直流电源提供电压和电 流，并以电阻作为限流电阻。在电 路中，各参数之间应满足下述关 系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保 持一定，并逐渐提高两个电极之间 的电压。在开始时，电极之间几乎 没有电流通过，因为这时气体原子 大多仍处于中性状态，只有极少量 的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过

磁控溅射问题及解决

磁控溅射镀膜工艺六大常见问题点及改善对策： 1.膜层灰暗及发黑 (1)真空度低于0.67Pa。应将真空度提高到0.13-0.4Pa。 (2)氩气纯度低于99．9％。应换用纯度为99．99％的氩气。 (3)充气系统漏气。应检查充气系统，排除漏气现象。 (4)底漆未充分固化。应适当延长底漆的固化时间。 (5)镀件放气量太大。应进行干燥和封孔处理 2.膜层表面光泽暗淡 (1)底漆固化不良或变质。应适当延长底漆的固化时间或更换底漆。 (2)溅射时间太长。应适当缩短。 (3)溅射成膜速度太快。应适当降低溅射电流或电压 3.膜层色泽不均 (1)底漆喷涂得不均匀。应改进底漆的施涂方法。 (2)膜层太薄。应适当提高溅射速度或延长溅射时间。 (3)夹具设计不合理。应改进夹具设计。 (4)镀件的几何形状太复杂。应适当提高镀件的旋转速度 4.膜层发皱、龟裂 (1)底漆喷涂得太厚。应控制在7—lOtan厚度范围内。 (2)涂料的粘度太高。应适当降低。 (3)蒸发速度太快。应适当减慢。 (4)膜层太厚。应适当缩短溅射时间。 (5)镀件温度太高。应适当缩短对镀件的加温时间 5.膜层表面有水迹、指纹及灰粒 (1)镀件清洗后未充分干燥。应加强镀前处理。

(2)镀件表面溅上水珠或唾液。应加强文明生产，操作者应带口罩。 (3)涂底漆后手接触过镀件，表面留下指纹。应严禁用手接触镀件表面。 (4)涂料中有颗粒物。应过滤涂料或更换涂料。 (5)静电除尘失效或喷涂和固化环境中有颗粒灰尘。应更换除尘器，并保持工作环境的清洁 6.膜层附着力不良 (1)镀件除油脱脂不彻底。应加强镀前处理。 (2)真空室内不清洁。应清洗真空室。值得注意的是，在装靶和拆靶的过程中，严禁用手或不干净的物体与磁控源接触，以保证磁控源具有较高的清洁度，这是提高膜层结合力的重要措施之一。 (3)夹具不清洁。应清洗夹具。 (4)底涂料选用不当。应更换涂料。 (5)溅射工艺条件控制不当。应改进溅射镀工艺条件

