关于磁控溅射基础知识
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
图1 溅射率与Ar气压强的关系
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 €è•þˆ?ŒÊƒ6
(2)沉积薄膜的纯度 (2)沉积薄膜的纯度 为了提高沉积薄膜的纯度，必须尽量减少沉积到基片上的杂质的量。这里所说的杂质主要是指真空 室的残余气体。因为通常有约百分之几的溅射气体分子注入沉积薄膜中，特别是在基片加偏压时。欲降 低残余气体压力，提高薄膜的纯度，可采取提高本底真空度和增加送氢量这两项有效措施。 (3)沉积过程中的污染 (3)沉积过程中的污染 众所周知，在通入溅射气体之前，把真空室内的压强降低到高真空区内是很有必要的，因此原有 工作气体的分压极低。即便如此，仍可存在许多污染源: (a)真空室壁和真空室中的其他零件可能会有吸附气体，如水蒸气和二氧化碳等。由于辉光放电中 电子和离子的轰击作用，这些气体可能重新释出。因此，可能接触辉光的一切表面都必须在沉积过程中 适当冷却，以便使其在沉积的最初几分钟内达到热平衡。 (b)在溅射气压下，扩散泵抽气效力很低，扩散泵油的回流现象十分严重。由于阻尼器各板间的距 离相当于此压强下平均自由程的若干倍，故仅靠阻尼器将不足以阻止这些气体进入真空室。因此，通常 需要在放电区与阻尼器之间进行某种形式的气体调节，例如在系统中利用高真空阀门作为节气阀，即可 轻易地解决这一问题。另外，如果将阻尼器与涡轮分子泵结合起来，代替扩散泵，将会消除这种污染。 (C)基片表面的颗粒物质将会使薄膜产生针孔和形成沉积污染，因此，沉积前应对基片进行彻底清 洗，尽可能保证基片不受污染或不携带微粒状污染物。
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第二部分 溅射及辉光放电
2.2 辉光放电
使真空容器中Ar气的压力保持为，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2(b) 中曲线的开始阶段所示的那样。 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2(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即 碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电 电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤 汤 生放电。 生放电 在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这 时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电 晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电 电晕放电。 电晕放电
磁控溅射（1讲义理论）
磁控溅射（1讲义理论）磁控溅射【实验目的】1、了解磁控溅射基本原理。
2、了解射频磁控溅射仪器构造及使用方法。
3、了解利用射频磁控溅射制备薄膜。
【实验仪器】DHRM-3射频磁控溅射镀膜装置【实验原理】1、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1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Ar2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。
磁控溅射的原理
磁控溅射的原理磁控溅射，是一种高效且具有广泛应用前景的表面处理技术。
它利用高频电磁场，将材料原料加速到高速质点，并使其在惰性气体环境下与基体发生反应，从而形成高品质的薄膜。
该技术广泛应用于电子、光学、能源、化工等领域，成为现今极具发展潜力的表面处理技术之一。
本文将分步骤阐述磁控溅射的原理，以期为读者展现其深刻的技术内涵。
第一步：磁场辅助离子化在磁控溅射技术中，最先需要实现的是材料原料被离子化成正离子，以便它们能够被加速器和磁场进行有效的控制。
为了实现此目标，首先需要在溅射室内建立高频电磁场，使气体离子化。
高频电磁场的存在，可以产生能量足以将材料原料离子化的电子，从而将材料原料转化为离子，并进一步促进形成离子的发射。
