磁控溅射原理详细介绍电子教案
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
磁控溅射法的工作原理
(R, A)n1MnnO3n+1
二、锰氧化物的结构及其庞磁电阻效应
1.钙钛矿锰氧化物基本的晶格
一般泛指的锰氧化物(Manganites)是基于钙钛矿结构来说 的，它的通式可以写为：(R, A)n1MnnO3n+1(其中R 为稀土元素, A 为碱土元素) ，通常也称作Ruddlesden-Popper(RP)相。在 RP化合物中，“n”代表MnO6 八面体顺着晶体[001]方向堆 垛的层数。如图1所示，单层 n = 1 的(R,A)2 MnO4化合物具有 二维的K2NiF4 结构，由一层MnO6八面体层和一层(R/A，O）交替 堆垛组成。n =2的双层(R,A)3Mn2O7和n = 3的三层(R,A)4Mn3O10化合 物分别有两层MnO6 八面体和三层 MnO6八面体与一层 (R/A，O）交 替堆垛组成。n =∞的化合物 (R,A)MnO3 具有无穷层的三维钙钛 矿结构。其中结构为(R,A)Mn2O7和 (R,A)MnO3的部分化合物表现出 CMR效应。
极化度 、电场E、诱导偶极矩m三者之间的关系:
E
拉曼和红外是否活性判别规则: (1) 相互排斥规则: 凡具有对称中心的分子，具
有红外活性(跃迁是允许)，则其拉曼是非活性(跃迁是 禁阻)的;反之，若该分子的振动对拉曼是活性的，则 其红外就是非活性的。
层状晶格图形如下
2. CMR效应 CMR效应存在于钙钦矿结构的掺杂锰氧化物中。不
同于GMR和TMR依赖于人工制备的纳米结构，钙钦矿锰 氧化物的CMR效应是大块材料的体效应。由于其磁电 阻值特别巨大，为了区别于金属多层膜中的GMR效应， 人们将这种钙钦矿结构中的磁电阻效应冠之以超大磁 电阻效应(eolossalMagnetoresistanee)，简称CMR效 应。CMR的一个显著特征是在磁相变的同时伴随着金 属到绝缘态的转变，并且磁电阻的陡然变化通常发生 在居里点()附近，一旦温度偏离居里点，磁电阻迅速 下降。这种极大的磁电阻效应实际上暗示了锰氧化物 材料中自旋一电荷间存在着强烈的关联性。现在己经 确认，锰氧化物具有电子的强关联特性，其CMR机理， 与铜氧化物的高温超导电性是一样的，是多电子强关 联系统中十分有趣和困难的问题。
磁控溅射镀膜原理及工艺PPT学习教案
其中磁控溅射可以被认为是镀膜技术 中最突出的成就之一。它以溅射率高、 基片温升低、膜-基结合力好、装置性能 稳定、操作控制方便等优点，成为镀膜 工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透 明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大 面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀 膜场合)的首选方案。
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膜材料、功率、阴极的数量以及膜层的种类的
不同，通常的运行范围是每分钟90 ~ 400（大
约为2.286
~
10.16
米）英寸之间。 第17页/共44页
2.1.5 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。
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通常将欲沉积的材料制成板材-靶，固定 在 阴极上。基片置于正对靶面的阳极上，距靶 一定距离。系统抽至高真空后充入（10～1） 帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间 加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放 电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与 靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原 子称为溅射原子，其能量在1至几十电子伏 范围内。溅射原子在基片表面沉积成膜。
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2.1.4 传动速度
玻璃基片在阴极下的移动是通过传动来进行
的。低传动速度使玻璃在阴极范围内经过的时
间更长，这样就可以沉积出更厚的膜层。不过，
为了保证膜层的均匀性，传动速度必须保持恒
pvd磁控溅射原理
pvd磁控溅射原理PVD磁控溅射简介PVD磁控溅射（Physical Vapor Deposition Magnetron Sputtering）是一种常用的薄膜制备技术。
它能够在材料表面沉积一层精密、均匀的薄膜，具有广泛的应用领域。
原理PVD磁控溅射利用高能粒子撞击物质表面，使得物质从源材料蒸发、溅射并沉积在基底上。
以下是PVD磁控溅射的主要原理：1. 原始材料选择合适的源材料作为溅射靶材。
这些靶材通常是纯净且具有较高的密度，以保证沉积薄膜的质量。
2. 气氛控制通过调节气氛组成和压力来控制溅射过程中的气氛。
常用的气体有氩、氮等，其主要作用是保持反应室内的稳定环境。
3. 溅射过程在反应室内，将源材料靶材放置于阴极位置，并加上高压电源，形成磁场。
这个磁场激活了准直磁控电子束，使其环绕靶材运动。
电子束激发了靶材原子，使其脱离靶材并向基底表面运动。
4. 沉积薄膜溅射的源材料原子在运动过程中与基底表面相互冲击结合，形成薄膜沉积。
这些原子在基底表面形成结晶或非晶的薄膜结构。
应用PVD磁控溅射技术广泛应用于以下领域：•光电子学：制备光学薄膜，如反射层、透镜等。
•显示技术：用于制造液晶显示器、有机发光二极管（OLED）等。
•硬盘制造：用于制备磁性材料薄膜，如磁头、磁盘等。
•太阳能电池：制造多层薄膜太阳能电池。
•汽车工业：用于制备汽车玻璃涂层、汽车内部装饰等。
优缺点PVD磁控溅射技术具有以下优点和缺点：优点•薄膜均匀性好，可控性强。
