磁控濺射原理詳細介紹

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1、磁 控 濺 射 原 理 詳 細 介 紹 2 第 一 部 分 真 空 鍍 膜 基 礎(chǔ)1.1 氣 體與 固體的相互作用 氣 體 與 固 體 相 互 作 用 后 的 結(jié) 合 ， 主 要 是 通 過 物 理 吸 附 和 化 學(xué) 吸 附 來 實 現(xiàn) 的 。 一 個 氣 相 原 子 入 射 到 基 體表 面 ， 能 否 被 吸 附 ， 是 物 理 吸 附 還 是 化 學(xué) 吸 附 ， 是 一 個 比 較 復(fù) 雜 的 問 題 。 固 體 表 面 與 體 內(nèi) 在 晶 體 結(jié) 構(gòu) 上 的一 個 重 大 差 異 是 原 子 或 分 子 間 的 結(jié) 合 化 學(xué) 鍵 中 斷 ， 原 子 或 分 子 在 固 體 表 面

2、形 成 的 這 種 間 斷 鍵 稱 為 不 飽 和 鍵或 懸 掛 鍵 ， 它 具 有 吸 引 外 來 原 子 或 分 子 的 能 力 。 入 射 到 基 體 表 面 的 氣 相 原 子 被 這 種 不 飽 和 鍵 吸 引 住 的 現(xiàn) 象稱 為 吸 附 。 如 果 用 鍵 的 觀 點 加 以 考 慮 ， 物 理 吸 附 是 因 為 固 體 表 面 上 的 原 子 鍵 已 處 于 飽 和 狀 態(tài) ， 表 面 變 得 不活 潑 ， 表 面 上 只 是 由 于 范 德 瓦 爾 斯 力 (分 子 力 )、 電 偶 極 子 和 四 重 極 子 等 靜 電 的 相 互 作 用 使 原 子 和 分 子 間 產(chǎn)

3、生 吸 附 作 用 而 結(jié) 合 ;化 學(xué) 吸 附 則 是 由 于 物 體 表 面 上 的 原 子 鍵 不 飽 和 而 與 表 面 附 近 原 子 和 分 子 進 行 結(jié) 合 ， 其 中包 括 共 有 或 交 換 電 子 的 離 子 結(jié) 合 、 原 子 結(jié) 合 、 金 屬 結(jié) 合 等 。 (1)物 理 吸 附 物 質(zhì) 都 是 由 原 子 、 分 子 所 組 成 ， 原 子 中 帶 正 電 的 原 子 核 和 帶 負 電 的 電 子 之 間 的 靜 電 力 以 及 電 子 在 運 動過 程 中 某 些 特 定 的 相 互 聯(lián) 系 是 分 子 力 產(chǎn) 生 的 原 因 ， 因 此 分 子 力 永 遠

4、存 在 于 任 何 相 同 或 不 同 分 子 之 間 。 分子 力 的 作 用 是 使 分 子 聚 集 在 一 起 ， 在 空 間 上 形 成 某 種 規(guī) 則 的 有 序 排 列 。 分 子 無 規(guī) 則 的 熱 運 動 又 將 破 壞 這種 有 序 排 列 而 使 分 子 分 散 開 來 。(2)化 學(xué) 吸 附 化 學(xué) 吸 附 的 力 是 價 鍵 力 ， 包 括 離 子 鍵 力 、 共 價 鍵 力 和 金 屬 鍵 力 。 價 鍵 力 的 作 用 是 使 原 子 、 原 子 團 、離 子 或 分 子 在 空 間 作 周 期 性 排 列 。 固 體 表 面 的 分 子 與 內(nèi) 部 分 子 處 于

5、 不 同 狀 態(tài) ， 有 剩 余 空 懸 鍵 即 剩 余 價 鍵力 存 在 。 它 的 作 用 距 離 較 分 子 力 作 用 距 離 更 小 ， 約 為 0.1-0.3nm， 并 且 有 方 向 性 和 飽 和 性 。 當(dāng) 氣 相 分 子 進入 剩 余 價 鍵 力 的 作 用 距 離 且 該 力 尚 未 飽 和 時 ， 氣 相 分 子 就 會 被 吸 附 在 固 體 (基 片 )的 表 面 上 ， 這 就 是 化 學(xué)吸 附 現(xiàn) 象 。 3 1.2 吸附幾率和吸附時 間 向 表 面 碰 撞 的 分 子 ， 失 去 動 能 被 表 面 所 吸 附 或 反 射 回 到 空 間 中 去 ， 被 吸

