磁控濺射原理詳細介紹學習教案

1、會計學1磁控濺射原理磁控濺射原理(yunl)詳細介紹詳細介紹第一頁，共18頁。2第一部分第一部分(b fen) 真空鍍膜真空鍍膜基礎基礎1.1 氣氣體(qt)與與固體的相互作用 氣體與固體相互作用后的結合，主要是通過物理吸附和化學吸附來實現(xiàn)的。一個氣相原子入射到基體表面，能否被吸附，是物理吸附還是化學吸附，是一個比較復雜的問題。固體表面與體內(nèi)在晶體結構上的一個重大差異是原子或分子間的結合化學鍵中斷，原子或分子在固體表面形成的這種間斷鍵稱為不飽和鍵或懸掛鍵，它具有吸引外來原子或分子的能力。入射到基體表面的氣相原子被這種不飽和鍵吸引住的現(xiàn)象稱為吸附。如果用鍵的觀點加以考慮，物理吸附是因為固體表面上

2、的原子鍵已處于飽和狀態(tài)，表面變得不活潑，表面上只是由于范德瓦爾斯力(分子力)、電偶極子和四重極子等靜電的相互作用使原子和分子間產(chǎn)生吸附作用而結合;化學吸附則是由于物體表面上的原子鍵不飽和而與表面附近原子和分子進行結合，其中包括(boku)共有或交換電子的離子結合、原子結合、金屬結合等。(1)物理吸附物理吸附 物質(zhì)都是由原子、分子所組成，原子中帶正電的原子核和帶負電的電子之間的靜電力以及電子在運動過程中某些特定的相互聯(lián)系是分子力產(chǎn)生的原因，因此分子力永遠存在于任何相同或不同分子之間。分子力的作用是使分子聚集在一起，在空間上形成某種規(guī)則的有序排列。分子無規(guī)則的熱運動又將破壞這種有序排列而使分子分散

3、開來。(2)(2)化學吸附化學吸附 化學吸附的力是價鍵力，包括離子鍵力、共價鍵力和金屬鍵力。價鍵力的作用是使原子、原子團、離子或分子在空間作周期性排列。固體表面的分子與內(nèi)部分子處于不同狀態(tài)，有剩余空懸鍵即剩余價鍵力存在。它的作用距離較分子力作用距離更小，約為0.1-0.3nm，并且有方向性和飽和性。當氣相分子進入剩余價鍵力的作用距離且該力尚未飽和時，氣相分子就會被吸附在固體(基片)的表面上，這就是化學吸附現(xiàn)象。第1頁/共18頁第二頁，共18頁。31.2 吸附幾率(j l)和吸附時間時間 向表面碰撞的分子，失去動能被表面所吸附或反射回到空間中去，被吸附的分子同固體之間或在其自身的內(nèi)部通過能量的再

4、分配，最后穩(wěn)定(wndng)于某一水平面上。被吸附的分子在表面停留期間有時會得到解吸活化能而從表面上脫附，再回至lJ空間去，其解吸的幾率可以根據(jù)物理吸附和化學吸附分別予以考慮。產(chǎn)生物理吸附的幾率稱為冷凝系數(shù)，產(chǎn)生化學吸附的幾率稱為粘著幾率。就氣體而言，冷凝系數(shù)介于0.1和1之間;就蒸發(fā)金屬而言，可近似考慮為1;清潔金屬表面的粘著幾率在0.1和1的范圍內(nèi)。而且溫度越高，粘著幾率越小。 被吸附的氣體分子停留在表面上的時間，可通過平均吸附時間(即從吸附到表面至從表面解吸所需的時間的平均值)來確定。由于與鍍膜技術有關的一些金屬材料的解吸激活能Ed值均較大，故膜材在基片上停留時間是較長的。第一部分第一部