•溅射速率可调节，适合制备不同厚度的薄膜。
•可制备多种材料薄膜，针对不同应用需求。
•薄膜在界面附着力强，具有较好的耐久性。
缺点•靶材利用率低，需定期更换。
•受制于靶材材料的限制，无法制备非金属或高熔点材料薄膜。
•沉积速率较慢，需要较长的时间。
综上所述，PVD磁控溅射技术是一种重要的薄膜制备方法。
它在各个领域都有广泛的应用，并呈现出许多独特的优点。
随着科学技术的不断发展，PVD磁控溅射技术将在未来发挥更大的作用。
实验二 磁控溅射实验
磁控溅射实验姓名：孟超学号：38092105一、磁控溅射原理磁控溅射是制备固体薄膜的重要技术手段之一，已被广泛地应用于科学研究和工业生产中。
磁控溅射的原理是，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，电离出氩离子和电子，电子飞向基片，氩离子在电场的加速作用下轰击靶材，溅射出靶材原子或分子，呈中性的靶原子或分子沉积在基片上形成的薄膜。
电子在加速飞向基片的过程中受到靶表面附近磁场洛仑兹的影响，被束缚在靠近靶面区域内做螺旋运动，导致更多的碰撞产生更多的电离，使得该区域内等离子体密度很高。
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体密度很高。
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。
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使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不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。
磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。
磁控溅射的基本原理是利用Ar-02混合气体中等离子体在电场和交谈磁场的作用下，被加速的高能粒子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到若何表面而成膜。
磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。
该技术可以分为直流磁控溅射法和射频溅射法。
二、实验过程a)准备基片首先，我们是这学期做这个实验的第一组。
实验中使用的基片也是新买的，所以清洗的过程比较简便。
先是用蒸馏水简单漂洗，之后放到超声波振荡清洗槽中做进一步清洗。
b)放置基片开真空室前，必须确保真空室处于大气压状态。
打开位于机器后方的放气阀，渐渐增加腔内气压，当放气声音消失时不要立刻打开真空室，须等放气彻底再打开以免损坏机器。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理
磁控溅射（Magnetron sputtering）是一种常用的薄膜制备技术，其中利用磁控电子束加速器和靶材的相互作用实现。
在磁控溅射过程中，会有一种称为靶材的材料被置于真空腔室中。
通常，该靶材是被称为电子束阴极的磁控源。
真空腔中放置有基板，它是需要被涂层的目标表面。
为了开始溅射过程，通过引入工作气体（如氩气）使真空腔压力降至非常低的级别，通常为10^-6至10^-3毫巴（1毫巴
=100帕）。
然后，在靶材上施加直流或脉冲电源，产生磁场
和电子束。
这些电子束击中靶材表面，加速释放出的离子，将其溅射到基板上，从而形成薄膜。
靶材上的电荷量形成一个环状的磁场，这被称为靶材区域。
这种磁场的存在使能够将带有正电荷的离子定向到工作表面。
此外，电子束在该磁场中被定向，从而形成一个环绕靶材的螺旋形低密度电子云。
这是通过磁透镜形成的，它将电子束束缚在靶材区域。
当电子束和磁场共同作用时，电子与标靶表面相互作用，启动了溅射过程。
在这个过程中，束流的动能转移到靶材的原子、离子和中性气体原子上，使它们从靶面溅射到基板上，从而形成薄膜。
磁控溅射技术具有可控性、均匀性和高质量的优势，可用于各种领域的薄膜制备，如光学、电子器件、显示器件等。
通过调
整靶材、工作气体、工作压力和溅射时间等参数，可以实现所需的薄膜特性。
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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。
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V=E-IR
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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
(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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第一部分 真空镀膜基础
1.4 薄膜技术
薄膜技术主要包括薄膜的制备技术和薄膜材料研究，薄膜的制备技术又称为镀膜技术。薄膜的制备 方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积方法（PVD）和化学气相沉积方法(CVD)。
磁控溅射原理详细介绍
第一部分 真空镀膜基础
1.1 气体与固体的相互作用
气体与固体相互作用后的结合，主要是通过物理吸附和化学吸附来实现的。一个气相原子入射到基 体表面，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。固体表面与体内在晶体结构上 的一个重大差异是原子或分子间的结合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种间断键称为不饱和 键或悬挂键，它具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现 象称为吸附。如果用键的观点加以考虑，物理吸附是因为固体表面上的原子键已处于饱和状态，表面变得 不活泼，表面上只是由于范德瓦尔斯力(分子力)、电偶极子和四重极子等静电的相互作用使原子和分子间 产生吸附作用而结合;化学吸附则是由于物体表面上的原子键不饱和而与表面附近原子和分子进行结合， 其中包括共有或交换电子的离子结合、原子结合、金属结合等。
