磁控溅射原理

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 间状态。

真空区域大致划分及分子运动如下：
真空划分 低 真 空 中 真 空 高 真 空 超高真空 压 Pa 105～102 102～10-1 10 ～10 〈10
-5 -1 -5
力 Torr 760～1 1～10-3 10-3～10 〈10
-7 -7
分子运动状态 粘滞流 viscous flow 中间流（过渡流） intermediate flow 分子流 molecular flow 分子流 molecular effusion
真空单位相关知识如下：
标准环境条件 气体的标准状态 压力（压强）p 帕斯卡 Pa 托 Torr 标准大气压 atm 毫巴 mbar 温度为 20℃，相对湿度为 65%，大气压力为： 1atm 101325Pa=1013.25mbar=760Torr 温度为 0℃，压力为：101325Pa 气体分子从某一假想平面通过时，沿该平面的正法线方向的动量改变率，除以该平面 面积或气体分子作用于其容器壁表面上的力的法向分量，除以该表面面积。

注： “压 力”这一术语只适用于气体处于静止状态的压力或稳定流动时的静态压力 国际单位制压力单位，1Pa=1N/m2 压力单位，1Torr=1/760atm 压力单位，1atm=101325Pa 压力单位，1mbar=102Pa
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 Sputter 溅镀模型 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。

气体 固体
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。

然后再通过吸附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形 成连续状薄膜。

N
S
N
图四 Sputter 溅镀简
+


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 粒子，所受的磁场力为 的带电
此力
通常称为洛伦兹力．此公式称为洛伦兹公式。

， 洛伦兹力
根据运动电荷在磁场中的洛伦兹力公式 的大小为： 从公式 和 。

当 当 时， ， 时， 。

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

此时， 运动电荷不受磁力作用。

， 。

此时，运动电荷受
图五 右手螺旋法则
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 当 当 均相同的情况下，洛伦兹力的方向也不同。

时， 时， ，即磁场力的方向服从右手螺旋法则。

，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。

图六 安培定律微观模型 为此力 通常称为洛伦兹力。

当 不
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
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 个分运动合成为螺旋线运动。

所对应的洛伦兹分力，将使粒子作匀速直线运动，两


图七 V 不 2.2、Sputter 溅镀物理原理：
时，带电粒子在磁场中的运动
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


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。

图八 磁控溅射工作原理 3、Magnetron、Magnetron Sputtering& Plasma 简解： 3.1、What is Magnetron：
图九 What is magnetron（磁场） 3.2、What is Magnetron Sputtering：
图十 What is Magnetron Sputter（磁控溅镀）


3.3、What is plasma：
图十一 电浆中原子被电子碰撞后转换成离子情形： O2＋e－→O2＋＋2e
图十二 电子在电场和磁场中的运动 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。

图十三 Plasma（电浆）发光情形









。