第二步：离子加速与反应在使用高频电磁场使材料原料离子化之后，我们需要将离子集中加速，使其在与惰性气体接触时，能够产生反应。
通过饱和溅射材料原料，可以提供足够的离子浓度，从而使离子集中加速，加速质量越大，其运动速度就越快。
通过磁控溅射使材料原料离子化后形成的正离子与惰性气体原子之间碰撞，产生自由电子和离子，自由电子遵从离子的运动轨迹，而离子可以被高频电场加速，以高速撞击到基底生长。
这些离子在撞击基底生长的过程中，会大大提高表面的能量，从而使基底表面的活性物质产生化学反应。
这是磁控溅射技术中最重要的一个步骤。
第三步：薄膜生长与形成在第二步发生的离子加速和反应中，大量的正离子会被撞击到基底表面，以形成一层新的薄膜。
随着磁控溅射的进行和反应密度的增加，薄膜的厚度也随之增加。
而新产生的薄膜将进一步影响溅射条件，影响反应速率，从而改变生成薄膜的属性性质。
总体来看，磁控溅射技术的原理，可以总结为三个基本步骤：磁场辅助离子化、离子加速与反应、薄膜生长与形成。
通过这种技术，我们可以大幅度提高薄膜的质量，使其具有良好的可控性和高度的稳定性。
在未来的革新之中，磁控溅射技术无疑将得到迅速发展，铸就出更为辉煌的篇章。
磁控溅射原理
磁控溅射原理磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、信息存储、显示器件等领域。
磁控溅射原理是指在磁场作用下，通过离子轰击靶材使其表面原子或分子脱离并沉积在基底表面形成薄膜的过程。
本文将从磁控溅射的基本原理、设备结构和工艺特点等方面进行介绍。
首先，磁控溅射的基本原理是利用离子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱离，并沉积在基底表面形成薄膜。
在磁控溅射系统中，通常采用惰性气体（如氩气）作为溅射气体，通过电离产生的离子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱离。
同时，通过外加磁场的作用，使得离子在靶材表面形成螺旋状轨迹，增加了沉积薄膜的均匀性和致密性。
其次，磁控溅射设备通常由真空室、靶材、基底架、溅射源、磁控装置和辅助加热装置等组成。
真空室用于提供高真空环境，保证溅射过程中的稳定性和纯净度；靶材是溅射的原料，可以是金属、合金、化合物等材料；基底架用于放置基底材料，通常需要加热以提高薄膜的结晶度和致密性；溅射源是产生离子的地方，通常采用直流或射频电源产生电弧，将靶材表面的原子或分子脱离；磁控装置用于产生磁场，控制离子轨迹，增加薄膜的均匀性和致密性；辅助加热装置用于提高基底的温度，促进薄膜的结晶生长。
最后，磁控溅射具有工艺简单、成本低、薄膜均匀致密、沉积速率快等特点，广泛应用于半导体器件、光学镀膜、信息存储介质、显示器件等领域。
在半导体工业中，磁控溅射被用于制备金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等，用于制备电极、金属层、光学膜等功能材料。
在光学镀膜领域，磁控溅射被用于制备反射膜、透射膜、滤光膜等，用于改善光学器件的性能。
在信息存储介质领域，磁控溅射被用于制备磁记录介质膜，用于制备磁盘、磁带等存储介质。
在显示器件领域，磁控溅射被用于制备透明导电膜、光学膜、阻挡层等，用于制备液晶显示器、有机发光二极管等显示器件。
总之，磁控溅射作为一种重要的薄膜沉积技术，具有广泛的应用前景和重要的科学研究意义。
随着材料科学和工艺技术的不断发展，磁控溅射技术将在更多领域发挥重要作用，推动相关领域的发展和进步。
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。
磁控溅射仪原理
磁控溅射仪原理磁控溅射仪是一种常用的薄膜制备设备，利用磁场和离子束的作用，将固体材料溅射到基底上，形成薄膜。
它的原理主要包括磁控溅射过程、溅射材料的选择和基底的制备等。
磁控溅射过程是磁控溅射仪的核心原理。
在磁控溅射仪中，首先需要将固体材料放置在溅射靶材上。
然后，在真空室中建立一定的气压，以保证溅射过程中的气体分子不会对靶材和基底产生干扰。
接下来，通过施加磁场，可以将氩离子束引导到靶材的表面。
当氩离子与靶材表面相互碰撞时，会将靶材表面的原子和分子溅射出来，并以高速飞向基底。
最后，这些溅射粒子在基底表面堆积形成一层薄膜。
磁控溅射过程中的磁场起到了至关重要的作用。