5、分(b fen) 真空鍍膜真空鍍膜基礎基礎第2頁/共18頁第三頁，共18頁。41.3 薄膜的形成(xngchng) 薄膜在基片上的成長過程可以通過電子顯微鏡來觀察。當入射的膜材蒸汽在基片上凝結時，最初出現(xiàn)大量晶核。例如在300度時向巖鹽上蒸鍍金，每平方厘米面積上可以產(chǎn)生大約10的11次方個晶核，核的大小約為2nm，而且這些晶核在基片表面上隨機分布，它們之間的距離為30nm。然后，晶核繼續(xù)長大，但數(shù)量并不顯著增多，入射原子在表面上的自由移動，并把已有的晶核連接起來，并反射或吸解掉成核位置以外的撞擊原子。當晶核生長到相互接觸時，即開始合并，這時幾何形狀和方位迅速發(fā)生變化。此時如果切斷入射的膜材蒸汽

6、，合并現(xiàn)象就會停止，但是己經(jīng)合并的晶核，其合并過程仍會繼續(xù)進行。一個晶核的再結晶過程對于確定最終的薄膜結構非常重要。再結晶的程度和消失的晶向，一定程度取決于有關晶核的大小。一般來說是較大的晶核吃掉較小的晶核。 當結晶不斷接合時，就構成了一種網(wǎng)膜，網(wǎng)膜上分布著不規(guī)則的形狀開口。當膜的平均厚度進一步增加時，網(wǎng)膜就發(fā)展(fzhn)成為連續(xù)的薄膜。這時入射膜材的原子即開始撞擊同類原子，其結合能即可提高，因此反射或解吸現(xiàn)象明顯減少。膜的生長在蒸發(fā)與濺射兩種不同工藝中是不同的。一般來說，就最初所成的孤立的晶核結構而言，濺射法晶核形狀小，數(shù)目多，密度大。第一部分第一部分(b fen) 真空鍍膜基礎真空鍍膜基

7、礎第3頁/共18頁第四頁，共18頁。5第一部分第一部分(b fen) 真空鍍膜真空鍍膜基礎基礎1.3 薄膜的形成(xngchng)靶材粒子(lz)入射到基片上，在沉積成膜的過程中有幾個問題必須考慮。(1)(1)沉積速率沉積速率 沉積速率Q是指從靶材上濺射出來的物質(zhì)，在單位時間內(nèi)沉積到基片上的厚度，該速率與濺射率S成正比，即有:式中，C為與濺射裝置有關的特征常數(shù);I為離子流;S為濺射率。 上式表明，對于一定的濺射裝置(即C為確定值)和一定的工作氣體，提高沉積速率的有效辦法是提高離子流工。但是，如前所述，在不增高電壓的條件下，增加丁值就只有增高丁作氣體的壓力。圖2.4示出了氣體壓力與濺射率的關系曲

8、線。由圖可知，當壓力增高到一定值時，濺射率將開始明顯下降。這是由于靶材粒子的背反射和散射增大所引起的。事實上，在大約10Pa的氣壓下，從陰極靶濺射出來的粒子中，只有10%左右才能夠穿越陰極暗區(qū)，所以由濺射率來考慮氣壓的最佳值是比較適當?shù)摹．斎?，應注意氣壓升高對薄膜質(zhì)量的影響。圖1 濺射率與Ar氣壓強的關系第4頁/共18頁第五頁，共18頁。6第一部分第一部分(b fen) 真空鍍膜基礎真空鍍膜基礎1.3 薄膜的形成(xngchng)(2)(2)沉積薄膜的純度沉積薄膜的純度 為了提高為了提高(t go)(t go)沉積薄膜的純度，必須盡量減少沉積到基片上的雜質(zhì)的量。這里所說的雜質(zhì)主沉積薄膜的純度，

