真空濺射技術(shù)

1、真空濺射技術(shù)第一章濺射技術(shù)所謂“濺射”就是用荷能粒子（通常用氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象。1842年Grove（格洛夫）在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。1877年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室及西屋電氣公司首先開(kāi)始應(yīng)用濺射原理制備薄膜。1966年美國(guó)國(guó)際商用電子計(jì)算機(jī)公司應(yīng)用高頻濺射技術(shù)制成了絕緣膜。1970年磁控濺射技術(shù)及其裝置出現(xiàn)，它以“高速”、“低溫”兩大特點(diǎn)使薄膜工藝發(fā)生了深刻變化，不但滿足薄膜工藝越來(lái)越復(fù)雜的要求，而且促進(jìn)了新工藝的發(fā)展。我國(guó)在1980年前后，許多單位競(jìng)先發(fā)展磁控濺射技術(shù)。目前在磁控濺射裝置和相應(yīng)的薄膜工藝研究上也已出現(xiàn)了工業(yè)性生產(chǎn)的局面。第一節(jié)濺射理論及其

2、濺射薄膜的形成過(guò)程濺射理論 被荷能粒子轟擊的靶材處于負(fù)電位，所以一般稱這種濺射為陰極濺射。關(guān)于陰極濺射的理論解釋，主要有如下三種。蒸發(fā)論認(rèn)為濺射是由氣體正離子轟擊陰極靶，使靶表面受轟擊的部位局部產(chǎn)生高溫區(qū)，靶材達(dá)到蒸發(fā)溫度而產(chǎn)生蒸發(fā)。碰撞論認(rèn)為濺射現(xiàn)象是彈性碰撞的直接結(jié)果。轟擊離子能量不足，不能發(fā)生濺射；轟擊離子能量過(guò)高，會(huì)發(fā)生離子注入現(xiàn)象。混合論認(rèn)為濺射是熱蒸發(fā)論和碰撞論的綜合過(guò)程。當(dāng)前傾向于混合論。u輝光放電u直流輝光放電在壓力為102-10-iPa的容器內(nèi)，在兩個(gè)電極間加上直流電壓后所發(fā)生的放電過(guò)程如 圖：電壓小時(shí)，由宇宙射線或空間殘留的少量離子和電子的存在只有很小的電流。增 加電壓，帶

3、電粒子能量增加，碰撞中性氣體原子，產(chǎn)生更多帶電粒子，電流隨之 平穩(wěn)增加，進(jìn)入“湯森放電區(qū)”。電流增加到一定程度，發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象，離 子轟擊陰極，釋放二次電子，二次電子與中性氣體原子碰撞，產(chǎn)生更多離子，這 些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生更多的二次電子，如此循環(huán)，當(dāng)產(chǎn)生的電子數(shù)正好產(chǎn) 生足夠多離子，這些離子能夠再生出同樣數(shù)量的電子時(shí)，進(jìn)入自持狀態(tài)，氣體開(kāi) 始起輝，電壓降低，電流突然升高，此為“正常輝光放電區(qū)”。放電自動(dòng)調(diào)整陰 極轟擊面積，最初轟擊是不均勻的，隨著電源功率增大，轟擊面積增大，直到陰 極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹?。?dāng)轟擊區(qū)域覆蓋整個(gè)陰極面后，再進(jìn)一步增加功 率，會(huì)使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度同

4、時(shí)升高，進(jìn)入濺射工藝工作區(qū)域，即“異 常輝光放電區(qū)”。在該區(qū)域內(nèi)，如果陰極沒(méi)有水冷或繼續(xù)增加功率，當(dāng)電流密度 達(dá)到約0.1A/cm2以上，將有熱發(fā)射電子混入二次電子之中，隨后發(fā)生又一個(gè)雪 崩”。由于輸入阻抗限制著電壓，將形成低壓大電流的“弧光放電”形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓V，主要取決于二次電子的平均自 B由程和陰陽(yáng)極之間的距離。為了引起最初的雪崩，每個(gè)二次電子必須產(chǎn)生出約 10-20個(gè)離子。若氣壓太低或極間距離太小，二次電子撞到陽(yáng)極之前，無(wú)法到達(dá)所 需要的電離碰撞次數(shù)；若氣壓太高或極間距離太大，氣體中形成的離子將因非彈 性碰撞而減速，以致于當(dāng)轟擊陰極時(shí)，已無(wú)足夠的能量產(chǎn)生二次電子。

