关于磁控溅射基础知识
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
图1 溅射率与Ar气压强的关系
5
第一部分 真空镀膜基础
1.3 €è•þˆ?ŒÊƒ6
(2)沉积薄膜的纯度 (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 (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。 (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。 (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。
9
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 之间的电压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为 这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子 在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图2(b) 中曲线的开始阶段所示的那样。 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快， 即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱 和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个 饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子 之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路 转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于 阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加 到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生 电离，如图2(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即 碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电 电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤 汤 生放电。 生放电 在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这 时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电 晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电 电晕放电。 电晕放电
磁控溅射（1讲义理论）
磁控溅射（1讲义理论）磁控溅射【实验目的】1、了解磁控溅射基本原理。
2、了解射频磁控溅射仪器构造及使用方法。
3、了解利用射频磁控溅射制备薄膜。
【实验仪器】DHRM-3射频磁控溅射镀膜装置【实验原理】1、磁控溅射原理：用高能粒子（大多数是由电场加速的正离子）撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射。
按照溅射理论的级联碰撞模型如图1所示，当入射离子与靶原子发生碰撞时把能量传给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格的原子撞出，形成级联碰撞。
当级联碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量足以克服结合能时，表面粒子逸出成为溅射粒子。
溅射粒子沉积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。
对于直流溅射，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于基底有数千伏的电压。
对系统预抽真空以后，充入适当压力的惰性气体。
例如Ar2作为气体放电的载体，压力一般为1～10Pa的范围内。
在正负极高压的作用下，极间的气体原子将被大量电离。
电离过程使Ar原子电离成为Ar+离子和可以独立运动的电子e。
其中电子飞向阳极，而带正电荷的Ar＋离子则在高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并与靶材原子发生级联碰撞而使靶表面粒子逸出，沉积在基底上而形成薄膜。
直流溅射只能沉积金属膜，而不能沉积绝缘介质膜。
其原因是由于，当溅射绝缘介质靶材时，轰击绝缘介质靶材表面的正离子和电荷无法中和，于是导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶（绝缘介质）上，极间的粒子加速与电离就会变小，以至于溅射不能维持。
如果在靶和基底之间加一射频电压，那么溅射将可以维持。
这是因为在溅射靶电极处于高频电压的负半周时，正离子对靶材进行轰击引起溅射。
与此同时，在介质靶面积累了大量的正电荷。
当溅射靶电极处于高频电压的正半周时，由于电子对靶材进行轰击中和了积累在介质靶面的正电荷，就为下一周期的溅射创造了条件。
这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射材料实质的目的。
磁控溅射的原理
磁控溅射的原理磁控溅射，是一种高效且具有广泛应用前景的表面处理技术。
它利用高频电磁场，将材料原料加速到高速质点，并使其在惰性气体环境下与基体发生反应，从而形成高品质的薄膜。