9、必須盡量減少沉積到基片上的雜質(zhì)的量。這里所說的雜質(zhì)主要是指真空室的殘余氣體。因為通常有約百分之幾的濺射氣體分子注入沉積薄膜中，特別是在基片加偏要是指真空室的殘余氣體。因為通常有約百分之幾的濺射氣體分子注入沉積薄膜中，特別是在基片加偏壓時。欲降低殘余氣體壓力，提高壓時。欲降低殘余氣體壓力，提高(t go)(t go)薄膜的純度，可采取提高薄膜的純度，可采取提高(t go)(t go)本底真空度和增加送氫量本底真空度和增加送氫量這兩項有效措施。這兩項有效措施。(3)(3)沉積過程中的污染沉積過程中的污染 眾所周知，在通入濺射氣體之前，把真空室內(nèi)的壓強降低到高真空區(qū)內(nèi)是很有必要的，因此原有工作氣體的

10、分壓極低。即便如此，仍可存在許多污染源: (a)真空室壁和真空室中的其他零件可能會有吸附氣體，如水蒸氣和二氧化碳等。由于輝光放電中電子和離子的轟擊作用，這些氣體可能重新釋出。因此，可能接觸輝光的一切表面都必須在沉積過程中適當冷卻，以便使其在沉積的最初幾分鐘內(nèi)達到熱平衡。 (b)在濺射氣壓下，擴散泵抽氣效力很低，擴散泵油的回流現(xiàn)象十分嚴重。由于阻尼器各板間的距離相當于此壓強下平均自由程的若干倍，故僅靠阻尼器將不足以阻止這些氣體進入真空室。因此，通常需要在放電區(qū)與阻尼器之間進行某種形式的氣體調(diào)節(jié)，例如在系統(tǒng)中利用高真空閥門作為節(jié)氣閥，即可輕易地解決這一問題。另外，如果將阻尼器與渦輪分子泵結合起來，

11、代替擴散泵，將會消除這種污染。 (C)基片表面的顆粒物質(zhì)將會使薄膜產(chǎn)生針孔和形成沉積污染，因此，沉積前應對基片進行徹底清洗，盡可能保證基片不受污染或不攜帶微粒狀污染物。第5頁/共18頁第六頁，共18頁。7第一部分第一部分(b fen) 真空鍍膜基礎真空鍍膜基礎1.4 薄膜技術術(jsh) 在各種薄膜沉積技術中，磁控濺射技術由于能制備高熔點材料、復合材料薄膜以及沉積速率快、可控性好等優(yōu)點得到了日益廣泛的應用。目前，磁控濺射鍍膜已經(jīng)成為(chngwi)工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最主要的技術之一。 薄膜技術主要包括薄膜的制備技術和薄膜材料研究，薄膜的制備技術又稱為鍍膜技術。薄膜的制備方法以氣相沉積方法為主，包括

12、物理氣相沉積方法（PVD）和化學氣相沉積方法(CVD)。物理氣相沉積(PVD)工藝方法分類第6頁/共18頁第七頁，共18頁。8 用高能粒子(大多數(shù)是由電場加速的氣體正離子)撞擊固體表面(靶)，使固體原子(分子)從表面射出的現(xiàn)象稱為濺射。濺射現(xiàn)象很早就為人們所認識，通過前人的大量實驗研究，我們對這一重要物理現(xiàn)象得出(d ch)以下幾點結論: (1)濺射率隨入射離子能量的增加而增大;而在離子能量增加到一定程度時，由于離子注入效應，濺射率將隨之減小; (2)濺射率的大小與入射粒子的質(zhì)量有關: (3)當入射離子的能量低于某一臨界值(閥值)時，不會發(fā)生濺射; (4)濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的能量大許多倍

13、; (5)入射離子的能量很低時，濺射原子角分布就不完全符合余弦分布規(guī)律。角分布還與入射離子方向有關。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在晶體密度最大的方向。 (6)因為電子的質(zhì)量很小，所以即使使用具有極高能量的電子轟擊靶材也不會產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。由于濺射是一個極為復雜的物理過程，涉及的因素(yn s)很多，長期以來對于濺射機理雖然進行了很多的研究，提出過許多的理論，但都難以完善地解釋濺射現(xiàn)象。2.1 2.1 濺射濺射(jin sh)(jin sh)機理機理第二部分第二部分 濺射及輝光放電濺射及輝光放電第7頁/共18頁第八頁，共18頁。9 濺射出來的物質(zhì)沉積到基片或工作表面形成薄膜的方法稱為濺射鍍膜法

