磁控溅射定义和原理
磁控溅射的原理及应用
磁控溅射的原理及应用1. 什么是磁控溅射磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，通过利用磁场将材料原子或离子从靶材表面释放出来，形成一个薄膜层，沉积在基底表面上的一种方法。
这种方法可以在真空环境中进行，可以用于各种材料包括金属、合金、氧化物等。
2. 磁控溅射的原理磁控溅射的原理基于带电粒子在磁场中的运动规律。
溅射系统通常由一个靶材和一个基底组成，它们被放置在真空室中。
磁控溅射的过程包括以下几个步骤：1.靶材表面被离子轰击，其中的原子或离子被释放出来。
2.磁场控制离子在真空室中的运动轨迹。
3.基底表面上的原子或离子吸附并形成一个薄膜层。
这个过程中，磁场是十分重要的。
磁场会引导离子沿着特定的轨迹运动，使得离子沉积在基底的特定位置上。
磁场还可以控制离子的能量和方向，从而影响薄膜的性质和微结构。
3. 磁控溅射的应用磁控溅射是一种多功能的薄膜沉积技术，广泛应用于各种领域。
3.1 表面涂层磁控溅射可以用于向基底表面沉积各种薄膜层。
这些薄膜层可以具有不同的功能，如防腐、耐磨、导电等。
它们可以用于改善材料的性能和外观。
3.2 光学薄膜磁控溅射可以制备高质量的光学薄膜。
这些薄膜可以应用于光学器件，如镜片、滤光片、反射镜等。
因为磁控溅射是在真空环境中进行的，所以这些光学薄膜可以具有良好的光学性能。
3.3 金属薄膜磁控溅射可以制备金属薄膜。
这些薄膜可以具有高导电性和优良的机械性能，可用于电子器件、导电材料等领域。
3.4 磁性材料磁控溅射还可以制备磁性材料薄膜。
这些薄膜可以具有特定的磁性性能，如高矫顽力、高饱和磁感应强度等。
它们可以应用于磁存储器件、传感器等领域。
4. 总结磁控溅射是一种重要的薄膜沉积技术，通过利用磁场控制离子运动和沉积位置，可以制备各种功能薄膜。
它在表面涂层、光学薄膜、金属薄膜和磁性材料等领域有着广泛的应用。
磁控溅射技术的发展，为材料科学和工程领域提供了新的可能性，为各种应用提供了高性能的薄膜材料。
磁控溅射技术的原理及应用
磁控溅射技术的原理及应用1. 磁控溅射技术简介磁控溅射技术是一种常用的薄膜沉积技术，通过将金属靶材溅射生成粒子或原子，在表面形成均匀且致密的薄膜覆盖层。
磁控溅射技术具有高效、环保、可控厚度等特点，广泛应用于材料科学、半导体制造、光学镀膜等领域。
2. 磁控溅射技术的原理磁控溅射技术基于电离溅射原理，通过磁场控制靶材离子的行为，使其垂直击打到靶材表面，从而产生溅射现象。
主要的原理包括以下几个方面：•靶材电离：在磁控溅射设备中，将靶材通电，使其产生离子。
电离的方式包括直流电离、射频电离等，通过电离可使靶材中的金属原子或粒子脱离束缚并形成等离子体。
•磁场控制：通过磁铁或电磁铁产生磁场，使得等离子体中的离子在磁场的作用下呈现螺旋轨道运动。
磁场对离子运动的控制可改变其飞行路径，使其垂直击打到靶材表面，并增加溅射效率。
•沉积膜形成：靶材表面被离子击打后，产生大量的金属原子或粒子，它们在靶材表面扩散并沉积形成均匀的薄膜。
溅射过程中的离子能量、离子束流密度等参数的调控可以影响薄膜的组成、结构和性能。
3. 磁控溅射技术的应用磁控溅射技术具有广泛的应用领域和潜力，主要包括以下几个方面：3.1 材料科学•薄膜制备：磁控溅射技术可以制备各种材料的薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
这些薄膜具有良好的致密性和附着力，在材料科学领域中起着重要作用。
•合金制备：通过磁控溅射技术，可以将两种或多种材料溅射在一起，制备出各种复合材料或合金。
这些合金具有独特的力学、电磁等性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
3.2 半导体制造•集成电路制备：磁控溅射技术可以制备半导体材料的薄膜，作为集成电路的关键材料。
薄膜的制备过程中可以调控其成分和结构，从而改变其电学、光学等性能，满足集成电路的需求。
•光罩制备：在半导体工艺中，磁控溅射技术还可以制备光罩。
光罩是半导体制造中的重要工艺设备，用于制作集成电路的图案，对半导体工艺的精度和稳定性要求非常高。
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。
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。
磁控溅射源结构
磁控溅射源结构（原创实用版）目录1.磁控溅射的概念与原理2.磁控溅射的设备结构3.磁控溅射的优点与应用领域4.磁控溅射的种类5.磁控溅射的展望正文磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过在低气压下进行高速溅射，实现对金属、半导体、绝缘体等多种材料的制备。
磁控溅射技术的原理是在靶表面附近增加一个磁场，使得电子在电场和磁场的共同作用下做螺旋运动，从而大大提高了电子的寿命，增加了电离产额。
这种方法具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。
磁控溅射设备的主要结构包括溅射室、永磁体、溅射阴极和射频功率源等。
溅射室尺寸一般为 700mm(直径)×470mm(高)，极限压力为8.010-5Pa。
永磁体被安装在溅射靶材的背面，用于增加正面的离子密度。
