磁控溅射原理.ppt

1 磁控溅射原理 815 TCO 2020 4 14 2 outline 磁控溅射原理磁控溅射分类直流平面靶溅镀Al电极中频旋转靶溅镀ZAO和ITO 2020 4 14 3 磁控溅射原理 直流辉光放电 右图为直流辉光放电的发光区电位分布及净空间电荷沿极间距的分布图 靠近阴极有一明亮的发光区 称为阴极辉光区 电子在阴极暗区发生大量的电离碰撞 正离子被加速射向阴极 但是正离子的迁移率远低于电子的迁移率 净空间电荷呈正值 在阴极表面附近形成一个正离子壳层 阴极暗区是气体辉光放电的最基本组成部分 在负辉光区 电子碰撞气体原子产生强烈的发光 法拉第暗区和正柱区几乎是等电位区 不一定是辉光放电所必需 2020 4 14 4 磁控溅射原理 低频交流辉光放电 在频率低于50KHz的交流电压下 离子有足够的活动能力且有充分的时间 在每个半周期在各个电极上建立直流辉光放电 其机理基本上与直流辉光放电相同 射频辉光放电 在一定气压下 在阴阳极之间施加交流电压 当其频率增高到射频频率时即可产生稳定的射频辉光放电 射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量 所以减小了放电对二次电子的依赖 并且能有效降低击穿电压 射频电压可以穿过任何种类的阻抗 所以电极就不再要求是导电体 可以溅射任何材料 因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射 频率在5 30MHz都称为射频频率 2020 4 14 5 磁控溅射原理 溅射原理 溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程 电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与Ar原子发生碰撞 电离出大量的Ar离子和电子 电子飞向基片 在此过程中不断和Ar原子碰撞 产生更多的Ar离子和电子 Ar离子在电场的作用下加速轰击靶材 溅射出大量的靶材原子 呈中性的靶原子 或分子 沉积在基片上成膜 2020 4 14 6 电子在电场力作用下迅速飞向基片表面 一般溅射镀膜的不足 电子与Ar原子碰撞几率低 Ar离子密度偏低 溅射效率低 成膜速度慢 电子运动路径短 轰击在基片上速度快 导致基片温度升高 磁控溅射原理 2020 4 14 7 磁控溅射原理 电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响 被束缚在靠近靶面的等离子体区域内 并在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动 该电子的运动路径很长 在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材 经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低 摆脱磁力线的束缚 远离靶材 最终沉积在基片上 电子运动路径变长 与Ar原子碰撞几率增加 提高溅射效率 电子只有在其能量将耗尽时才会落到基片上 基片温度上升慢 2020 4 14 8 磁控溅射的优点 稳定性好重复性好均匀性好高速低温 应用广泛金属非金属金属化合物非金属化合物 2020 4 14 9 影响溅镀效率的因素 磁场分布溅射速率沉积速率工作气压工作电压溅射功率靶基距 2020 4 14 10 反应溅射中的金属靶中毒 金属靶表面不断与反应气体 O2等 生成化合物覆盖层从而使溅射速率大幅度下降甚至不溅射 称之为靶中毒 过多的反应气体 O2等 使金属靶材表面被氧化 任何不稳定因素 如 电弧 都能破坏系统的平衡 导致靶中毒 在直流溅射中要非常注意溅射参数的控制 使用射频磁控溅射可解决靶中毒问题 使用中频磁控溅射可杜绝靶中毒问题 2020 4 14 11 磁控溅射分类 射频 RF 磁控溅射 直流 DC 磁控溅射 中频 MF 磁控溅射 2020 4 14 12 射频 RF 磁控溅射 射频磁控溅射的特点 电流大 溅射速率高 产量大 膜层与基体的附着力比较强 向基片的入射能量低 避免了基片温度的过度升高 大功率的射频电源价格较高 对于人身防护也成问题 装置较复杂 存在绝缘 屏蔽 匹配网络装置与安装 电极冷却等多种装置部件 射频溅射不适于工业生产应用 2020 4 14 13 直流 DC 磁控溅射 直流磁控溅射的特点 靶材 直流磁控溅射沉积薄膜一般用平面靶 2020 4 14 14 直流 DC 磁控溅射 2020 4 14 15 中频 MF 磁控溅射 中频交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统中 工业上一般使用孪生靶溅射系统 2020 4 14 16 中频 MF 磁控溅射 中频交流孪生靶溅射的两个靶位上的工作波形 2020 4 14 17 TwinMagII 中频 MF 磁控溅射 2020 4 14 18 一种典型的平面矩形靶 中频 MF 磁控溅射 2020 4 14 19 中频 MF 磁控溅射 2020 4 14 20 旋转靶的优点 靶材利用率最高可达70 以上靶材有更长的使用寿命更快的溅射速率杜绝靶中毒现象 中频 MF 磁控溅射 2020 4 14 21 中频孪生旋转靶磁控溅射 中频 MF 磁控溅射 2020 4 14 22 中频 MF 磁控溅射 中频反应磁控溅射中的 迟滞回线 现象 Processcontrol highdepositionrateunstabletransitionmode 2020 4 14 23 三种磁控溅射对比 2020 4 14 24 Al背电极工艺参数 制备方法的选择 采用DC溅射铝平面矩形靶 工艺参数 本底真空2 3 10 3Pa工作气压 0 3 0 6Pa基片温度 200C工作电压工作功率密度厚度 500 1000nm 2020 4 14 25 前 背电极ZAO工艺参数 制备方法的选择 采用MF溅射锌铝合金旋转靶材 工艺参数 本底真空4 10 4Pa工作气压 2 0Pa基片温度 200C反应气体分压0 15 0 5Pa工作电压工作能量密度 9 3W