磁场的作用是将氩离子束限制在靶材表面的一个区域内，使其只能与靶材表面相互碰撞，而不会飞散到其他地方。
磁场的强弱和方向可以通过调节磁控溅射仪中的磁铁来控制，以适应不同材料的溅射要求。
同时，磁场还可以影响溅射过程中的离子束的能量和轨道，从而控制薄膜的质量和性能。
在选择溅射材料时，需要考虑材料的物理和化学性质，以及薄膜的应用要求。
常用的溅射材料包括金属、氧化物、硅、氮化物等。
不同的材料会对薄膜的结构和性能产生不同的影响。
例如，金属材料可以制备导电性较好的薄膜，氧化物材料可以制备绝缘性较好的薄膜。
此外，还可以通过控制溅射工艺参数，如溅射功率、气体压力和溅射时间等，来调节薄膜的厚度和成分，以满足不同应用的需求。
除了溅射材料的选择，基底的制备也是磁控溅射过程中的重要环节。
基底的表面质量和结构对于薄膜的成长和性能具有重要影响。
在磁控溅射之前，需要对基底进行表面清洗和预处理，以去除表面的杂质和氧化物，并提供良好的溅射条件。
常用的基底材料包括硅、玻璃、金属等。
选择合适的基底材料可以使薄膜与基底之间具有良好的结合和界面性能。
磁控溅射仪通过磁场和离子束的作用，实现了将固体材料溅射到基底上制备薄膜的过程。
磁控溅射仪的原理包括磁控溅射过程、溅射材料的选择和基底的制备等。
磁控溅射的原理和应用
磁控溅射的原理和应用1. 概述磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，通过在真空环境下利用磁控电弧放电，在靶材表面产生等离子体并溅射到基底表面，形成薄膜覆盖层。
本文将介绍磁控溅射的原理和应用。
2. 原理磁控溅射的原理基于磁控电弧放电和溅射现象。
2.1 磁控电弧放电磁控电弧放电是利用磁场将电弧限制在靶材表面的一种放电方式。
它通过施加磁场，使电子在磁场力的作用下做螺旋状的运动，从而形成长度较长的电弧，能够保持稳定的放电状态。
2.2 溅射现象溅射现象是指在电弧放电过程中，高速冲击电子将靶材表面的原子或分子击出，并以原子或离子的形式沉积在基底表面。
这种溅射现象是磁控溅射薄膜制备的基础。
3. 设备和工艺3.1 设备磁控溅射设备主要由真空腔体、靶材、基底台、磁场系统、电极和电源等组成。
真空腔体用于提供真空环境，靶材是溅射源，基底台用于支撑待溅射的基底材料。
3.2 工艺磁控溅射工艺包括电弧放电、离子热化、溅射和沉积等步骤。
首先，通过施加适当的电流和电压，在靶材上形成电弧放电；然后，通过引入反离子束进行离子热化，使靶材表面清洁；接下来，激活靶材表面的原子或离子开始溅射；最后，溅射的原子或离子在基底表面沉积，形成薄膜层。
4. 应用磁控溅射技术在各个领域都有广泛的应用，如下所示：•光学薄膜：磁控溅射技术可用于制备光学薄膜，如反射镜、透镜等。
通过控制溅射参数和靶材的选择，可以调控薄膜的光学性能。
•电子元器件：磁控溅射技术可用于制备电子元器件的金属导电层或绝缘层。
这些薄膜可以提供电子元器件的功能和保护。
•太阳能电池：磁控溅射技术可用于制备太阳能电池的薄膜层。
这些薄膜层可以提高太阳能电池的光吸收和电子传输效率。
•防护涂层：磁控溅射技术可用于制备具有防护功能的涂层。
这些涂层可以提供对外界环境的防腐、防蚀等保护。
5. 总结磁控溅射是一种重要的薄膜制备技术，其原理基于磁控电弧放电和溅射现象。
通过磁控溅射技术，可以制备具有不同性质的薄膜，并在光学、电子、能源等领域得到广泛应用。
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。
磁控溅射法原理
磁控溅射法原理
磁控溅射法是一种常用的薄膜制备技术，它通过利用磁场控制离子在真空中运动来实现材料离子化和沉积。
磁控溅射法的基本原理如下：首先，通过加热材料将其转化为蒸气或离子状态。
随后，通过在真空室中施加磁场，使得磁场力线和离子运动方向垂直，从而形成所谓的“磁镜效应”。
这种磁镜效应可以阻止离子撞击到溅射靶材表面，从而使溅射源中的原子以准平行的方式射出。
在磁控溅射过程中，靶材的离子化和溅射是基于靶材与离子的相互作用力。
当离子击中靶材表面时，一部分离子将被散射回真空室中，形成所谓的“背景气体”。
而另一部分离子则进一步穿透靶材表面，将表面的原子或分子击出，并沉积在底板上形成薄膜。
这种沉积过程可以得到均匀、致密、具有良好结晶性的薄膜。
磁控溅射法有许多优点，例如可以控制薄膜的成分、结构和性能；可以在各种材料上制备薄膜；具有较高的沉积速率和较好的沉积效率等。
因此，磁控溅射法被广泛应用于各种领域，如光学、电子、材料科学等。
