磁控溅射法

溅射法是薄膜物理气相沉积的一种方法，他利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。

在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子碰撞过程中使后者溅射出来。

这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。

物质的磁控溅射现象：溅射是一个离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生能量能动量的转换，从而最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。

它与入射离子能量，入射离子种类和被溅射物质种类以及离子入射角度有关。

一般来说，只有当入射离子的能量超过一定的阀值以后，才会出现被溅射物质的溅射。

大部分的金属的溅射阀值在10~40ev之间，每种物质的溅射阀值与入射离子的种类关系不大，但与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。

随着入射离子能量的增加，溅射出来的原子数与入射离子之比（溅射产额）先是提高，其后在离子能量达到10kev左右的时候趋于平缓。

当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。

在一定加速电压和一定离子入射情况下，各种元素的溅射产额随元素外层d电子数的增加而增加，因而Cu，Ag，Au等元素的溅射产额明显高于Ti，Zr,Nb,Mo,W等元素的溅射产额。

使用惰性气体作为入射离子时，溅射产额较高。

由于经济性上的原因，在大多数情况下，均采用Ar离子作为溅射沉积时的入射离子。

磁控溅射：溅射法使用的靶材可根据材质分为纯金属，合金及各种化合物。

主要溅射方法有直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射。

这里主要介绍磁控溅射方法。

速度为v的电子在电场E和磁感应强度为B的磁场中将受到洛伦兹的作用：F=-q（E+v*B）其中q为电子电量。

当电场与磁场同时存在的时候，若E，B,v三者互相平行，则电子的轨迹仍是一条直线：但若v具有与B垂直的分量的话，电子的运动轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。

即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了他参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉寂的速率。

靶材与磁场的布置形式如上图所示。

这种设置特点是在靶材的部分表面上方是磁场与电场方向垂直，从而进一步将电子的轨迹到靶面附近，提高电子碰撞和电离的效率，从而不让它去轰击阳极的衬底。

实际的做法可将永久磁体和电磁线圈放置在靶的后方，从而造成磁力线先穿出靶面，然后变成与电场方向垂直，最终返回靶面的分布，即如图所示的磁力线方向那样。

在溅射过程中，由阴极发射出来的电子在电场的作用下具有像阳极运动的趋势。

但是，在垂直磁场的作用下，它的运动轨迹被其弯曲而重新返回靶面。

即在相互垂直的电磁场空间中，电子在E*B的方向上做漂移运动。

而且这种漂移运动形成无终端的闭合轨迹，由此来维持放电。

从而，在图中画出的靶面上将出现一条电子密度和原子电离极高，同时离子溅射几率极高的溅射带。

薄膜制备：下图是JGP450型多靶磁控溅射仪器装置示意图
1，将半导体或绝缘体靶放在永磁靶位或将磁性金属靶放在电磁靶位上。

将清洗后的石英或单晶硅基片放在样品架上，根据实验要求调整基片温度。

2，开分子泵和电源水龙头；启动机械泵预抽真空，当真空度＜10pa时，开分子泵抽高真空。

3，当真空室的真空达到10*-5后，开充气阀v1，和v3（或v4）如上图所示，向真空室中冲入溅射气体（如：Ar，O2或N2等），如用两种气体溅射，须经v3和v4把两种气体充入混气室混合后，再经v1充入到真空室中。

通过流量计调节流量，调节工作压强，一般不超过10pa。

4，打开溅射电源；进行溅射。

当靶材是绝缘体或半导体时用射频溅射，当靶材是金属或其它导体时用直流或射频溅射时都可以。

5，溅射结束后，关溅射电源和溅射系统总电源；关分子泵和分子泵总电源。

6，向真空室中充入空气至一个大气压。

打开真空室盖，取出薄膜样品
结语：目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要原因是这种发方法的沉积速率可以比其它溅射方法高出一个数量级。

这个方面要归结于在磁场中电子的电离效率提高，另一方面还因为在较低气压条件下溅射原子被散射的几率减小。

另外，由于磁场有效地提高了电子与气体分子的碰撞几率，因而工作气压可以明显降低，即可由1pa降至0.1pa 这一方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面也提高了入射到衬底表面原子的能量，因而将可以在很大程度上改善薄膜的质量。