5、直流輝光放電的形貌和參量分布圖：阿斯頓暗區(qū)，不發(fā)生電離和激發(fā)；陰極輝光區(qū)，氣體分子激發(fā)發(fā)光；陰極暗區(qū)，產(chǎn)生很強(qiáng)的電離，具有很高的正離子濃度，有較強(qiáng)的空間電荷；負(fù)輝光區(qū)，光度最強(qiáng)，有較強(qiáng)的負(fù)空間電荷；V.法拉第暗區(qū)，電離和激發(fā)都很?。徊灰欢ㄊ禽x光放電必須的，是起連接作用。Vi.正柱區(qū)，等離子區(qū)，幾乎與法拉第暗區(qū)等電位；u低頻交流輝光放電在頻率低于50KHZ的交流電壓條件下，離子有足夠的活動(dòng)能力且有充分的時(shí)間， 在每個(gè)半周期內(nèi)在各個(gè)電極上建立直流輝光放電。除了電極交替地成為陰極和陽(yáng) 極之外，其機(jī)理基本上與直流輝光放電相同。我們常用的中頻濺射屬于這個(gè)范圍，中頻濺射的頻率為40KHz。u射頻輝光放電0

6、兩個(gè)重要特征：第一、在輝光放電空間中電子振蕩達(dá)到足以產(chǎn)生電離碰撞的能量，所以減小了放 電對(duì)二次電子的依賴，并且降低了擊穿電壓。第二、射頻電壓可以穿過(guò)任何種類的阻抗，所以電極就不再要求是導(dǎo)體，可以濺 射任何材料。射頻輝光放電的陰極室電容耦合電極，陽(yáng)極接地。0濺射靶和基片完全對(duì)稱放置于射頻輝光放電等離子體中，正離子以均等的機(jī)會(huì)轟 擊濺射靶和基片，濺射成膜是不可能的。實(shí)際上，只要求靶上得到濺射，那么這 個(gè)電極（濺射靶）必須絕緣起來(lái)，并通過(guò)電容耦合到射頻電源上；另一個(gè)電極（真空 室壁）為直接耦合電極（即接地極），而且靶面積必須比直接耦合電極小。實(shí)驗(yàn)證明: 在射頻輝光放電等離子體中陰極電壓Vc與陽(yáng)極電壓

7、Va之比于陽(yáng)極面積Aa和陰極 面積Ac之比存在如下關(guān)系：Vc/Va=（Aa/Ac）4o由于Aa Ac,所以Vc Va，放射頻輝光放電時(shí)，等離子體重離子對(duì)接地零件 只有極微小的轟擊，而對(duì)濺射靶卻進(jìn)行強(qiáng)烈轟擊并使之產(chǎn)生濺射。下圖為小的容性耦合電極（靶）至大的直接耦合電極之間發(fā)生射頻輝光放電時(shí)，極 間電位的分布圖。u濺射過(guò)程u靶材的濺射現(xiàn)象下圖為荷能離子碰撞表面所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象:在等離子體中，任何表面具有一定負(fù)電位時(shí)，就會(huì)發(fā)生上述濺射現(xiàn)象，只是強(qiáng)弱 程度不同而已。所以靶、真空室壁、基片都有可能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。以靶的濺射為 主時(shí)，稱為濺射成膜；對(duì)基片進(jìn)行濺射現(xiàn)象稱為濺射刻蝕；真空室和基片在高壓 強(qiáng)下的濺

8、射稱為濺射清洗。我們一般應(yīng)用為濺射成膜，在各種現(xiàn)象中，人們最關(guān)心的是濺射效應(yīng)，即被正離 子轟擊出來(lái)的靶材中性粒子的數(shù)量，稱為濺射量S。濺射率5表示一個(gè)正離子入射到靶材表面從其表面上所濺射出來(lái)的原子數(shù)。u濺射粒子向基片的遷移過(guò)程靶材受到轟擊所放出的粒子中，正離子由于逆向電場(chǎng)的作用是不能到達(dá)基片上的， 其余粒子均會(huì)向基片遷移。壓強(qiáng)為10i-10-iPa，粒子平均自由程約為1-10cm，因此 靶至基片的空間距離應(yīng)與該值大致相等。否則，粒子在遷移過(guò)程中將發(fā)生多次碰 撞，即降低靶材原子的能量又增加靶材的散射損失。雖然靶材原子在向基片遷移的過(guò)程中，因碰撞（主要與工作氣體分子）而降低其能 量，但是，由于濺射

