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磁控溅射 报告人 郑远平指导教师 李国庆 主要内容 定义原理特点 直流溅射射频溅射磁控溅射 镀膜 溅射原理 溅射装置 磁控溅射实例 一 溅射原理 1 1溅射定义就像往平静的湖水里投入石子会溅起水花一样 用高速离子轰击固体表面使固体中近表面的原子 或分子 从固体表面逸出 这种现象称为溅射现象 离子和固体表面的相互作用 电子 被溅射粒子的返回 中性原子 正离子 气体分子 入射粒子的反射 入射粒子 离子轰击固体表面所产生各效应的几率 1852年Grove在研究辉光放电时首次发现这一现象 Thomson形象地把这一现象类比于水滴从高处落在平静的水面所引起的水花飞溅现象 并命名为 Spluttering 由于印刷错误写成 Sputtering 从此 Sputtering 便用作科学术语 溅射 1 2溅射的基本原理溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面使其中的原子发射出来 早期人们认为这一现象源于靶材的局部加热 但是不久人们发现溅射与蒸发有本质区别 并逐渐认识到溅射是轰击粒子与靶粒子之间动量传递的结果 如下实验事实充分证明了这一点 溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向 a 从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向 b 溅射粒子的角分布 500eV的Ar Kr Xe离子溅射单晶Cu 100 面的状态 Ar 动量传递级联碰撞示意图 溅射率不仅取决与入射粒子的能量 而且也取决于入射粒子的质量 c 溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均速率高得多 d 500eV下元素溅射率 入射离子是如何产生的呢 1 3溅射的基本过程 二级辉光放电系统 靶阴极 基片阳极 电子 Ar Ar 靶原子 溅射示意图 电子与其他粒子的碰撞过程 弹性碰撞 非弹性碰撞 v1 M1 电子质量M2 惰性气体粒子质量 A B 无光放电区B C 汤森放电区C D 过渡区D E 正常辉光放电区E F 异常辉光放电区F G 弧光放电区 在 异常辉光放电区 内 电流可以通过电压来控制 从而使这一区域成为溅射所选择的工作区域 形成 异常辉光放电 的关键是击穿电压VB 主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离 击穿电压VB 巴邢定律 辉光放电时明暗光区分布示意图 1 4溅射参数 溅射阈值 将靶材溅射出来所需的入射离子的最小能量值 溅射率 入射正离子轰击靶材时 平均每个正离子能从靶阴极打出的原子个数 氩离子入射不同元素的溅射阈值 500eV下元素溅射率 溅射率随离子入射角度的变化 150eV氩离子轰击下 镍的溅射率和气压的关系 溅射粒子的速度和能量溅射原子获得比热蒸发大1 2个数量级的能量在1 10eV之间 它与靶材 入射离子质量和能量有关 溅射的优缺点 二 溅射装置 2 1直流溅射 DCsputtering 辉光放电直流溅射系统 1 阴极 靶 2 阳极 基片 3 真空室4 进气口5 真空抽气系统6 高压电源 DC 溅射与气压的关系在一定范围内提高离化率 提高均匀性要增加压强和保证薄膜纯度 提高薄膜附着力要减小压强的矛盾 产生一个平衡 目标 尽量小的压强下维持高的离化率 三级溅射 特点 提供一个额外的电子源 而不是从靶阴极获得电子 实现低压溅射 压强小于0 1帕 缺点 难以在大块扁平材料中均匀溅射 而且放电过程难以控制 进而工艺重复性差 2 2射频溅射 RFsputtering 负半周期 正半周期 自偏压效应 射频溅射特点 射频方法可以被用来产生溅射效应的原因是它可以在靶材上产生自偏压效应 在射频溅射装置中 击穿电压和放电电压显著降低 不必再要求靶材一定要是导电体 2 3磁控溅射 megnetronsputtering 2 3 1磁控溅射原理磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动 提高电子的离化率 并且与传统溅射相比具有 低温 高速 两大特点 通过磁场提高溅射率的基本原理由Penning在60多年前发明 后来由Kay和其他人发展起来 并研制出溅射枪和柱式磁场源 1979年Chapin引入了平面磁控结构 速度为v的电子在电场E和磁感强度为B的磁场中将受到洛仑兹力的作用 电荷在均匀电磁场中运动当磁场B均匀而电场E为零时 电子沿磁力线方向以不受磁场影响的速度v 同时沿着磁力线有回旋运动 电子回旋半径 当B和E为均匀场且二者平行时 一个由静止开始运动的电子被自由地加速 当B与E均匀且相互垂直时 一个由静止开始运动的电子 其运动方程 假设t 0时电子位于坐标原点并且初速为零 E B均为常数 该方程的解为运动轨迹为在YOZ平面内沿Z轴平行前进的摆线 电荷在非均匀电磁场中运动 电荷在非均匀磁场中运动除了受到洛伦兹力外 还要受到一个由于磁场的空间分布不均匀性而引起的磁阻力 其中 磁阻力与磁场的梯度成正比 但方向始终指向梯度的负向 该力总是阻碍运动电荷从弱磁场向强磁场区域的运动 电荷在镜像磁场中的运动 横向磁约束 磁力线沿y轴是对称分布的 在x 0处 磁场最弱 在x a处 磁场最强 我们把这种分布的磁场称为镜像场 镜像磁场磁力线分布示意图 地球本身磁场的分布也属于镜像场 在外层空间运动的带电粒子进入地球磁场影响范围后 将绕地磁感应线做变幅螺旋运动 在两极间来回振荡 形成有名的范 阿伦辐射带即地球大气层中的电离层 有时范 阿伦辐射带中的带电粒子因空间磁场的变化而在两极附近进入地球大气层 引起极光 非匀强电磁场下电荷的三维运动方程表达式 X 围绕磁力线的在两极间往复振荡Y 恒有一个离开靶面的速度分量Z 摆线运动 磁控溅射工作原理示意图 沉积速率高增长电子运动路径 提高离化率 电离出更多的轰击靶材的离子低温碰幢次数的增加 电子的能量逐渐降低 在能量耗尽以后才落在阳极 非平衡磁控溅射技术 沉积速率超过1 m min a平衡磁控b非平衡磁控 2 3 2磁控溅射源装置 平面型 矩形 应用广泛 尤其适用于大面积平板的连续型镀膜 镀膜均匀性 产品的一致性较好 圆形 只适合于做小型的磁控源 制靶简单 适合科研中应用 电磁铁 奥斯特 电流磁效应 电流的磁效应 如果一条直的金属导线通过电流 那么在导线周围的空间将产生圆形磁场 导线中流过的电流越大 产生的磁场越强 圆柱形 圆柱形磁控溅射靶的结构 磁力线分布 适合镀覆尺寸变化大 形状复杂的工件 靶材利用率高 枪体结构紧凑 体积较小靶是圆锥形 不易制备 倒锥形靶材 三 磁控溅射实例 3 1磁控溅射镀膜基本步骤 抽真空传样通氩气加磁场加偏压起辉镀膜 进气角阀 磁控室 台阶仪 程序控制 对于单层膜 for 1 tx y tx表示第x个靶位的溅射