磁控濺射定義和原理課件

磁控濺射定義和原理磁控濺射定義和原理主要內(nèi)容定義原理特點(diǎn)直流濺射射頻濺射磁控濺射鍍膜濺射原理濺射裝置磁控濺射實(shí)例主要內(nèi)容定義原理特點(diǎn)直流濺射鍍膜濺射原理濺射裝置磁控濺射磁控濺射定義和原理課件磁控濺射定義和原理課件一、濺射原理1.1濺射定義

就像往平靜的湖水里投入石子會(huì)濺起水花一樣，用高速離子轟擊固體表面使固體中近表面的原子（或分子）從固體表面逸出，這種現(xiàn)象稱為濺射現(xiàn)象。一、濺射原理1.1濺射定義

離子和固體表面的相互作用電子被濺射粒子的返回中性原子正離子氣體分子入射粒子的反射入射粒子電子被濺射粒子的返回中性原子正離子氣體分子入射粒子的反射入離子轟擊固體表面所產(chǎn)生各效應(yīng)的幾率效應(yīng)發(fā)生幾率濺射0.1-10入射離子反射10-3-10-2二次電子0.1-10靶離子濺射10-3-10-2離子轟擊固體表面所產(chǎn)生各效應(yīng)的幾率效應(yīng)發(fā)生幾率濺射0.1-11852年Grove在研究輝光放電時(shí)首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。Thomson形象地把這一現(xiàn)象類比于水滴從高處落在平靜的水面所引起的水花飛濺現(xiàn)象，并命名為“Spluttering”,由于印刷錯(cuò)誤寫成“Sputtering”。從此“Sputtering”便用作科學(xué)術(shù)語“濺射”。1852年Grove在研究輝光放電時(shí)首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。1.2濺射的基本原理

濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面使其中的原子發(fā)射出來。早期人們認(rèn)為這一現(xiàn)象源于靶材的局部加熱。但是不久人們發(fā)現(xiàn)濺射與蒸發(fā)有本質(zhì)區(qū)別，并逐漸認(rèn)識(shí)到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動(dòng)量傳遞的結(jié)果。1.2濺射的基本原理如下實(shí)驗(yàn)事實(shí)充分證明了這一點(diǎn)：濺射出來的粒子角分布取決于入射粒子的方向（a）

從單晶靶濺射出來的粒子顯示擇優(yōu)取向（b）濺射粒子的角分布500eV的Ar、Kr、Xe離子濺射單晶Cu（100）面的狀態(tài)如下實(shí)驗(yàn)事實(shí)充分證明了這一點(diǎn)：濺射粒子的角分布500eV的AAr+Ar+

動(dòng)量傳遞級(jí)聯(lián)碰撞示意圖Ar+Ar+動(dòng)量傳遞級(jí)聯(lián)碰撞示意圖濺射率不僅取決與入射粒子的能量，而且也取決于入射粒子的質(zhì)量（c）濺射出來的粒子平均速率比熱蒸發(fā)的粒子平均速率高得多（d）濺射率和離子能量的關(guān)系Cu膜濺射蒸發(fā)速度對(duì)粒子數(shù)的分布曲線濺射率不僅取決與入射粒子的能量，而且也取決于入射粒子的質(zhì)量（500eV下元素濺射率500eV下元素濺射率入射離子是如何產(chǎn)生的呢？1.3濺射的基本過程入射離子是如何產(chǎn)生的呢？1.3濺射的基本過程二級(jí)輝光放電系統(tǒng)

二級(jí)輝光放電系統(tǒng)靶陰極基片陽極電子Ar/Ar+靶原子濺射示意圖靶陰極基片陽極電子Ar/Ar+靶原子濺射示意圖電子與其他粒子的碰撞過程：彈性碰撞非彈性碰撞v1M1：電子質(zhì)量M2：惰性氣體粒子質(zhì)量電子與其他粒子的碰撞過程：彈性碰撞非彈性碰撞v1M1：電子質(zhì)A-B:無光放電區(qū) B-C:湯森放電區(qū)C-D:過渡區(qū)D-E:正常輝光放電區(qū)E-F:異常輝光放電區(qū)F-G:弧光放電區(qū)A-B:無光放電區(qū)

在“異常輝光放電區(qū)”內(nèi)，電流可以通過電壓來控制，從而使這一區(qū)域成為濺射所選擇的工作區(qū)域。磁控濺射定義和原理課件形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓VB。主要取決于二次電子的平均自由程和陰陽極之間的距離。擊穿電壓VB巴邢定律形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓VB。主要取決于二次電子

輝光放電時(shí)明暗光區(qū)分布示意圖

輝光放電時(shí)明暗光區(qū)分布示意圖1.4濺射參數(shù)

