磁控濺射原理

1、讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件1磁 控 濺 射 原 理815TCO讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件2磁控濺射原理磁控濺射原理直流輝光放電直流輝光放電 右圖為直流輝光放電的發(fā)光區(qū)電位分布 及凈空間電荷沿極間距的分布圖。 靠近陰極有一明亮的發(fā)光區(qū)，稱為陰極 輝光區(qū)。 電子在陰極暗區(qū)發(fā)生大量的電離碰撞， 正離子被加速射向陰極。但是正離子的 遷移率遠(yuǎn)低于電子的遷移率，凈空間電 荷呈正值，在陰極表面附近形成一個正 離子殼層。 陰極暗區(qū)是氣體輝光放電的最基本組陰極暗

2、區(qū)是氣體輝光放電的最基本組 成成 部分部分。 在負(fù)輝光區(qū)，電子碰撞氣體原子產(chǎn)生強烈的發(fā)光。 法拉第暗區(qū)和正柱區(qū)幾乎是等電位區(qū)，不一定是輝光放電所必需。讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件3磁控濺射原理磁控濺射原理低頻交流輝光放電低頻交流輝光放電在頻率低于50KHz的交流電壓下，離子有足夠的活動能力且有充分的時間，在每個半周期在各個電極上建立直流輝光放電。其機理基本上與直流輝光放電相同。射頻輝光放電射頻輝光放電在一定氣壓下，在陰陽極之間施加交流電壓，當(dāng)其頻率增高到射頻頻率時即可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。射頻輝光放電在輝光放電空間中電

3、子震蕩足以產(chǎn)生電離碰撞的能量，所以減小了放電對二次電子的依賴，并且能有效降低擊穿電壓。射頻電壓可以穿過任何種類的阻抗，所以電極就不再要求是導(dǎo)電體，可以濺射任何材料，因此射頻輝光放電廣泛用于介質(zhì)的濺射。頻率在530MHz都稱為射頻頻率。讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件4磁控濺射原理磁控濺射原理濺射原理濺射原理濺射過程即為入射離子通過一系列碰撞進(jìn)行能量和動量交換的過程。 電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar離子和電子，電子飛向基片，在此過程中不斷和Ar原子碰撞，產(chǎn)生更多的Ar離子和電子。Ar

4、離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。 靶材靶材基片基片V (0)E+ArAr+-e-e-e+Ar+讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件5電子在電場力作用下迅速飛向基片表面：一般濺射鍍膜的不足一般濺射鍍膜的不足電子與Ar原子碰撞幾率低，Ar離子密度偏低，濺射效率低，成膜速度慢。電子運動路徑短，轟擊在基片上速度快，導(dǎo)致基片溫度升高。磁控濺射原理磁控濺射原理讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件6磁控濺射原理磁控

5、濺射原理 電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠(yuǎn)離靶材，最終沉積在基片上。 電子運動路徑變長，與Ar原子碰撞幾率增加， 提高濺射效率。電子只有在其能量將耗盡時才會落到基片上， 基片溫度上升慢。讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件7磁控濺射的優(yōu)點磁控濺射的優(yōu)點 穩(wěn)定性好 重復(fù)性好 均勻性好 高速 低溫 應(yīng)用廣泛 金

6、屬 非金屬 金屬化合物 非金屬化合物讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件8影響濺鍍效率的因素影響濺鍍效率的因素 磁場分布 濺射速率 沉積速率 工作氣壓 工作電壓 濺射功率 靶基距讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件9反應(yīng)濺射中的金屬靶中毒反應(yīng)濺射中的金屬靶中毒 金屬靶表面不斷與反應(yīng)氣體（ O2 等）生成化合物覆蓋層從而使濺射速率大幅度下降甚至不濺射，稱之為靶中毒。 過多的反應(yīng)氣體（O2等)使金屬靶材表面被氧化。 任何不穩(wěn)定因素（如：電?。┒寄芷茐南到y(tǒng)的平衡，導(dǎo)致靶

