磁控溅射原理.doc

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1、磁控溅射的基本原理1电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩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。二次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，该区域内等离子体密度很高，二次电子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。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运

2、动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用（EXBdrift）使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。在EXBshift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。所不同的是电场方向，电压电流大小而已磁控溅射的基本原理2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

3、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，使表面粒子的能量高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材,，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Ar作为气体放电的载体，压力一般为1～10Pa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

4、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

5、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，从而实现溅射绝缘介质材料的目的。   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

6、，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＋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

7、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。通常直接溅射的效率不高，放电过程中只有约0.3％～0.5％的气体分子被电离。因此，为了能在低气压下有较高的溅射速率，人们采用了磁控溅射的方法。图是磁控溅射原理示意图。即利用电场与磁场正交的磁控原理，使电子的运动轨迹加长，形成螺旋运动并汇聚在阴极（靶材）周围。被磁场束缚的电子与工作气体的碰撞次数增加，使离化率提高到5～600倍，从而提高了溅射速