磁控溅射
磁控溅射定义和原理
A-B:无光放电区 B-C:汤森放电区 C-D:过渡区 D-E:正常辉光放电区 E-F:异常辉光放电区 F-G:弧光放电区
在“异常辉光放电区”内，电流可以通 过电压来控制，从而使这一区域成为溅射 所选择的工作区域。
形成“异常辉光放电”
的关键是击穿电压VB。
主要取决于二次电子
的平均自由程和阴阳
F m aqE (x,y,z)q vB (x,y,z) B (x,y,z)
其中 mv 2
2B
磁阻力与磁场的梯度成正比, 但方向始终指向梯 度的负向，该力总是阻碍运动电荷从弱磁场向强 磁场区域的运动
氩离子入射不同元素的溅射阈值
500eV下元素溅射率
溅射率随离子入射角度的变化
150eV氩离子轰击下，镍的溅射率和气压的关系
溅射粒子的速度和能量 溅射原子获得比热蒸发大1~2个数量
级的能量在1~10eV之间,它与靶材，入射 离子质量和能量有关。
溅射的优缺点
溅射工艺可重复性较好，膜厚可控制，可以在大面积
2.3 磁控溅射(megnetron sputtering)
2.3.1 磁控溅射原理 磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动，
提高电子的离化率。并且与传统溅射相比 具有“低温”、“高速”两大特点。
通过磁场提高溅射率的基本原理由 Penning在60多年前发明，后来由Kay和 其他人发展起来，并研制出溅射枪和柱式 磁场源。1979年Chapin引入了平面磁控 结构。
磁控溅射定义和原理
主要内容
溅射原理
溅射装置
定义 原理 特点
直流溅射 射频溅射 磁控溅射
磁控溅 射实例
镀膜
一、溅射原理
1.1 溅射定义
就像往平静的湖水里投入石子会溅起水 花一样，用高速离子轰击固体表面使固体 中近表面的原子（或分子）从固体表面逸
磁控溅射
磁控溅射仪1.磁控溅射原理;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。
2.磁控溅射构造磁控溅射薄膜沉积系统包括：气路、真空系统、循环水冷却系统、控制系统。
其中(1) 气路系统：与PECVD系统类似，磁控溅射系统应包括一套完整的气路系统。
但是，与PECVD 系统不同的是，PECVD系统中，气路中为反应气体的通道。
而磁控溅射系统气路中一般为Ar、N2等气体。
这些气体并不参与成膜，而是通过发生辉光放电现象将靶材原子轰击下来，使靶材原子获得能量沉积到衬底上成膜。
(2) 真空系统：与PECVD系统类似，磁控溅射沉积薄膜前需要将真空腔室抽至高真空。
因此，其真空系统也包括机械泵、分子泵这一高真空系统。
(3) 循环水冷却系统：工作过程中，一些易发热部件(如分子泵)需要使用循环水带走热量进行冷却，以防止部件损坏。
磁控溅射原理课件
适用材料广泛
磁控溅射可以用于多种金属、非金属 材料的镀膜，满足不同应用需求。
03
磁控溅射过程与机制
磁控溅射过程的物理机制
磁场控制电子运动
在磁控溅射过程中，磁场对电子的运动轨迹起到控制作用，使电子在靶材表面附近区域做回旋运动，延长了电子与气 体分子的碰撞时间，提高了离化率。
高速运动的电子与气体分子碰撞
04
磁控溅射技术的研究与发 展
磁控溅射技术的研究现状
国内外研究概况
磁控溅射技术在国内外的科研机构和 大学中得到了广泛的研究和应用，涉 及材料科学、电子学、光学等领域。
实验研究与理论模拟
当前的研究主要集中在实验研究和理 论模拟两个方面，通过实验验证理论 的预测，同时通过理论模拟指导实验 设计和优化。
阳极
通常为金属材料，与阴极相对 ，用于吸引真空室内的电子。
电源系统
提供直流或交流电，以驱动阴 极和阳极之间的电场。
磁控溅射系统的原理
01
02
03
气体放电
在真空室内，通过电源系 统产生电场，使得气体分 子被电离成带电离子和电 子。
离子加速
带电离子在电场作用下加 速飞向阴极靶材，与靶材 表面原子碰撞并使其溅射 出来。
磁控溅射技术的发展趋势
高效能与环保
随着环保意识的提高和能源的日益紧张，磁控溅射技术正朝着高效能和环保的 方向发展，寻求更低的能耗和更少的废弃物排放。
多功能化
为了满足多样化的需求，磁控溅射技术正朝着多功能化的方向发展，如开发出 适用于不同材料、不同工艺的多功能磁控溅射设备。
磁控溅射技术的前沿问题
新型材料的制备
优良的附着力
由于靶材原子以一定的能量沉积在基片表面，与基片表面 产生较好的附着力。
磁控溅射
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。
磁控溅射的名词解释
磁控溅射的名词解释磁控溅射是一种现代先进的薄膜制备技术，它利用离子化的金属原子或分子沉积在材料表面形成均匀而致密的薄膜。
