磁控溅射
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
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
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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。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理
磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，它利用磁场控制等离子
体中的离子运动，从而实现对靶材的溅射和沉积。
磁控溅射工作原
理主要包括离子轰击、溅射、沉积等过程。
下面将详细介绍磁控溅
射的工作原理。
首先，当工作气体（通常是惰性气体，如氩气）被加热并注入
到真空室中时，气体分子会与电子发生碰撞，从而产生等离子体。
接着，通过在靶材表面施加负电压，离子在电场的作用下加速并轰
击靶材表面，使得靶材表面的原子被击出。
这个过程称为离子轰击。
随后，通过在真空室中设置磁场，可以将离子束聚集并限制在
靶材表面附近，从而增加溅射效率。
在磁场的作用下，离子的轨迹
会呈螺旋状，这样可以使得离子更多地击中靶材表面，并提高溅射
效率。
同时，磁场还可以帮助维持等离子体的稳定性，防止等离子
体扩散到其他区域。
最后，被击出的靶材原子在气体的作用下沉积到基板表面，形
成薄膜。
在沉积过程中，通过控制基板的温度和离子轰击的能量，
可以调控薄膜的结构和性能。
此外，通过改变靶材的成分和形状，
还可以实现对薄膜成分和形貌的调控。
总的来说，磁控溅射工作原理是通过控制离子轰击和溅射过程，实现对薄膜沉积的精确控制。
磁场的作用使得离子束聚集并稳定，
从而提高了溅射效率和沉积质量。
因此，磁控溅射在材料科学和工
程领域有着广泛的应用前景，可以制备出具有特定结构和性能的功
能薄膜材料。
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。
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。
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.ppt
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。
速度为v的电子在电场E和磁感强度为B
的磁场中将受到洛仑兹力的作用：
F e( E v B )
电荷在均匀电磁场中运动
镜像磁场磁力线分布示意图
地球本身磁场的分布也属于镜像场，在外层空间运 动的带电粒子进入地球磁场影响范围后, 将绕地磁感 应线做变幅螺旋运动, 在两极间来回振荡, 形成有名 的范· 阿伦辐射带即地球大气层中的电离层 。 有时范· 阿伦辐射带中的带电粒子因空间磁场的变化 而在两极附近进入地球大气层，引起极光。
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 优点 基片上获得厚度均匀的薄膜。 对于任何材料，只要能做成靶材，就可实现溅射； 溅射所获得的薄膜与基片结合较好； 溅射所获得的薄膜纯度较高，致密性好；
缺点 它的沉积速率低，基片温升高
易受杂质气体影响
二、溅射装置
2.1 直流溅射(DC sputtering)
+
假设t= 0 时电子位于坐标原点并且初速 为零， E、B均为常数， 该方程的解为
运动轨迹为在YOZ 平面内沿Z 轴平行前 进的摆线
电荷在非均匀电磁场中运动
电荷在非均匀磁场中运动除了受到洛伦兹力外,还 要受到一个由于磁场的空间分布不均匀性而引起的磁 阻力
F m a q E ( x, y , z ) q v B( x, y , z ) B( x, y , z )
溅射率和离子能量的关系
Cu膜溅射蒸发速度对粒子数的 分布曲线
磁控溅射
12
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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