9、出的靶材原子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射鍍膜 沉積在基片上的靶材原子的能量較大，其值相當(dāng)于蒸發(fā)原子能量的幾十至一百倍。u粒子入射到基片后的成膜過(guò)程應(yīng)考慮如下問(wèn)題：0沉積速率指從靶材上濺射出來(lái)的材料，在單位時(shí)間內(nèi)沉積到基片上得厚度，與濺射速率成 正比。在選定鍍膜環(huán)境以及氣體的情況下，提高沉積速率的最好方法只有提高離 子流。不增加電壓條件下增加離子流只有提高工作氣體壓力。如圖所示，氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線，當(dāng)壓力增高到一定值時(shí)，濺射率開(kāi)始 明顯下降。其原因是靶材粒子的背返射和散射增大，導(dǎo)致濺射率下降。所以由濺 射率來(lái)考慮氣壓的最佳值是比較合適的，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)注意由于氣壓升高影響薄膜質(zhì) 量的問(wèn)

10、題。0沉積薄膜的純度沉積到基片上得雜質(zhì)越少越好。這里所說(shuō)的雜質(zhì)專指真空室殘余氣體。解決的方 法是：1、提高本底真空度2、提高氬氣量。為此，在提高真空系統(tǒng)抽氣能力的同時(shí)，提高本底真空度和加大送氬量是確保薄 膜純度必不可少的兩項(xiàng)措施。就濺射鍍膜裝置而言，真空室本底真空度應(yīng)為10-3-10-4Pa。0沉積成膜過(guò)程中的其它污染2真空室壁和室內(nèi)構(gòu)件表面所吸附的氣體。采用烘烤去氣方法。2擴(kuò)散泵返油。配制渦輪分子泵或冷凝泵等比較好。2基片清洗不徹底。應(yīng)盡可能保證基片不受污染和不帶有顆粒狀污染物。0成膜過(guò)程中的濺射條件u濺射氣體的選擇應(yīng)具備濺射率高、對(duì)靶材呈惰性、價(jià)格便宜、來(lái)源方便、易于得到高純度的氣體。一般

11、米用氬氣。u濺射電壓及基片電位濺射電壓及基片電位(即接地、懸浮或偏壓)對(duì)薄膜特性的影響嚴(yán)重。濺射電壓不但影響沉積速率，而且嚴(yán)重英雄薄膜的結(jié)構(gòu)?；娢恢苯佑绊懭肷涞碾娮恿骰螂x子流?；拥靥幱陉?yáng)極電位，則它們受到等同電子轟擊?；瑧腋?，在輝光放電空間取得相對(duì)于地電位稍負(fù)的懸浮電位Vf。而基片周圍等 離子體電位Vp高于基片電位為(Vf+Vp)，將引起一定程度的電子和正離子的轟擊， 導(dǎo)致膜厚、成分或其它特性的變化。如下圖：假如基片有目的地施加偏壓，使其按電的極性接收電子或離子，不僅可以凈化基 片增強(qiáng)薄膜附著力，而且還可以改變薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。u基片溫度u高純度的靶材必須具備高純度的靶材和清潔的靶表面

12、。濺射沉積之前對(duì)靶進(jìn)行預(yù)濺射，使靶表面凈化處理。u由于濺射裝置中存在多種參數(shù)間的相互影響，并且綜合地決定濺射薄膜的特性，因 此在不同的濺射裝置上，或制備不同的薄膜時(shí)，應(yīng)該對(duì)濺射工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)選 擇為宜。第二節(jié)濺射薄膜的特點(diǎn)u膜厚可控性和重復(fù)性好0控制靶電流可以控制膜厚0通過(guò)濺射時(shí)間控制膜厚u薄膜與基片的附著力強(qiáng)0高能量的濺射原子產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，形成一層偽擴(kuò)散層0基片在成膜過(guò)程中始終在等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著力不強(qiáng)的濺射原 子，凈化且激活基片表面。u可以制備特殊材料的薄膜0可濺射幾乎所有的固體（包括粒狀、粉狀的物質(zhì)），不受熔點(diǎn)的限制。0使用不同材料同時(shí)濺射制備混合膜、化合膜。

