磁控溅射.ppt

通过磁场提高溅射率的基本原理由
Penning在60多年前发明，后来由Kay和
其他人发展起来，并研制出溅射枪和柱式
磁场源。1979年Chapin引入了平面磁控
结构。
速度为v的电子在电场E和磁感强度为B
的磁场中将受到洛仑兹力的作用：

F e( E v B )



电荷在均匀电磁场中运动
镜像磁场磁力线分布示意图

地球本身磁场的分布也属于镜像场，在外层空间运 动的带电粒子进入地球磁场影响范围后, 将绕地磁感 应线做变幅螺旋运动, 在两极间来回振荡, 形成有名 的范· 阿伦辐射带即地球大气层中的电离层 。 有时范· 阿伦辐射带中的带电粒子因空间磁场的变化 而在两极附近进入地球大气层，引起极光。
溅射的优缺点
溅射工艺可重复性较好，膜厚可控制，可以在大面积 优点 基片上获得厚度均匀的薄膜。 对于任何材料，只要能做成靶材，就可实现溅射； 溅射所获得的薄膜与基片结合较好； 溅射所获得的薄膜纯度较高，致密性好；
缺点 它的沉积速率低，基片温升高
易受杂质气体影响
二、溅射装置
2.1 直流溅射(DC sputtering)
+
假设t= 0 时电子位于坐标原点并且初速 为零， E、B均为常数， 该方程的解为
运动轨迹为在YOZ 平面内沿Z 轴平行前 进的摆线
电荷在非均匀电磁场中运动
电荷在非均匀磁场中运动除了受到洛伦兹力外,还 要受到一个由于磁场的空间分布不均匀性而引起的磁 阻力
F m a q E ( x, y , z ) q v B( x, y , z ) B( x, y , z )

溅射率和离子能量的关系
Cu膜溅射蒸发速度对粒子数的 分布曲线
500eV下元素溅射率
1.3 溅射的基本过程
入射离子是如何产生的呢？
二级辉光放电系统
靶阴极
电子
Ar/Ar+
靶原子
基片阳极
溅射示意图
电子与其他粒子的碰撞过程：
弹性碰撞
E2 4 M 1M 2 cos 2 E1 ( M1 M 2 )
1.阴极（靶)
2.阳极（基片） 3.真空室 4.进气口 5.真空抽气系统
6.高压电源（DC）
辉光放电直流溅射系统
溅射与气压的关系
在一定范围内提高离化率、提高均匀性 要增加压强和保证薄膜纯度、提高薄膜附着 力要减小压强的矛盾，产生一个平衡。
目标：尽量小的压强下维持高的离 化率。
三级溅射
1 4 2 3
自偏压效应
+
正半周期 电子 正离子
射频溅射特点
射频方法可以被用来产生溅射效应的
原因是它可以在靶材上产生自偏压效应。
在射频溅射装置中，击穿电压和放电电压
显著降低。不必再要求靶材一定要是导电
体。
2.3 磁控溅射(megnetron sputtering)
2.3.1 磁控溅射原理 磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动， 提高电子的离化率。并且与传统溅射相比 具有“低温”、“高速”两大特点。
入射 粒子
电子 中性原子 正离子
入射粒子的 反射
气体分子
被溅射粒子 的返回
离子和固体表面的相互作用
离子轰击固体表面所产生各效应的几率
效应
溅射 入射离子反射 二次电子
发生几率
0.1-10 10-3-10-2 0.1-10
靶离子溅射
10-3-10-2
1852年Grove在研究辉光放电时首次发现
这一现象。

a平衡磁控
b非平衡磁控
2.3.2 磁控溅射源装置 平面型
矩形：应用广泛，尤其适用于大
面积平板的连续型镀膜。镀膜均 匀性，产品的一致性较好。
圆形:只适合于做小型
的磁控源，制靶简单， 适合科研中应用。
电磁铁
电流的磁效应：如果一条直的金属 导线通过电流，那么在导线周围的 空间将产生圆形磁场。导线中流过 的电流越大，产生的磁场越强。
Ar+
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
BACK
元 素 Al
V
Fe
Co
Ni
Cu
Pt
溅 射 13 阈值 (eV)
23
20
25
21
17
25
氩离子入射不同元素的溅射阈值
500eV下元素溅射率
溅射率随离子入射角度的变化
150eV氩离子轰击下，镍的溅射率和气压的关系