该技术广泛应用于电子、光学、能源、化工等领域，成为现今极具发展潜力的表面处理技术之一。
本文将分步骤阐述磁控溅射的原理，以期为读者展现其深刻的技术内涵。
第一步：磁场辅助离子化在磁控溅射技术中，最先需要实现的是材料原料被离子化成正离子，以便它们能够被加速器和磁场进行有效的控制。
为了实现此目标，首先需要在溅射室内建立高频电磁场，使气体离子化。
高频电磁场的存在，可以产生能量足以将材料原料离子化的电子，从而将材料原料转化为离子，并进一步促进形成离子的发射。
第二步：离子加速与反应在使用高频电磁场使材料原料离子化之后，我们需要将离子集中加速，使其在与惰性气体接触时，能够产生反应。
通过饱和溅射材料原料，可以提供足够的离子浓度，从而使离子集中加速，加速质量越大，其运动速度就越快。
通过磁控溅射使材料原料离子化后形成的正离子与惰性气体原子之间碰撞，产生自由电子和离子，自由电子遵从离子的运动轨迹，而离子可以被高频电场加速，以高速撞击到基底生长。
这些离子在撞击基底生长的过程中，会大大提高表面的能量，从而使基底表面的活性物质产生化学反应。
这是磁控溅射技术中最重要的一个步骤。
第三步：薄膜生长与形成在第二步发生的离子加速和反应中，大量的正离子会被撞击到基底表面，以形成一层新的薄膜。
随着磁控溅射的进行和反应密度的增加，薄膜的厚度也随之增加。
而新产生的薄膜将进一步影响溅射条件，影响反应速率，从而改变生成薄膜的属性性质。
总体来看，磁控溅射技术的原理，可以总结为三个基本步骤：磁场辅助离子化、离子加速与反应、薄膜生长与形成。
通过这种技术，我们可以大幅度提高薄膜的质量，使其具有良好的可控性和高度的稳定性。
在未来的革新之中，磁控溅射技术无疑将得到迅速发展，铸就出更为辉煌的篇章。
磁控溅射原理
磁控溅射原理磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、信息存储、显示器件等领域。
磁控溅射原理是指在磁场作用下，通过离子轰击靶材使其表面原子或分子脱离并沉积在基底表面形成薄膜的过程。
本文将从磁控溅射的基本原理、设备结构和工艺特点等方面进行介绍。
首先，磁控溅射的基本原理是利用离子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱离，并沉积在基底表面形成薄膜。
在磁控溅射系统中，通常采用惰性气体（如氩气）作为溅射气体，通过电离产生的离子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱离。
同时，通过外加磁场的作用，使得离子在靶材表面形成螺旋状轨迹，增加了沉积薄膜的均匀性和致密性。
其次，磁控溅射设备通常由真空室、靶材、基底架、溅射源、磁控装置和辅助加热装置等组成。
真空室用于提供高真空环境，保证溅射过程中的稳定性和纯净度；靶材是溅射的原料，可以是金属、合金、化合物等材料；基底架用于放置基底材料，通常需要加热以提高薄膜的结晶度和致密性；溅射源是产生离子的地方，通常采用直流或射频电源产生电弧，将靶材表面的原子或分子脱离；磁控装置用于产生磁场，控制离子轨迹，增加薄膜的均匀性和致密性；辅助加热装置用于提高基底的温度，促进薄膜的结晶生长。
最后，磁控溅射具有工艺简单、成本低、薄膜均匀致密、沉积速率快等特点，广泛应用于半导体器件、光学镀膜、信息存储介质、显示器件等领域。
在半导体工业中，磁控溅射被用于制备金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等，用于制备电极、金属层、光学膜等功能材料。
在光学镀膜领域，磁控溅射被用于制备反射膜、透射膜、滤光膜等，用于改善光学器件的性能。
在信息存储介质领域，磁控溅射被用于制备磁记录介质膜，用于制备磁盘、磁带等存储介质。
在显示器件领域，磁控溅射被用于制备透明导电膜、光学膜、阻挡层等，用于制备液晶显示器、有机发光二极管等显示器件。
总之，磁控溅射作为一种重要的薄膜沉积技术，具有广泛的应用前景和重要的科学研究意义。
随着材料科学和工艺技术的不断发展，磁控溅射技术将在更多领域发挥重要作用，推动相关领域的发展和进步。
磁控溅射原理详细介绍课件
THANKS
感谢观看
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。
磁控溅射仪原理
磁控溅射仪原理磁控溅射仪是一种常用的薄膜制备设备，利用磁场和离子束的作用，将固体材料溅射到基底上，形成薄膜。
它的原理主要包括磁控溅射过程、溅射材料的选择和基底的制备等。
磁控溅射过程是磁控溅射仪的核心原理。
在磁控溅射仪中，首先需要将固体材料放置在溅射靶材上。
然后，在真空室中建立一定的气压，以保证溅射过程中的气体分子不会对靶材和基底产生干扰。
接下来，通过施加磁场，可以将氩离子束引导到靶材的表面。
当氩离子与靶材表面相互碰撞时，会将靶材表面的原子和分子溅射出来，并以高速飞向基底。
最后，这些溅射粒子在基底表面堆积形成一层薄膜。
磁控溅射过程中的磁场起到了至关重要的作用。
磁场的作用是将氩离子束限制在靶材表面的一个区域内，使其只能与靶材表面相互碰撞，而不会飞散到其他地方。
磁场的强弱和方向可以通过调节磁控溅射仪中的磁铁来控制，以适应不同材料的溅射要求。
同时，磁场还可以影响溅射过程中的离子束的能量和轨道，从而控制薄膜的质量和性能。
在选择溅射材料时，需要考虑材料的物理和化学性质，以及薄膜的应用要求。
常用的溅射材料包括金属、氧化物、硅、氮化物等。
不同的材料会对薄膜的结构和性能产生不同的影响。
例如，金属材料可以制备导电性较好的薄膜，氧化物材料可以制备绝缘性较好的薄膜。
此外，还可以通过控制溅射工艺参数，如溅射功率、气体压力和溅射时间等，来调节薄膜的厚度和成分，以满足不同应用的需求。
除了溅射材料的选择，基底的制备也是磁控溅射过程中的重要环节。
基底的表面质量和结构对于薄膜的成长和性能具有重要影响。
在磁控溅射之前，需要对基底进行表面清洗和预处理，以去除表面的杂质和氧化物，并提供良好的溅射条件。
常用的基底材料包括硅、玻璃、金属等。
选择合适的基底材料可以使薄膜与基底之间具有良好的结合和界面性能。