磁场强迫自由电子沿环绕其磁力线周围的螺旋轨道运动，既增加了电子到达阳极的路径长度，也延长了它们能够离化氩原子的时间。
溅射阴极尺寸为 80250mm，射频功率为直流功率 5.0kW，射频功率 13.56MHz。
磁控溅射具有许多优点，例如高速、低温、低损伤等，使其在众多领域得到广泛应用。
如半导体产业中的集成电路制造、太阳能电池生产、显示器制造等。
此外，磁控溅射还可以用于制备各种功能性薄膜，如防腐、耐磨、抗腐蚀等。
根据不同的离子束源，磁控溅射可以分为直流磁控溅射法和交流磁控溅射法。
其中，直流磁控溅射法使用直流电源，而交流磁控溅射法使用交流电源。
这两种方法在实际应用中具有各自的优势和特点，需要根据具体需求进行选择。
总的来说，磁控溅射技术在材料制备领域具有广泛的应用前景。
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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
出，这种现象称为溅射现象。
入射 粒子
入射粒子的 反射
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)
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）
辉光放电直流溅射系统
溅射与气压的关系
在一定范围内提高离化率、提高均匀性 要增加压强和保证薄膜纯度、提高薄膜附着 力要减小压强的矛盾，产生一个平衡。
目标：尽量小的压强下维持高的离 化率。
三级溅射
1
4
2
3
5
1.辅助阳极 2.基片 3.线圈 4.靶 5.灯丝 三级溅射系统示意图
特点：提供一个额外的电子源，而不是从 靶阴极获得电子。 实现低压溅射（压强小于0.1帕）
电子 中性原子 正离子
气体分子 被溅射粒子 的返回
离子和固体表面的相互作用
离子轰击固体表面所产生各效应的几率
效应
发生几率
溅射
0.1-10
入射离子反射 10-3-10-2
二次电子
0.1-10
靶离子溅射
10-3-10-2
1852年Grove在研究辉光放电时首次发现 这一现象。 Thomson形象地把这一现象 类比于水滴从高处落在平静的水面所引起 的水花飞溅现象，并命名为“Spluttering”, 由于印刷错误写成“Sputtering”。从此 “Sputtering”便用作科学术语“溅射”。
当B与E均匀且相互垂直时，一个由静止开始 运动的电子，其运动方程：
Z Y
X
B
-
+
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
击穿 电压
极之间的距离。
VB
巴邢定律
辉光放电时明暗光区分布示意图
1.4 溅射参数
溅射阈值：将靶材溅射出来所需的入射离 子的最小能量值。
溅射率：入射正离子轰击靶材时，平均每 个正离子能从靶阴极打出的原子个数。
元 素 Al V Fe Co Ni Cu Pt
溅 射 13 23 20 25 21 17 25 阈值 (eV)
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：
Fe(EvB)
电荷在均匀电磁场中运动
当磁场B均匀而电场E为零时,电子沿磁力线方
向以不受磁场影响的速度v∥，同时沿着磁力线有
回旋运动,电子回旋半径：
v
r mv
v∥
eB
v
B
当B和E为均匀场且二者平行时，一个由静止 开始运动的电子被自由地加速。
1.2 溅射的基本原理
溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面 使其中的原子发射出来。早期人们认为这一现象 源于靶材的局部加热。但是不久人们发现溅射与 蒸发有本质区别，并逐渐认识到溅射是轰击粒子 与靶粒子之间动量传递的结果。
如下实验事实充分证明了这一点： 溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向（a） 从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向（b）
缺点：难以在大块扁平材料中均匀溅射， 而且放电过程难以控制，进而工艺重复性 差。
2.2 射频溅射(RF sputtering)
-
+
负半周期
电子 正离子
自偏压效应
+
-
正半周期
电子 正离子
射频溅射特点
射频方法可以被用来产生溅射效应的 原因是它可以在靶材上产生自偏压效应。 在射频溅射装置中，击穿电压和放电电压 显著降低。不必再要求靶材一定要是导电 体。
溅射粒子的角分布
500eV的Ar、Kr、Xe离子溅 射单晶Cu（100）面的状态
Ar+
Ar+
动量传递级联碰撞示意图
溅射率不仅取决与入射粒子的能量，而且也取决 于入射粒子的质量（c）
溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均速 率高得多（d）
Cu膜溅射蒸发速度对粒子数的 溅射率和离子能量的关系 分布曲线
500eV下元素溅射率
1.3 溅射的基本过程 入射离子是如何产生的呢？
二级辉光放电系统
靶阴极
基片阳极
溅射示意图
电子 Ar/Ar+ 靶原子
电子与其他粒子的碰撞过程：
弹性碰撞
E2 E1
4M1M2 co2s
(M1 M2)2
非弹性碰撞
v1
UmaxM21(vM 12M 12cMo22)s
M1：电子质量 M2：惰性气体粒子质量