磁控溅射(1讲义理论).doc

磁控溅射【实验目的】1、了解磁控溅射基本原理。2、了解射频磁控溅射仪器构造及使用方法。3、了解利用射频磁控溅射制备薄膜。【实验仪器】 DHRM-3射频磁控溅射镀膜装置【实验原理】1、磁控溅射原理：用高能粒子（大多数是由电场加速的正离子）撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射。按照溅射理论的级联碰撞模型如图1所示，当入射离子与靶原子发生碰撞时把能量传给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格的原子撞出，形成级联碰撞。当级联碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量足以克服结合能时，表面粒子逸出成为溅射粒子。溅射粒子沉积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。对于直流溅射，靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于基底有数千伏的电压。对系统预抽真空以后，充入适当压力的惰性气体。例如Ar2作为气体放电的载体，压力一般为110Pa的范围内。在正负极高压的作用下，极间的气体原子将被大量电离。电离过程使Ar原子电离成为Ar+离子和可以独立运动的电子e。其中电子飞向阳极，而带正电荷的Ar离子则在高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并与靶材原子发生级联碰撞而使靶表面粒子逸出，沉积在基底上而形成薄膜。直流溅射只能沉积金属膜，而不能沉积绝缘介质膜。其原因是由于，当溅射绝缘介质靶材时，轰击绝缘介质靶材表面的正离子和电荷无法中和，于是导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶（绝缘介质）上，极间的粒子加速与电离就会变小，以至于溅射不能维持。如果在靶和基底之间加一射频电压，那么溅射将可以维持。这是因为在溅射靶电极处于高频电压的负半周时，正离子对靶材进行轰击引起溅射。与此同时，在介质靶面积累了大量的正电荷。当溅射靶电极处于高频电压的正半周时，由于电子对靶材进行轰击中和了积累在介质靶面的正电荷，就为下一周期的溅射创造了条件。这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射材料实质的目的。 一般溅射镀膜的最大缺点是溅射速率较低和电子使基片温度升高。而磁控溅射正好弥补了这一缺点。磁控溅射的工作原理如图所示。与一般溅射相比，磁控溅射的不同之处是在靶表面设置一个平行于靶表面的横向磁场，此磁场是放置于靶内的磁体产生。电子e在电场的作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，若电子具有足够大的能量（约30eV），则电离出Ar和另一个电子e。电子飞向基体，Ar在电场E的作用下加速飞向阴极靶并以高能量轰击靶表面，使靶产生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基体上形成薄膜。二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场作用。从物理学知识可知，处在电场E和磁场B正交作用下，电子的运动轨迹是以轮摆线的形式沿靶面运动。二次电子e1在环形磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，在该区内电离出大量的Ar离子轰击靶，从而实现了磁控溅射高速沉积的特点。由于二次电子e1每经过一次碰撞损失一部分能量，经多次碰撞后，二次电子e1的能量逐渐降低，同时逐渐远离靶面，低能电子e1沿着磁力线，在电场E的作用下到达基体。由于该电子的能量很低，传给基体的能量小，也就不会使基体过热，因此，基体的温度大大降低。2、磁控溅射靶材和一般的工艺参数磁控溅射靶材的利用率可成为磁控溅射源的工程设计和生产工艺成本核算的一个参数。目前没有见到对磁控溅射靶材利用率专门或系统研究的报道，而从理论上对磁控溅射靶材利用率近似计算的探讨具有实际意义。 对于静态直冷矩形平面靶，即靶材与磁体之间无相对运动且靶材直接与冷却水接触的靶， 靶材利用率( 最大值) 数据多在20%30%左右(间冷靶相对要高一些，但其被刻蚀过程与直冷靶相同，不做专门讨论)，且多为估计值。为了提高靶材利用率，研究出来了不同形式的动态靶，其中以旋转磁场圆柱靶最著名且在工业上被广泛应用，据称这种靶材的利用率最高可超过70%，但缺少足够数据或理论证明。常见的磁控溅射靶材从几何形状上看有三种类型：矩形平面、圆形平面和圆柱管。圆形磁控溅射靶直径范围为：50250mm；靶结构材料选取适合高真空的优质不锈钢和铜合金材料；磁场源采用稳定性最高的稀土钐钴永磁材料；磁场采用模块化排布并进行优化设计，有效地提高靶材利用率和设备稳定性；冷却水循环量为1L/min，能有效的保证设备的冷却效果；根据不同设备可以配置不同角度的安装头；采用20不锈钢导管，复合法兰进行安装，适用于高真空高纯度镀膜。另外其他特殊性能可根据客户需要进行设计。 圆形磁控溅射靶应用领域：直径50150mm靶主要应用于大专院校与科研院所研究性磁控溅射镀膜设备使用；直径150mm以上靶为生产型磁控溅射镀膜设备采用。常用磁控溅射仪主要使用圆筒结构和平面结构，这两种结构中，磁场方向都基本平行于阴极表面，并将电子运动有效地限制在阴极附近。磁控溅射的制备条件通常是，加速电压：300800V，磁场约：50300G，气压：110 mTorr，电流密度：460mA/cm2，功率密度：140W/cm2，对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm/min到1000nm/min。同溅射一样，磁控溅射也分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。射频磁控溅射中，射频电源的频率通常在5030MHz。射频磁控溅射相对于直流磁控溅射的主要优点是，它不要求作为电极的靶材是导电的。因此，理论上利用射频磁控溅射可以溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布，影响溅射效率。因此，磁性材料的靶材需要特别加工成薄片，尽量减少对磁场的影响。 用圆筒结构和平面结构。这两种结构中，磁场方向都基本平行于阴极表面，并将电子运动有效地限制在阴极附近。磁控溅射的制备条件通常是，加速电压：300800V，磁场约：50300G，气压：110 mTorr，电流密度：460mA/cm2，功率密度：140W/cm2，对于不同的材料最大沉积速率范围从10