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
磁控溅射原理
磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，它利用磁场控制等离子体在靶材表面的
运动，通过溅射沉积薄膜。
磁控溅射技术具有工艺简单、成膜速率快、薄膜均匀等优点，因此在微电子、光学薄膜、表面工程等领域得到广泛应用。
磁控溅射原理主要包括溅射过程、等离子体形成和磁场控制三个方面。
首先，溅射过程是磁控溅射的基本过程之一。
当靶材表面受到高能粒子轰击时，会产生大量的表面原子和离子，这些粒子会通过动能转移和碰撞等过程，最终被溅射到衬底表面，形成薄膜。
在溅射过程中，靶材的成分和性质会直接影响薄膜的成分和性质，因此靶材的选择对于薄膜的制备至关重要。
其次，等离子体形成是磁控溅射的关键环节。
在溅射过程中，靶材表面产生的
原子和离子会被电场加速，并在靶材表面形成等离子体。
等离子体的形成不仅有利于提高溅射效率，还可以调控薄膜的成分和结构，从而实现对薄膜性能的精确控制。
最后，磁场控制是磁控溅射技术的核心之一。
通过在靶材周围施加磁场，可以
有效地控制等离子体在靶材表面的运动轨迹，从而影响溅射的方向和范围。
磁场的强度和方向会直接影响薄膜的成分、结构和性能，因此磁场控制是磁控溅射过程中需要精心设计和调控的重要参数。
总之，磁控溅射原理是一种重要的薄膜制备技术，它通过溅射过程、等离子体
形成和磁场控制三个方面的协同作用，实现了对薄膜成分、结构和性能的精确控制。
随着材料科学和工程技术的不断发展，磁控溅射技术将在光伏、显示、传感器等领域发挥越来越重要的作用。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理概述磁控溅射（Magnetron Sputtering）是一种常用的物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）技术，广泛应用于薄膜制备、表面改性和工艺加工等领域。
其基本原理是通过磁控电子束轰击靶材，使得靶材表面的原子或者分子离开并沉积在基底上，形成薄膜。
磁控溅射技术具有高沉积速率、均匀性好、制备多种材料、控制膜的组成和结构等优点，因此是最常用的薄膜制备技术之一。
下面将详细介绍磁控溅射的工作原理。
工作原理磁控溅射工作原理可以分为离子轰击、溅射和沉积三个步骤。
离子轰击磁控溅射的第一步是通过离子轰击来加热和清洗靶材表面。
在溅射室内，存在一个强磁场，磁场线平行于靶材表面，形成一个被称为“磁子区”（Magnetron）的区域。
在磁子区内，加上外加的电流进行放电，使得气体电离产生高能的离子和电子。
这些离子和电子由于靶材表面形成的负电荷排斥，被磁场束缚在磁子区。
离子由于带正电，受到电子磁场的力作用而环绕着磁子区运动。
其中，离子随机散射，撞击在靶材表面，从而产生动量传递和能量传递。
这种离子对靶材表面的轰击称为离子轰击（Ion Bombardment）。
通过离子轰击，靶材表面层的原子和分子被高能离子撞击后脱离出来，形成的离子云形成了很高的电子温度和离子温度，从而导致靶材表面温度升高。
这样，通过电子和离子的协同作用，可以有效地加热和清洗靶材表面，为溅射提供条件。
溅射磁控溅射的第二步是溅射。
在离子轰击的作用下，靶材表面的原子或者分子离开并沉积在基底（Substrate）上，形成薄膜。
在离子轰击下，靶材表面的原子或分子以大质量和能量的方式离开，而且在离开靶材表面后会继续以直线运动的方式迁移到其余的区域。
穿过透过装置的挡板后，原子或分子由于气体的散射作用而形成等离子体。
在离子轰击的同时，溅射的粒子由于撞击靶材表面而形成溅射云，其中的原子或分子穿过透过装置形成的孔洞，并在基底上沉积。
磁控溅射原理基础知识
2，磁控溅射定义
原来就是打 台球哦！！！
2，磁控溅射定义
2，磁控溅射定义
3，磁控溅射的物理原理
3.1 示意图
3，磁控溅射的物理原理
形成条件： 1，适当的真空条件 2，适量的工艺气体 3，一定的电势差 4，一定的磁场强度
思考题：如果电磁和磁场是平
行而非正交会发生什么样的情况？
4，磁控溅射具体应用和相关
1.3,真空区域的划分 低真空 中真空 高真空 1.01×105～1.33×103Pa 1.33×103～1.33×10-1Pa 1.33×10-1～1.33×10-6Pa
超高真空 1.33×10-6～1.33×10-10Pa 极高真空 < 1.3×10-10Pa
