磁控溅射原理及应用 参考资料

1985 年，Window 和Savvides首先引入了非平衡磁控溅射的概念。不久，多种不同形式的非平衡磁场设计相继出现，磁场有边缘强，也有中部强，导致溅射靶表面磁场的“非平衡”。磁控溅射靶的非平衡磁场不仅有通过改变内外磁体的大小和强度的永磁体获得，也有由两组电磁线圈产生，或采用电磁线圈与永磁体混合结构，还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管，用来改变阴极和基体之间的磁场，并以它来控制沉积过程中离子和原子的比例。

       非平衡磁控溅射系统有两种结构，一种是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，因此该方式很少被采用。另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使衬底离子流密度提高，通常可达5 mA/cm2 以上。这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。

       非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的。比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层。

       非平衡磁控溅射技术的运用，使平衡磁控溅射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解决，然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难沉积出均匀的薄膜，而且在电子飞向基体的过程中，随着磁场强度的减弱，一部分电子吸附到真空室壁上，导致电子和离子的浓度下降。对此研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统，以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射，如图2 所示（a）为双靶闭合磁场，（b）为双靶镜像磁场。

图2 （a）闭合磁场磁控溅射（b）镜像磁场磁控溅射

       比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场分布情况，可以看出在靶材表面附近磁场差别不大，内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀，溅射出大量靶材粒子飞向基体表面。在内部和外环磁极的位置，特别是较强的外环磁极处，以纵向磁场为主，成为二次电子逃离靶面的主要通道，进而成为向镀膜区域输送带电粒子的主要通道。再比较闭合磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布，差别就大了，对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外（真空室壁）弯曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低了电子进而离子的数量。由于镜像磁场方式不能有效地束缚电子，因而等离子体的溅射效率未有得到提高。而闭合磁场非平衡靶对在镀膜区域的纵向磁场是闭合的。只要磁场强度足够，电子就只能在镀膜区域和两个靶之间运动，避免了电子的损失，从而增加了镀膜区域的离子浓度，大幅度提高了溅射效率。

       Teer比较了平衡磁控溅射靶，镜像非平衡磁控靶和闭合非平衡磁控靶三种模式工件上偏压电流的伏安特性，结果表明了闭合非平衡磁控靶和镜像非平衡磁控靶的工件偏压电流依次比平衡磁控溅射靶工件偏压电流提高了近2 和6倍。Sproul比较了镜像结构与闭合结构系统在中位线位置的磁场强度和基体自偏压电流，镜像结构在中位线位置的磁场强度几乎都为零，基体自偏压电流最高为1.3 A，而闭合结构中位线位置的磁感应强度可高达20×10-4T，对应基体自偏压电流5.9 A。多靶闭合磁场非平衡磁控溅射系统可以获得高的沉积速率和较高质量的薄膜，因此实际应用中较多采用的是闭合磁场非平衡磁控溅射系统。

百度上的磁控靶图片

磁控溅射镀膜设备的工作原理要从一开始的"溅射现象"说起,人们由起初发觉"溅射现象"发展至"溅射镀膜"此间历经了相当长的发展时间,溅射现象早在19世纪50年代的法拉第气体放电实验就已经发现了.不过当时还只将此现象作为一种避免范畴的研究,认为这种现象是有害的.

直到20世纪,才有人证明了沉积金属是阴极被正离子轰击才溅射出来的物质.20世纪60年代时溅射制取的钽膜出现.到了1965年出现同轴圆柱磁控溅射装置和三级溅射装置,20世纪70年代,平面磁控溅射镀膜设备被研发出来,实现了高速低温溅射镀膜,使溅射镀膜一日千里,进展飞快.

磁控溅射镀膜设备的磁控溅射靶是采用静止电磁场,而磁场是曲线型的,对数电场用于同轴圆柱形靶均匀电场用于平面靶S-枪靶则位于两者间.各部分的原理是一样的.

电子受电场影响而加速飞向基材,在此过程中跟氩原子触发碰撞.如果电子本身足够30eV的能量的话,则电离出Ar?同时产生电子.电子依旧飞向基材,而Ar?受电场影响会移动到阴极(也就是溅射靶),同时用一种高能量轰击靶的表面,也就是让靶材发生溅射.

在这些溅射粒子中,中性的靶分子或原子会沉积在基片上而成膜而二次电子在加速飞向基材时,在磁场的洛仑兹力影响之下,呈现螺旋线状与摆线的复合形式在靶表面作一系列圆周运动.该电子不但运动路径长,还是被电磁场理论束缚在靠近靶表面的等离子体区域范围内.于此区内电离出大量的Ar?对靶材进行轰击,所以说磁控溅射镀膜设备的沉积速率高.

伴随碰撞频次的增多,电子能量会逐渐变弱,电子也慢慢远离靶面.低能电子会沿着磁力线来回振荡,直至电子能量快耗尽的时候,受电场影响而终会沉积于基材上.

因为该电子的能量较弱,所以传给基材的能量较低,基材的温升作用不大.位于磁极轴线处的电场跟磁场相互间平行,第二类电子将直接飞向基片.但是,在磁控溅射镀膜设备中,磁极轴线处离子电流密度低,所以对于第二类包括电子数据很少,让基片温升效果较差.

磁控溅射镀膜设备的基本原理是通过磁场使电子运动的方向改变,通过对电子的运动路径的延长及区域范围束缚,来增加电子的电离概率,更好地使电子的能量利用更有效,这便是磁控溅射技术的"高速"和"低温"的特性机理.设备始于1974年时J. chapin的研发成果,当时磁控溅射镀膜设备一经研发,其相较于别的镀膜工艺显得优越性较为突出,设备适用范围极广,可在任何基材上镀上任何物料的膜层.

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