Sputter溅镀原理

Sputter磁控溅镀原理
Sputter在辞典中意思为：（植物）溅散。

此之所谓溅镀乃指物体以离子撞击时，被溅射飞散出。

因被溅射飞散的物体附著于目标基板上而制成薄膜。

在日光灯的插座附近常见的变黑现象，即为身边最赏见之例，此乃因日光灯的电极被溅射出而附著于周围所形成。

溅镀现象，自19世纪被发现以来，就不受欢迎，特别在放电管领域中尤当防止。

近年来被引用于薄膜制作技术效效佳，将成为可用之物。

薄膜制作的应用研究，当初主要为Bell Lab.及Western Electric公司，于1963年制成全长10m左右的连续溅镀装置。

1966年由IBM公司发表高周波溅镀技术，使得绝缘物之薄膜亦可制作。

后经种种研究至今已达“不管基板的材料为何，皆可被覆盖任何材质之薄膜”目的境地。

而若要制作一薄膜，至少需要有装置薄膜的基板及保持真空状况的道具（内部机构）。

这种道具即为制作一空间，并使用真空泵将其内气体抽出的必要。

一、真空简介：
所谓真空，依JIS（日本工业标准）定义如下：较大气压力低的压力气体充满的特定的空
真空单位相关知识如下：
二、Sputter（磁控溅镀）原理：
1、Sputter溅镀定义：在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。

而透过激发、解离、离子化……等反应面产生的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由
基、UV 光（紫外光）、可见光……等物质，而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma ）。

下图为Sputter 溅镀模型（类似打台球模型）：
图一中的母球代表被电离后的气体分子，而红色各球则代表将被溅镀之靶材（Si 、ITO&Ti 等），图二则代表溅镀后被溅射出的原子、分子等的运动情形；即当被加速的离子与表面撞击后，通过能量与动量转移过程（如图三），低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁式碰撞。

这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。

同时，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果这个能量大于原子的结合能，原子就从固体表面从各个方向溅射出来。

图四为CPTF 之Sputter 磁控溅射设备简要模型：电子在交互电场与磁场E ×B 作用下将气体电离后撞击靶材表面，使靶材原子或分子等溅射出来并在管面经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。

最后形成连续状薄膜。

图一 Sputter 溅镀模型
图二 Sputter 溅镀后原子分子运动模型
图三 溅射原子弹性碰撞模型
图五 右手螺旋法则
2、Sputter 溅镀物理原理：
2.1、Sputter 溅镀理论根据详解：
洛仑兹力：实验和理论证明，在磁感强度为B 的磁场中，电荷为q 、运动速度为的带电
粒子，所受的磁场力为
此力
通常称为洛伦兹力．此公式称为洛伦兹公式。

根据运动电荷在磁场中的洛伦兹力公式 ，洛伦兹力
的大小为：。

从公式
可以看出，洛伦兹力
的大小不仅
和
的大小有关，而且取决于和
之间的夹角的正弦。

当 时，
，。

此时，运动电荷不受磁力作用。

当
时，
，。

此时，运动电荷受
到最大磁力作用。

洛伦兹力的方向为：服从右手螺旋法则。

运动电荷带电量的正负不同，即使在均相同的情况下，洛伦兹力的方向也不同。

当
时，
，即磁场力的方向服从右手螺旋法则。

当
时，
，负号说明磁场力的方向在右手螺旋法则规定的反方向。

始终运动方向垂直，故洛伦兹力对运动电荷永不做功,洛伦兹力公式是安培定律的微观形式。

洛伦兹公式是洛伦兹在20世纪初首先根据安培定律导出的，之后从实验上得到了验证。

对载流导体在磁场中所受的力，从微观上看，是导体中作定向运动的电子受磁场力作用的结果。

根据安培定律，和电流强度的微观表示形式， 如右图中电流元受到的安培力可改写为：
式中是电流元中参与导电的运动电荷总数。

在磁场强度为B 的磁场中，电荷为q 、运动 速度为
的带电粒子，所受的磁场力
为此力
通常称为洛伦兹力。

当
不
时，带电粒子同时参与两种运动，将在磁场中作螺旋线运动。

粒子速度垂直于磁场方向的分量
所对应的洛伦兹分力，将使粒子绕磁场作圆周运动，回旋半径：
粒子速度平行于磁场方向的分量 所对应的洛伦兹分力，将使粒子作匀速直线运动，两
个分运动合成为螺旋线运动。

图六 安培定律微观模型
图七V 不时，带电粒子在磁场中的运动
2.2、Sputter溅镀物理原理：
磁控溅射的工作原理如下图所示；电子在电场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，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，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。

二次电子el一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。

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。

电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。

当电子接近靶面时，速度即可降到零。

以后，电子又在电场的作用下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。

电子就这样周而复始，跳跃式地朝着E(电场)×B(磁场)所指的方向漂移(见下图)。

简称E×B漂移。

电子在正交电磁场作用下的运动轨迹近似于一条摆线。

若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面作圆周运动。

二次电子在环状磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区中电离出大量的Ar+离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射淀积速率高的特点。

随着碰撞次数的增加，电子e1的能量消耗殆尽，逐步远离靶面。

并在电场E的作用下最终沉积在基片上。

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
图十 What is Magnetron Sputter （磁控溅镀）
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，对基片温升作用极微。

综上所述，磁控溅射的基本原理，就是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。

因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。

同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。

这就是磁控溅射具有“低温”，“高速”两大特点的道理。

具体应用于Sputter 磁控溅射中之情形如下图
所示。

3、Magnetron 、Magnetron Sputtering& Plasma 简解： 3.1、What is Magnetron ：
3.2、
What is Magnetron Sputtering ：
图八 磁控溅射工作原理
图九 What is magnetron （磁场）
图十三 Plasma （电浆）发光情形
3.3、What is plasma ：
如图十三为真空状态下，Sputter 溅镀辉光放电（Glow Discharge ）在真空状况发光情形。

图十一 电浆中原子被电子碰撞后转换成离子情形：O 2＋e －→O 2＋＋2e
图十二 电子在电场和磁场中的运动。