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。
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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