磁控溅射技术原理、现状、发展及应用实例

磁控溅射技术原理、现状、发展及应用实例（薄膜物理大作业论文） 班级：1035101班 学号：1101900508 姓名：孙静

一、前言 镀膜玻璃是一种在玻璃表面上镀一层或多层金属氧化物薄膜，使其具有一种或多种功能的玻璃深加工产品。自七十年代开始，在世界发达国家和地区，传统的单一采光材料—普通建气琳璃，已逐步为具有节能、控光、调温、改变墙体结构以及具有艺术装饰效果的多功能玻璃新产品所替代，如茶色玻璃、中空玻璃、镀膜玻璃等，其中又以镀膜玻璃尤汐引人注目，发展也颇为迅速，如欧洲共同体国家在1985年建筑玻璃总量的三分之二用的是镀膜玻璃，美国镀膜玻璃的市场在八十年代就已达5000万平方米/年，在香港、新加坡、台湾等经济崛起的东南亚国家和地区，镀膜玻璃的使用也日渐盛行。镀膜玻璃作为一种新型的建筑装饰材料已得到了人们普遍的肯定和喜爱。 目前生产镀膜玻璃所采用的方法大体上可分为浸渍法、化学气相沉积法、真空蒸发法、磁控溅射法以及在线镀膜等五种方法。 浸渍法是将玻璃浸人盛有金属有机化合物溶液的槽中，取出后送人炉中加热，去除有机物，从而形成了金属氧化物膜层。由于浸渍法使玻璃两边涂膜，且低边部膜层较厚，同时可供水解盐类不多，因而在国内未得到很好推广。 化学气相沉积法是将金属化合物加热成蒸汽状，然后涂到加热后的玻璃表面上。这种方法由于受到所镀物质的限制，且在大板上也难 真空蒸发法是在真空条件下，通过电加热使镀膜材料蒸发，由固相转化为气相，从而沉积在玻璃表面上，形成稳定的薄膜。此法的不足之处是所镀膜层不太均匀、有疵点、易脱落。只能生产单层金属镀膜玻璃，颜色也难以控制。 磁控溅射法是在真空条件下电离惰性气休，气体离子在电场的作用下，轰击金属靶材使金属原子沉积到玻璃表面上。 在线镀膜一般是在浮法玻璃生产线上进行，如电浮法、热喷涂等方法，目前我国较少使用。 在这些方法中，磁控溅射镀膜法是七十年代末期发展起来的一种先进的工艺方法，它的膜层由多层金属或金属氧化层组成，允许任意调节能量通过率、能量反射率，具有良好的外观美学效果，它克服了其它几种生产方法存在的一些缺点，因而目前国际上广泛采用这一方法。磁控溅射镀膜玻璃已越来越多地被运用于现代建筑并逐渐在民用住宅、汽车、电子等域使用，具有广阔的发展前景。 二、磁控溅射镀膜工艺 (一)工艺原理及特点 磁控溅射是一种新型的高速、低温溅射镀膜方法，它是在专门的真空设备中，借助于高压直线溅射装置进行的。磁控溅射镀膜工艺的原理是:将玻璃送人设有磁控阴极和溅射气体(氮气、氮气或氧气)的真空室内，阴极加负电压，在真空室内辉光放电，产生等离子体，由于金属靶材带负电，等离子体中带正电的气体离子被加速，并以相当于靶极位降U的能量撞击靶面，将金属靶的原子轰出来，使之沉淀在玻璃表面上而形成金属膜。工艺原理如下图所示:

磁控溅射镀膜多年经验总结

黑色实验总结 1、材料对比 ⑴ TiC TiC是最常见、最经济的一种黑色硬质膜。颜色可以做到比较深，耐磨性能也很好，但其色调不够纯正，总是黑中略带黄色。并且由于钛的熔点相对较低，在溅射时易出现大的颗粒，使其光令度不易得到改善。防指印的能力也不好，擦后变黄、变朦。 ⑵ CrC CrC的总体色调相对TiC要好，虽然达不到TiC那样黑，但更纯正，带白。由于铬在溅射时直接由固态直接变为气态，故虽然铬的溅射系数很大，膜层沉积速率很快，但其光令度却比TiC好。防指印性能也比TiC好。Cr为脆性材料，膜层的残余应力对耐磨性能的影响尤为重要。 ⑶ TiAlC 由于铝有细化晶粒的作用，所以TiAlC膜层的光令度和防指印的能力均较好。但是铝的熔点很低，要求铝靶的冷却效果要好，施加在铝靶上的功率也不能太大。从TiAlC膜层本身来说，也要求铝的含量要低，不然不够黑。但如果铝靶的功率太低，很容易中毒。建议采用平面铝靶或使用一定铝含量的铝钛合金靶材。 ⑷ TiCrAlC TiCrAlC是用小平面靶试电的，结果光令度和防指印的能力很好，这可能有两个原因：①材料本身的光令度和防指印的能力较好；②采用平面靶轰击打底。其耐磨能力也比较好，这可能是由于：①TiCrAl靶材致密；②TiCrAlC本身比较耐磨；③小平面靶的功率密度比较高，溅射出的粒子能量较高，故膜层致密。 ⑸ TiCN TiCN是一种硬度与耐磨性能较好的薄膜，其颜色甚至可以比TiC更黑，手摸起来不光滑，有粘粘的感觉，但防指印的能力却很好，擦后不会变色，也不会变朦。 2、实验机配置 ⑴ 电源 ① AE中频电源 AE电源的精度很高，对靶材的要求不高，电源自我保护的能力比较强，也因此对真空度等外界条件的要求更苛刻，易灭辉。镀出的CrC膜层光令度与防指印的效果较好，但颜色黑中带蓝。耐磨性能也是试过的电源中最好的。 ② 新达中频电源 新达电源的功率比较大，可以并机使用的它的一大优势。镀出的CrC膜层很黑，但带白，耐磨能力比AE电源镀出的膜层要查差。 ③ 盛普中频电源 盛普电源的稳定性相对其它电源来说要差一些，实际功率不大。镀出的CrC膜层略显黄色，