2，磁控溅射定义
2.1 原理? 在真空环境下，通过电压和磁场的共同作 用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击， 致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并 沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源 的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅 射。
磁控溅射原理基础知识介绍
2010-11-25
磁控溅射原理基础知识介绍
1，真空知识简介 2，磁控溅射定义 3，磁控溅射的物理原理 4，磁控溅射具体应用
1，真空知识简介1.1了解来自空真空：低于一个大气压的气体状态。
1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli) 首创著名的大气压实验，获得真空。 自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇 宙空间。
1，化学气象沉积（CVD） 2,光学镀膜 3，透明导电膜
4，磁控溅射具体应用和相关
N
磁场线
N S
N N S N S N N N N
N
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。
磁控溅射真空度
磁控溅射真空度磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，广泛应用于电子、光电、材料等领域。
在进行磁控溅射过程时，真空度对于薄膜质量和性能起着至关重要的作用。
本文将介绍磁控溅射过程中的真空度要求以及真空度的影响。
一、磁控溅射的工作原理磁控溅射是利用磁场将工作气体离子化，使其在较高真空下靶材表面产生击穿，释放出靶材原子或分子，形成薄膜沉积在基底上的一种薄膜制备技术。
它具有成本低、工艺灵活、薄膜成分可调控等优点，因此被广泛应用于各个领域。
二、磁控溅射过程中的真空度要求磁控溅射过程需要在较高真空环境下进行，以保证薄膜的质量和性能。
通常，真空度的要求可以根据不同的应用领域和薄膜材料的要求来确定。
一般来说，真空度要求越高，薄膜的质量和性能就越好。
在磁控溅射过程中，真空度的要求主要包括以下几个方面：1. 基底表面的清洁度：在进行溅射前，必须对基底进行充分的清洗和处理，以去除表面的杂质和氧化物。
只有基底表面达到一定的清洁度，才能保证薄膜的附着力和致密性。
2. 气体压力的控制：磁控溅射过程中，需要通过抽气装置将真空室内的气体抽出，以降低气体压力。
通常，真空度的要求在10^-3至10^-6帕范围内。
当气体压力过高时，会导致离子的碰撞频率增加，影响薄膜的成分和结构。
3. 气体种类的选择：磁控溅射过程中使用的工作气体通常是惰性气体，如氩气。
惰性气体具有较高的离子化能力和较低的反应性，能够保证薄膜的成分和结构的稳定性。
4. 抽气速度的控制：在磁控溅射过程中，需要根据不同的材料和薄膜厚度来控制抽气速度。
如果抽气速度过快，会导致离子的击穿能力下降，影响薄膜的成分和结构。
如果抽气速度过慢，则可能导致气体残留和污染。
三、真空度对磁控溅射的影响真空度对磁控溅射过程及薄膜的质量和性能有着重要影响：1. 薄膜成分和结构的稳定性：较高的真空度可以有效降低气体对靶材和基底的影响，保证薄膜成分和结构的稳定性。
这对于一些要求高纯度和精确成分的薄膜材料特别重要。
磁控溅射技术简介
磁控溅射技术简介
磁控溅射技术是一种先进的表面涂层技术，其基本原理是利用高能离子束轰击目标材料，使其表面原子或分子产生离解，进而形成薄膜层。
该技术可用于制备各种材料的涂层，如金属、合金、陶瓷、有机物等，具有高硬度、高密度、优良的抗腐蚀性和耐磨性等特点。
磁控溅射技术的主要设备包括磁控溅射装置、真空系统和离子束源等。
其中，磁控溅射装置是核心部件，由磁控阴极、阳极、磁场、溅射材料和基底等组成。
在真空系统的作用下，通过加热、通电等方式，将溅射材料的原子或分子释放出来，经过离子束的轰击和磁场的作用，最终在基底上形成薄膜层。
磁控溅射技术具有较高的薄膜制备效率和较好的膜质量，适用于制备各种材料的涂层，如硬质合金、钛合金、钢铁、陶瓷、聚合物等。
该技术广泛应用于航空、航天、电子、机械等领域，是现代制造业中不可或缺的重要技术之一。