这项技术的应用领域广泛，包括电子元件、太阳能电池、显示器、传感器等，具有优异的薄膜质量和高度可控的成膜过程。
磁控溅射的工艺过程如下：首先，将待沉积的金属或合金样品（称为目标材料）放置在真空室中，并设定适当的工艺参数，如沉积速率、温度等。
然后，通过将真空室抽成一定的真空度，以便在真空中进行溅射。
接下来，施加一定强度的磁场，并在目标素材表面附近放置一个靶极。
这样，当氩离子加速到一定能量后，撞击目标材料表面，使得它释放出离子化的金属原子或分子。
最后，这些离子化的金属原子在磁场的作用下，被引导到基板材料表面，形成一层薄膜。
磁控溅射的独特之处在于其高度可控的薄膜成膜过程。
通过调节工艺参数，例如沉积时间、温度、压力和靶极材料等，可以获得不同的薄膜性质，如厚度、硬度、晶粒度等。
此外，磁场的存在使得目标材料释放出的离子在沉积过程中更易定向，使薄膜成膜更加均匀。
这种可控性不仅能够满足各种应用需求，还可以优化薄膜的功能和性能。
磁控溅射技术具有重要意义的一个方面是其在电子工业中的广泛应用。
在集成电路和芯片制造过程中，磁控溅射可以制备金属导线、电极和隔离层等薄膜元件，用于电路的连接和保护。
此外，磁控溅射还可以制备透明导电膜，用于触摸屏、液晶显示器和光伏电池等光电器件。
这些应用不仅要求薄膜成膜的高质量和可控性，还需要满足特定的电学、光学和机械性能标准。
在太阳能电池领域，磁控溅射可以利用其高度可控的薄膜成膜技术制备多层结构的太阳能电池薄膜。
这种薄膜可以有效吸收和转换太阳光的能量，并将其转化为电能。
磁控溅射技术的应用使得太阳能电池具有更高的光电转换效率和更长的寿命，为可再生能源的发展提供了有力支持。
磁控溅射技术也在光学镀膜领域得到广泛应用。
通过沉积抗反射膜、反射膜和分光镜片等薄膜，可以优化光的传输和反射等特性，提高光学设备的性能和效率。
磁控溅射技术
磁控溅射技术磁控溅射技术（MagnetronSputtering）是一种工艺技术，它可以将物质的激素部分转化成独立的离子，并将其射射到待涂层物体表面上，从而使得涂层物体表面形成一层薄膜。
磁控溅射技术被广泛应用于光学、电子、机械设备、制药设备、光通信等行业，是当今高科技领域研发设计的重要手段之一。
磁控溅射技术原理磁控溅射技术是一种将原子或分子能量值降低，使其出现球形高电荷状态，再以特殊的磁场配合电磁场，使之发出离子流，再将其射向待涂层物体表面，从而形成薄膜的一种物理沉积技术。
磁控溅射通常使用氩气或其它气体作为原料，采用高频电源充电，直流源来作用在特殊的磁场之中，形成电磁场作用于放电管内，使空气中的氩气分子离子化，形成加速离子，经过磁场的钙卡位作用，在被涂层表面上沉积成为薄膜。
磁控溅射技术优势磁控溅射技术具有诸多优势，其中最重要的优势是它可以生产出高精度涂层，涂层形貌相对较好，表面粗糙度低，具有良好的界面结构，在结构上可以产生变形和裂缝，从而改善其性能。
另外，由于磁控溅射技术本身的特性，它可以有效的改善层间的粗糙度、表面粗糙度等，使其表面进一步得到改善，从而提高涂层膜的性能。
此外，磁控溅射技术具有操作简单、速度快、改善特性及低成本等优势。
磁控溅射技术的应用磁控溅射技术在当今社会的应用十分广泛，它可以用于制造射频集成电路、宽带光缆、光学组件等电子元件，以及滤光片、反光镜、薄膜开关等光电子器件等。
此外，磁控溅射技术还可用于制造高性能的压电器件、高性能的催化剂和特殊材料等。
磁控溅射技术还可以用于核壳结构和整体结构的复合材料涂层，以及空间舱体、大型塔台等涂装，使其具备良好的抗腐蚀性、绝缘性以及机械特性等特性。
结论磁控溅射技术是一种物理沉积技术，其原理是形成一种电磁场作用于放电管，使其出现高电荷状态，然后形成加速离子，最后将其射向待涂层物体表面，从而形成薄膜。
磁控溅射技术具有生产高精度涂层、良好的表面粗糙度，改善特性及低成本等优势，在光学、电子、机械设备、制药设备以及光通信领域有着广泛的应用，是一项重要的技术。
3.1磁控溅射
原理示意图
磁控溅射镀膜是指将涂层材料做为靶阴极，利用氩离子轰击靶材， 产生阴极溅射，把靶材原子溅射到工件上形成沉积层的一种镀膜技 术。
二、溅射装置
直流溅射(DC sputtering)
1.阴极（靶) 2.阳极（基片） 3.真空室 4.进气口 5.真空抽气系 统 6.高压电源 （DC）
距离与速度及附着力
• 为了得到最大的沉积速率并提高膜层的附着力，在保证不会破
坏辉光放电自身的前提下基片应当尽可能放置在离阴极最近的 地方。溅射粒子和气体分子(及离子)的平均自由程也会在其中发 挥作用。当增加基片与阴极之间的距离，碰撞的几率也会增加， 这样溅射粒子到达基片时所具有的能力就会减少。所以，为了 得到最大的沉积速率和最好的附着力，基片必须尽可能地放置 在靠近阴极的位置上