6、附 的 分 子 同 固 體 之 間 或 在 其自 身 的 內(nèi) 部 通 過 能 量 的 再 分 配 ， 最 后 穩(wěn) 定 于 某 一 水 平 面 上 。 被 吸 附 的 分 子 在 表 面 停 留 期 間 有 時 會 得 到 解吸 活 化 能 而 從 表 面 上 脫 附 ， 再 回 至 lJ空 間 去 ， 其 解 吸 的 幾 率 可 以 根 據(jù) 物 理 吸 附 和 化 學(xué) 吸 附 分 別 予 以 考 慮 。產(chǎn) 生 物 理 吸 附 的 幾 率 稱 為 冷 凝 系 數(shù) ， 產(chǎn) 生 化 學(xué) 吸 附 的 幾 率 稱 為 粘 著 幾 率 。 就 氣 體 而 言 ， 冷 凝 系 數(shù) 介 于 0.1和 1之 間

7、 ;就 蒸 發(fā) 金 屬 而 言 ， 可 近 似 考 慮 為 1;清 潔 金 屬 表 面 的 粘 著 幾 率 在 0.1和 1的 范 圍 內(nèi) 。 而 且 溫 度 越高 ， 粘 著 幾 率 越 小 。 被 吸 附 的 氣 體 分 子 停 留 在 表 面 上 的 時 間 ， 可 通 過 平 均 吸 附 時 間 (即 從 吸 附 到 表 面 至 從 表 面 解 吸 所 需的 時 間 的 平 均 值 )來 確 定 。 由 于 與 鍍 膜 技 術(shù) 有 關(guān) 的 一 些 金 屬 材 料 的 解 吸 激 活 能 Ed值 均 較 大 ， 故 膜 材 在 基片 上 停 留 時 間 是 較 長 的 。第 一 部 分

8、真 空 鍍 膜 基 礎(chǔ) 4 1.3 薄膜的形成 薄 膜 在 基 片 上 的 成 長 過 程 可 以 通 過 電 子 顯 微 鏡 來 觀 察 。 當(dāng) 入 射 的 膜 材 蒸 汽 在 基 片 上 凝 結(jié) 時 ， 最 初 出 現(xiàn)大 量 晶 核 。 例 如 在 300度 時 向 巖 鹽 上 蒸 鍍 金 ， 每 平 方 厘 米 面 積 上 可 以 產(chǎn) 生 大 約 10的 11次 方 個 晶 核 ， 核 的 大小 約 為 2nm， 而 且 這 些 晶 核 在 基 片 表 面 上 隨 機 分 布 ， 它 們 之 間 的 距 離 為 30nm。 然 后 ， 晶 核 繼 續(xù) 長 大 ， 但數(shù) 量 并 不 顯 著

9、 增 多 ， 入 射 原 子 在 表 面 上 的 自 由 移 動 ， 并 把 已 有 的 晶 核 連 接 起 來 ， 并 反 射 或 吸 解 掉 成 核 位 置以 外 的 撞 擊 原 子 。 當(dāng) 晶 核 生 長 到 相 互 接 觸 時 ， 即 開 始 合 并 ， 這 時 幾 何 形 狀 和 方 位 迅 速 發(fā) 生 變 化 。 此 時 如 果切 斷 入 射 的 膜 材 蒸 汽 ， 合 并 現(xiàn) 象 就 會 停 止 ， 但 是 己 經(jīng) 合 并 的 晶 核 ， 其 合 并 過 程 仍 會 繼 續(xù) 進 行 。一 個 晶 核 的 再 結(jié) 晶 過 程 對 于 確 定 最 終 的 薄 膜 結(jié) 構(gòu) 非 常 重

10、要 。 再 結(jié) 晶 的 程 度 和 消 失 的 晶 向 ， 一 定 程 度 取 決 于有 關(guān) 晶 核 的 大 小 。 一 般 來 說 是 較 大 的 晶 核 吃 掉 較 小 的 晶 核 。 當(dāng) 結(jié) 晶 不 斷 接 合 時 ， 就 構(gòu) 成 了 一 種 網(wǎng) 膜 ， 網(wǎng) 膜 上 分 布 著 不 規(guī) 則 的 形 狀 開 口 。 當(dāng) 膜 的 平 均 厚 度 進 一 步 增加 時 ， 網(wǎng) 膜 就 發(fā) 展 成 為 連 續(xù) 的 薄 膜 。 這 時 入 射 膜 材 的 原 子 即 開 始 撞 擊 同 類 原 子 ， 其 結(jié) 合 能 即 可 提 高 ， 因 此反 射 或 解 吸 現(xiàn) 象 明 顯 減 少 。 膜 的