14、。濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應，而整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎之上的，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術所采用的輝光放電方式有所不同，直流二極濺射利用的是直流輝光放電，磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。 輝光放電是在真空度約為一的稀薄氣體中，兩個電極之間加上電壓時產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。 設有圖2那樣(nyng)的一個直流氣體放電體系。在陰陽兩極之間由電動勢為的直流電源提供電壓和電流，并以電阻作為限流電阻。在電路中，各參數(shù)之間應滿足下述關系： V=E-IR2.2 2.2 輝光輝光(hu un)(hu un)放電放電第二部分第二部分(b fen) 濺射及輝濺射及

15、輝光放電光放電第8頁/共18頁第九頁，共18頁。102.2 2.2 輝光輝光(hu un)(hu un)放電放電第二部分第二部分(b fen) 濺射及輝濺射及輝光放電光放電 圖2 直流氣體(qt)放電體系模型及伏安特性曲線（a）直流氣體(qt)放電體系模型(b)氣體(qt)放電的伏安特性曲線 使真空容器中Ar氣的壓力保持為，并逐漸提高兩個電極之間的電壓。在開始時，電極之間幾乎沒有電流通過，因為這時氣體原子大多仍處于中性狀態(tài)，只有極少量的電離粒子在電場的作用下做定向運動，形成極為微弱的電流，即圖2(b)中曲線的開始階段所示的那樣。 隨著電壓逐漸地升高，電離粒子的運動速度也隨之加快，即電流隨電壓上

16、升而增加。當這部分電離粒子的速度達到飽和時，電流不再隨電壓升高而增加。此時，電流達到了一個飽和值（對應于圖曲線的第一個垂直段）。 當電壓繼續(xù)升高時，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來。在碰撞趨于頻繁的同時，外電路轉(zhuǎn)移給電子與離子的能量也在逐漸增加。一方面，離子對于陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射，而電子能量也增加到足夠高的水平，它們與氣體分子的碰撞開始導致后者發(fā)生電離，如圖2(a)所示。這些過程均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過程使得離子和電子的數(shù)目迅速增加。這時，隨著放電電流的迅速增加，電壓的變化卻不大。這一放電階段稱為湯生放電湯生放電。 在湯生放電階段的后期，放電開始進入

17、電暈放電階段。這時，在電場強度較高的電極尖端部位開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。因此，這一階段稱為電暈放電電暈放電。第9頁/共18頁第十頁，共18頁。11 在湯生放電階段之后，氣體會突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象。這時，氣體開始具備了相當?shù)膶щ娔芰?，我們將這種具備了一定的導電能力的氣體稱為等離子體。此時，電路(dinl)中的電流大幅度增加，同時放電電壓卻有所下降。這是由于這時的氣體被擊穿，因而氣體的電阻將隨著氣體電離度的增加而顯著下降，放電區(qū)由原來只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整個電極表面擴展。在這一階段，氣體中導電粒子的數(shù)目大量增加，粒子碰撞過程伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會發(fā)出明顯的輝光。

18、電流的繼續(xù)增加將使得輝光區(qū)域擴展到整個放電長度上，同時，輝光的亮度不斷提高。當輝光區(qū)域充滿了兩極之間的整個空間之后，在放電電流繼續(xù)增加的同時，放電電壓又開始上升。上述的兩個不同的輝光放電階段常被稱為正常輝光放電和異常輝光放電階段。異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的放電形式，因為它可以提供面積較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實現(xiàn)大面積的均勻濺射和薄膜沉積。 隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓將會再次突然大幅度下降，而電流強度則會伴隨有劇烈的增加。這表明，等離子體自身的導電能力再一次地迅速提高。此時氣體放電開始進入弧光放電階段。2.2 2.2 輝光輝光(hu un)(hu un)