气体压强
将气体压强降低到某一点可以提高离子的平均自由程、进而使更 多的离子具有足够的能量去撞击阴极以便将粒子轰击出来，也就 是提高溅射速率。超过该点之后，由于参与碰撞的分子过少则会 导致离化量减少，使得溅射速率发生下降。如果气压过低，等离 子体就会熄灭同时溅射停止。提高气体压强可提高离化率，但是 也就降低了溅射原子的平均自由程，这也可以降低溅射速率。能 够得到最大沉积速率的气体压强范围非常狭窄。如果进行的是反 应溅射，由于它会不断消耗，所以为了维持均匀的沉积速率，必 须按照适当的速度补充新的反应气体。
系统参数
工艺会受到很多参数的影响。其中些是可以在工艺运行期间改变 和控制的；而另外一些则虽然是固定的，但是一般在工艺运行前 可以在一定范围内进行控制。两个重要的固定参数是：靶结构和 磁场。
靶结构
每个单独的靶都具有其自身的内部结构和颗粒方向。由于内部结构的不同，两 个看起来完全相同的靶材可能会出现迥然不同的溅射速率。在镀膜操作中，如 果采用了新的或不同的靶，应当特别注意这一点。如果所有的靶材块在加工期 间具有相似的结构，调节电源，根据需要提高或降低功率可以对它进行补偿。 在一套靶中，由于颗粒结构不同，也会产生不同的溅射速率。加工过程会造成 靶材内部结构的差异，所以即使是相同合金成分的靶材也会存在溅射速率的差 异因
磁控溅射
溅射镀膜表面工程是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性技术、处理技术和涂覆技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。
表面工程师改善机械零件、电子电器元件基质材料表面性能的一门科学和技术。
对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持续地进行；对于电子电器元件，表面工程主要用于提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能，以保证现代电子产品容量大、传输快、体积小、高转换率、高可靠性；对于机电产品的包装及工艺品，表面工程主要用于提高表面的耐蚀性和美观性，以实现机电产品优异性能、艺术造型与炫丽外表的完美结合；对生物医学材料，表面工程主要用于提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性，以保证患者的健康并提高生活质量。
表面工程以各种表面技术为基础。
通常表面工程技术分三类，即表面改性、表面处理和表面涂覆技术。
随着表面工程技术的发展，又出现了复合表面工程技术和纳米表面工程技术。
本文将着重介绍溅射镀膜技术。
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，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；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。
溅射是在辉光放电中产生的，因此，辉光放电是溅射的基础。
辉光放电是在真空度约为10-1 Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。
在一定气压下，当阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电。
一般，在5-30 MHz的射频溅射频率下，将产生射频放电。
射频辉光放电有两个重要的特征：第一，在辉光放电空间产生的电子获得了足够的能量，足以产生碰撞电离。
磁控溅射原理详细介绍课件
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控制系统
用于控制溅射过程， 包括真空度、电流、 电压等参数的监测和 控制。
磁控溅射的工作原理
气体放电
在真空室内，通过施加 高压电场，使气体产生 电离，产生等离子体。
粒子轰击
等离子体中的离子在电 场作用下加速飞向阴极 靶材，对靶材表面进行
轰击。
溅射
轰击导致靶材表面原子 或分子从表面射出，形
成溅射粒子。
沉积
溅射粒子在基片上沉积 形成薄膜。
磁控溅射的优缺点
高沉积速率
由于高密度的等离子体，使得溅射速 率较高。
低温沉积
可在较低的温度下实现沉积，适用于 某些热敏材料。
磁控溅射的优缺点
• 广泛的应用范围：可应用于金属、非金属、化合物等多种 材料的沉积。
磁控溅射的优缺点
需要高真空环境
需要建立高真空环境，增加了设备成本和运行成本。