11、 生 長 在 蒸 發(fā) 與 濺 射 兩 種 不 同 工 藝 中 是 不 同 的 。 一 般 來 說 ， 就 最 初 所 成 的 孤立 的 晶 核 結(jié) 構(gòu) 而 言 ， 濺 射 法 晶 核 形 狀 小 ， 數(shù) 目 多 ， 密 度 大 。第 一 部 分 真 空 鍍 膜 基 礎(chǔ) 5 第 一 部 分 真 空 鍍 膜 基 礎(chǔ)1.3 薄膜的形成靶 材 粒 子 入 射 到 基 片 上 ， 在 沉 積 成 膜 的 過 程 中 有 幾 個 問 題 必 須 考 慮 。(1)沉 積 速 率 沉 積 速 率 Q是 指 從 靶 材 上 濺 射 出 來 的 物 質(zhì) ， 在 單 位 時 間 內(nèi) 沉 積 到 基 片 上 的 厚

12、度 ， 該 速 率 與 濺 射 率 S成 正 比 ， 即 有 :式 中 ， C為 與 濺 射 裝 置 有 關(guān) 的 特 征 常 數(shù) ;I為 離 子 流 ;S為 濺 射 率 。 上 式 表 明 ， 對 于 一 定 的 濺 射 裝 置 (即 C為 確 定 值 )和 一 定 的 工 作 氣 體 ， 提 高 沉 積 速 率 的 有 效 辦 法 是 提 高 離子 流 工 。 但 是 ， 如 前 所 述 ， 在 不 增 高 電 壓 的 條 件 下 ， 增 加 丁 值 就 只 有 增 高 丁 作 氣 體 的 壓 力 。 圖 2.4示 出 了 氣 體 壓 力 與 濺 射 率 的 關(guān) 系 曲 線 。 由 圖 可

13、知 ， 當(dāng) 壓 力 增 高 到 一 定 值 時 ， 濺 射 率 將 開 始 明 顯 下 降 。 這 是 由 于靶 材 粒 子 的 背 反 射 和 散 射 增 大 所 引 起 的 。 事 實 上 ， 在 大 約 10Pa的 氣 壓 下 ， 從 陰 極 靶 濺 射 出 來 的 粒 子 中 ，只 有 10%左 右 才 能 夠 穿 越 陰 極 暗 區(qū) ， 所 以 由 濺 射 率 來 考 慮 氣 壓 的 最 佳 值 是 比 較 適 當(dāng) 的 。 當(dāng) 然 ， 應(yīng) 注 意 氣壓 升 高 對 薄 膜 質(zhì) 量 的 影 響 。 圖 1 濺 射 率 與 Ar氣 壓 強 的 關(guān) 系 6 第 一 部 分 真 空 鍍 膜

14、基 礎(chǔ)1.3 薄膜的形成(2)沉 積 薄 膜 的 純 度 為 了 提 高 沉 積 薄 膜 的 純 度 ， 必 須 盡 量 減 少 沉 積 到 基 片 上 的 雜 質(zhì) 的 量 。 這 里 所 說 的 雜 質(zhì) 主 要 是 指 真 空室 的 殘 余 氣 體 。 因 為 通 常 有 約 百 分 之 幾 的 濺 射 氣 體 分 子 注 入 沉 積 薄 膜 中 ， 特 別 是 在 基 片 加 偏 壓 時 。 欲 降低 殘 余 氣 體 壓 力 ， 提 高 薄 膜 的 純 度 ， 可 采 取 提 高 本 底 真 空 度 和 增 加 送 氫 量 這 兩 項 有 效 措 施 。(3)沉 積 過 程 中 的 污 染

15、 眾 所 周 知 ， 在 通 入 濺 射 氣 體 之 前 ， 把 真 空 室 內(nèi) 的 壓 強 降 低 到 高 真 空 區(qū) 內(nèi) 是 很 有 必 要 的 ， 因 此 原 有工 作 氣 體 的 分 壓 極 低 。 即 便 如 此 ， 仍 可 存 在 許 多 污 染 源 : (a)真 空 室 壁 和 真 空 室 中 的 其 他 零 件 可 能 會 有 吸 附 氣 體 ， 如 水 蒸 氣 和 二 氧 化 碳 等 。 由 于 輝 光 放 電 中 電 子 和 離 子 的 轟 擊 作 用 ， 這 些 氣 體 可 能 重 新 釋 出 。 因 此 ， 可 能 接 觸 輝 光 的 一 切 表 面 都 必 須 在 沉

