磁 控 溅 射 简 介
半导体薄膜技术与物理
5
2.3.2 溅射阈和溅射率
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P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。
R 淀D 积速率D ：RM TP2dP1
α1：基板表面凝结系数， T1：基板温度。
M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。
1.
扩散速率：
2.
溅射速率：
Rd 1P1
M
2RT1
14
2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三 极（四极）溅射 阴极溅射原理图 三极（四极）溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
1
直流辉光 放电过程 的形成 VB： 击 穿电压
2
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增 加电源功率，可同时提高放电区的电压和 电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压 P遵守以下关系：
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。
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。
磁控溅射制备金属-钙钛矿氧化物薄膜在水分解反应中的应用
第53卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 4 2024年4月 Liaoning Chemical Industry April，2024收稿日期： 2023-08-05磁控溅射制备金属-钙钛矿氧化物薄膜在水分解反应中的应用黄先杰（厦门建霖健康家居股份有限公司，福建 厦门 361000）摘 要： 目前，采用电催化途径将水转化为具有高能量密度的“零排放”能源载体：氢气，已成为研究的热点。
钙钛矿氧化物由于资源丰富、价格低廉等特点，被认为是最有可能替代贵金属基催化剂的选择之一。
本研究通过磁控溅射技术结合原位析出方法构筑了“金属-钙钛矿”异质结电解水析氧反应电催化剂薄膜，并发现原位析出策略显著提高了其电催化活性面积，电解水氧化反应活性及稳定性。
本研究为低成本电解水反应催化剂的设计构建提供了新的思路。
关 键 词：钙钛矿氧化物； 薄膜； 电解水； 磁控溅射中图分类号：O646.5 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）04-0506-05近年来，随着经济的飞速发展，人类对能源，特别是石油等碳基能源的消耗与日俱增，而化石能源使用一方面造成了能源短缺危机，更造成的地球生态环境的恶化，因此，寻求高能量密度且环保低碳排的能源载体，以替代碳基燃料成为迫在眉睫的问题。
氢能具有清洁环保、储能密度高等特点，被认为是未来最理想的清洁能源。
目前，通过可再生能源发电，并基于此电能电解水制备氢气利用是氢能大规模利用的最佳制备途径之一 。
电解水制氢包含了阴极的产氢反应(Hydrogen Evolution Reaction ，HER)和阳极的产氧反应(Oxygen Evolution Reaction ，OER)。
相对于HER 来说，OER 反应涉及四步质子-电子耦合转移过程，电极过程动力学十分缓慢，过电位较大， 因此，OER 反应也成为制约电解水过程大规模应用的瓶颈[1]。
贵金属基氧化物如氧化铱(IrO 2) 和氧化钌(RuO 2) 具有较好的OER 性能，但是其高昂的成本高及较差的稳定性限制了在商业中的大规模应用。
《磁控溅射工艺简介》课件
与旋涂法、喷涂法等技术相比，薄膜质量更均匀、富于粘附力
3 制备材料种类广泛
可以沉积多种单金属材料、合金材料、复合材料
磁控溅射工艺设备和材料
1
靶材
靶材的物理性质是影响溅射沉积物及制备薄膜质量的主要因素
2
溅射设备
常见的溅射设备有平板型、同轴型、磁控隔离型、真空电弧离子镀等
3
衬底
影响沉积物与衬底之间的结合力，应匹配靶材和涂料。
磁控溅射工艺的工艺流程来自前处理沉积过程表面清洗和处理，消除表面缺陷。
喷射气体来形成气体击穿，形成 高能粒子撞击靶材表面所产生的 离子，将靶材材料沉积于衬底上
后处理
包括退火、薄膜表面处理、测厚 回火硬化等。
磁控溅射工艺的发展前景
工艺创新
磁控溅射正在不断被改进，通过改变靶材材料、改 变沉积时间以及扩大系统的尺寸，工艺将日益得到 完善和成熟。
新材料制备挑战
难以制备的材料，如功能性陶瓷、石墨烯等，成为 新的探索方向和研究热点，磁控溅射将在材料制备 技术中继续发挥重要作用。
磁控溅射工艺的应用领域
微电子领域
微电子元器件、TFT-LCD中的透明电极、光存储 器芯片存储材料
太阳能电池领域
提高太阳能电池转换效率的反射膜
表面工程领域
镀膜、切削刀具镀层、防护涂料
生物医学领域
医用材料表面涂层，如人工心脏瓣膜
磁控溅射工艺的优点
1 制备工艺简单
工艺流程简单、设备负荷小、较易实现工业生产
磁控溅射工艺简介
磁控溅射是一种全球广泛应用的薄膜制备技术，它通过高能离子轰击靶材表 面，使原子或离子从靶材表面剥离并沉积在制备基材上，达到薄膜沉积的目 的。
磁控溅射工艺的原理和特点
磁控溅射设备说明书教材
