【2026雷博百科】磁控濺射儀的工作原理是什么？

　　磁控濺射儀是在“普通直流/射頻濺射”的基礎(chǔ)上，加了一組磁場，讓電子被束縛在靶面附近，大幅提高離化率，從而提升成膜速率和膜層質(zhì)量的一種物理氣相沉積(PVD)設(shè)備。
 
　　下面分塊講清它的工作原理：
 
　　一、基本物理過程：從“撞飛原子”開始
 
　　真空與背景氣體?
 
　　腔體抽至高真空，再充入少量工作氣體，一般為氬氣（Ar）。
 
　　氬氣是惰性氣體，不會(huì)和大多數(shù)靶材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只負(fù)責(zé)“當(dāng)子彈”。
 
　　輝光放電：形成等離子體?
 
　　在靶材(陰極)和樣品(陽極/接地)之間施加幾百到幾千伏的高壓，形成強(qiáng)電場。
 
　　少量自由電子在電場中被加速，與氬氣分子碰撞，產(chǎn)生電離：
 
　　e−+Ar→Ar++2e−
 
　　這樣在靶面附近形成一個(gè)充滿Ar? 離子和電子的等離子體，并發(fā)出特征性的“輝光”。
 
　　濺射：把靶材原子“打出來”?
 
　　帶正電的 Ar? 在電場作用下高速轟擊靶材表面。
 
　　高能離子撞擊使靶材表面原子獲得能量，克服晶格束縛，被“撞飛”出來，形成濺射原子/粒子流。
 
　　這些原子以一定角度和能量向四周飛散，其中一部分會(huì)落到基片表面，逐漸堆積成膜。
 
　　二、磁控的關(guān)鍵：用磁場“困住”電子，提高成膜效率
 
　　電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)?
 
　　在普通濺射中，電子只受電場作用，很快飛到陽極，參與碰撞的機(jī)會(huì)少，離化率不高，成膜很慢。
 
　　磁控濺射在靶面附近增加了一組永磁鐵/電磁鐵，形成近似與靶面平行的磁場。
 
　　電子在電場中加速的同時(shí)，還要受洛倫茲力作用，在靶面附近做螺旋/擺線運(yùn)動(dòng)，被“關(guān)”在靶面區(qū)域，來回飛行。
 
　　提高離化率，提高成膜速率?
 
　　被“困住”的電子在靶面附近停留時(shí)間變長，與更多氬氣分子碰撞，大幅提高Ar 的離化率。
 
　　離化率提高后，單位時(shí)間能產(chǎn)生更多 Ar?，更多離子轟擊靶材，濺射速率大幅提升，成膜速度比普通濺射快很多。
 
　　因?yàn)殡娮颖患s束在靶面附近，打到基片上的電子很少，基片溫升低，適合對(duì)溫度敏感的樣品。
 
　　三、不同類型磁控濺射的常見形式
 
　　直流磁控濺射（DC Magnetron Sputtering）?
 
　　用于導(dǎo)電靶材：如金屬(Ti、Al、Cu、Cr 等)。
 
　　靶接負(fù)高壓，基片接正電或接地，通過電流和電壓控制濺射功率。
 
　　射頻磁控濺射（RF Magnetron Sputtering）?
 
　　用于絕緣或弱導(dǎo)電靶材：如 SiO?、ITO、Al?O? 等。
 
　　采用高頻交流電源(13.56 MHz)，在靶面形成自偏壓，使正離子仍能被吸引去轟擊靶面，實(shí)現(xiàn)濺射。
 
　　反應(yīng)磁控濺射（Reactive Sputtering）?
 
　　在 Ar 中引入反應(yīng)氣體，如 N?、O?、CH? 等，與靶材原子在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物薄膜。
 
　　如：
 
　　Ti 靶 + N? → 氮化鈦（TiN）? 膜(裝飾/耐磨涂層)；
 
　　Zn 靶 + O? → 氧化鋅（ZnO）? 膜(透明導(dǎo)電膜、壓電器件等)。
 
　　四、成膜過程：從原子到完整薄膜
 
　　沉積與遷移?
 
　　從靶面飛出的原子/團(tuán)簇以一定能量到達(dá)基片，在基片表面發(fā)生吸附、表面擴(kuò)散和重排，形成島狀核，再不斷長大、合并，形成連續(xù)薄膜。
 
　　影響膜層質(zhì)量的因素?
 
　　濺射功率、氣壓、氣體比例、基片與靶距離、基片溫度、偏壓等，都會(huì)決定：
 
　　膜的致密度、附著力、厚度均勻性、應(yīng)力、結(jié)晶性等。
 
　　五、磁控濺射的主要優(yōu)勢
 
　　成膜速率高：比普通直流濺射快數(shù)倍，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
 
　　基片溫升低：適合塑料、柔性襯底、熱敏器件。
 
　　膜層質(zhì)量好：致密、附著力強(qiáng)、成分和厚度較易控制。
 
　　應(yīng)用廣泛：從金屬電極、硬質(zhì)耐磨涂層，到透明導(dǎo)電膜、介質(zhì)層、裝飾膜，都有使用。