16、 積 過 程 中適 當(dāng) 冷 卻 ， 以 便 使 其 在 沉 積 的 最 初 幾 分 鐘 內(nèi) 達 到 熱 平 衡 。 (b)在 濺 射 氣 壓 下 ， 擴 散 泵 抽 氣 效 力 很 低 ， 擴 散 泵 油 的 回 流 現(xiàn) 象 十 分 嚴 重 。 由 于 阻 尼 器 各 板 間 的 距離 相 當(dāng) 于 此 壓 強 下 平 均 自 由 程 的 若 干 倍 ， 故 僅 靠 阻 尼 器 將 不 足 以 阻 止 這 些 氣 體 進 入 真 空 室 。 因 此 ， 通 常需 要 在 放 電 區(qū) 與 阻 尼 器 之 間 進 行 某 種 形 式 的 氣 體 調(diào) 節(jié) ， 例 如 在 系 統(tǒng) 中 利 用 高 真 空

17、 閥 門 作 為 節(jié) 氣 閥 ， 即 可輕 易 地 解 決 這 一 問 題 。 另 外 ， 如 果 將 阻 尼 器 與 渦 輪 分 子 泵 結(jié) 合 起 來 ， 代 替 擴 散 泵 ， 將 會 消 除 這 種 污 染 。 (C)基 片 表 面 的 顆 粒 物 質(zhì) 將 會 使 薄 膜 產(chǎn) 生 針 孔 和 形 成 沉 積 污 染 ， 因 此 ， 沉 積 前 應(yīng) 對 基 片 進 行 徹 底 清洗 ， 盡 可 能 保 證 基 片 不 受 污 染 或 不 攜 帶 微 粒 狀 污 染 物 。 7 第 一 部 分 真 空 鍍 膜 基 礎(chǔ)1.4 薄膜技術(shù) 在 各 種 薄 膜 沉 積 技 術(shù) 中 ， 磁 控 濺

18、射 技 術(shù) 由 于 能 制 備 高 熔 點 材 料 、 復(fù) 合 材 料 薄 膜 以 及 沉 積 速 率 快 、 可 控性 好 等 優(yōu) 點 得 到 了 日 益 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 目 前 ， 磁 控 濺 射 鍍 膜 已 經(jīng) 成 為 工 業(yè) 鍍 膜 生 產(chǎn) 中 最 主 要 的 技 術(shù) 之 一 。 薄 膜 技 術(shù) 主 要 包 括 薄 膜 的 制 備 技 術(shù) 和 薄 膜 材 料 研 究 ， 薄 膜 的 制 備 技 術(shù) 又 稱 為 鍍 膜 技 術(shù) 。 薄 膜 的 制 備方 法 以 氣 相 沉 積 方 法 為 主 ， 包 括 物 理 氣 相 沉 積 方 法 （ PVD） 和 化 學(xué) 氣 相 沉 積 方

19、 法 (CVD)。 物 理 氣 相 沉 積 (PVD)工 藝 方 法 分 類 8 用 高 能 粒 子 (大 多 數(shù) 是 由 電 場 加 速 的 氣 體 正 離 子 )撞 擊 固 體 表 面 (靶 )， 使 固 體 原 子 (分 子 )從 表 面 射 出 的現(xiàn) 象 稱 為 濺 射 。 濺 射 現(xiàn) 象 很 早 就 為 人 們 所 認 識 ， 通 過 前 人 的 大 量 實 驗 研 究 ， 我 們 對 這 一 重 要 物 理 現(xiàn) 象 得 出以 下 幾 點 結(jié) 論 : (1)濺 射 率 隨 入 射 離 子 能 量 的 增 加 而 增 大 ;而 在 離 子 能 量 增 加 到 一 定 程 度 時 ， 由

20、 于 離 子 注 入 效 應(yīng) ， 濺射 率 將 隨 之 減 小 ; (2)濺 射 率 的 大 小 與 入 射 粒 子 的 質(zhì) 量 有 關(guān) : (3)當(dāng) 入 射 離 子 的 能 量 低 于 某 一 臨 界 值 (閥 值 )時 ， 不 會 發(fā) 生 濺 射 ; (4)濺 射 原 子 的 能 量 比 蒸 發(fā) 原 子 的 能 量 大 許 多 倍 ; (5)入 射 離 子 的 能 量 很 低 時 ， 濺 射 原 子 角 分 布 就 不 完 全 符 合 余 弦 分 布 規(guī) 律 。 角 分 布 還 與 入 射 離 子 方向 有 關(guān) 。 從 單 晶 靶 濺 射 出 來 的 原 子 趨 向 于 集 中 在 晶 體

