磁控溅射原理

关于磁控溅射原理1第1页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三2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。第2页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三3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。第3页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三4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。

靶材基片V(<0)E+ArAr+-e-e-e+Ar+第4页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三5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。磁控溅射原理第5页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三6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。第6页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三7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第7页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三8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第8页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三9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。第9页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三10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。1-磁极2-屏蔽罩3-基片4-基片加热装置5-溅射靶6-磁力线7-电场8-挡板9-匹配网络10-电源11-射频发生器右图为射频磁控溅射实验装置示意图。第10页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三11直流（DC）磁控溅射1-磁极2-屏蔽罩3-基片4-基片加热装置5-溅射靶6-磁力线7-电场8-挡板

直流磁控溅射装置图与射频磁控溅射装置图相比，其不需要外部复杂的网络匹配装置和昂贵的射频电源装置，适合溅射导体或者半导体材料。现已经在工业上大量使用。ⅰ.直流磁控溅射的特点ⅱ.靶材

直流磁控溅射沉积薄膜一般用平面靶。圆形平面靶：η≤15%矩形平面靶：η～30%第11页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三12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。第12页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三13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第13页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三14TwinMagII中频（MF）磁控溅射第14页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三15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）磁控溅射第15页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三16中频孪生旋转靶磁控溅射中频（MF）磁控溅射第16页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三17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.第17页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三18三种磁控溅射对比第18页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三19Al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第19页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三20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/cm2

厚度

前电极800～1000nm

背电极60～100nm第20页，讲稿共22页，2023年5月2