Sputter濺鍍原理

1、Sputter磁控濺鍍原理Sputter在辭典中意思為：（植物）濺散。此之所謂濺鍍乃指物體以離子撞擊時，被濺射飛散出。因被濺射飛散的物體附著于目標基板上而制成薄膜。在日光燈的插座附近常見的變黑現(xiàn)象，即為身邊最賞見之例，此乃因日光燈的電極被濺射出而附著于周圍所形成。濺 鍍現(xiàn)象，自19世紀被發(fā)現(xiàn)以來，就不受歡迎，特別在放電管領(lǐng)域中尤當防止。近年來被引用于薄膜制作技術(shù)效效佳，將成為可用之物。薄膜制作的應(yīng)用研究，當初主要為Bell Lab.及Western Electric公司，于1963年制成全長10m左右的連續(xù)濺鍍裝置。1966年由IBM公司發(fā)表高周波濺鍍技術(shù)，使得絕緣物之薄膜亦可制作。后經(jīng)種種研

2、究至今已達“不管基板的材料為何，皆可被覆蓋任何材質(zhì)之薄膜”目的境地。而若要制作一薄膜，至少需要有裝置薄膜的基板及保持真空狀況的道具（內(nèi)部機構(gòu)）。這種道具即為制作一空間，并使用真空泵將其內(nèi)氣體抽出的必要。一、 真空簡介：所謂真空，依JIS（日本工業(yè)標準）定義如下：較大氣壓力低的壓力氣體充滿的特定的空間狀態(tài)。真空區(qū)域大致劃分及分子運動如下：   真空劃分壓        力分子運動狀態(tài)PaTorr低 真 空1051027601粘滯流 viscous flow中 真 空10210-1110-3中間流（

3、過渡流） intermediate flow高 真 空10-110-510-310-7分子流  molecular flow超高真空10-510-7分子流  molecular effusion真空單位相關(guān)知識如下：標準環(huán)境條件溫度為20，相對濕度為65%，大氣壓力為：1atm 101325Pa=1013.25mbar=760Torr氣體的標準狀態(tài)溫度為0，壓力為：101325Pa壓力（壓強）p氣體分子從某一假想平面通過時，沿該平面的正法線方向的動量改變率，除以該平面面積或氣體分子作用于其容器壁表面上的力的法向分量，除以該表面面積。注：“壓力”這一術(shù)語只

4、適用于氣體處于靜止狀態(tài)的壓力或穩(wěn)定流動時的靜態(tài)壓力帕斯卡Pa國際單位制壓力單位，1Pa=1N/m2托Torr壓力單位，1Torr=1/760atm標準大氣壓atm壓力單位，1atm=101325Pa毫巴mbar壓力單位，1mbar=102Pa二、 Sputter（磁控濺鍍）原理：1、Sputter濺鍍定義：在一相對穩(wěn)定真空狀態(tài)下，陰陽極間產(chǎn)生輝光放電，極間氣體分子被離子化而產(chǎn)生帶電電荷，其中正離子受陰極之負電位加速運動而撞擊陰極上之靶材，將其原子等粒子濺出，此濺出之原子則沉積于陽極之基板上而形成薄膜，此物理現(xiàn)象即稱濺鍍。而透過激發(fā)、解離、離子化等反應(yīng)面產(chǎn)生的分子、原子、受激態(tài)物質(zhì)、電子、正負離

5、子、自由基、UV光（紫外光）、可見光等物質(zhì)，而這些物質(zhì)混合在一起的狀態(tài)就稱之為電漿（Plasma）。下圖為Sputter濺鍍模型（類似打臺球模型）：圖一 Sputter濺鍍模型圖二 Sputter濺鍍后原子分子運動模型圖三 濺射原子彈性碰撞模型氣體固體圖一中的母球代表被電離后的氣體分子，而紅色各球則代表將被濺鍍之靶材（Si、ITO&Ti等），圖二則代表濺鍍后被濺射出的原子、分子等的運動情形；即當被加速的離子與表面撞擊后，通過能量與動量轉(zhuǎn)移過程（如圖三），低能離子碰撞靶時，不能從固體表面直接濺射出原子，而是把動量轉(zhuǎn)移給被碰撞的原子，引起晶格點陣上原子的鏈鎖式碰撞。這種碰撞將沿著晶體點陣的

6、各個方向進行。同時，碰撞因在原子最緊密排列的點陣方向上最為有效，結(jié)果晶體表面的原子從鄰近原子那里得到愈來愈大的能量，如果這個能量大于原子的結(jié)合能，原子就從固體表面從各個方向濺射出來。圖四 Sputter濺鍍簡圖-+ Popwer S SN S NN N圖四為CPTF之Sputter磁控濺射設(shè)備簡要模型：電子在交互電場與磁場E×B作用下將氣體電離后撞擊靶材表面，使靶材原子或分子等濺射出來并在管面經(jīng)過吸附、凝結(jié)、表面擴散遷移、碰撞結(jié)合形成穩(wěn)定晶核。然后再通過吸附使晶核長大成小島，島長大后互相聯(lián)結(jié)聚結(jié)，最后形成連續(xù)狀薄膜。2、Sputter濺鍍物理原理：2.1、Sputter濺鍍理論根據(jù)詳