21、 密 度 最 大 的 方 向 。 (6)因 為 電 子 的 質(zhì) 量 很 小 ， 所 以 即 使 使 用 具 有 極 高 能 量 的 電 子 轟 擊 靶 材 也 不 會 產(chǎn) 生 濺 射 現(xiàn) 象 。 由 于濺 射 是 一 個 極 為 復(fù) 雜 的 物 理 過 程 ， 涉 及 的 因 素 很 多 ， 長 期 以 來 對 于 濺 射 機 理 雖 然 進 行 了 很 多 的 研 究 ， 提 出 過 許 多 的 理 論 ， 但 都 難 以 完 善 地 解 釋 濺 射 現(xiàn) 象 。2.1 濺 射 機 理 第 二 部 分 濺 射 及 輝 光 放 電 9 濺 射 出 來 的 物 質(zhì) 沉 積 到 基 片 或 工 作

22、表 面 形 成 薄 膜 的 方 法 稱 為 濺 射 鍍 膜 法 。 濺 射 鍍 膜 基 于 荷 能 離 子 轟 擊靶 材 時 的 濺 射 效 應(yīng) ， 而 整 個 濺 射 過 程 都 是 建 立 在 輝 光 放 電 的 基 礎(chǔ) 之 上 的 ， 即 濺 射 離 子 都 來 源 于 氣 體 放 電 。不 同 的 濺 射 技 術(shù) 所 采 用 的 輝 光 放 電 方 式 有 所 不 同 ， 直 流 二 極 濺 射 利 用 的 是 直 流 輝 光 放 電 ， 磁 控 濺 射 是 利 用環(huán) 狀 磁 場 控 制 下 的 輝 光 放 電 。 輝 光 放 電 是 在 真 空 度 約 為 一 的 稀 薄 氣 體 中

23、 ， 兩 個 電 極 之 間 加 上 電 壓 時 產(chǎn) 生 的 一 種 氣 體 放 電 現(xiàn) 象 。 設(shè) 有 圖 2那 樣 的 一 個 直 流 氣 體 放 電 體 系 。 在 陰 陽 兩 極 之 間 由 電 動 勢 為 的 直 流 電 源 提 供 電 壓 和 電 流 ， 并 以電 阻 作 為 限 流 電 阻 。 在 電 路 中 ， 各 參 數(shù) 之 間 應(yīng) 滿 足 下 述 關(guān) 系 ： V=E-IR2.2 輝 光 放 電第 二 部 分 濺 射 及 輝 光 放 電 10 2.2 輝 光 放 電第 二 部 分 濺 射 及 輝 光 放 電 圖 2 直 流 氣 體 放 電 體 系 模 型 及 伏 安 特 性

24、曲 線（ a） 直 流 氣 體 放 電 體 系 模 型 (b)氣 體 放 電 的 伏 安 特 性 曲 線 使 真 空 容 器 中 Ar氣 的 壓 力 保 持 為 ， 并 逐 漸 提 高 兩 個 電 極之 間 的 電 壓 。 在 開 始 時 ， 電 極 之 間 幾 乎 沒 有 電 流 通 過 ， 因 為這 時 氣 體 原 子 大 多 仍 處 于 中 性 狀 態(tài) ， 只 有 極 少 量 的 電 離 粒 子在 電 場 的 作 用 下 做 定 向 運 動 ， 形 成 極 為 微 弱 的 電 流 ， 即 圖 2(b)中 曲 線 的 開 始 階 段 所 示 的 那 樣 。 隨 著 電 壓 逐 漸 地 升

25、高 ， 電 離 粒 子 的 運 動 速 度 也 隨 之 加 快 ，即 電 流 隨 電 壓 上 升 而 增 加 。 當(dāng) 這 部 分 電 離 粒 子 的 速 度 達 到 飽和 時 ， 電 流 不 再 隨 電 壓 升 高 而 增 加 。 此 時 ， 電 流 達 到 了 一 個飽 和 值 （ 對 應(yīng) 于 圖 曲 線 的 第 一 個 垂 直 段 ） 。 當(dāng) 電 壓 繼 續(xù) 升 高 時 ， 離 子 與 陰 極 之 間 以 及 電 子 與 氣 體 分 子之 間 的 碰 撞 變 得 重 要 起 來 。 在 碰 撞 趨 于 頻 繁 的 同 時 ， 外 電 路轉(zhuǎn) 移 給 電 子 與 離 子 的 能 量 也 在 逐

