薄膜的制备工艺和方法课件.ppt

磁控溅射的工作原理是指电子在电场 E 的作用下，在飞向基片过 程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出 Ar 和新的电子；新电 子飞向基片， Ar 在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰 击靶表面，使靶材发生 溅射 。在溅射粒子中，中性的靶原子或 分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和 磁场作用，产生 E （电场）× B （磁场）所指的方向漂移，简称 E × B 漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电 子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不 仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在 该区域中电离出大量的 Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速 率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远 离靶表面，并在电场 E 的作用下最终沉积在基片上。由于该电 子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。 磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复 杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶 原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中 某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅 射出来。 种类 磁控溅射包括很多种类。各有不同工作原理和应用对象。但有一共同点：利用 磁场与电子交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞 击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶 材。 靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源镀膜均匀，非平衡式靶源镀膜 膜层和基体结合力强。平衡靶源多用于半导体光学膜，非平衡多用于磨损装 饰膜。磁控阴极按照磁场位形分布不同，大致可分为平衡态和非平衡磁控阴 极。平衡态磁控阴极内外磁钢的磁通量大致相等，两极磁力线闭合于靶面， 很好地将电子 / 等离子体约束在靶面附近，增加碰撞几率，提高了离化效率， 因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电，靶材利用率相对 较高，但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面，基片区域所受离子轰击较 小 . 非平衡磁控溅射技术概念，即让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极，两极磁 力线在靶面不完全闭合，部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域，从而部 分电子可以沿着磁力线扩展到基片，增加基片 区域的等离子体密度和气体电 离率 . 不管平衡非平衡，若磁铁静止，其磁场特性决定一般靶材利用率小于 30% 。为增大靶材利用率，可采用旋转磁场。但旋转磁场需要旋转机构，同 时溅射速率要减小。旋转磁场多用于大型或贵重靶。如半导体膜溅射。对于 小型设备和一般工业设备，多用磁场静止靶源。 ? 用磁控靶源溅射金属和合金很容易，点火和溅 射很方便。这是因为靶（阴极），等离子体， 和被溅零件 / 真空腔体可形成回路。但若溅射绝 缘体如陶瓷则回路断了。于是人们采用高频电 源，回路中加入很强的电容。这样在绝缘回路 中靶材成了一个电容。但高频磁控溅射电源昂 贵，溅射速率很小，同时接地技术很复杂，因 而难大规模采用。为解决此问题，发明了磁控 反应溅射。就是用金属靶，加入氩气和反应气 体如氮气或氧气。当金属靶材撞向零件时由于 能量转化，与反应气体化合生成氮化物或氧化 物 特征 1. 也可使用高频电源。 2. 在成膜基板附近没有等离子状态、基板不受损伤。 3. 溅射量大。 缺点 靶材的磨损不均匀 ( 磁场较强的地方被大量溅射、在 磁场南北极中间线附近溅射量较少 ) 。 4. 反应溅射 在溅射中，如果将靶材做出化合物来制备化合物薄 膜，则薄膜的成分一般与靶材化合物的成分偏差较大。 为了溅射化合物薄膜，通常在反应气氛下来实现溅射， 即将活性气体混入放电气体中 ， 就可以控制成膜的组成 和性质 ，这种方法叫 反应溅射方法 。 反应溅射装置中一般设有引入活性气体的入口，并 且基片应预热到 500o C 左右的温度。此外，要对溅射气 体与活性气体的混合比例进行适当控制。通常情况下， 对于二级直流溅射，氩气加上活性气体后的总压力为 1.3 Pa ，而在高频溅射时一般为 0.6Pa 左右。 No Image 低压气体放电是指 由于电子获得电场能量 ， 与中性气体 原子碰撞引起电离的过程 ， Townsend 引入三个系数来 表征存在的三个电离过程： (1) 电子的电离系数 α 在电场作用下， 电子获得一定能量 ，在 从阴极到阳极运 动 过程中与中性气体原子发生非弹性碰撞，使中性原子 失去外层电子变成正离子和新的自由电子，这种现象会 增殖而形成电子崩。 电子电离系数 就是表示自由电子经单位距离，由于碰撞 电离而增殖的自由电子数目或产生的电离数目。 设单位时间由阴极表面逸出电子的面密度为 n 0 ，使阴 极的电子电流密度 J 为 距阴极为 x 处的电流密度 J 为 当极间距离为 d 时，达到阴极的电子