7、解：洛侖茲力：實驗和理論證明，在磁感強度為B的磁場中，電荷為q、運動速度為的帶電粒子，所受的磁場力為圖五 右手螺旋法則此力通常稱為洛倫茲力此公式稱為洛倫茲公式。根據(jù)運動電荷在磁場中的洛倫茲力公式，洛倫茲力的大小為：。   從公式可以看出，洛倫茲力的大小不僅和的大小有關(guān)，而且取決于和之間的夾角的正弦。當時，。此時，運動電荷不受磁力作用。當時，。此時，運動電荷受到最大磁力作用。洛倫茲力的方向為：服從右手螺旋法則。運動電荷帶電量的正負不同，即使在均相同的情況下，洛倫茲力的方向也不同。     當時，即磁場力的方向服從右手螺旋法則。 

8、0;   當時，負號說明磁場力的方向在右手螺旋法則規(guī)定的反方向。始終運動方向垂直，故洛倫茲力對運動電荷永不做功,洛倫茲力公式是安培定律的微觀形式。圖六 安培定律微觀模型洛倫茲公式是洛倫茲在20世紀初首先根據(jù)安培定律導出的，之后從實驗上得到了驗證。對載流導體在磁場中所受的力，從微觀上看，是導體中作定向運動的電子受磁場力作用的結(jié)果。根據(jù)安培定律，和電流強度的微觀表示形式，如右圖中電流元受到的安培力可改寫為：式中是電流元中參與導電的運動電荷總數(shù)。在磁場強度為B的磁場中，電荷為q、運動速度為的帶電粒子，所受的磁場力為此力通常稱為洛倫茲力。當不時，帶電粒子同時參與兩種運動，將在磁場中

9、作螺旋線運動。粒子速度垂直于磁場方向的分量所對應(yīng)的洛倫茲分力，將使粒子繞磁場作圓周運動，回旋半徑：  粒子速度平行于磁場方向的分量所對應(yīng)的洛倫茲分力，將使粒子作勻速直線運動，兩個分運動合成為螺旋線運動。圖七V不時，帶電粒子在磁場中的運動2.2、Sputter濺鍍物理原理：磁控濺射的工作原理如下圖所示；電子在電場E作用下，在飛向基板過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離出Ar+和一個新的電子，電子飛向基片，Ar+在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子則淀積在基片上形成薄膜。二次電子el一旦離開靶面，就同時受到電場和磁場的作用。為了便

10、于說明電子的運動情況，可以近似認為：二次電子在陰極暗區(qū)時，只受電場作用；一旦進入負輝區(qū)就只受磁場作用。于是，從靶面發(fā)出的二次電子，首先在陰極暗區(qū)受到電場加速，飛向負輝區(qū)。進入負輝區(qū)的電子具有一定速度，并且是垂直于磁力線運動的。在這種情況下，電子由于受到磁場B洛侖茲力的作用，而繞磁力線旋轉(zhuǎn)。電子旋轉(zhuǎn)半圈之后，重新進入陰極暗區(qū)，受到電場減速。當電子接近靶面時，速度即可降到零。以后，電子又在電場的作用下，再次飛離靶面，開始一個新的運動周期。電子就這樣周而復(fù)始，跳躍式地朝著E(電場)×B(磁場)所指的方向漂移(見下圖)。簡稱E×B漂移。 電子在正交電磁場作用下的運動軌跡近似于一條擺

11、線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面作圓周運動。二次電子在環(huán)狀磁場的控制下，運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)中電離出大量的Ar+離子用來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了磁控濺射淀積速率高的特點。隨著碰撞次數(shù)的增加，電子e1的能量消耗殆盡，逐步遠離靶面。并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳給基片的能量很小，致使基片溫升較低。另外，對于e2類電子來說，由于磁極軸線處的電場與磁場平行，電子e2將直接飛向基片，但是在磁極軸線處離子密度很低，所以e2電子很少，對基片溫升作用極微。 綜上所述，磁控濺射的基本原理，就是以磁場來改變電子的運動方向，并束縛和延長電子的運動軌跡，從而提高了電子對工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。因此，使正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效。同時，受正交電磁場束縛的電子，又只能在其能量要耗盡時才沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”，“高速”兩大特點的道理。具體應(yīng)用于Sputter磁控濺射中之情形如下圖所示。圖八 磁控濺射工作原理 3、Magnetron、Magnetron Sputtering& Plasma簡解：3.1、What is Magnetron：圖九 What is magnetron（磁場）3.2、What is Ma