26、 漸 增 加 。 一 方 面 ， 離 子 對 于陰 極 的 碰 撞 將 使 其 產(chǎn) 生 二 次 電 子 的 發(fā) 射 ， 而 電 子 能 量 也 增 加到 足 夠 高 的 水 平 ， 它 們 與 氣 體 分 子 的 碰 撞 開 始 導(dǎo) 致 后 者 發(fā) 生電 離 ， 如 圖 2(a)所 示 。 這 些 過 程 均 產(chǎn) 生 新 的 離 子 和 電 子 ， 即碰 撞 過 程 使 得 離 子 和 電 子 的 數(shù) 目 迅 速 增 加 。 這 時 ， 隨 著 放 電 電 流 的 迅 速 增 加 ， 電 壓 的 變 化 卻 不 大 。 這 一 放 電 階 段 稱 為 湯生 放 電 。 在 湯 生 放 電 階

27、段 的 后 期 ， 放 電 開 始 進 入 電 暈 放 電 階 段 。 這時 ， 在 電 場 強 度 較 高 的 電 極 尖 端 部 位 開 始 出 現(xiàn) 一 些 跳 躍 的 電暈 光 斑 。 因 此 ， 這 一 階 段 稱 為 電 暈 放 電 。 11 在 湯 生 放 電 階 段 之 后 ， 氣 體 會 突 然 發(fā) 生 放 電 擊 穿 現(xiàn) 象 。 這 時 ， 氣 體 開 始 具 備 了 相 當(dāng) 的 導(dǎo) 電 能 力 ， 我們 將 這 種 具 備 了 一 定 的 導(dǎo) 電 能 力 的 氣 體 稱 為 等 離 子 體 。 此 時 ， 電 路 中 的 電 流 大 幅 度 增 加 ， 同 時 放 電 電壓

28、 卻 有 所 下 降 。 這 是 由 于 這 時 的 氣 體 被 擊 穿 ， 因 而 氣 體 的 電 阻 將 隨 著 氣 體 電 離 度 的 增 加 而 顯 著 下 降 ，放 電 區(qū) 由 原 來 只 集 中 于 陰 極 邊 緣 和 不 規(guī) 則 處 變 成 向 整 個 電 極 表 面 擴 展 。 在 這 一 階 段 ， 氣 體 中 導(dǎo) 電 粒 子的 數(shù) 目 大 量 增 加 ， 粒 子 碰 撞 過 程 伴 隨 的 能 量 轉(zhuǎn) 移 也 足 夠 地 大 ， 因 此 放 電 氣 體 會 發(fā) 出 明 顯 的 輝 光 。 電 流 的 繼 續(xù) 增 加 將 使 得 輝 光 區(qū) 域 擴 展 到 整 個 放 電 長

29、 度 上 ， 同 時 ， 輝 光 的 亮 度 不 斷 提 高 。 當(dāng) 輝 光 區(qū) 域充 滿 了 兩 極 之 間 的 整 個 空 間 之 后 ， 在 放 電 電 流 繼 續(xù) 增 加 的 同 時 ， 放 電 電 壓 又 開 始 上 升 。 上 述 的 兩 個 不同 的 輝 光 放 電 階 段 常 被 稱 為 正 常 輝 光 放 電 和 異 常 輝 光 放 電 階 段 。 異 常 輝 光 放 電 是 一 般 薄 膜 濺 射 或 其 他薄 膜 制 備 方 法 經(jīng) 常 采 用 的 放 電 形 式 ， 因 為 它 可 以 提 供 面 積 較 大 、 分 布 較 為 均 勻 的 等 離 子 體 ， 有 利

30、于 實現(xiàn) 大 面 積 的 均 勻 濺 射 和 薄 膜 沉 積 。 隨 著 電 流 的 繼 續(xù) 增 加 ， 放 電 電 壓 將 會 再 次 突 然 大 幅 度 下 降 ， 而 電 流 強 度 則 會 伴 隨 有 劇 烈 的 增 加 。 這表 明 ， 等 離 子 體 自 身 的 導(dǎo) 電 能 力 再 一 次 地 迅 速 提 高 。 此 時 氣 體 放 電 開 始 進 入 弧 光 放 電 階 段 。2.2 輝 光 放 電第 二 部 分 濺 射 及 輝 光 放 電 12 平 面 磁 控 濺 射 靶 采 用 靜 止 電 磁 場 ， 磁 場 為 曲 線 形 。 其 工 作 原理 如 圖 3所 示 。 電 子