溅射粒子的速度和能量
溅射原子获得比热蒸发大1~2个数量 级的能量在1~10eV之间,它与靶材，入射 离子质量和能量有关。
磁控溅射
通过正交的电磁场作用增加电子离化 率，实现“低温”，“高速”
三、磁控溅射实例
3.1 磁控溅射镀膜 基本步骤： 抽真空 传样 通氩气 加磁场 加偏压
程序控制
对于单层膜 “ for=1； tx=y； （tx表示第x个靶位的溅射时间，y设定的 溅射时间，以sec为单位） next； ” 对于多层膜（n×i层） “ for=n； （ n为循环次数,i为周期内层数） tx1=y1； tx2=y2； …… ； txi=yi ； next;
m v2 其中 2B
磁阻力与磁场的梯度成正比, 但方向始终指向梯 度的负向，该力总是阻碍运动电荷从弱磁场向强 磁场区域的运动





电荷在镜像磁场中的运动——横向磁约束

磁力线沿y 轴是对称分布的, 在x = 0处, 磁场最弱, 在x = ±a 处, 磁场最强, 我们 把这种分布的磁场称为镜像场
2
非弹性碰撞
v1
U max
M v M 2 cos 2( M 1 M 2 )
2 1 1 2
M1：电子质量
M2：惰性气体粒子质量
A-B:无光放电区 B-C:汤森放电区 C-D:过渡区 D-E:正常辉光放电区 E-F:异常辉光放电区 F-G:弧光放电区
在“异常辉光放电区”内，电流可以通
过电压来控制，从而使这一区域成为溅射 所选择的工作区域。
非匀强电磁场下电荷的三维运动方程表达式 X:围绕磁力线的在 两极间往复振荡 Y:恒有一个离开靶 面的速度分量 Z:摆线运动
磁控溅射工作原理示意图
沉积速率高
增长电子运动路径，提高离化率，电离出更 多的轰击靶材的离子
低温
碰幢次数的增加，电子的能量逐渐降低，在 能量耗尽以后才落在阳极
非平衡磁控溅射技术 （沉积速率超过1μm/min ）
Thomson形象地把这一现象
类比于水滴从高处落在平静的水面所引起 的水花飞溅现象，并命名为“Spluttering”, 由于印刷错误写成“Sputtering”。从此 “Sputtering”便用作科学术语“溅射”。
1.2 溅射的基本原理 溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面 使其中的原子发射出来。早期人们认为这一现象 源于靶材的局部加热。但是不久人们发现溅射与 蒸发有本质区别，并逐渐认识到溅射是轰击粒子 与靶粒子之间动量传递的结果。
磁控溅射
报告人：郑远平 指导教师：李国庆
主要内容
溅射原理
溅射装置
磁控溅 射实例
定义 原理 特点
直流溅射 射频溅射 磁控溅射
镀膜
一、溅射原理
1.1 溅射定义
就像往平静的湖水里投入石子会溅起水 花一样，用高速离子轰击固体表面使固体 中近表面的原子（或分子）从固体表面逸 出，这种现象称为溅射现象。
5
1.辅助阳极
2.基片
3.线圈
4.靶
5.灯丝
三级溅射系统示意图

特点：提供一个额外的电子源，而不是从 靶阴极获得电子。 实现低压溅射（压强小于0.1帕）
缺点：难以在大块扁平材料中均匀溅射， 而且放电过程难以控制，进而工艺重复性 差。

2.2 射频溅射(RF sputtering)
-
+
负半周期 电子 正离子
当磁场B均匀而电场E为零时,电子沿磁力线方 向以不受磁场影响的速度v∥，同时沿着磁力线有 回旋运动,电子回旋半径： v

mv r eB
v∥
v B
当B和E为均匀场且二者平行时，一个由静止 开始运动的电子被自由地加速。 当B与E均匀且相互垂直时，一个由静止开始 运动的电子，其运动方程：
Y
X Z
B
如下实验事实充分证明了这一点：

溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向（a） 从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向（b）

溅射粒子的角分布
500eV的Ar、Kr、Xe离子溅 射单晶Cu（100）面的状态
Ar+
Ar+
动量传递级联碰撞示意图

溅射率不仅取决与入射粒子的能量，而且也取决 于入射粒子的质量（c） 溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均速 率高得多（d）
奥斯特
电流磁效应
圆柱形
圆柱形磁控 溅射靶的结 构 适合镀覆尺寸变 化大，形状复杂 的工件。 磁力线分布
S-GUN
倒锥形靶材
靶材利用率高；枪体结构紧凑，体积较小
靶是圆锥形，不易制备
直流二级溅射 构造简单
溅射速度低，薄膜纯度不高
三级溅射
提供额外电子源，降低溅射气压 放电过程难以控制
射频溅射
可以溅射非导体材料

形成“异常辉光放电”
的关键是击穿电压VB。 主要取决于二次电子 的平均自由程和阴阳 极之间的距离。
击穿 电压 VB
巴邢定律
辉光放电时明暗光区分布示意图
1.4 溅射参数