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磁控溅射靶靶型分类
磁控溅射靶靶型分类发布时间：2010-11-11磁控溅射靶靶型分类靶型开发的历程大致如下：首先开发的是轴状靶→圆盘形平面靶→S-枪→矩形平面靶→各种异形靶→对靶或孪生靶→靶面旋转的圆柱靶→靶-弧复合靶→……，目前应用最广泛的是矩形平面靶，未来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。
同轴圆柱形磁控溅射在溅射装置中该靶接500-600V的负电位，基片接地、悬浮或偏压，一般构成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体提供的曲线形磁场。
圆柱形磁控溅射靶的结构1—水咀座；2—螺母；3—垫片；4—密封圈；5—法兰；6—密封圈；7—绝缘套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—阴极靶；13—永磁体；14—垫片；15—管；16—支撑；17—螺母；18—密封圈；19—螺帽圆柱形磁控溅射靶的磁力线在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。
磁力线与靶表面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。
在异常辉光放电中，离子不断地轰击靶表面并使之溅射，而电子如下图那样绕靶表面作圆周运动。
在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图平面磁控溅射圆形平面磁控溅射圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体（包括环形磁铁和中心磁柱）、水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。
如下图所以结构：圆形平面磁控溅射靶的结构1—冷却水管；2—轭铁；3—真空室；4—环形磁铁；5—水管；6—磁柱；7—靶子；8—螺钉；9—压环；10—密封圈；11—靶外壳；12—屏蔽罩；13—螺钉；14—绝缘垫；15—绝缘套；16—螺钉通常，溅射靶接500-600V负电压；真空室接地；基片放置在溅射靶的对面，其电位接地、悬浮或偏压。
因此，构成基本上是均匀的静电场。
永磁体或电磁线圈在靶材表面建立如下图的曲线形静磁场：圆形平面磁控靶的磁力线1—阴极；2—极靴；3—永久磁铁；4—磁力线该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。
磁控溅射镀膜的简介及其实际操作
磁控溅射镀膜的简介及其实际操作作者：徐超群乐山师范大学物理与电子工程系【摘要】溅射技术的最新成就之一是磁控溅射。
对于二级溅射、偏压溅射、三级或四级溅射和射频溅射而言。
它们的缺点是沉积速率较低，特别是阴极溅射。
因为它们在放电过程中只有大约0.3~0.5%的气体分子被电离。
为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体的离化率。
由于在磁控溅射中引入了正交电磁场使离化率提高到5~6%。
于是溅射速率比三级溅射提高10倍左右，对许多材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。
【关键词】溅射电子电场磁场高速1.磁控溅射的工作原理：在动力装置e的作用下，电子e在飞向衬底的过程中与Ar原子发生碰撞，使Ar和一个新的电子e电离，电子飞向衬底。
在电场的作用下，氩加速飞向阴极靶，用高能轰击靶表面，在溅射粒子中溅射靶，中性靶原子或分子由于其非电性质直接沉积在基底上形成薄膜。
二次电子e一旦离开靶面，就会同时受到电场和磁场的影响，产生e（电场）×B（磁场）的方向漂移，简称e×B漂移，其轨迹类似于摆线。
如果是环形磁场，电子在靶面上以近似摆线的形式作圆周运动。
它们的运动路径不仅很长，而且还束缚在靠近目标表面的等离子体区域，在该区域大量的氩被电离以轰击目标，从而获得较高的沉积速率。
随着碰撞次数的增加，二次电子的能量被耗尽，逐渐远离目标表面，最终在电场E的作用下沉积在基底上。
由于电子的能量非常低，传输到基底的能量非常小，衬底温升很低。
综上所述：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。
++在这个级联过程中，靠近某些表面的目标原子获得足够的动量向外移动，使目标被溅射。
2.磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点产生这两个特性的原理是：磁控溅射利用磁场改变电子的运动方向，束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离概率，有效利用电子能量。
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CdS薄膜的 薄膜的SEM分析 薄膜的 分析
CdCl2处理后退火的CdS薄 膜与没有任何处理的相比， 晶粒显著增大，表面也变得 非常光滑
谢 谢
溅射示意图
溅射后的现象
二次电子 基本离子 背散射颗粒 气体解吸
溅射颗粒
非晶层
化合物形成 冲撞链 震动波 点缺陷 热链 1kev的离子能量下，溅射出的中性粒子，二次电子和二次离子之比约为1000：10： 1kev的离子能量下，溅射出的中性粒子，二次电子和二次离子之比约为1000：10：1 的离子能量下 1000 注入原子