31、 在 電 場 作 用 下 ， 加 速 飛 向 基 片 的 過 程 中 與 氫原 子 發(fā) 生 碰 撞 。 若 電 子 具 有 足 夠 的 能 量 (約 為 30eV)。 時 ， 則 電 離出 Ar+并 產(chǎn) 生 電 子 。 電 子 飛 向 基 片 ， Ar+在 電 場 作 用 下 加 速 飛 向 陰極 濺 射 靶 并 以 高 能 量 轟 擊 靶 表 面 ， 使 靶 材 發(fā) 生 濺 射 。 在 濺 射 粒 子中 ， 中 性 的 靶 原 子 (或 分 子 )沉 積 在 基 片 上 形 成 薄 膜 。 二 次 電 子 e1在 加 速 飛 向 基 片 時 受 磁 場 B的 洛 侖 茲 力 作 用 ， 以

32、擺 線 和 螺 旋 線 狀的 復(fù) 合 形 式 在 靶 表 面 作 圓 周 運 動 。 該 電 子 e1的 運 動 路 徑 不 僅 很 長 ，而 且 被 電 磁 場 束 縛 在 靠 近 靶 表 面 的 等 離 子 體 區(qū) 域 內(nèi) 。 在 該 區(qū) 中 電離 出 大 量 的 Ar+用 來 轟 擊 靶 材 ， 因 此 磁 控 濺 射 具 有 沉 積 速 率 高 的特 點 。 隨 著 碰 撞 次 數(shù) 的 增 加 ， 電 子 e1的 能 量 逐 漸 降 低 ， 同 時 ， e1逐 步 遠 離 靶 面 。 低 能 電 子 e 1將 如 圖 3中 e3那 樣 沿 著 磁 力 線 來 回 振蕩 ， 待 電 子

33、能 量 將 耗 盡 時 ， 在 電 場 E的 作 用 下 最 終 沉 積 在 基 片 上 。由 于 該 電 子 的 能 量 很 低 ， 傳 給 基 片 的 能 量 很 小 ， 使 基 片 溫 升 較 低 。在 磁 極 軸 線 處 電 場 與 磁 場 平 行 ， 電 子 e2將 直 接 飛 向 基 片 。 但 是 ，在 磁 控 濺 射 裝 置 中 ， 磁 極 軸 線 處 離 子 密 度 很 低 ， 所 以 e2類 電 子 很少 ， 對 基 片 溫 升 作 用 不 大 。3.1 磁 控 濺 射 工 作 原 理 第 三 部 分 磁 控 濺 射 圖 3 磁 控 濺 射 原 理 圖 綜 上 所 述 ，

34、磁 控 濺 射 的 基 本 原 理 就 是 以 磁 場 改 變 電 子 運 動 方 向 ， 束 縛 和 延 長 電 子 的 運 動 路 徑 ， 提 高 電 子 的電 離 概 率 和 有 效 地 利 用 了 電 子 的 能 量 。 因 此 ， 在 形 成 高 密 度 等 離 子 體 的 異 常 輝 光 放 電 中 ， 正 離 子 對 靶 材 轟 擊 所引 起 的 靶 材 濺 射 更 加 有 效 ， 同 時 受 正 交 電 磁 場 的 束 縛 的 電 子 只 能 在 其 能 量 將 要 耗 盡 時 才 能 沉 積 在 基 片 上 。 這 就是 磁 控 濺 射 具 有 “ 低 溫 ” 、 “ 高 速

35、 ” 兩 大 特 點 的 機 理 。 13 一 般 的 濺 射 沉 積 方 法 具 有 兩 個 缺 點 。 第 一 ， 濺 射 方 法 沉 積 薄 膜 的 沉 積 速 度 較 低 第 二 ， 濺 射 所 需 的 工 作氣 壓 較 高 ， 否 則 電 子 的 平 均 自 由 程 太 長 ， 放 電 不 容 易 維 持 。 這 兩 個 缺 點 的 綜 合 效 果 是 氣 體 分 子 對 薄 膜 產(chǎn) 生污 染 的 可 能 性 較 高 。 因 而 ， 磁 控 濺 射 技 術(shù) 作 為 一 種 沉 積 速 度 較 高 ， 工 作 氣 體 壓 力 較 低 的 濺 射 技 術(shù) 具 有 獨 特的 優(yōu) 越 性 。

36、 磁 控 濺 射 技 術(shù) 的 主 要 優(yōu) 缺 點 如 下 ： （ 1） 沉 積 速 率 大 。 磁 控 濺 射 技 術(shù) 可 以 得 到 很 大 的 離 子 流 ， 大 大 地 提 高 了 濺 射 速 率 和 沉 積 速 率 。 與 其 它濺 射 方 式 相 比 ， 磁 控 濺 射 生 產(chǎn) 能 力 高 ， 產(chǎn) 量 高 ， 因 此 廣 泛 應(yīng) 用 于 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 。 （ 2） 功 率 效 率 高 。 （ 3） 濺 射 能 量 低 。 磁 控 靶 施 加 的 電 壓 低 ， 等 離 子 體 被 磁 場 約 束 在 陰 極 附 近 ， 這 樣 可 抑 制 能 量 較 高 的 帶電 粒 子 入

