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。
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。
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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。 Nhomakorabea 三级溅射
1
4
2
3
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。
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：
+
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。
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，
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)
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
F m a q E(x, y, z) q v B(x, y, z) B(x, y, z)
入射粒子的 反射
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 溅射 入射离子反射 二次电子 靶离子溅射
发生几率 0.1-10 10-3-10-2 0.1-10 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”。
磁控溅射
报告人：郑远平 指导教师：李国庆
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
主要取决于二次电子
的平均自由程和阴阳
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
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 cos2
(M1 M2)2
非弹性碰撞
v1
U max
M1v12M 2 cos2
2(M1 M 2 )
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）
溅 射 13 23 20 25 21 17 25 阈值 (eV)
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。
F e(E v B)
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。
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：
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
M1：电子质量 M2：惰性气体粒子质量
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。
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）
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)
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