磁控溅射原理详细介绍电子教案

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（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。

2.2.1.溅射原理溅射法沉积薄膜是物理气相沉积的一种，它利用荷电的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向预溅射的靶电极，在入射离子能量合适的情况下，将靶表面的原子溅射出来。

这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上沉积薄膜。

溅射有两条最基本的特点：一是由辉光放电提供的高能离子或中性原子碰撞靶材表面，将其动量传递给靶材；二是动量传递导致某些粒子从靶表面溅射出来。

离子轰击靶表面时除了会击出靶材原子外还会击出电子，即二次电子，这些电子在电场中加速后，与气体原子或分子碰撞，使其电离，从而使等离子体得以维持。

在溅射的过程中通入少量的活性气体，使它与溅射出的靶原子在衬底上反应形成化合物薄膜，称为反应溅射。

对于一般的溅射沉积方法具有两个缺点：第一，薄膜的沉积速率较低；第二，溅射所需的工作气压较高，如果工作气压低于1.3 Pa，电子的平均自由程太长，没有足够的离化碰撞，自持放电很难维持。

作为薄膜沉积的一种技术，自持放电最严重的缺陷是用于产生放电的惰性气体对所沉积薄膜构成的污染。

一般溅射的效率一般不高，为了提高溅射效率，就需要增加气体的离化效率。

因为溅射用于轰击靶材的离子来源于等离子体，提高溅射镀膜速率的关键在于如何提高等离子体的密度或电离度，以降低气体放电的阻抗从而在相同的放电功率下获得更大的电流，即获得更多的离子以轰击靶材。

提高等离子体的密度或电离度的关键在于如何充分利用电子的能量，使其最大限度地用于电离。

图2.1磁控溅射系统示意图在普通溅射系统的基础上增加一个发射电子的热阴极和一个辅助阳极，构成三极(或称四极)溅射系统。

由于热阴极发射电子的能力较强，因而放电气压可以维持在较低的水平上，这对于提高沉积速率、减少气体杂质污染都是有利的。

但是这种三极(或称四极)溅射的缺点是难以获得大面积且分布均匀的等离子体，且其提高薄膜沉积速率的能力有限，因而这一方法未获得广泛使用。

磁控溅射的基本原理
磁控溅射是一种常用的表面涂层技术，其基本原理是利用磁场控制金属靶材的粒子运动，使其与气体离子发生碰撞，从而产生溅射现象。

具体来说，磁控溅射系统通常由以下几个组件构成：金属靶材、磁控源、工作气体、基底材料和真空腔体。

首先，靶材作为溅射的源头，通常是由所需涂层材料制成。

磁控源则通过施加磁场，使靶材表面的金属原子形成粒子流，这个粒子流称为溅射束。

施加磁场的目的是聚焦和加速溅射粒子，提高溅射效率。

然后，工作气体被引入真空腔体中，并与磁控源产生的溅射束发生碰撞。

这个工作气体通常是惰性气体，如氩气，它的作用是激发靶材表面的金属原子，并将其释放到气氛中。

释放的金属原子很快与基底材料表面的原子结合，形成所需的涂层。

基底材料可以是任何需要被涂层的物体表面，如金属件、玻璃器皿等。

通过控制溅射时间和气氛控制等参数，可以调节涂层的厚度和质量。

总的来说，磁控溅射的基本原理是利用磁场控制金属靶材的溅射束，使其与工作气体发生碰撞并释放金属原子，从而形成涂层。

这一技术在材料加工、光学涂层、硬质涂层等领域有着广泛的应用。

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。