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磁控溅射(1讲义理论)
磁控溅射【实验目的】1、了解磁控溅射基本原理。
2、了解射频磁控溅射仪器构造及使用方法。
3、了解利用射频磁控溅射制备薄膜。
【实验仪器】DHRM-3射频磁控溅射镀膜装置【实验原理】1、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1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Ar2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。
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磁控溅射
目前最重要的工业化
大面积真空镀膜技术
之一
其历史发展如下图所
示：
发展的驱动力分为以下几点：
1.降低工艺成本
关注靶材利用率，沉积速率，薄膜均匀性，溅射过程稳定性;
2.解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化
由于低能离子轰击在薄膜沉积中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率，能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以满足实际镀膜中的多种需求。
其中的
HIPIMS 高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering;
MFMS 中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering;
CFUBMS闭合场非平衡磁控溅射closed field unbalanced magnetron sputtering;
UBMS 非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering;
IBAMS 离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputtering;
HCM 空心阴极磁控溅射hollow cathode sputtering;
ICPMS 感应耦合等离子磁控溅射inductively couple plasma magnetron sputtering;
一，磁控溅射工艺原理
相对于其他的制备工艺（CVD，PLD，Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最常用的方法之一。
其主要优点如下：
1.较低的制备温度（可室温沉积）;
2.较高的成膜质量，与衬底附着力好;
3.可控性好，具有较高的沉积速率;
4.可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物;
5.成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。
按照构造的不同，磁控溅射靶可以分为圆柱靶和平面靶;
主要原理：应用一定强度的磁场（50～200mT，能显著影响电子运动但不影响离子运动）和电场（负偏压，约几百V），可以将等离子体（主要是电子）约束在靶面附近（形成非均匀等离子体），增加了碰撞几率，提高了离化效率，因而能在较低的工作气压（0.1～10Pa）和电压下就能起弧/维持辉光放电，而且同时减少了电子对基底的轰击，利于实现低温沉积; 另一方面，这种非均匀等离子体也本质上决定了靶面的非均匀刻蚀以及沉积粒子流量（大致表现为薄膜的沉积速率）和能量分布的空间非均匀性，但这可以通过优化磁控靶结构构造，磁场位形强度分布和移动基体等措施，在一定程度上予以弥补和改善或尽量达到所需的参数。
等离子体微观工艺参数：
磁控溅射通常会选择“异常辉光放电区”为工作区域，辉光放电典型的等离子体参数有：
离子流量/能量/角度分布（ion flux/energy/angle distribution）
中性溅射原子流量/能量/角度分布（neutron sputtered atom flux/energy/angle distribution）
电子温度/密度（electron temperature/density）
ji/jn 比
电场电势分布（鞘层压降Vdc，等离子体空间电位Vp，基片浮点电位Vfl等）。