19、放電放電第二第二(d r)部分部分 濺射及輝光放濺射及輝光放電電第10頁/共18頁第十一頁，共18頁。12 平面磁控濺射靶采用靜止電磁場，磁場為曲線形。其工作原理如圖3所示。電子在電場作用下，加速飛向基片的過程中與氫原子發(fā)生碰撞。若電子具有足夠的能量(約為30eV)。時，則電離出Ar+并產(chǎn)生電子。電子飛向基片，Ar+在電場作用下加速飛向陰極濺射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)沉積在基片上形成薄膜。二次電子e1在加速飛向基片時受磁場B的洛侖茲力作用，以擺線和螺旋線狀的復合形式在靶表面作圓周運動。該電子e1的運動路徑不僅很長，而且被電磁場束縛在靠近靶表面

20、的等離子體區(qū)域內(nèi)。在該區(qū)中電離出大量的Ar+用來轟擊靶材，因此磁控濺射具有沉積速率高的特點。隨著碰撞次數(shù)的增加(zngji)，電子e1的能量逐漸降低，同時，e1逐步遠離靶面。低能電子e1將如圖3中e3那樣沿著磁力線來回振蕩，待電子能量將耗盡時，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，使基片溫升較低。在磁極軸線處電場與磁場平行，電子e2將直接飛向基片。但是，在磁控濺射裝置中，磁極軸線處離子密度很低，所以e2類電子很少，對基片溫升作用不大。3.1 3.1 磁控濺射工作磁控濺射工作(gngzu)(gngzu)原理原理第三第三(d sn)部分部分 磁控磁控濺射濺射圖

21、3 磁控濺射原理圖 綜上所述，磁控濺射的基本原理就是以磁場改變電子運動方向，束縛和延長電子的運動路徑，提高電子的電離概率和有效地利用了電子的能量。因此，在形成高密度等離子體的異常輝光放電中，正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，同時受正交電磁場的束縛的電子只能在其能量將要耗盡時才能沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點的機理。第11頁/共18頁第十二頁，共18頁。13 一般的濺射沉積方法具有兩個缺點。第一，濺射方法沉積薄膜的沉積速度較低第二，濺射所需的工作氣壓較高，否則電子的平均自由程太長，放電不容易維持。這兩個缺點的綜合效果是氣體分子對薄膜產(chǎn)生污染的可能性較高。因而，

22、磁控濺射技術作為一種(y zhn)沉積速度較高，工作氣體壓力較低的濺射技術具有獨特的優(yōu)越性。磁控濺射技術的主要優(yōu)缺點如下： （1）沉積速率大。磁控濺射技術可以得到很大的離子流，大大地提高了濺射速率和沉積速率。與其它濺射方式相比，磁控濺射生產(chǎn)能力高，產(chǎn)量高，因此廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。 （2）功率效率高。 （3）濺射能量低。磁控靶施加的電壓低，等離子體被磁場約束在陰極附近，這樣可抑制能量較高的帶電粒子入射到基片上。 （4）基片溫度低。隨著電子碰撞次數(shù)的增加，其能量消耗殆盡，并逐步遠離靶面，并在電場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。 （5）靶刻蝕不均勻。對于小型圓形靶而言，由于靶磁場不均勻，使其局部位置刻蝕速率較大，使靶材利用率僅為一。為提高靶材利用率，可采取一定措施改變磁場分布，還可以使磁鐵在陰極中移動來提高靶材利用率。3.2 3.2 磁控濺射的特點磁控濺射的特點(tdin)(tdin)第三第三(d sn)部分部分 磁控濺磁控濺射射第12頁/共18頁第十三頁，共18頁。14 （1）表面改性技術中