磁控溅射的基本原理-3.doc

磁控溅射的基本原理!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110Pa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，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。