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磁控溅射原理及技术


四川大学硕士学位论文

方法的 及特点可参考有关 原理 文献队[ e )

1 . 2磁控溅射
溅射镀膜如直流二极(      三极) 溅射或射频溅射等的最大缺点是溅射速率较 低, 与蒸发镀膜速率相比 要低一个数t级。 又如直流二极溅射需要的放电 压很 高, 处于阳 基体要受到高能粒子的轰击而损伤,并引 极的 起基体温度升高, 这

也是不希望存在的.二十世纪 7 0年代中期发展起来的磁控溅射技术克服了 上 述溅射镀膜的 “ 低速” “ 和 高温” 等缺点并保持了 其优点, 迅速发展和广 得以
泛应用。目 前,磁控溅射已成为重要的薄膜沉积技术之一。

121磁控溅射原理及技术 .. 若建立与靶表面平行的磁场和垂直靶面电场结构的正交电磁场,      那么从靶
表面上打出的初始电子,在电磁场作用下会被压缩在近靶面做回旋运动,延长

了到达阳极的路程,大大增加了与气体原子的碰撞电离,因而提高溅射率。实 际上电子在正交场中的运动很复杂,在此仅作一简单介绍,如图 1 a .  6 所示。

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一 , EXB 卜

1阴极        一 2阳极 一 图 16表面有正交电磁场平板阴极电子运动      .

阳 极加正电 . 压U 在负Z 建立阴 , 方向 极表面场B 近阴 , 极表面磁场强 度最强。 设 定 极 被离子 从阴 表面 轰击发射出 初始电 初速度 v为 实际 有近5 的 子的 。 零( 上 e V 能 。 子受Y 场力作用向 极运动, 量) 电 向电 阳 其速度为 v;同 受磁场力作 , 时 用 向X 运动, 方向 其速度为 v。 合作 : 综 用结果,电 子将作回 运动, 旋半 旋 回 径 为r其运动轨迹为一摆线。 , 在任一点, 电子受X丫 力, , 方向 具有两个方向( : v、 v 分速度。阴 , ) 极表面建立磁场后, 除存在电 趋向阳 放电电 子 极的 流外, 还存

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在EB 漂移电 当电 X 方向 流。 子初始能 I大于在轨道运行中由电 场感应产生的 能
量时,其轨迹近于螺形运动,如图16 所示。 .  b

经过阴      极压降区加速后具有数百 e V能量的初始电 被磁场压缩在近阴 子, 极表面负辉区使电 子向 阳极迁移率比 元磁场时约小4 个数量级, 从而电 子到达

阳 径大为延长, 气体原子频繁 极路 在与 碰撞时 大t离 离 加 产生 子, 子被 速轰击
阴极,实现高速率溅射。另一方面,等离子体中存在的固有振荡现象产生的径

向电 使初始电子在作EB 漂移的同时 场, X 方向 趋向阳极方向 运动。 初始电 当 子 多次碰撞,损失其能量后成为慢电子时,脱离负辉区进入弱电 场区,回旋半径 变小, 迁移率变低,最后到达阳极被吸收.若阴极表面磁场太强, 初始电 子将 返回阴极被俘获。由于初始电 子被压缩在近阴 极表面, 静电 作用, 因 力的 使产 生的离子也被限制在这一区 域内, 因此位于阴极暗区以 衬底未进入稠密 外的 等 离子体中,使衬底不会严重遭受粒子轰击。
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图1 磁控溅射 . 7 工作原理

图 1 是磁控溉射工作原理示意图。 子e 场E      . 7 电 在电 的作用下加速飞向 基

体的 过程中 氢原子发生碰 若电 有足 与 撞, 子具 够的能 约为3 V时, 离 量( 0 ) 则电 e 出A' 另一个电 e 子飞向 rD f 子 。电 基体, r 场 E A. 在电 作用下加 速飞向 极 阴 靶并 以 量轰击靶表面, 材产生 射。 高能 使靶 溅 在溅射粒 子中, 性的 子或 子 中 靶原 分 沉积 在基体上形 膜。 成薄 二次电 , 速飞向 子e 在加 基体过 , 程中 受到磁 的 场B 洛 仑兹力作用以 旋轮线和螺旋线的复合形式在靶表面附 近做回旋运动。电 e 子 , 的 运动路径不仅 很长, 且被电 而 磁场束缚在靠近靶表面的 等离子体区 域内, 在

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该区 离出 量的离 A' 域电 大 子 r l击靶, 从而实现了 磁控溅 速沉积的 射高 特点。 随 碰撞次数的 增加,电 , 子e 的能量逐渐降 低, 同时逐步远离靶面。 低能电 , 子e 将沿着磁力线, 场E 在电 作用下最终到达基体。由 于该电 子的能i很低, t 传给 基体的能量也很小, 致使基体温升较低。 在磁极轴处电 磁场平行,电 场与 子离 e , 将直接飞向 体。 基 在通常的 磁控溅射系统中, 轴处离子密 低, e 磁极 度很 故 , 类电 子很少, 对基体温升作用不大。因而,磁控溅射又具有 “ 低温” 特点。 总之,      磁控溅射不但克服了 二极溅射的 “ 低速高温” 缺点, 的 而且仍然保
持了 溅射的特点. 磁控溅射还有其它优点,如设备简单, 操作方便, 控制也不 太难。 在溅射镀膜过程中, 只要保持工作气压和溅射功率恒定, 基本上即 可获 得稳定的沉积速率. 如果能精确地控制裁射镀膜时间,沉积特定厚度的膜层是

比 较容易实 现的. 磁控溅射发展至今已 较成熟时技术. 是比 现在它不仅可溅射 一般的金属材料, 而且也可以溅射电子或磁性材料:不仅可沉积金属膜, 而且 也可沉积介质膜; 不仅可沉积单层膜,而且也可沉积多层膜:不仅可一次 一妒 加工, 而且也可流水线作业。由 于磁控溅射技术具有许多 优点, 人们日 益重视 把它应用于各个领域。 应用磁控溅射技术,可以根据需要,在材料和构件表面 沉积一层薄膜, 从而提高其表面的力学性能、 抗腐蚀性能 耐磨损性能、 抗高 温氧化以 善表面光学和电 性能。 及改 学的 同时由该 技术沉积的薄膜与基材的结 合,比其它方法所沉积的薄膜牢固得多. 人们还可以利用磁控溅射技术制备新 材料, 发材 或开 料新用途。 总之, 磁控溅射技术有着广阔 应用前景() 的 7 .  8 122平面磁控溅射装里 .. 平面磁     射系统包括平面靶( 控溅 称为溅射源或阴 以 柳 及与之平行的阳 极, 阳极作为基体支 撑架, 通常接地。 一般矩型平面磁控溅射的 靶材与磁场的 布置 形式如图1 所示。 . 8 这种磁场设置的 特点是在靶面上建立一个环状磁靶, 部分

表面 上方使 磁场与电 场方向 相垂直, 从而进一步将电 子轨道限 靶面附 制到 近, 提高电 子碰撞 离的 而不让它去轰击作为阳 衬底。 和电 效率 极的 实际的 做法可 将 永久 磁体或电 磁线圈 放置在靶的 后方, 从而造成磁力 线先穿出 靶面, 后变成 然 与电 方向 直, 场 垂 最终返回靶面的 分布, 如图中 即 所示的磁力 线方向 那样。 环 状磁场控制的区 域是等离子体密度最大的 部位, 在溅射时 会看到溅射气体 一氢 气在这部分发出 烈的 强 淡蓝色辉光, 形成一 环。 个光 处于光 环下的 靶材是被离


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