特性
高沉积速率、低基材温度、高附着力、大面积成膜等。
磁控溅射的物理过程
气体放电
在阴极和阳极之间施加高压直 流电或射频电场，使气体产生 电离产生等离子体。
靶材溅射
高速离子轰击靶材表面，将靶 材原子从表面溅射出来。
真空环境建立
通过机械泵和分子泵等设备将 真空室内气压降低到10^-5Pa 以下。
磁场控制电子运动
工作气体
选择适当的工作气体，如氩气、氮气等，以 获得所需的薄膜性能。
薄膜结构与性能表征
成分分析
通过光谱分析技术确定薄膜的元素组 成。
晶体结构
采用X射线衍射技术分析薄膜的晶体 结构。
表面形貌
通过扫描电子显微镜视察薄膜的表面 形貌。
物理性能
测量薄膜的硬度、弹性模量、热导率 等物理性能。
磁控溅射
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、反应溅射与中频溅射
反应溅射原理
❖ 溅射过程中加入活性气体，制备成分与特性可 控的化合物薄膜
❖ 反应在哪里进行？
▪ 真空室空间？
▪ 能量守恒定律 能进行反应
化学反应能量释放 空间不可
▪ 反应在表面进行：基片表面、靶表面
反应溅射原理
❖ 优点
▪ 可使用高纯金属靶与高纯气体制备高纯度化合物薄膜， 避免制备化合物靶材带来的困难
1:4~1:8 ▪ 频率 10 kHz
直流反应溅射缺陷
❖ 靶面“中毒”与打火
▪ 靶面上形成了绝缘性的化合 物薄膜 绝缘膜上正电荷 积累 绝缘膜被击穿 溅射空间出现高电流低电 压的弧光放电 “打火” 镀膜过程不稳定和中断
▪ 打火 靶面局部熔化 喷射 薄膜缺陷增多 质量下降
▪ 靶面受损 使用寿命减少
❖ 阳极消失 ❖ 成膜速率低
❖电子漂移沿着同时垂 直 于 E⊥ 和 B 的 方 向 ， 即E×B方向，电子加 速同时旋转
带电粒子在复合电磁场中的运动
❖ 静态开始运动的电子， 在均匀且相互垂直的E 和B场中运动轨迹为摆 线。
同轴圆柱面磁控溅射
同轴圆柱面磁控溅射平面磁控溅射来自平面磁控溅射目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
❖ 中频溅射 ▪ 直流反应溅射的缺陷 ▪ 中频溅射原理 ▪ 中频溅射工艺参数
中频溅射
❖ 孪生靶磁控溅射(TwinMag) ❖ 双靶磁控溅射(Dual Magnetron Sputtering)
目录
❖ 磁控溅射 ▪ 基本原理与特点 ▪ 磁控溅射类型
❖ 反应溅射 ▪ 化合物薄膜 ▪ 反应溅射原理 ▪ 反应溅射工艺参数
磁控溅射
12
上善若水 编辑
溅射
6 直流磁控溅射与交流磁控溅射原理
（2）交流磁控溅射
在交流(磁控)溅射当中，两个靶材互相交替为阴阳极，从而避免了靶表 面电荷的积累。当交流脉冲频率大于36KHz时，靶面丌再有放电的电弧斑点。 交流(磁控)溅射一般分为中频(磁控)溅射和射频(磁控)溅射，中频(磁控)溅射 的频率一般为40-80KHz，我国的射频(磁控)溅射的频率为13.56MHz。 中频(磁控)溅射的靶材必须是半导体戒导体，射频(磁控)溅射的靶材可以 是绝缘体
氩气是一种无色、无味的惰性气体， 分子量39.938 ，分子式为 Ar ，在标准 状态下，其密度为 1.784kg/m3。 其沸点为-185.7℃。 在科研和工业生产中，通常用灰色钢瓶 盛装氩气
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8
上善若水 编辑
溅射
4 合金与反应溅射
溅射中使用的气体可以分成两大类：工作气体和反应气体。 工作气体为氩气（Ar），反应气体则包括氧气（O2）和氮气（N2）。 些材料以及合金戒多戒少地会不反应气体（特别是氮气）发生反应。氩气 的化学活性非常低，可以说在溅射期间基本上丌会不靶材发生反应。 所以如果在氩气环境中溅射钛靶（Ti），就可以沉积出一个纯金属的钛 膜层。相反，如果充入氧气等活性气体在溅射期间它就会不钛材料发生反 应，从而得到氧化钛(TiO2)的氧化膜。（Ti+O2→ TiO2 ） 当在镀膜室体充入氮气的时候，氮气就会不钛等材料发生反应而生成氮化 钛（TiNx）。（Ti+N2→ TiNx ） 丌过，对于某些材料（如丌锈钢），它基本上丌会不其发生反应。 气体的种类、流速以及分压都会影响最终得到的溅射膜层是金属、氧化物 还是氮化物。它们也相应地会影响到膜层的颜色、透过率、反射率、光线 吸收率、耐久性以及不基片的附着力等特性。
磁控溅射原理课件
高速荷能粒子轰击固体靶材表面，使固体原子或分子从表面射出并沉积在基底表面，形成薄 膜。
磁控溅射技术的应用领域
01
02
03
04
05
磁控溅射技术在光学、 电子、机械、生物医学 等领域得到广泛应用。
