磁控溅射

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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。

磁控溅射原理详细介绍课件

种材料的溅射。
氮气（N2）
常与氩气混合使用，用于增加薄膜的硬度和抗氧化性。
氧气（O2）
用于形成氧化物薄膜，如TiO2 和Al2O3。
选择原则
根据被溅射材料和所需薄膜性质选择合适的工作气体。
溅射功率与控制
01
02
03
溅射功率
指用于产生溅射的功率，通常以辉光放电的形式提供。
控制方法
通过调节辉光放电的电流或电压来控制溅射功率。
03
放电的物理过程
放电过程中，气体分子在电场中被电离，产生带电粒子，这些带电粒子
在电场中加速运动，与气体分子发生碰撞，使气体分子激发和电离，形
成电子和离子的雪崩效应。
粒子运动与碰撞
带电粒子的运动
在电场中，带电粒子受到电场力的作用，沿着电场线方向加速运
动。
粒子的碰撞
带电粒子在运动过程中与气体分子发生碰撞，将动能传递给气体分子，使气体分子获得足够的能量以克服束缚力，从原子或分子
磁控溅射原理详细介绍课件
目录
• 磁控溅射原理概述 • 磁控溅射装置与工作原理 • 磁控溅射的物理基础 • 磁控溅射技术参数与控制 • 磁控溅射沉积薄膜性能优化 • 磁控溅射研究前沿与展望
01
磁控溅射原理概述
定义与特性
定义
磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过在真空环境下利用磁场控制电子运动，实现高速离子轰击靶材表面，将靶材原子溅射出来并沉积在基材表面形成薄膜。
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。

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。

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。

磁控溅射

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。

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

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。

磁控溅射技术

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

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

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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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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

磁场的作用是控制电子的运动轨迹，使其在磁场的作用下做圆周运动或螺旋运动，增加与气体分子的碰撞概率，提高电离效率。
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
REPORTING
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

让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
三种磁控溅射对比
23
DC
MF
RF
电源价格
便宜
一般
昂贵
靶材
圆靶/矩形靶平面靶/旋转靶实验室一般用圆平面靶
靶材材质要求
导体
无限制
无限制
抵御靶中毒能力
弱
强
强
靶材利用率
15％ / 30％
30％ / 70％
应用
金属
金属/化合物工业上不采用此法
易打弧，不稳定工作稳定，
在反应溅射中要严格无打弧现象，控制反应气体流量溅射速率快
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
Al背电极工艺参数
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制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶
工艺参数： • 本底真空2~3×10-3Pa
• 工作气压～0.3~0.6 Pa
射频辉光放电
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。
815－TCO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
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磁控溅射原理磁控溅射分类直流平面靶溅镀Al电极中频旋转靶溅镀ZAO和ITO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible

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。

磁控溅射的基本原理

磁控溅射的基本原理
磁控溅射是一种常用的表面涂层技术，其基本原理是利用磁场控制金属靶材的粒子运动，使其与气体离子发生碰撞，从而产生溅射现象。

具体来说，磁控溅射系统通常由以下几个组件构成：金属靶材、磁控源、工作气体、基底材料和真空腔体。

首先，靶材作为溅射的源头，通常是由所需涂层材料制成。

磁控源则通过施加磁场，使靶材表面的金属原子形成粒子流，这个粒子流称为溅射束。

施加磁场的目的是聚焦和加速溅射粒子，提高溅射效率。

然后，工作气体被引入真空腔体中，并与磁控源产生的溅射束发生碰撞。

这个工作气体通常是惰性气体，如氩气，它的作用是激发靶材表面的金属原子，并将其释放到气氛中。

释放的金属原子很快与基底材料表面的原子结合，形成所需的涂层。

基底材料可以是任何需要被涂层的物体表面，如金属件、玻璃器皿等。

通过控制溅射时间和气氛控制等参数，可以调节涂层的厚度和质量。

总的来说，磁控溅射的基本原理是利用磁场控制金属靶材的溅射束，使其与工作气体发生碰撞并释放金属原子，从而形成涂层。

这一技术在材料加工、光学涂层、硬质涂层等领域有着广泛的应用。