濺射閾值：將靶材濺射出來所需的入射離子的最小能量值。濺射率：入射正離子轟擊靶材時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶陰極打出的原子個(gè)數(shù)。1.4濺射參數(shù)

元素AlVFeCoNiCuPt濺射閾值(eV)13232025211725氬離子入射不同元素的濺射閾值元素AlVFeCoNiCuPt濺射閾值13232025211500eV下元素濺射率500eV下元素濺射率濺射率隨離子入射角度的變化濺射率隨離子入射角度的變化150eV氬離子轟擊下，鎳的濺射率和氣壓的關(guān)系150eV氬離子轟擊下，鎳的濺射率和氣壓的關(guān)系濺射粒子的速度和能量濺射原子獲得比熱蒸發(fā)大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)的能量在1~10eV之間,它與靶材，入射離子質(zhì)量和能量有關(guān)。濺射粒子的速度和能量濺射的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)濺射工藝可重復(fù)性較好，膜厚可控制，可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。對(duì)于任何材料，只要能做成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射；濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；濺射所獲得的薄膜純度較高，致密性好；缺點(diǎn)它的沉積速率低，基片溫升高易受雜質(zhì)氣體影響濺射的優(yōu)缺點(diǎn)濺射工藝可重復(fù)性較好，膜厚可控制，可以在大面積二、濺射裝置2.1直流濺射(DCsputtering)輝光放電直流濺射系統(tǒng)1.陰極（靶)2.陽極（基片）3.真空室4.進(jìn)氣口5.真空抽氣系統(tǒng)6.高壓電源（DC）二、濺射裝置2.1直流濺射(DCsputtering)輝濺射與氣壓的關(guān)系在一定范圍內(nèi)提高離化率、提高均勻性要增加壓強(qiáng)和保證薄膜純度、提高薄膜附著力要減小壓強(qiáng)的矛盾，產(chǎn)生一個(gè)平衡。

目標(biāo)：盡量小的壓強(qiáng)下維持高的離化率。濺射與氣壓的關(guān)系三級(jí)濺射531241.輔助陽極2.基片3.線圈4.靶5.燈絲三級(jí)濺射系統(tǒng)示意圖三級(jí)濺射531241.輔助陽極2.基片3.線圈特點(diǎn)：提供一個(gè)額外的電子源，而不是從靶陰極獲得電子。實(shí)現(xiàn)低壓濺射（壓強(qiáng)小于0.1帕）缺點(diǎn)：難以在大塊扁平材料中均勻?yàn)R射，而且放電過程難以控制，進(jìn)而工藝重復(fù)性差。特點(diǎn)：提供一個(gè)額外的電子源，而不是從靶陰極獲得電子。2.2射頻濺射(RFsputtering)2.2射頻濺射(RFsputtering)-+負(fù)半周期電子正離子-+負(fù)半周期電子+-正半周期電子正離子自偏壓效應(yīng)+-正半周期電子自偏壓效應(yīng)射頻濺射特點(diǎn)

射頻方法可以被用來產(chǎn)生濺射效應(yīng)的原因是它可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)。在射頻濺射裝置中，擊穿電壓和放電電壓顯著降低。不必再要求靶材一定要是導(dǎo)電體。射頻濺射特點(diǎn)射頻方法可以被用來產(chǎn)生濺射效應(yīng)的2.3磁控濺射(megnetronsputtering)2.3.1磁控濺射原理磁控濺射是利用磁場(chǎng)束縛電子的運(yùn)動(dòng)，提高電子的離化率。并且與傳統(tǒng)濺射相比具有“低溫”、“高速”兩大特點(diǎn)。

2.3磁控濺射(megnetronsputtering)

通過磁場(chǎng)提高濺射率的基本原理由Penning在60多年前發(fā)明，后來由Kay和其他人發(fā)展起來，并研制出濺射槍和柱式磁場(chǎng)源。1979年Chapin引入了平面磁控結(jié)構(gòu)。通過磁場(chǎng)提高濺射率的基本原理由Pennin磁控濺射定義和原理課件磁控濺射定義和原理課件

速度為v的電子在電場(chǎng)E和磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中將受到洛侖茲力的作用：速度為v的電子在電場(chǎng)E和磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中電荷在均勻電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)

當(dāng)磁場(chǎng)B均勻而電場(chǎng)E為零時(shí),電子沿磁力線方向以不受磁場(chǎng)影響的速度v∥，同時(shí)沿著磁力線有回旋運(yùn)動(dòng),電子回旋半徑：vBv∥電荷在均勻電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)vBv∥

當(dāng)B和E為均勻場(chǎng)且二者平行時(shí)，一個(gè)由靜止開始運(yùn)動(dòng)的電子被自由地加速。當(dāng)B與E均勻且相互垂直時(shí)，一個(gè)由靜止開始運(yùn)動(dòng)的電子，其運(yùn)動(dòng)方程：XYZB+-當(dāng)B和E為均勻場(chǎng)且二者平行時(shí)，一個(gè)由靜止開始