13、0可制備氧化物絕緣膜和組分均勻的合金膜。0可通入反應(yīng)氣體，采用反應(yīng)濺射方法制備與靶材完全不同的新的物質(zhì)膜。如用硅 靶制作二氧化硅絕緣膜；用鈦靶，充入氮?dú)夂蜌鍤?，制備氮化鈦仿金膜。u膜層純度高0沒(méi)有蒸發(fā)法制膜裝置中的坩堝構(gòu)件，濺射膜層不會(huì)混入坩堝加熱器材料的成分。u缺點(diǎn)：成膜速度比蒸發(fā)鍍膜低、基片溫升高、易受雜質(zhì)氣體影響、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第三節(jié)濺射應(yīng)用范圍簡(jiǎn)介工業(yè)部門應(yīng)用實(shí)例備注電子工業(yè)半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)材料、導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料、太陽(yáng)能電池、集成線路及電路元件等低基片溫度機(jī)械工業(yè)耐蝕、耐熱、耐摩擦性能保護(hù)性材料等厚膜光學(xué)工業(yè)反射膜、選擇性透光膜、光集積回路、反射鏡保護(hù) 膜低基片溫度裝飾塑料涂層、陶

14、瓷涂層、彩虹包裝等厚膜擋風(fēng)玻璃航天及交導(dǎo)電玻璃擋風(fēng)玻璃第二章直流濺射鍍膜依據(jù)直流輝光放電原理制造的鍍膜裝置統(tǒng)稱為直流濺射鍍膜裝置，利用這種裝置濺射的各種工藝統(tǒng)稱為直流濺射鍍膜工藝。第一節(jié)直流二極濺射裝置直流二極濺射裝置示意圖1真空室；2加熱片；3陰極（靶）；4基片（陽(yáng)極）；5氬氣入口； 6一負(fù)高壓電源；7加熱電源；8真空系統(tǒng)u電源采用直流。u靶材必須是導(dǎo)體。u靶上通以負(fù)高壓。u陰極靶與基片間的距離大于陰極暗區(qū)的3-4倍較為合適。u直流二極濺射工作原理圖：第二節(jié)偏壓濺射裝置u與直流二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓。u偏壓使基片表面在薄膜沉積過(guò)程中，受到氣體離子的穩(wěn)定轟擊，消除可能進(jìn)入薄

15、膜 表面的氣體，提高薄膜的純度。u偏壓可以清除附著力較差的沉積粒子，可以在沉積之前對(duì)基片進(jìn)行轟擊清洗，凈化 表面，提高薄膜的附著力。u偏壓使荷能粒子(一般指正離子)不斷地轟擊正在形成的薄膜表面，一方面提高膜層 的強(qiáng)度，另一方面降低了膜層的生成速度。u偏壓較大時(shí)，能產(chǎn)生少量非膜材離子(如氬離子)的參雜現(xiàn)象。為保證膜純度，應(yīng)選 擇適當(dāng)?shù)钠珘褐?。直流偏壓濺射示意圖1 濺射室；2陰板；3基片；4 陽(yáng)極；5接抽氣系統(tǒng)；6氬氧氣入口第三節(jié)三極或四極濺射裝置u三極濺射是用熱電子強(qiáng)化放電的一種方式，它能使濺射速率比二極濺射有所提高， 又能使濺射工況的控制更方面。在二極濺射系統(tǒng)中提供一個(gè)熱電子的源一一一根 發(fā)射

