磁控濺鍍原理

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

2、鍍技術(shù),使得絕緣物之薄膜亦可 制作.后經(jīng)種種研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 Pa 低 真 空 中 真 空 高 真 空 超高真空 105102 10210-1 10 10 10 -5 -1 -5 壓 力 Torr 7601 110-3 10-310 10 -7 -7 分子運動狀

3、態(tài) 粘滯流 viscous flow 中間流(過渡流 intermediate flow 分子流 molecular flow 分子流 molecular effusion 真空單位相關(guān)知識如下: 標準環(huán)境條件 氣體的標準狀態(tài) 壓力(壓強p 帕斯卡 Pa 托 Torr 標準大氣壓 atm 毫巴 mbar 溫度為 20,相對濕度為 65%,大氣壓力為: 1atm 101325Pa=1013.25mbar=760Torr 溫度為 0,壓力為:101325Pa 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

4、.注: 壓 力這一術(shù)語只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 國際單位制壓力單位,1Pa=1N/m2 壓力單位,1Torr=1/760atm 壓力單位,1atm=101325Pa 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,正負離子,

5、自由 基, 光 UV (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 的各個方向進行.同時,碰撞因在原子最緊密排列的

6、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. 氣體 固體 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 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 EB 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. N S N 圖四 Sputter 濺鍍簡 + 2,Sputter 濺鍍物

7、理原理: 2.1,Sputter 濺鍍理論根據(jù)詳解: 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 粒子,所受的磁場力為 的帶電 此力 通常稱為洛倫茲力.此公式稱為洛倫茲公式. , 洛倫茲力 根據(jù)運動電荷在磁場中的洛倫茲力公式 的大小為: 從公式 和 . 當 當 時, , 時, . 可以看出,洛倫茲力 的大小有關(guān),而且取決于 和 的大小不僅 之間的夾角的正弦 . 此時, 運動電荷不受磁力作用. , .此時,運動電荷受 圖五 右手螺旋法則 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 當 當 均相同的情況下,洛倫茲力的方

8、向也不同. 時, 時, ,即磁場力的方向服從右手螺旋法則. ,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. 洛倫茲公式是洛倫茲在 20 世紀初首先根據(jù)安培定律導(dǎo)出的,之后從實驗上得到了驗證.對載 流導(dǎo)體在磁場中所受的力,從微觀上看,是導(dǎo)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(dǎo)電的運動電荷總數(shù). 圖六 安培定律微觀模型 為此力 通常稱為洛倫茲力.當 不 在磁場強度為 B 的磁場中,電荷為 q,運動 速度為

9、 的帶電粒子, 所受的磁場力 時,帶電粒子同時參與兩種運動,將在磁場中作螺旋線運動.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 個分運動合成為螺旋線運動. 所對應(yīng)的洛倫茲分力,將使粒子作勻速直線運動,兩 圖七 V 不 2.2,Sputter 濺鍍物理原理: 時,帶電粒子在磁場中的運動 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

10、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

11、所指的方向漂移(見下圖.簡稱 EB 漂移. 電子在正交電磁場作用下的運動軌跡近似于一條擺線.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

12、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 Magnet