假設(shè)t=0時(shí)電子位于坐標(biāo)原點(diǎn)并且初速為零，E、B均為常數(shù)，該方程的解為

運(yùn)動(dòng)軌跡為在YOZ平面內(nèi)沿Z軸平行前進(jìn)的擺線假設(shè)t=0時(shí)電子位于坐標(biāo)原點(diǎn)并且初速為零電荷在非均勻電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)

電荷在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)除了受到洛倫茲力外,還要受到一個(gè)由于磁場(chǎng)的空間分布不均勻性而引起的磁阻力

其中磁阻力與磁場(chǎng)的梯度成正比,但方向始終指向梯度的負(fù)向，該力總是阻礙運(yùn)動(dòng)電荷從弱磁場(chǎng)向強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)電荷在非均勻電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電荷在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)電荷在鏡像磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——橫向磁約束磁力線沿y軸是對(duì)稱分布的,在x=0處,磁場(chǎng)最弱,在x=±a處,磁場(chǎng)最強(qiáng),我們把這種分布的磁場(chǎng)稱為鏡像場(chǎng)鏡像磁場(chǎng)磁力線分布示意圖電荷在鏡像磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——橫向磁約束磁力線沿y軸是對(duì)稱分布地球本身磁場(chǎng)的分布也屬于鏡像場(chǎng)，在外層空間運(yùn)動(dòng)的帶電粒子進(jìn)入地球磁場(chǎng)影響范圍后,將繞地磁感應(yīng)線做變幅螺旋運(yùn)動(dòng),在兩極間來回振蕩,形成有名的范·阿倫輻射帶即地球大氣層中的電離層。有時(shí)范·阿倫輻射帶中的帶電粒子因空間磁場(chǎng)的變化而在兩極附近進(jìn)入地球大氣層，引起極光。地球本身磁場(chǎng)的分布也屬于鏡像場(chǎng)，在外層空間運(yùn)動(dòng)的帶電粒子進(jìn)入磁控濺射定義和原理課件非勻強(qiáng)電磁場(chǎng)下電荷的三維運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式X:圍繞磁力線的在兩極間往復(fù)振蕩Y:恒有一個(gè)離開靶面的速度分量Z:擺線運(yùn)動(dòng)非勻強(qiáng)電磁場(chǎng)下電荷的三維運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式X:圍繞磁力線的在兩極

磁控濺射工作原理示意圖磁控濺射定義和原理課件沉積速率高

增長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)路徑，提高離化率，電離出更多的轟擊靶材的離子低溫碰幢次數(shù)的增加，電子的能量逐漸降低，在能量耗盡以后才落在陽極沉積速率高非平衡磁控濺射技術(shù)（沉積速率超過1μm/min）a平衡磁控b非平衡磁控非平衡磁控濺射技術(shù)a平衡磁控b非2.3.2磁控濺射源裝置平面型矩形：應(yīng)用廣泛，尤其適用于大面積平板的連續(xù)型鍍膜。鍍膜均勻性，產(chǎn)品的一致性較好。

圓形:只適合于做小型的磁控源，制靶簡(jiǎn)單，適合科研中應(yīng)用。2.3.2磁控濺射源裝置平面型矩形：應(yīng)用廣泛，尤其適用于大電磁鐵奧斯特電流磁效應(yīng)電流的磁效應(yīng)：如果一條直的金屬導(dǎo)線通過電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。電磁鐵奧斯特電流磁效應(yīng)電流的磁效應(yīng)：如果一條直的金屬導(dǎo)線通過圓柱形圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)磁力線分布適合鍍覆尺寸變化大，形狀復(fù)雜的工件。圓柱形圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)磁力線分布適合鍍覆尺寸變化大，形S-GUN靶材利用率高；槍體結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小靶是圓錐形，不易制備倒錐形靶材S-GUN靶材利用率高；槍體結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小倒錐形靶材直流二級(jí)濺射構(gòu)造簡(jiǎn)單濺射速度低，薄膜純度不高三級(jí)濺射提供額外電子源，降低濺射氣壓放電過程難以控制射頻濺射可以濺射非導(dǎo)體材料磁控濺射通過正交的電磁場(chǎng)作用增加電子離化率，實(shí)現(xiàn)“低溫”，“高速”直流二級(jí)濺射構(gòu)造簡(jiǎn)單三級(jí)濺射提供額外電子源，降低濺射氣壓射頻三、磁控濺射實(shí)例3.1磁控濺射鍍膜基本步驟：抽真空傳樣

通氬氣加磁場(chǎng)加偏壓起輝鍍膜三、磁控濺射實(shí)例3.1