磁控溅射原理

射频磁控溅射的特点：
•电流大，溅射速率高，产量大
•膜层与基体的附着力比较强
•向基片的入射能量低，避免了 基片温度的过度升高
•装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、 匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件 。
•大功率的射频电源价格较高 ，对 于人身防护也成问题 。
1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置
让不可能成为可能
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➢中频（MF）磁控溅射
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TwinMag II
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➢中频（MF）磁控溅射
一种典型的平面矩形靶
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➢磁控溅射原理
➢直流辉光放电
• 右图为直流辉光放电的发光区电位分布 及净空间电荷沿极间距的分布图。
• 靠近阴极有一明亮的发光区，称为阴极
辉光区。
• 电子在阴极暗区发生大量的电离碰撞， 正离子被加速射向阴极。但是正离子的 迁移率远低于电子的迁移率，净空间电 荷呈正值，在阴极表面附近形成一个正 离子壳层。
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➢中频（MF）磁控溅射
中频孪生旋转靶磁控溅射
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➢中频（MF）磁控溅射
中频反应磁控溅射中的“迟滞回线”现象
Process control:
high deposition rate
unstable transition mode.
在此过程中不断和Ar原子碰 撞，产生更多的Ar离子和电
E
子。Ar离子在电场的作用下
加速轰击靶材，溅射出大量
的靶材原子，呈中性的靶原
子（或分子）沉积在基片上
成膜。
Ar e-
e-
+ Ar+ + Ar+
e-
V (<0)
基片 靶材
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➢磁控溅射原理
• 金属靶表面不断与反应气体（ O2 等）生成化合物覆盖层从 而使溅射速率大幅度下降甚至不溅射，称之为靶中毒。
• 过多的反应气体（O2等)使金属靶材表面被氧化。 • 任何不稳定因素（如：电弧）都能破坏系统的平衡，导致
靶中毒。 • 在直流溅射中要非常注意溅射参数的控制。 • 使用射频磁控溅射可解决靶中毒问题。 • 使用中频磁控溅射可杜绝靶中毒问题。
易打弧，不稳定 工作稳定，
在反应溅射中要严格 无打弧现象， 控制反应气体流量 溅射速率快
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➢Al背电极工艺参数
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制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶
工艺参数： • 本底真空2~3×10-3Pa
• 工作气压～0.3~0.6 Pa
频率在5～30MHz都称为射频频率。
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➢磁控溅射原理
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➢溅射原理
溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程。
电子在电场的作用下加速飞
向基片的过程中与Ar原子发
生碰撞，电离出大量的Ar离
子和电子，电子飞向基片，
• 电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加， 提高溅射效率。
• 电子只有在其能量将耗尽时才会落到基片上， 基片温度上升慢。
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➢磁控溅射的优点
• 稳定性好 • 重复性好 • 均匀性好 • 高速 • 低温
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• 应用广泛 – 金属 – 非金属 – 金属化合物 – 非金属化合物
5-溅射靶 6-磁力线 7-电场
8-挡板
9-匹配网络
10-电源
11-射频发生器
射频溅射不适于工业生产应用 。
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➢直流（DC）磁控溅射
ⅰ. 直流磁控溅射的特点
直流磁控溅射装置图与射频磁 控溅射装置图相比，其不需要外部 复杂的网络匹配装置和昂贵的射频 电源装置，适合溅射导体或者半导 体材料。现已经在工业上大量使用 。
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➢中频（MF）磁控溅射
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➢中频（MF）磁控溅射
➢旋转靶的优点
• 靶材利用率最高可达 70% 以上 • 靶材有更长的使用寿命 • 更快的溅射速率 • 杜绝靶中毒现象
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• 基片温度 ～200C
• 工作电压
• 工作功率密度
• 厚度～500~1000nm
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Βιβλιοθήκη Baidu
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➢一般溅射镀膜的不足
电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：
电子与Ar原子碰撞几率低，Ar离子密度偏低，溅射效率低，成膜速度慢。 电子运动路径短，轰击在基片上速度快，导致基片温度升高。
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➢磁控溅射原理
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➢ 电子在加速飞向基片的过程中受到 磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠 近靶面的等离子体区域内，并在磁 场的作用下围绕靶面作圆周运动， 该电子的运动路径很长，在运动过 程中不断的与氩原子发生碰撞电离 出大量的氩离子轰击靶材，经过多 次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆 脱磁力线的束缚，远离靶材，最终 沉积在基片上。
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➢磁控溅射分类
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• 射频（RF）磁控溅射 • 直流（DC）磁控溅射 • 中频（MF）磁控溅射
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➢射频（RF）磁控溅射
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右图为射频磁控溅射实验装 置示意图。
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➢三种磁控溅射对比
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DC
MF
RF
电源价格
便宜
一般
昂贵
靶材
圆靶/矩形靶 平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶
靶材材质要求
导体
无限制
无限制
抵御靶中毒能力
弱
强
强
靶材利用率
15％ / 30％
30％ / 70％
应用
金属
金属/化合物 工业上不采用此法
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➢影响溅镀效率的因素
• 磁场分布 • 溅射速率 • 沉积速率 • 工作气压 • 工作电压 • 溅射功率 • 靶基距
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➢反应溅射中的金属靶中毒
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➢中频（MF）磁控溅射
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中频交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统中。 工业上一般使用孪生靶溅射系统。
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➢中频（MF）磁控溅射
中频交流孪生靶溅射的两个靶位上的工作波形
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磁控溅射原理
815－TCO
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➢outline
➢ 磁控溅射原理 ➢ 磁控溅射分类 ➢ 直流平面靶溅镀Al电极 ➢ 中频旋转靶溅镀ZAO和ITO
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• 阴极暗区是气体辉光放电的最基本组 成 部分。
• 在负辉光区，电子碰撞气体原子产生强烈的发光。 • 法拉第暗区和正柱区几乎是等电位区，不一定是辉光放电所必需。
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➢磁控溅射原理
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➢低频交流辉光放电
在频率低于50KHz的交流电压下，离子有足够的活动能力且有充分的时间，在 每个半周期在各个电极上建立直流辉光放电。其机理基本上与直流辉光放电相 同。
ⅱ. 靶材
直流磁控溅射沉积薄膜一般 用平面靶。
圆形平面靶： η≤15%
矩形平面靶： η～30%
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1-磁极
2-屏蔽罩
4-基片加热装置
6-磁力线 7-电场
3-基片 5-溅射靶
8-挡板
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➢直流（DC）磁控溅射
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让不可能成为可能
➢射频辉光放电
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率增高到射频频率时即可 产生稳定的射频辉光放电。
射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量，所以减小 了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电压。
射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导电体，可以溅射 任何材料，因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射。