射频磁控溅射设备
适用于镀制高纯度薄膜和特殊材料镀 膜。
磁控溅射系统的特点
高沉积速率
通过磁场控制电子的运动，提高离子 的能量和密度，从而实现高速溅射镀 膜。
高薄膜质量
由于高离子密度和低沉积温度，可以 获得高质量、致密、附着力强的薄膜 。
广泛的应用范围
适用于各种金属、非金属材料和复合 材料的镀膜，可制备多种功能薄膜和 装饰薄膜。
2023-2026
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磁控溅射原理课件
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CATALOGUE
目 录
• 磁控溅射原理简介 • 磁控溅射设备与系统 • 磁控溅射工艺参数 • 磁控溅射镀膜的质量控制 • 磁控溅射技术的发展趋势与展望
PART 01
磁控溅射原理简介
磁控溅射技术的定义
磁控溅射技术是一种物理气相沉积（PVD）技术，利用磁场 控制下的高速荷能粒子轰击固体表面，使固体原子或分子从 表面射出并沉积在基底表面，形成薄膜。
在光学领域，利用磁控 溅射技术制备的高质量 薄膜具有高反射率、高 透过率、低散射等特点 ，广泛应用于光学元件 、太阳能集热器等领域 。
在电子领域，利用磁控 溅射技术制备的导电膜 、绝缘膜、介质膜等具 有低电阻、低介电常数 、高硬度和附着力等特 点，广泛应用于集成电 路、微电子器件等领域 。
磁控溅射原理1
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
➢中频（MF）磁控溅射
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TwinMag II
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
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➢中频（MF）磁控溅射
一种典型的平面矩形靶
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
5-溅射靶 6-磁力线 7-电场
8-挡板
9-匹配网络
10-电源
11-射频发生器
射频溅射不适于工业生产应用 。
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
➢直流（DC）磁控溅射
ⅰ. 直流磁控溅射的特点
直流磁控溅射装置图与射频磁 控溅射装置图相比，其不需要外部 复杂的网络匹配装置和昂贵的射频 电源装置，适合溅射导体或者半导 体材料。现已经在工业上大量使用 。
• 基片温度 ～200C
• 工作电压
• 工作功率密度
• 厚度～500~1000nm
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
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➢前、背电极ZAO工艺参数
制备方法的选择：采用MF溅射锌铝合金旋转靶材
工艺参数： • 本底真空4×10-4Pa
• 工作气压～2.0Pa
• 基片温度 ～200C
• 金属靶表面不断与反应气体（ O2 等）生成化合物覆盖层从 而使溅射速率大幅度下降甚至不溅射，称之为靶中毒。
• 过多的反应气体（O2等)使金属靶材表面被氧化。 • 任何不稳定因素（如：电弧）都能破坏系统的平衡，导致
靶中毒。 • 在直流溅射中要非常注意溅射参数的控制。 • 使用射频磁控溅射可解决靶中毒问题。 • 使用中频磁控溅射可杜绝靶中毒问题。
磁控溅射
2.2.1.溅射原理溅射法沉积薄膜是物理气相沉积的一种，它利用荷电的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向预溅射的靶电极，在入射离子能量合适的情况下，将靶表面的原子溅射出来。
这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上沉积薄膜。
溅射有两条最基本的特点：一是由辉光放电提供的高能离子或中性原子碰撞靶材表面，将其动量传递给靶材；二是动量传递导致某些粒子从靶表面溅射出来。
离子轰击靶表面时除了会击出靶材原子外还会击出电子，即二次电子，这些电子在电场中加速后，与气体原子或分子碰撞，使其电离，从而使等离子体得以维持。
在溅射的过程中通入少量的活性气体，使它与溅射出的靶原子在衬底上反应形成化合物薄膜，称为反应溅射。
