磁控溅射原理.doc

磁控溅射原理(2009-07-23 12:59:56)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：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。

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 的带电粒子，所受的磁场力为此力 通常称为洛伦兹力．此公式称为洛伦兹公式根据运动电荷在磁场中的洛伦兹力公式 ，洛伦兹力的大小为： 从公式 可以看出，洛伦兹力 的大小不仅和 的大小有关，而且取决于 和 之间的夹角的正弦 当 时， ， 此时，运动电荷不受磁力作用当 时， ， 此时，运动电荷受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 均相同的情况下，洛伦兹力的方向也不同当 时， ，即磁场力的方向服从右手螺旋法则当 时， ，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:粒子速度平行于磁场方向的分量 所对应的洛伦兹分力，将使粒子作匀速直线运动，两个分运动合成为螺旋线运动。

2.2、Sputter溅镀物理原理：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。