磁控濺射原理

1、關(guān)于磁控濺射原理1第一張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2磁控濺射原理直流輝光放電 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 成 部分。 在負輝光區(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。第二張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3磁控濺射原理低頻交流輝光放電在頻率低于5

2、0KHz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。射頻輝光放電在一定氣壓下，在陰陽極之間施加交流電壓，當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。第三張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4磁控濺射原理濺射原理濺射過程即為入射離子通過一系列碰

3、撞進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。 靶材基片V (0)E+ArAr+-e-e-e+Ar+第四張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月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，導致基片溫度升高。磁控濺射原理第五張，PPT共二十二頁

4、，創(chuàng)作于2022年6月6磁控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。第六張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月7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)用廣泛金屬非金屬金屬化合物非金屬化合物第七張，PPT共二十二頁，創(chuàng)

5、作于2022年6月8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第八張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月9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：電弧）都能破壞系統(tǒng)的平衡，導致靶中毒。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。第九張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月10射頻（RF）磁控濺射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

6、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。第十張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月11直流（DC）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

7、，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，適合濺射導體或者半導體材料?，F(xiàn)已經(jīng)在工業(yè)上大量使用。. 直流磁控濺射的特點. 靶材 直流磁控濺射沉積薄膜一般用平面靶。圓形平面靶： 15%矩形平面靶： 30%第十一張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月12中頻（MF）磁控濺射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)。第十二張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月13中頻（MF）磁控濺射中頻交流孿生靶濺射的兩個靶位上的工作波形第十三張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月14TwinMag II中頻（MF）磁控濺射第十四張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022

8、年6月15旋轉(zhuǎn)靶的優(yōu)點靶材利用率最高可達 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（MF）磁控濺射第十五張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月16中頻孿生旋轉(zhuǎn)靶磁控濺射中頻（MF）磁控濺射第十六張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月17中頻（MF）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.第十七張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月18三種磁控濺射對比第十八張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月19Al背電極工藝參數(shù)制備方法的選擇：采用DC濺射鋁平面矩形靶 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第十九張，PPT共二十二頁，創(chuàng)作于2022年6月20前、背電極ZAO工藝參數(shù)制備方法的選擇：采用MF濺射鋅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材工藝參數(shù)：本底真空410-4Pa 工作氣壓2.0Pa基片溫度 200C反應(yīng)氣體分壓0.15-0.5Pa 工作電壓工作能量密度9.3W/cm2 厚度 前電極8001000nm 背電極60100nm第二十張，PPT共二十二頁