16、自由熱電子的幟熱燈絲，當(dāng)燈絲比靶電位更負(fù)的時(shí)候，電子朝向靶轟擊，從 而靶入射離子流增加，濺射量相應(yīng)地增大。由于熱電子的數(shù)量并不很大，不會(huì)引 起靶材過(guò)分地加熱。附加的熱電子流，是靶電流的一個(gè)調(diào)整量，就是說(shuō)，在二極 濺射運(yùn)行中，氣壓、電壓和靶電流三個(gè)主要工藝參數(shù)中，電流可以獨(dú)立于電壓作 一定程度的調(diào)整。三極濺射比二極濺射大于提高了一倍的濺射速率。u四極濺射一一等離子弧濺射(a)(b)四極濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖1 機(jī)械泵；2閥；3可調(diào)漏泄閥；4低真空計(jì)；5高真空計(jì)；6陰極；7穩(wěn)定性電極；8電磁線圈；9濺射室；10蒸鍍基板燈絲；11靶；12陽(yáng)極；13閘閥；14液氮阱；15放氣閥；16液氮阱；17擴(kuò)散泵；1

17、8水冷密封板；19鈦升華泵；20加熱器四極濺射裝置的電氣部分1熱陰極；2穩(wěn)定性電極；3基板；4陽(yáng)極；5靶；6線圈；7靶電源0工作壓強(qiáng)比二極濺射低（10-110-2Pa）。0靶電流幾乎不隨靶電壓改變，而依賴于陽(yáng)極電流，實(shí)現(xiàn)了靶電流和電壓的分別控制。第三章磁控濺射鍍膜第一節(jié)磁控濺射的工作原理磁控濺射是利用磁場(chǎng)束縛電子的運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果導(dǎo)致轟擊基片的高能電子的減少 和轟擊靶材的高能離子的增多，使其具備了 “低溫”、“高速”兩大特點(diǎn)。u水冷系統(tǒng)：各種類型濺射靶，在輝光放電中因離子轟擊都要發(fā)熱。為保證濺射靶的 正常工作溫度，均應(yīng)設(shè)置冷卻系統(tǒng)。為保證冷卻水的流速和進(jìn)出口水溫差在預(yù)定 的范圍內(nèi)，要求濺射靶冷卻水

18、套應(yīng)具有小流阻，濺射靶材和水冷背板的導(dǎo)熱性能 良好。其進(jìn)水壓力一般為2KG以上。u “高速”以基片與靶材相對(duì)不動(dòng)時(shí)，濺射Al的成膜速率達(dá)到1 um/min而言，已經(jīng) 與電子束蒸發(fā)Al的成膜速率接近了，比二極濺射的濺射速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。u “低溫”是與二極濺射相比，在相同的條件下，二極濺射的基片溫升可能達(dá)到 350450C時(shí)，磁控濺射的基片溫升大約只有250C左右。u除射頻磁控裝置外，其余的磁控濺射裝置均是靜止的電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)為曲線形，均勻 電場(chǎng)和對(duì)數(shù)電場(chǎng)則分別用于平面靶和同軸圓柱靶。它們的工作原理相同。電子e在電場(chǎng)E的作用下加速飛向基片的過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，若電子具有 足夠的能量（約30

19、eV）時(shí)，則電離出Ar+和另一個(gè)電子e。電子飛向基片，Ar+在電場(chǎng) E作用下加速飛向陰極（濺射靶）并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射 粒子中，中性的靶原子（或分子）沉積在基片上形成薄膜，二次電子e1在加速飛向 基片時(shí)受磁場(chǎng)B的洛侖茲力作用以如圖的擺線和螺旋線狀的復(fù)合形式在靶表面作 圓周運(yùn)動(dòng)。該電子e1的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等 離子體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域中電離出大量的Ar+用來(lái)轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了磁控濺射 速率高的特點(diǎn)。隨著碰撞次數(shù)的增加，電子e1的能量逐漸降低，同時(shí)逐漸遠(yuǎn)離靶面。低能電 子e1將在如圖中e3那樣沿著磁力線來(lái)回振蕩，待電子能量耗盡時(shí)，在電場(chǎng)E的作

20、 用下最終沉積到基片上。由于該電子的能量很低，傳給基片的能量很小，致使基 片溫升較低。由于磁極軸線處電場(chǎng)與磁場(chǎng)平行，電子e2將直接飛向基片。但是， 在磁控濺射裝置中，磁極軸線處離子密度很低，所以E類電子很小，對(duì)基片溫升 作用不大。磁控濺射工作原理綜上所述，磁控濺射的基本原理就是以磁場(chǎng)改變電子運(yùn)動(dòng)的方向，束縛和延長(zhǎng)電 子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高了電子對(duì)工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能 量。因此在形成高密度等離子體的異常輝光放電中正離子對(duì)靶材轟擊所引起的靶 材濺射更加有效，同時(shí)受正交電磁場(chǎng)的束縛的電子只能在其能量將要耗盡時(shí)才能 沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“地溫”、“高速”兩大特點(diǎn)的機(jī)理。