对于一般的溅射沉积方法具有两个缺点：第一，薄膜的沉积速率较低；第二，溅射所需的工作气压较高，如果工作气压低于1.3 Pa，电子的平均自由程太长，没有足够的离化碰撞，自持放电很难维持。
作为薄膜沉积的一种技术，自持放电最严重的缺陷是用于产生放电的惰性气体对所沉积薄膜构成的污染。
一般溅射的效率一般不高，为了提高溅射效率，就需要增加气体的离化效率。
因为溅射用于轰击靶材的离子来源于等离子体，提高溅射镀膜速率的关键在于如何提高等离子体的密度或电离度，以降低气体放电的阻抗从而在相同的放电功率下获得更大的电流，即获得更多的离子以轰击靶材。
提高等离子体的密度或电离度的关键在于如何充分利用电子的能量，使其最大限度地用于电离。
图2.1磁控溅射系统示意图在普通溅射系统的基础上增加一个发射电子的热阴极和一个辅助阳极，构成三极(或称四极)溅射系统。
由于热阴极发射电子的能力较强，因而放电气压可以维持在较低的水平上，这对于提高沉积速率、减少气体杂质污染都是有利的。
但是这种三极(或称四极)溅射的缺点是难以获得大面积且分布均匀的等离子体，且其提高薄膜沉积速率的能力有限，因而这一方法未获得广泛使用。
磁控溅射法
磁控溅射法
磁控溅射法是一种物理学术语，又称磁控溅射质谱（MS）技术，
它是一种用于离子密度分析和分子数量分析的常用技术。
它能够将原
始样品加热分解成原子和分子，通过磁场加速器将其加速到电离态，
然后将其分解得到原子和分子，并用特定的化学反应来生成合成的化
合物。
磁控溅射法的研究应用可以追溯到上世纪六十年代，但它目前
仍然是一种很重要的分析技术。
使用这种技术，可以获得质谱中质量数据和活性数据，用于分析
和诊断样本中的特定分子。
通常，为了获得有用的信息，研究者设置
了特定的实验参数，用来控制离子的强度，频率，磁场的强度等因素，这些参数直接影响结果的准确性和可靠性。
同样，对于特定的化学反应，需要使用正确的参数去激发和操纵结构动力学，也可以为研究者
提供正确的结果。
磁控溅射技术能够获得原子和分子的高分辨率质谱数据，从而为
研究者提供有效的信息。
它被广泛应用于生物医学研究，分子生物学
研究，分析化学研究，物质特征描述和药物发现等多个领域，并已经
取得了重要的应用和成果。
同时，磁控溅射微量质谱也常用于质量控
制和定量分析，以及结构识别和鉴定物质的分子组成等诸多功能，这
些功能的使用也得到了持续的发展。
磁控溅射
磁控溅射1、磁控溅射仪器介绍：2、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，使表面粒子的能量高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材,，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Ar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。
一般溅射镀膜的最大缺点是溅射速率较低和电子使基片温度升高。
而磁控溅射正好弥补了这一缺点。
磁控溅射法
溅射法是薄膜物理气相沉积的一种方法，他利用带有电荷的离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靶电极。
在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子碰撞过程中使后者溅射出来。
这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。
物质的磁控溅射现象：溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量能动量的转换，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。
它与入射离子能量，入射离子种类和被溅射物质种类以及离子入射角度有关。
一般来说，只有当入射离子的能量超过一定的阀值以后，才会出现被溅射物质的溅射。
大部分的金属的溅射阀值在10~40ev之间，每种物质的溅射阀值与入射离子的种类关系不大，但与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。
随着入射离子能量的增加，溅射出来的原子数与入射离子之比（溅射产额）先是提高，其后在离子能量达到10kev左右的时候趋于平缓。
当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。
在一定加速电压和一定离子入射情况下，各种元素的溅射产额随元素外层d电子数的增加而增加，因而Cu，Ag，Au等元素的溅射产额明显高于Ti，Zr,Nb,Mo,W等元素的溅射产额。