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。
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磁控溅射原理课件
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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
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
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
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。
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
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
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本实验室使用的JICK-450高真空多功能磁控溅射镀膜设备
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操作流程
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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（Magnetron Sputtering）是一种常用的薄膜沉积技术，它利用磁场作用下带电粒子与靶材表面碰撞的原理，将靶材上的原子或分子从靶材表面剥离，并沉积在基板上，形成所需厚度的薄膜。
下面将详细介绍磁控溅射的基本原理。
磁控溅射的基本原理可以分为三个过程：离子的生成，离子的传递和离子的沉积。
首先是离子的生成。
在磁控溅射的装置中，有一个靶材和一个被溅射物质传递靶表面的惰性气体（如氩气）的环境。
当引入氩气后，通过高频或直流的电压，靶材上的电子和离开靶材的惰性气体分子相互碰撞，产生等离子体。
在等离子体中，极少数氩气离子经过碰撞获得足够的能量，径直飞向靶材表面，并撞击靶材表面的原子或分子。
接下来是离子的传递。
在磁控溅射的装置中，靶材和基板之间存在一个较大的电势差，离开靶材的离子被电场加速，并通过磁场的约束，在磁场中做环状运动。
这个磁场通常由两组磁铁产生，其中一组产生定向的磁场，另一组产生短距离的磁场。
定向的磁场使离子在垂直于靶表面的方向上形成拉平的运动轨迹，而短距离的磁场使离子在平面上做环状运动。
这样，离子在磁控溅射装置中可以延长从靶材到基板的传输时间，增加碰撞次数，提高沉积效率。
最后是离子的沉积。
离子在经过磁场约束后，到达基板表面。
由于离子的能量较高，当离子与基板表面的原子或分子相碰撞时，会将靶材上的原子或分子剥离并沉积在基片上，形成薄膜。
同时，由于基板表面上的原子或分子还存在较高的热振动能量，使得沉积的原子或分子可以有效地扩散到基板的表面，并与其他原子或分子相互结合，形成致密的薄膜结构。
总的来说，磁控溅射的基本原理是利用磁场作用下的离子传输和离子的沉积过程。
通过调节磁场强度、气体压强、靶材和基板的距离等参数，可以控制离子能量和角度等，从而实现对薄膜沉积过程的精确控制。
磁控溅射技术具有高沉积速率、较高的沉积温度、良好的薄膜质量和较好的控制能力等优点，在光电、显示、信息存储和微电子等领域得到了广泛应用。
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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。
(2)第二，磁控靶面具有一定的水平(或等效水平)磁场强度B(大约10mT~100mT)，典型值为30~50mT，最低也要达到10~20 mT(100~200高斯)。