21、磁控 濺射等離子體中的物理過(guò)程如下所示：與直流二極濺射相比較，區(qū)別只在于增加了正交電磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛效應(yīng)?？梢?jiàn)， 正交電磁場(chǎng)的建立，B值的大小及其分布，特別是平行于靶表面的磁場(chǎng)分量B1是 磁控濺射中一個(gè)極其重要的參數(shù)。為了提高對(duì)電子的束縛效應(yīng)，磁控濺射裝置中應(yīng)當(dāng)盡可能滿足磁場(chǎng)B與電場(chǎng)E相 互垂直（即正交）和利用磁力線及電極（一般為陰極靶）封閉等離子體的兩個(gè)重要條 件。由于束縛效應(yīng)的作用，磁控濺射的放電電壓和氣壓都遠(yuǎn)低于直流二極濺射， 通常分別為500-600V和10-1Pa。第二節(jié)磁控濺射靶靶型分類u靶型開(kāi)發(fā)的歷程大致如下：首先開(kāi)發(fā)的是軸狀靶一圓盤形平面靶一S-槍一矩形平面靶一各種異形靶一對(duì)靶

22、或攣生靶一靶面旋轉(zhuǎn)的圓柱靶一靶-弧復(fù)合靶一，目前應(yīng)用最廣泛的是矩形平面靶，未來(lái)最受關(guān)注的是旋轉(zhuǎn)圓柱靶和靶-弧復(fù)合靶。u同軸圓柱形磁控濺射在濺射裝置中該靶接500-600V的負(fù)電位，基片接地、懸浮或偏壓，一般構(gòu)成以濺射靶為陰極、基片為陽(yáng)極的對(duì)數(shù)電場(chǎng)和以靶中永磁體提供的曲線形磁場(chǎng)。圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)1水咀座；2螺母；3墊片；4密封圈；5法蘭；6密封圈；7絕緣套；8螺母；9密封圈；10屏蔽罩；11密封圈；12陰極靶；13永磁體；14墊片；15一管；16一支撐；17一螺母；18密封圈；19螺帽圓柱形磁控濺射靶的磁力線在每個(gè)永磁體單元的對(duì)稱面上，磁力線平行于靶表面并與電場(chǎng)正交。磁力 線與靶表面封閉的

23、空間就是束縛電子運(yùn)動(dòng)的等離子區(qū)域。在異常輝光放電中，離 子不斷地轟擊靶表面并使之濺射，而電子如下圖那樣繞靶表面作圓周運(yùn)動(dòng)。在圓柱形陰極與同軸陽(yáng)極之間發(fā)生冷陰極放電時(shí)的電子遷移簡(jiǎn)圖u平面磁控濺射0圓形平面磁控濺射 u圓形平面靶采用螺釘或釬焊方式緊緊固定在由永磁體（包括環(huán)形磁鐵和中心磁柱）、水冷套和靶外殼等組成的陰極體上。如下圖所以結(jié)構(gòu):圓形平面磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)1一冷卻水管；2軛鐵；3一真空室；4一環(huán)形磁鐵；5一水管；6一磁柱;7一靶子；8一螺釘；9一壓環(huán)；10密封圈；11靶外殼；12屏蔽罩;13螺釘；14一絕緣墊；15絕緣套；16一螺釘通常，濺射靶接500-600V負(fù)電壓；真空室接地；基片放置在