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第一部分 真空镀膜基础
1.4 薄膜技术
薄膜技术主要包括薄膜的制备技术和薄膜材料研究，薄膜的制备技术又称为镀膜技术。薄膜的制备 方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积方法（PVD）和化学气相沉积方法(CVD)。
被吸附的气体分子停留在表面上的时间，可通过平均吸附时间(即从吸附到表面至从表面解吸所需 的时间的平均值)来确定。由于与镀膜技术有关的一些金属材料的解吸激活能Ed值均较大，故膜材在基
片上停留时间是较长的。
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
薄膜在基片上的成长过程可以通过电子显微镜来观察。当入射的膜材蒸汽在基片上凝结时，最初出现 大量晶核。例如在300度时向岩盐上蒸镀金，每平方厘米面积上可以产生大约10的11次方个晶核，核的大 小约为2nm，而且这些晶核在基片表面上随机分布，它们之间的距离为30nm。然后，晶核继续长大，但 数量并不显著增多，入射原子在表面上的自由移动，并把已有的晶核连接起来，并反射或吸解掉成核位置 以外的撞击原子。当晶核生长到相互接触时，即开始合并，这时几何形状和方位迅速发生变化。此时如果 切断入射的膜材蒸汽，合并现象就会停止，但是己经合并的晶核，其合并过程仍会继续进行。 一个晶核的再结晶过程对于确定最终的薄膜结构非常重要。再结晶的程度和消失的晶向，一定程度取决于 有关晶核的大小。一般来说是较大的晶核吃掉较小的晶核。
在各种薄膜沉积技术中，磁控溅射技术由于能制备高熔点材料、复合材料薄膜以及沉积速率快、可控 性好等优点得到了日益广泛的应用。目前，磁控溅射镀膜已经成为工业镀膜生产中最主要的技术之一。
物理气相沉积(PVD)工艺方法分类
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第二部分 溅射及辉光放电
2.1 溅射机理
用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的 现象称为溅射。溅射现象很早就为人们所认识，通过前人的大量实验研究，我们对这一重要物理现象得出 以下几点结论:
(1)溅射率随入射离子能量的增加而增大;而在离子能量增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅 射率将随之减小;
(2)溅射率的大小与入射粒子的质量有关: (3)当入射离子的能量低于某一临界值(阀值)时，不会发生溅射; (4)溅射原子的能量比蒸发原子的能量大许多倍; (5)入射离子的能量很低时，溅射原子角分布就不完全符合余弦分布规律。角分布还与入射离子方 向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大的方向。 (6)因为电子的质量很小，所以即使使用具有极高能量的电子轰击靶材也不会产生溅射现象。由于 溅射是一个极为复杂的物理过程，涉及的因素很多，长期以来对于溅射机理虽然进行了很多的研究，提
(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。
磁控溅射原理详细介绍
第一失去动能被表面所吸附或反射回到空间中去，被吸附的分子同固体之间或在其 自身的内部通过能量的再分配，最后稳定于某一水平面上。被吸附的分子在表面停留期间有时会得到解 吸活化能而从表面上脱附，再回至lJ空间去，其解吸的几率可以根据物理吸附和化学吸附分别予以考虑。 产生物理吸附的几率称为冷凝系数，产生化学吸附的几率称为粘着几率。就气体而言，冷凝系数介于0. 1和1之间;就蒸发金属而言，可近似考虑为1;清洁金属表面的粘着几率在0.1和1的范围内。而且温度越 高，粘着几率越小。
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第一部分 真空镀膜基础
1.3 薄膜的形成
靶材粒子入射到基片上，在沉积成膜的过程中有几个问题必须考虑。 (1)沉积速率 沉积速率Q是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内沉积到基片上的厚度，该速率与溅射率S 成正比，即有:
式中，C为与溅射装置有关的特征常数;I为离子流;S为溅射率。
上式表明，对于一定的溅射装置(即C为确定值)和一定的工作气体，提高沉积速率的有效办法是提高离 子流工。但是，如前所述，在不增高电压的条件下，增加丁值就只有增高丁作气体的压力。图2.4示出了 气体压力与溅射率的关系曲线。由图可知，当压力增高到一定值时，溅射率将开始明显下降。这是由于 靶材粒子的背反射和散射增大所引起的。事实上，在大约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子中， 只有10%左右才能够穿越阴极暗区，所以由溅射率来考虑气压的最佳值是比较适当的。当然，应注意气 压升高对薄膜质量的影响。
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 薄膜的形成
(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
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。
当结晶不断接合时，就构成了一种网膜，网膜上分布着不规则的形状开口。当膜的平均厚度进一步增 加时，网膜就发展成为连续的薄膜。这时入射膜材的原子即开始撞击同类原子，其结合能即可提高，因此 反射或解吸现象明显减少。膜的生长在蒸发与溅射两种不同工艺中是不同的。一般来说，就最初所成的孤 立的晶核结构而言，溅射法晶核形状小，数目多，密度大。