磁控溅射仪通过磁场和离子束的作用，实现了将固体材料溅射到基底上制备薄膜的过程。
磁控溅射仪的原理包括磁控溅射过程、溅射材料的选择和基底的制备等。
磁控溅射的原理和应用
磁控溅射的原理和应用1. 概述磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，通过在真空环境下利用磁控电弧放电，在靶材表面产生等离子体并溅射到基底表面，形成薄膜覆盖层。
本文将介绍磁控溅射的原理和应用。
2. 原理磁控溅射的原理基于磁控电弧放电和溅射现象。
2.1 磁控电弧放电磁控电弧放电是利用磁场将电弧限制在靶材表面的一种放电方式。
它通过施加磁场，使电子在磁场力的作用下做螺旋状的运动，从而形成长度较长的电弧，能够保持稳定的放电状态。
2.2 溅射现象溅射现象是指在电弧放电过程中，高速冲击电子将靶材表面的原子或分子击出，并以原子或离子的形式沉积在基底表面。
这种溅射现象是磁控溅射薄膜制备的基础。
3. 设备和工艺3.1 设备磁控溅射设备主要由真空腔体、靶材、基底台、磁场系统、电极和电源等组成。
真空腔体用于提供真空环境，靶材是溅射源，基底台用于支撑待溅射的基底材料。
3.2 工艺磁控溅射工艺包括电弧放电、离子热化、溅射和沉积等步骤。
首先，通过施加适当的电流和电压，在靶材上形成电弧放电；然后，通过引入反离子束进行离子热化，使靶材表面清洁；接下来，激活靶材表面的原子或离子开始溅射；最后，溅射的原子或离子在基底表面沉积，形成薄膜层。
4. 应用磁控溅射技术在各个领域都有广泛的应用，如下所示：•光学薄膜：磁控溅射技术可用于制备光学薄膜，如反射镜、透镜等。
通过控制溅射参数和靶材的选择，可以调控薄膜的光学性能。
•电子元器件：磁控溅射技术可用于制备电子元器件的金属导电层或绝缘层。
这些薄膜可以提供电子元器件的功能和保护。
•太阳能电池：磁控溅射技术可用于制备太阳能电池的薄膜层。
这些薄膜层可以提高太阳能电池的光吸收和电子传输效率。
•防护涂层：磁控溅射技术可用于制备具有防护功能的涂层。
这些涂层可以提供对外界环境的防腐、防蚀等保护。
5. 总结磁控溅射是一种重要的薄膜制备技术，其原理基于磁控电弧放电和溅射现象。
通过磁控溅射技术，可以制备具有不同性质的薄膜，并在光学、电子、能源等领域得到广泛应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
磁控溅射
目前最重要的工业化
大面积真空镀膜技术
之一
其历史发展如下图所
示：
发展的驱动力分为以下几点：
1.降低工艺成本
关注靶材利用率，沉积速率，薄膜均匀性，溅射过程稳定性;
2.解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化
由于低能离子轰击在薄膜沉积中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率，能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以满足实际镀膜中的多种需求。
其中的
HIPIMS 高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering;
MFMS 中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering;
CFUBMS闭合场非平衡磁控溅射closed field unbalanced magnetron sputtering;
UBMS 非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering;
IBAMS 离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputtering;
HCM 空心阴极磁控溅射hollow cathode sputtering;
ICPMS 感应耦合等离子磁控溅射inductively couple plasma magnetron sputtering;
一，磁控溅射工艺原理
相对于其他的制备工艺（CVD，PLD，Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最常用的方法之一。
其主要优点如下：
1.较低的制备温度（可室温沉积）;
2.较高的成膜质量，与衬底附着力好;
3.可控性好，具有较高的沉积速率;
4.可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物;
5.成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。
按照构造的不同，磁控溅射靶可以分为圆柱靶和平面靶;
主要原理：应用一定强度的磁场（50～200mT，能显著影响电子运动但不影响离子运动）和电场（负偏压，约几百V），可以将等离子体（主要是电子）约束在靶面附近（形成非均匀等离子体），增加了碰撞几率，提高了离化效率，因而能在较低的工作气压（0.1～10Pa）和电压下就能起弧/维持辉光放电，而且同时减少了电子对基底的轰击，利于实现低温沉积; 另一方面，这种非均匀等离子体也本质上决定了靶面的非均匀刻蚀以及沉积粒子流量（大致表现为薄膜的沉积速率）和能量分布的空间非均匀性，但这可以通过优化磁控靶结构构造，磁场位形强度分布和移动基体等措施，在一定程度上予以弥补和改善或尽量达到所需的参数。
等离子体微观工艺参数：
磁控溅射通常会选择“异常辉光放电区”为工作区域，辉光放电典型的等离子体参数有：
离子流量/能量/角度分布（ion flux/energy/angle distribution）
中性溅射原子流量/能量/角度分布（neutron sputtered atom flux/energy/angle distribution）
电子温度/密度（electron temperature/density）
ji/jn 比
电场电势分布（鞘层压降Vdc，等离子体空间电位Vp，基片浮点电位Vfl等）。