(3)第三，真空腔体内，具有与磁场正交(或等效正交)的电场V，典型值500~700V。
我们通称以上三条为P-B-V条件。
3、磁控溅射离子镀(1)在基体和工件上是否施加(直流或脉冲)负偏压，利用负偏压对离子的吸引和加速作用，是离子镀与其它镀膜类型的一个主要区别。
蒸发镀时基体和工件上加有负偏压就是蒸发离子镀;多弧镀时基体和工件上加有负偏压就是多弧离子镀;磁控溅射时基体和工件上加有负偏压就是磁控溅射离子镀，这是磁控溅射离子镀技术的一个重要特点。
(2)磁控溅射离子镀是把磁控溅射和离子镀结合起来的技术。
在同一个真空腔体内既可实现氩离子对磁控靶材的稳定溅射，又实现了高能靶材离子在基片负偏压作用下到达基片进行轰击、溅射、注入及沉积作用过程。
整个镀膜过程都存在离子对基片和工件表面的轰击，可有效清除基片和工件表面的气体和污物;使成膜过程中，膜层表面始终保持清洁状态。
(3) 磁控溅射离子镀可以在膜-基界面上形成明显的混合过渡层(伪扩散层)，提高膜层附着强度;可以使膜层与工件形成金属间化合物和固熔体，实现材料表面合金化，甚至出现新的晶相结构。
(4)磁控溅射离子镀形成膜层的膜基结合力好、膜层的绕镀性好、膜层组织可控参数多、膜层粒子总体能量高，容易进行反应沉积，可以在较低温度下获得化合物膜层。
(5)磁控溅射离子镀可以消除膜层拄状晶结构，生成均匀的颗粒状晶结构。
4、磁控溅射偏置电压(1)偏置电压的类别：根据磁控溅射基片即工件偏置电压的不同作用，可分为直流负偏压、脉冲负偏压、交流偏压、零偏压与悬浮偏压五个类别。
(2)偏置电压的不同作用在基片上加负偏压后，基-阳极间可产生更大的电场力，可使等离子体中的正离子获得更大的能量和加速度轰击基片和工件;可对从靶材表面被溅射出来的原子或分子团等带电粒子进行某种程度的导向和沉积，绕镀性好;在基片和工件上施加不同的负偏压可以消除基片和工件膜层表面在不同的真空度条件下形成的锥状晶和拄状晶;在工件上施加交流偏压，可以中和绝缘膜层上积累的正电荷，减少和消除工件表面打弧;在工件上施加脉冲偏压，因其占空比可连续调节，可以在一定程度上调节工件表面温升。
基片电位直接影响入射的电子流或离子流。
基片有目的地选择与施加不同的偏压、选择合适的幅值或“占空比”、使其按电的极性接收电子或正离子，不仅可以净化基片，增强薄膜附着力，而且还可以改变薄膜的结晶结构。
基片选用和施加何种偏置电压对溅射、沉积及镀膜的工艺过程和薄膜质量可以产生严重影响。
如果偏压的类别和参数(电流、电压与占空比)选择合适，膜层的品质和性能可以大为改善。
①直流负偏压在基片上加直流负偏压，在基-阳极间可产生更大的电场力，使等离子体中的正离子获得更大的能量和加速度轰击基片和工件;另外，还可以对从靶材表面被溅射出来的原子或分子团等带电离子进行某种程度的导向和沉积。
由于直流负偏压连续无中断，故对基片有一定的加热升温作用。
②脉冲负偏压在基片上加中频脉冲直流负偏压可以改变基片与工件沉积离子束流大小;可以减少基片与工件表面打弧，优化膜层结构，提高膜层附着力;由于占空比可连续调节，可以在一定程度上调节或改变工件表面膜层的温度和加热时间;加中频脉冲负偏压还可以提高各个单脉冲的幅值，提高工件反溅射清洗和镀膜的效果。
加中频脉冲负偏压有利于降低等离子体的内阻，使工作气体离化几率有一定程度的提高。
另外，通过改变中频脉冲直流负偏压数值和占空比大小可以对反应磁控溅射化合物薄膜的颜色及颜色深浅产生影响。
③交流偏压交流偏压分为中频对称双极脉冲偏压、非对称双极脉冲偏压和射频偏置电压几种;因正弦波不存在占空比可调的问题，故正弦波中频偏压与双极矩形脉冲偏压相比优势不明显，实际使用较少。
在工件上施加交流偏压，偏压正负极性来回变换互倒，可以中和绝缘膜层上积累的正电荷，减少和消除工件表面打弧;由于占空比连续可调，可以在一定程度上调节和降低工件表面膜层的温升;特别适合于溅射沉积介质膜层和高品质膜层。
若工件和基体接射频偏置电压，13.56MHZ的高频交流偏压可将工作气体的离花率提高到一个比较高的水平，最后导致靶材离化率的上升和溅射沉积速率的提高;工件和基体接射频偏置电压，可以使溅射沉积膜层光华致密。
但是，如果射频偏置电压过大，轰击靶材离子能量过大，容易造成膜层较大的内应力，导致薄膜的开裂和脱落。
