磁控濺射原理

1、.磁控濺射的基本原理1電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬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。二次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)，該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高，二次電子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。 磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向

2、，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。電子的歸宿不僅僅是基片，真空室內(nèi)壁及靶源陽極也是電子歸宿。但一般基片與真空室及陽極在同一電勢。磁場與電場的交互作用（ e x b drift）使單個電子軌跡呈三維螺旋狀，而不是僅僅在靶面圓周運動。至于靶面圓周型的濺射輪廓，那是靶源磁場磁力線呈圓周形狀形狀。磁力線分布方向不同會對成膜有很大關(guān)系。 在e x b shift機理下工作的不光磁控濺射，多弧鍍靶源，離子源，等離子源等都在次原理下工作。所不同的是電場方向，電壓電流大小而已 磁控濺射的基本原理2用高能粒子（大多數(shù)是由電場加速的正離子）撞擊固體表面，在與固體表面的原子或分子進行能量交換后，從固體表面

3、飛出原子或分子的現(xiàn)象稱為濺射。按照濺射理論的級聯(lián)碰撞模型如圖所示，當(dāng)入射離子與靶原子發(fā)生碰撞時把能量傳給靶原子，在準(zhǔn)彈性碰撞中，通過動量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致晶格的原子撞出，形成級聯(lián)碰撞。當(dāng)級聯(lián)碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量高壓電場的加速作用下高速飛向作為陰極的靶材,，足以克服結(jié)合能時，表面粒子逸出成為濺射粒子。濺射粒子沉積到基底或工件表面形成薄膜的方法稱為濺射鍍膜法。對于直流濺射，靶材是需要濺射的材料，它作為陰極，相對于基底有數(shù)千伏的電壓。對系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體。例如ar作為氣體放電的載體，壓力一般為110pa的范圍內(nèi)。在正負極高壓的作用下，極間的氣體原子將被大量電離。電離過程使a

4、r原子電離成為ar離子和可以獨立運動的電子e。其中電子飛向陽極，而帶正電荷的ar離子則在高壓電場的加速作用下高速飛向作為陰極的靶材，并與靶材原子發(fā)生級聯(lián)碰撞而使靶表面粒子逸出，沉積在基底上而形成薄膜。直流濺射只能沉積金屬膜，而不能沉積絕緣介質(zhì)膜。其原因是由于，當(dāng)濺射絕緣介質(zhì)靶材時，轟擊絕緣介質(zhì)靶材表面的正離子和電荷無法中和，于是導(dǎo)致靶面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶（絕緣介質(zhì)）上，極間的粒子加速與電離就會變小，以至于濺射不能維持。如果在靶和基底之間加一射頻電壓，那么濺射將可以維持。這是因為在濺射靶電極處于高頻電壓的負半周時，正離子對靶材進行轟擊引起濺射。與此同時，在介質(zhì)靶面積累了大量的正電荷。

5、當(dāng)濺射靶電極處于高頻電壓的正半周時，由于電子對靶材進行轟擊中和了積累在介質(zhì)靶面的正電荷，就為下一周期的濺射創(chuàng)造了條件。這樣，在一個周期內(nèi)正離子和電子可以交替地轟擊靶子，從而實現(xiàn)濺射絕緣介質(zhì)材料的目的。精品. 一般濺射鍍膜的最大缺點是濺射速率較低和電子使基片溫度升高。而磁控濺射正好彌補了這一缺點。磁控濺射的工作原理如圖所示。與一般濺射相比，磁控濺射的不同之處是在靶表面設(shè)置一個平行于靶表面的橫向磁場，此磁場是放置于靶內(nèi)的磁體產(chǎn)生。電子e在電場的作用下加速飛向基體的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，若電子具有足夠大的能量（約30ev），則電離出ar和另一個電子e。電子飛向基體，ar在電場e的作用下加速飛向陰極

6、靶并以高能量轟擊靶表面，使靶產(chǎn)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基體上形成薄膜。二次電子e1一旦離開靶面，就同時受到電場和磁場作用。從物理學(xué)知識可知，處在電場e和磁場b正交作用下，電子的運動軌跡是以輪擺線的形式沿靶面運動。二次電子e1在環(huán)形磁場的控制下，運動路徑不僅很長，而且被磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，增加了同工作氣體分子的碰撞幾率，在該區(qū)內(nèi)電離出大量的ar轟擊靶，從而實現(xiàn)了磁控濺射高速沉積的特點。由于二次電子e1每經(jīng)過一次碰撞損失一部分能量，經(jīng)多次碰撞后，二次電子e1的能量逐漸降低，同時逐漸遠離靶面，低能電子e1沿著磁力線，在電場e的作用下到達基體。由于該電子的能量很

7、低，傳給基體的能量小，也就不會使基體過熱，因此，基體的溫度大大降低。通常直接濺射的效率不高，放電過程中只有約0.30.5的氣體分子被電離。因此，為了能在低氣壓下有較高的濺射速率，人們采用了磁控濺射的方法。圖是磁控濺射原理示意圖。即利用電場與磁場正交的磁控原理，使電子的運動軌跡加長，形成螺旋運動并匯聚在陰極（靶材）周圍。被磁場束縛的電子與工作氣體的碰撞次數(shù)增加，使離化率提高到5600倍，從而提高了濺射速率。同時由于碰撞次數(shù)的增加，電子的能量也消耗殆盡，傳到基片的能量很小，所以濺射時基片溫度也較低。磁控濺射的電源可采用直流，也可采用射頻電源，如用直流電源，只能制備金屬薄膜而無法制備介質(zhì)膜。采用射頻電源既可以制備金屬薄膜又可以制備介質(zhì)膜。與傳統(tǒng)濺射條件相比，磁控濺射同時具有基片溫度低和濺射效率高兩大優(yōu)點，制備的薄膜與基片間附著力較大，多晶取向傾向大，已廣泛地用于制備金屬、合