7、中毒。 在直流濺射中要非常注意濺射參數(shù)的控制。 使用射頻磁控濺射可解決靶中毒問題。 使用中頻磁控濺射可杜絕靶中毒問題。讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件10射頻（射頻（RF）磁控濺射）磁控濺射射頻磁控濺射的特點：射頻磁控濺射的特點：電流大，濺射速率高，產(chǎn)量大膜層與基體的附著力比較強 向基片的入射能量低，避免了 基片溫度的過度升高 大功率的射頻電源價格較高 ，對 于人身防護(hù)也成問題 。裝置較復(fù)雜，存在絕緣、屏蔽、 匹配網(wǎng)絡(luò)裝置與安裝、電極冷卻 等多種裝置部件 。射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用 。1-磁極 2-屏蔽罩 3-基片 4-基

8、片加熱裝置5-濺射靶 6-磁力線 7-電場 8-擋板9-匹配網(wǎng)絡(luò) 10-電源 11-射頻發(fā)生器右圖為射頻磁控濺射實驗裝置示意圖。讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件11直流（直流（DC）磁控濺射）磁控濺射1-磁極 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加熱裝置 5-濺射靶 6-磁力線 7-電場 8-擋板 直流磁控濺射裝置圖與射頻磁控濺射裝置圖相比，其不需要外部復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)匹配裝置和昂貴的射頻電源裝置，適合濺射導(dǎo)體或者半導(dǎo)體材料?，F(xiàn)已經(jīng)在工業(yè)上大量使用。. 直流磁控濺射的特點直流磁控濺射的特點. 靶材靶材 直流磁控濺射沉積薄膜一般用平面靶。

9、圓形平面靶： 15%矩形平面靶： 30%讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件12中頻（中頻（MF）磁控濺射）磁控濺射中頻交流磁控濺射可用在單個陰極靶系統(tǒng)中。中頻交流磁控濺射可用在單個陰極靶系統(tǒng)中。工業(yè)上一般使用孿生靶濺射系統(tǒng)。工業(yè)上一般使用孿生靶濺射系統(tǒng)。讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件13中頻（中頻（MF）磁控濺射）磁控濺射中頻交流孿生靶濺射的兩個靶位上的工作波形中頻交流孿生靶濺射的兩個靶位上的工作波形讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the

10、IMPOSSIBLE possible編輯課件14TwinMag II中頻（中頻（MF）磁控濺射）磁控濺射讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件15旋轉(zhuǎn)靶的優(yōu)點靶材利用率最高可達(dá) 70% 以上 靶材有更長的使用壽命更快的濺射速率杜絕靶中毒現(xiàn)象中頻（中頻（MF）磁控濺射）磁控濺射讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件16中頻孿生旋轉(zhuǎn)靶磁控濺射中頻（中頻（MF）磁控濺射）磁控濺射讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible

11、編輯課件17中頻（中頻（MF）磁控濺射）磁控濺射中頻反應(yīng)磁控濺射中的“遲滯回線”現(xiàn)象Process control: high deposition rateunstable transition mode.讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件18三種磁控濺射對比三種磁控濺射對比DCMFRF電源價格便宜一般昂貴靶材圓靶/矩形靶平面靶/旋轉(zhuǎn)靶 實驗室一般用圓平面靶靶材材質(zhì)要求導(dǎo)體無限制無限制抵御靶中毒能力弱強強靶材利用率15 / 3030 / 70應(yīng)用金屬金屬/化合物工業(yè)上不采用此法易打弧，不穩(wěn)定在反應(yīng)濺射中要嚴(yán)格控制反應(yīng)氣體流量

12、工作穩(wěn)定，無打弧現(xiàn)象，濺射速率快讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件19Al背電極工藝參數(shù)背電極工藝參數(shù)制備方法的選擇：采用制備方法的選擇：采用DC濺射鋁平面矩形靶濺射鋁平面矩形靶 工藝參數(shù)：工藝參數(shù)：本底真空2310-3Pa工作氣壓0.30.6 Pa基片溫度 200C工作電壓工作功率密度厚度5001000nm讓不可能成為可能讓不可能成為可能 Making the IMPOSSIBLE possible編輯課件20前、背電極前、背電極ZAO工藝參數(shù)工藝參數(shù)制備方法的選擇：采用制備方法的選擇：采用MF濺射鋅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材濺射鋅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材工藝參數(shù)：工藝參數(shù)：本底真空410-4Pa 工作氣壓2.