使用惰性气体作为入射离子时，溅射产额较高。
由于经济性上的原因，在大多数情况下，均采用Ar离子作为溅射沉积时的入射离子。
磁控溅射：溅射法使用的靶材可根据材质分为纯金属，合金及各种化合物。
主要溅射方法有直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射。
这里主要介绍磁控溅射方法。
速度为v的电子在电场E和磁感应强度为B的磁场中将受到洛伦兹的作用：F=-q（E+v*B）其中q为电子电量。
当电场与磁场同时存在的时候，若E，B,v三者互相平行，则电子的轨迹仍是一条直线：但若v具有与B垂直的分量的话，电子的运动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，提高了他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寂的速率。
磁控溅射
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。
陶瓷磁控溅射
陶瓷磁控溅射陶瓷磁控溅射是一种表面处理技术，它可以在陶瓷表面形成一层薄膜，具有优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能。
以下是对陶瓷磁控溅射的详细回答：一、什么是陶瓷磁控溅射陶瓷磁控溅射是一种利用磁控溅射技术在陶瓷表面形成一层薄膜的表面处理技术。
磁控溅射是一种利用高速离子轰击材料表面，使其溅射出物质形成薄膜的技术，其优点是可以在低温下制备高质量的薄膜。
二、陶瓷磁控溅射的原理是什么陶瓷磁控溅射的原理是利用高速离子轰击陶瓷材料表面，使其表面原子或分子溅射出来，形成一层薄膜。
在磁控溅射过程中，先将陶瓷材料放置在真空室中，通过加热或者电子束激发，将陶瓷材料表面的原子或分子激发成离子，然后在磁场的作用下，将离子加速并轰击到目标材料表面，使其表面原子或分子溅射出来，最终在基底上形成一层薄膜。
三、陶瓷磁控溅射的应用领域有哪些陶瓷磁控溅射的应用领域非常广泛，主要包括：1. 电子学领域：陶瓷磁控溅射可以制备高质量的电子器件，如晶体管、集成电路等。
2. 光学领域：陶瓷磁控溅射可以制备高质量的光学薄膜，如反射镜、透镜等。
3. 机械领域：陶瓷磁控溅射可以制备高硬度、高耐磨的涂层，用于机械零件的表面保护。
4. 医疗领域：陶瓷磁控溅射可以制备生物相容性好的材料，如人工骨骼、人工关节等。
四、陶瓷磁控溅射的优点和缺点是什么陶瓷磁控溅射的优点包括：1. 可以制备高质量、高纯度的薄膜。
2. 可以在低温下制备薄膜，不会破坏基底材料的性能。
3. 能够制备出具有优异性能的薄膜，如高硬度、高耐磨、高耐腐蚀等。
陶瓷磁控溅射的缺点包括：1. 制备过程比较复杂，需要高真空条件和专业的设备。
2. 制备速度比较慢，生产成本较高。
3. 对于大型工件，制备难度较大。
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1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板 9-匹配网络 10-电源 11-射频发生器
直流（DC）磁控溅射
直流磁控溅射装置图 与射频磁控溅射装置图相 比，其不需要外部复杂的 网络匹配装置和昂贵的射 频电源装置，适合溅射导 体或者半导体材料。现已 经在工业上大量使用。
溅射的基本原理
• 溅射法是利用气体辉光放电过程中产生的正离 子与靶材料的表面原子之间的能量和动量交换， 把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的淀积。
磁控溅射原理
一般溅射： 溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量 和动量交换的过程。 电子在电场的作用下加 速飞向基片的过程中与Ar原 子发生碰撞，电离出大量的 Ar离子和电子，电子飞向基 片，在此过程中不断和Ar原 子碰撞，产生更多的Ar离子 和电子。Ar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。
右图为射频磁控溅射 实验装置示意图。
•
在一定气压下，在阴阳极 之间施加交流电压，当其频率 增高到射频频率时即可产生稳 定的射频辉光放电。 • 射频辉光放电在辉光放电 空间中电子震荡足以产生电离 碰撞的能量，所以减小了放电 对二次电子的依赖，并且能有 效降低击穿电压。射频电压可 以穿过任何种类的阻抗，所以 电极就不再要求是导电体，可 以溅射任何材料，因此射频辉 光放电广泛用于介质的溅射。