37、射 到 基 片 上 。 （ 4） 基 片 溫 度 低 。 隨 著 電 子 碰 撞 次 數(shù) 的 增 加 ， 其 能 量 消 耗 殆 盡 ， 并 逐 步 遠 離 靶 面 ， 并 在 電 場 作 用 下 最終 沉 積 在 基 片 上 。 由 于 該 電 子 的 能 量 很 低 ， 傳 給 基 片 的 能 量 很 小 ， 致 使 基 片 溫 升 較 低 。 （ 5） 靶 刻 蝕 不 均 勻 。 對 于 小 型 圓 形 靶 而 言 ， 由 于 靶 磁 場 不 均 勻 ， 使 其 局 部 位 置 刻 蝕 速 率 較 大 ， 使 靶 材利 用 率 僅 為 一 。 為 提 高 靶 材 利 用 率 ， 可 采

38、取 一 定 措 施 改 變 磁 場 分 布 ， 還 可 以 使 磁 鐵 在 陰 極 中 移 動 來 提 高 靶 材 利 用 率 。 3.2 磁 控 濺 射 的 特 點第 三 部 分 磁 控 濺 射 14 （ 1） 表 面 改 性 技 術(shù) 中 的 應(yīng) 用 應(yīng) 用 磁 控 濺 射 技 術(shù) ， 可 以 根 據(jù) 需 要 ， 在 材 料 和 構(gòu) 件 表 面 沉 積 一 層 薄 膜 ， 從 而 提 高 其 表 面 的 力 學(xué) 性 能 、抗 腐 蝕 性 能 、 耐 磨 損 性 能 、 抗 高 溫 氧 化 以 及 改 善 表 面 光 學(xué) 和 電 學(xué) 的 性 能 。 由 該 技 術(shù) 沉 積 的 薄 膜 與 基

39、材 的 結(jié)合 ， 比 其 它 方 法 所 沉 積 的 薄 膜 牢 固 得 多 。 （ 2） 開 發(fā) 新 材 料 人 們 可 以 利 用 磁 控 濺 射 技 術(shù) 制 備 新 材 料 ， 或 開 發(fā) 材 料 新 用 途 。 例 如 ： 使 用 兩 種 金 屬 靶 合 成 濺 射 ， 可 方 便地 獲 取 所 需 成 份 比 例 的 合 金 膜 。 應(yīng) 用 磁 控 濺 射 技 術(shù) 甚 至 可 方 便 地 獲 得 多 成 份 超 晶 格 的 薄 膜 。3.3 磁 控 濺 射 在 材 料 科 學(xué) 中 的 應(yīng) 用第 三 部 分 磁 控 濺 射3.4 磁 控 濺 射 沉 積 的 薄 膜 特 點 :（ 1）

40、牢 固 濺 射 薄 膜 與 基 板 有 著 極 好 的 附 著 力 ， 機 械 強 度 也 得 到 了 改 善 ， 因 此 薄 膜 的 牢 固 度 大 大 增 強 。（ 2） 致 密 濺 射 的 薄 膜 聚 集 密 度 普 遍 提 高 了 。 從 顯 微 照 片 看 ， 濺 射 薄 膜 表 面 微 觀 形 貌 比 較 精 致 細 密 ， 表 面 均 方 根 粗 糙 度 比 較 小 。（ 3） 優(yōu) 質(zhì) 濺 射 的 薄 膜 均 具 有 優(yōu) 異 的 性 能 ， 如 濺 射 的 金 屬 膜 普 遍 具 有 良 好 的 光 學(xué) 性 能 ， 它 們 的 光 學(xué) 常 數(shù) k/n的 比值 大 ， 反 射 率 高 ， 更 接 近 于 塊 狀 材 料 。 有 些 濺 射 薄 膜 不 僅 具 有 良 好 的 光 學(xué) 、 電 學(xué) 性 能 ， 而 且 具 有 某 些 特殊 性 能 。 附 圖 附 圖 1 輝 光 放 電 附 圖 2 靶 材 刻 蝕 附 圖 附 圖 3 磁 控 靶 面 （ 采 用 全 靶 面 刻 蝕 ） 附 圖 附 圖 4 2D FEM磁 場 位 型 模 擬 附 圖 5 3D FEM磁 場 位 型 模 擬