24、濺射靶的對(duì)面，其電 位接地、懸浮或偏壓。因此，構(gòu)成基本上是均勻的靜電場(chǎng)。永磁體或電磁線圈在 靶材表面建立如下圖的曲線形靜磁場(chǎng)：圓形平面磁控靶的磁力線1一陰極；2一極靴；3永久磁鐵；4磁力線該磁場(chǎng)是以圓形平面磁控靶軸線為對(duì)稱軸的環(huán)狀場(chǎng)。從而實(shí)現(xiàn)了電磁場(chǎng)的正交和 對(duì)等離子體區(qū)域的封閉的磁控濺射所必備的條件。由磁場(chǎng)形狀決定了異常輝光放 電等離子區(qū)的形狀，故而決定了靶材刻蝕區(qū)是一個(gè)與磁場(chǎng)形狀相對(duì)稱的圓環(huán)，其 形狀如下圖：圓形平面靶刻蝕形狀u冷卻水的作用是控制靶溫以保證濺射靶處于合適的冷卻狀態(tài)。溫度過(guò)高將引起靶材 熔化，溫度過(guò)低則導(dǎo)致濺射速率的下降。u屏蔽罩的設(shè)置，是為了防止非靶材零件的濺射，提高薄膜純

25、度。并且該屏蔽罩接地， 還能起著吸收低能電子的輔助陽(yáng)極的作用。其位置，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)屏蔽罩與 陰極體之間的間隙來(lái)確定，其值應(yīng)小于二次電子擺線軌跡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)距離年一般 W3mm。u磁控濺射的磁場(chǎng)時(shí)由磁路結(jié)構(gòu)和永久磁體的剩磁（或電磁線圈的安匝數(shù)）所決定的。最終表現(xiàn)為濺射靶表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小及分布。通常，圓形平面磁控濺射 靶表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的平行分量B1 0.02-0.05T，其較好值為0.03T左右。因此， 無(wú)論磁路如何布置，磁體如何選材，都必須保證上述B要求。10矩形平面磁控濺射靶2 一個(gè)典型的矩形平面靶斷面結(jié)構(gòu)圖其結(jié)構(gòu)與圓形平面磁控濺射靶基本相同，只是靶材是矩形的而不是圓形平面。其磁力線形

26、狀見(jiàn)下圖:矩形平面磁控濺射靶的磁力線2磁體布局磁體的布局直接影響濺射靶的刻蝕均勻程度和沉積膜厚均勻性。為了改進(jìn)該均勻 性，可采用下圖所示磁體布局：矩形陰極改進(jìn)了沉積膜厚度分布后的磁鐵排布情況：（a）一雙環(huán)；（b）一帶隙磁鐵；注明了實(shí)驗(yàn)測(cè)定的均勻度可見(jiàn)，矩形平面磁控濺射靶的兩個(gè)端部是刻蝕和膜厚分布不均勻問(wèn)題最嚴(yán)重的部 位。其原因是端部磁場(chǎng)不均勻并與中部存在著差異。因此，保證磁路的長(zhǎng)寬比大 于3,基片應(yīng)沿矩形靶的寬度方向運(yùn)動(dòng)或矩形靶加長(zhǎng)使其端部位于基片之外。2靶材的安裝安裝方式分直接水冷和間接水冷兩種形式。采用間接水冷，為了保證靶材的冷卻 效果，應(yīng)將其緊緊壓在水冷背板上，為此，壓框與水冷卻背板得間

27、隙y必須大于 0.5mm。我們一般采用的是在靶材上開(kāi)螺釘孔，直接用螺釘將靶材連接到水冷背板 上，為了使傳熱效果更好，在兩者之間壓一層薄薄的石墨紙。此外，也可以采用 釬焊技術(shù)將靶材焊接在水冷背板上。安裝形式如下圖：靶材冷卻型式（a）一直接冷卻；（b）一間接冷卻；1一壓框；2一靶材；3一背板；4一密封圈；5一冷卻水；6一陰極體2靶材刻蝕區(qū)域?qū)Ρ热缦聝蓤D：2平面磁控濺射的工作特性1）電壓、電流及氣壓的關(guān)系：通常，平面磁控濺射的工作條件為陰極電壓300-600V、 電流密度4-60mA /cm2、氬氣壓力0.13T.3Pa、功率密度1-36W/cm2。(a)各種氣壓下，矩形平面磁控陰極的電流一一電壓特性一恒定的陰極平均電流密度數(shù)值下，陰極電壓與氣壓的關(guān)系2)沉積速率沉積速率是表征成膜速度的物理量，其值與濺射速率成正比。由于濺 射靶的不均勻?yàn)R射和基片的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了薄膜沉積的不均勻性。平面磁控濺射的基片運(yùn)動(dòng)方式(a)行星運(yùn)動(dòng)；(b)一有小孔