④零偏压与悬浮偏压根据镀膜不同工艺需要，工件和基体可接负极性的直流偏置电压和脉冲直流偏置电压，也可接交流偏置电压(双极脉冲和射频);既可接零电位，也可以悬浮不接(这时基片处于等离子体中自感应偏压值为负十几伏)。
这里需要注意的是两点：第一，零偏置电压，不是没有偏压，不是无的概念;第二，基片悬浮不接任何偏置电压，既不是无偏置电压的概念，又不是零偏置电压的概念。
一般允许耐受温度较低的工件在磁控溅射镀膜时，为了防止工件变形，可以选用“零偏置电压”、“悬浮偏置电压”或选用小占空比低幅值偏置电压。
(3)偏压的两个基本特性不同类别的偏压在镀膜设备的实际使用时，还受到“靶-基距”的共同制约与影响：①恒流型偏压当靶—基距较大，基片位于距靶面较远的弱等离子区内。
其特点是：最初偏流是随负偏压而上升，当负偏压上升到一定程度以后，偏流基本上饱和，处于恒流状态，称为恒流型偏压。
②恒压型偏压“靶-基距”较小，基片位于距靶面较近的强等离子区内;偏流为受正电荷空间分布限制的离子电流。
其特点是：偏流始终随负偏压的上升而上升。
当负偏压上升到一定程度，例如200多伏以后，基本处于恒稳状态，称为恒压型偏压(偏压具体数值与设备的真空条件有关)。
由于“靶-基距”较小，造成基片附近有较高的电子密度，撞击加热基片和工件，致使镀件表面膜层的温度较高。
5、基片与工件的“反溅清洗”(1)将真空金属腔体外壳接地同时接偏压电源输出正极，将基片和工件接偏压电源输出负极，当偏压电源输出的负偏压值足够高，到达的高能离子会将基片和工件表面的原子溅射下来，这种将基材原子溅射下来的过程称为“反溅射”。
反溅射可以在镀件表面形成“伪扩散层”。
可以清除基片和工件表面的氧化层、加工毛刺、油渍和污物，故又称为基片和工件的“反溅清洗”。
(2)基片和工件的“反溅清洗”可以选用500V~1KV左右的直流或单极脉冲电压;反溅完毕，应该将电压改为正常溅射工艺值，达到低温磁控溅射的要求。
(3)除用基片正偏压来轰击清洗真空腔体内的接地构件外，正常溅射镀膜时基片和工件应该避免使用正的偏置电压。
6、基片架设计要求(1)由于基片需要加偏压，一般采用导电金属材料制成。
如果待镀膜的工件是导电材料，只要与基片上的偏压能够连接导电就行了，对基片的机械几何形状无特殊要求。
(2)若待镀膜的工件是玻璃、陶瓷等不导电的绝缘材料，基片架的机械几何形状设计，除了需考虑导电和悬挂、固定工件外，还应考虑如何发挥偏压对金属离子的某种吸引导向作用，兼顾偏压对绝缘材料工件表面薄膜均匀性的影响。
(3)为了兼顾工件表面薄膜的均匀性和多工件镀膜可以一次完成，通常整个基片架设计成旋转式(公转)，各圆拄面或立体面工件局部设计成自旋转(自转)结构。
7、反应磁控溅射以金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极，在溅射过程中或在基片表面沉积成膜过程中与通入的少量反应气体( 氧、氮、碳氢化合物等)反应生成化合物薄膜和绝缘薄膜(如氧化物或氮化物)，沉积在工件表面，这就是反应磁控溅射。
可以通过调节反应磁控溅射中的工艺参数来调控薄膜特性。
反应磁控溅射分为直流反应磁控溅射和交流反应磁控溅射两种。
如果溅射采用的是直流(包括纯直流和脉冲直流)靶电源，这就是直流反应磁控溅射;若溅射采用的是交流(对称或非对称双极脉冲、正弦波或射频)靶电源的，就是交流反应磁控溅射;交流反应磁控溅射电压的频率处于10~80KHZ范围的，称为中频反应磁控溅射;若反应磁控溅射电压的频率为工业射频(如13.56MHZ)的,我们称为射频反应磁控溅射。
射频反应磁控溅射一般不反应溅射沉积绝缘薄膜;绝缘材料可用射频靶电源直接溅射，缺点是靶材的溅射沉积速率较低。
在直流反应磁控溅射镀制绝缘薄膜过程中，反应气体容易在磁控靶面和真空金属腔体内壁反应覆盖一层高阻绝缘介质膜层，造成“阳极消失”和“靶中毒”。
阴极靶面的电荷积累,容易引发弧光放电，导致等离子体放电的不稳定和溅射沉积速率的降低，进而影响薄膜的均匀性及重复性，甚至可能造成磁控靶损坏和工件报废。
直流反应磁控溅射除了会产生“靶中毒”、“阳极消失”现象外，还会出现溅射速率与反应气体流量之间“迟滞现象”。
在直流反应磁控溅射中，可以利用等离子发射光谱监测等离子体中的被溅金属粒子含量，调节反应气体流量使等离子体放电电压或电流稳定，从而使溅射沉积稳定进行。