真空溅射原理
原理： 原理： 真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换， 真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换， 把镀膜材料的原子从固体（ 表面撞出并放射出来。 把镀膜材料的原子从固体（靶）表面撞出并放射出来。 放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流， 放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流，后者凝聚并 形成镀层。 形成镀层。 阴极发射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程 中与溅射气体原子发生碰撞， 中与溅射气体原子发生碰撞，电离出大量的正离子和电 电子飞向基片, 子, 电子飞向基片, 正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（ 靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分 沉积在基片上成膜。 子）沉积在基片上成膜。
混合真空计
–
真空腔内压强
物质流量控制计
–
气体溅射流量
溅射的温度控制
基板温度
最大电压
温度
溅射的电压电流监控
功率
电流 电压
磁控溅射法制备CdS薄膜 薄膜 磁控溅射法制备
射频磁控溅射系统
– – – –
本实验采用射频磁控溅射方法制备CdS薄膜； 本实验采用射频磁控溅射方法制备CdS薄膜； CdS薄膜 CdS(99.99％ ,直径为 直径为76mm ,厚度为 厚度为3.2 mm； 靶材为高纯 CdS(99.99％) ,直径为76mm ,厚度为3.2 mm； 衬底为已经清洗过的导电玻璃； 衬底为已经清洗过的导电玻璃； (99.9%)为溅射气体 为溅射气体。 在实验过程中引入高纯 Ar (99.9%)为溅射气体
磁控溅射靶表面的磁场和电子运动的Байду номын сангаас迹
磁控溅射－工作示意图
基体 镀 层 从目标中喷出的表面原 子 电场
磁场 向目标运动的加速氩离 子 磁控溅射阴极 靶 磁极
磁控溅射－工作示意图
磁控溅射装置实物图
磁控溅射装置实物图
磁控溅射装置示意图
真空控制系统 溅射系统 --真空控制系统
气体流出阀
plug-in boards valve 机械泵 分子泵 充气阀
一般射频溅射面临的问题
缺点： 缺点： 1、溅射压强高、污染严重、 、溅射压强高、污染严重、 薄膜纯度差 2、不能抑制由靶产生的高 、 速电子对基板的轰击， 速电子对基板的轰击，基片 温升高、 温升高、淀积速率低 3、灯丝寿命低，也存在灯 、灯丝寿命低， 丝对薄膜的污染问题
磁控溅射的应用
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。具有低温、高速两大特点。 电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被 束缚在靠近靶面的等离子体区域内。 F=－q(E+v×B) E v B 电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁 场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长 电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子 碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压 下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。
磁控溅射简介
许 健
引言
1842年格洛夫（Grove） 1842年格洛夫（Grove）在实验室中发现了阴 年格洛夫 极溅射现象。迄后70年中， 70年中 极溅射现象。迄后70年中，由于实验条件的 限制， 限制，对溅射机理的认同长期处于模糊不清 状态。1970年后出现了磁控溅射技术 年后出现了磁控溅射技术。 状态。1970年后出现了磁控溅射技术。最近 15年来 进一步发展了一系列新的溅射技术， 年来， 15年来，进一步发展了一系列新的溅射技术， 使得磁控溅射技术从实验室应用技术真正地 进入工业化大量生产的应用领域。 进入工业化大量生产的应用领域。
衬底的清洗
– – –
(1)用烧杯将衬底浸在分析纯酒精溶液中，超声波清洗 10 分钟。 (2)倒掉酒精，灌入去离子水，超声波清洗 5 分钟。 (3)采用去离子水清洗衬底2-3次，直到衬底完全干净，衬底烘干后待用。
实验步骤
(1)将已经清洗好的导电玻璃衬底固 定在样品托上； (2)给靶材挡上挡板； (3)关好各气阀先后利用低、高阀抽 真空，直至真空度达到标准气压； (4)通入适量的高纯气体，并根据实 验设计，用质量流量计调节所需气 体比例； (5)加热衬底至预定温度； (6)开射频源起辉，以较低功率对靶 材预溅射 5 分钟； (7)调节射频功率使之达到实验要求， 待电流电压稳定后，移开挡板，开 始沉积薄膜； (8)维持溅射条件，至预设时间（本 实验溅射时间设为1.5小时）后关射 频源，停止起辉，取出样品。