薄膜技术_磁控溅射.ppt

12345678该图为真空蒸发镀膜原理示意图。主要部分有：
真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境；
(2)蒸发源或蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热；
(3)基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜：10真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程：所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶)、使固体原子(或分子)从表面溅射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态．常称为溅射原子。

用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子。该粒子又称入射离子。溅射这一物理现象是130多年前格洛夫(Grove)发现的，现已广泛地应用于各种薄膜的制备之中。如用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜。以及化合物半导体薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至高Tc超导薄膜等。

与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比，有如下的特点：
(1)任何物质均可以溅射。
尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。不论是金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材。
由于溅射氧化物等绝缘材料和合金时，几乎不发生分解和分馏，所以可用于制备与靶材料组分相近的薄膜和组分均匀的合金膜，乃至成分复杂的超导薄膜。
此外，采用反应溅射法还可制得与靶材完全不同的化合物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。(2)溅射膜与基板之间的附着性好。
由于溅射原子的能量比蒸发原子能量高1-2个数量级，因此高能粒子淀积在基板上进行能量转换，产生较高的热能，增强了溅射原子与基板的附着力。
而且，一部分高能量的溅射原子将产生不同程度的注入现象，在基板上形成一层溅射原子与基板材料原子相互“混溶”的所谓扩散层。
此外，在溅射粒子的轰击过程中，基板始终处于等离子区中被清洗和激活，清除了附着不牢的淀积原子，净化且活化基板表面。因此，使得溅射膜层与基板的附着力大大增强。(3)溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。
因为在溅射镀膜过程中，不存在真空蒸镀时无法避免的坩埚污染现象。

(4)膜厚可控性和重复性好。
溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好，能够有效地镀制预定厚度的薄膜。
此外．溅射镀膜还可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜溅射镀膜(主要是二极溅射)的缺点是：
溅射设备复杂、需要高压装置，溅射淀积的成膜速率低，真空蒸镀淀积速率为0.1~5μm/min，而溅射速率则为0.01~0.5μm/min。
基板温升较高和易受杂质气体影响等。

但是，由于射频溅射和磁控溅射技术的发展，在实现快速溅射淀积和降低基板温度方面已获得了很大的进步。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。

不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。
直流二极溅射利用的是直流辉光放电；
三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；
射频溅射是利用射频辉光放电；
磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移和在基板上成膜的过程。

1．靶材的溅射过程
当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可能使靶原子发生溅射。这是靶材在溅射时主要发生的一个过程。

实际上，溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体表面时，还会产生如图所示的许多效应。溅射过程--离子轰击固体表面所引起的各种效应溅射系统的主要缺点是淀积速率较低，特别是阴极溅射，因为它在放电过程中只有大约0.3~0.5％的气体分子被电离。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射的工作原理如图所示:
电子e在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar＋和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar＋在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子则淀积在基片上形成薄膜。二次电子e一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。23为了便于说明电子的运动情况，可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。在这种情况下，电子由于受到磁场B洛仑兹力的作用，而绕磁力线旋转。电子旋转半周之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶面时，速度降到零。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。另外对于e2类电子来说，由于磁极轴线处的电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片，但是在磁极轴线处离子密度很低，所以e2电子很少，对基片升温作用极微。2627281．直