开始生长
• 开气瓶，开腔体上的Ar充气阀，开流量计MFC2 （15ml/min），关时顺序相反。 • 开射频源ON，调节功率和自偏压，使功率在 180W，尽量将自偏压调到最小。 • 开挡板，通过调节分子泵手动阀保持气压在 3.5Pa，调节射频源保持功率在180W。 • 按需要开触摸屏中的4个按钮，第一个为样品托 旋转，第二个为加热，第三个为灯 • 将靶材打上一段时间后，手动开片子下的挡板， 开始生长。
基片 e E Ar e + Ar+ + Ar+ e 靶材
V (<0)
磁控溅射原理
电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：
•
电子与Ar原子碰撞几率低，Ar离子密度偏低，溅射效率 低，成膜速度慢 • 电子运动路径短，轰击在基片上速度快，导致基片温度 升高。
磁控溅射原理
•
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，并在磁场的 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。
磁控溅射设备原理与操作
大连光电研发中心 2011年9月
溅射简介
• “溅射”这一物理现象是1852年英国物理学家 格罗夫(William Robert Grove)在气体放电实验中发 现的。但由于早年用的直流溅射有许多缺，故长 期未能得到应有的发展。直到本世纪50年代中期， 随着科学技术的发展，特别是高技术对优质功能材 料薄膜的需要，溅射工艺才得到不断的发展和改进 。
抽真空
• • • •
开机械泵（控制箱上通过触屏完成） 开预抽阀 开腔体上的机械泵手动阀8~10圈（第一圈不算） 待流量计示数到2~4Pa时，关机械泵手动阀，关 预抽阀，开前级阀，大约30~60S后，再开分子泵 。待转数到90后，开分子泵手动阀（有摇杆的那 个），先开4圈，待气压降到10-2后，在开20圈， 同时开射频源La开关预热（5~10分钟），待气压 降到10-4后，将分子泵手动阀顺时针旋转23圈（ 使分子泵还剩一圈或半圈）
• 2.如何开启真空罩、关闭真空罩（操作）
开循环水->开总电源->开真空计->开通气阀->待真空计示数显示为标 准大气压时按操作台上上升键->关闭通气阀->按操作台上下降键
谢 谢 ！
1-磁极 2-屏蔽罩 4-基片加热装置 6-磁力线 7-电场 3-基片 5-溅射靶 8-挡板
•
本实验室使用的JICK-450高真空多功能磁控溅射镀膜设备
•
操作流程
• •
• • • • • • 启动系统与装片 先开总电源（墙上最左边） 开循环水（逆时针开，顺时针关，确保循环水的两个阀 门都打开） 开控制箱上六个电源（顺序由下到上，不需要的可以不 开） 充气（逆时针旋转墙体上的通气阀，待气压计计显示为 标准大气压） 开真空罩 装靶材和片子，关通气阀（装靶材时用万用表检测：靶 材与基座应该导通，靶材与保护罩应该近似绝缘） 关真空罩 关两个充气阀
注意事项
• 1.开系统前确定循环水已经打开。 • 2.开分子泵前，保证通气阀、机械泵手动 阀、Ar通气阀处于关闭状态。 • 3.关闭射频源时，确定已经将射频功率调 零 • 4.流程中给出的Ar气流量、射频功率、生 长压力为生长ZnO时的参考值
题目
• 1.说明磁控溅射原理
溅射法是利用气体辉光放电过程中产生的正离子与靶材料的表面 原子之间的能量交换，把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的淀积。 磁控溅射是在一般溅射法的基础上，于靶材料下方装上磁性材料 ，通过磁场约束电子的运动，延长电子的运动路径，提高电子碰撞Ar 原子的几率，进而提高溅射速率。另外电子能量耗尽时才会落在基片 上，使基片温度上升缓慢。
磁控溅射原理
• 电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加，提高溅 射效率。
• 电子只有在其能量将耗尽时才会落到基片上，基片温 度上升慢。
影响溅射效率的因素
• 磁场分布
• 工作气压
• 工作电压
• 溅射功率 • 靶基距
磁控溅射的分类
• 射频（RF）磁控溅射
• 直流（DC）磁控溅射
射频（RF）磁控溅射
关闭系统
• 生长完成后，先关手动挡板，关射频源(先将功率 调零->off->开关)，关靶材挡板，关旋转，关分子 泵手动阀，关分子泵，关气（与开气顺序相反） • 待分子泵转数降下来后，关前级阀，关机械泵 • 充气到10-5Pa，取片 • 关升降，用机械泵抽真空到4Pa以下 • 关机械泵 • 关电源及循环水