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1、,磁控溅射镀膜技术,1,概述,2,溅射镀膜的基本原理,3,磁控溅射,目录 | CONTENT,一、概述,1.定义 溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。 2.特点（与真空蒸发镀膜相比） （1）可以溅射任何物质； （2）溅射薄膜与衬底的附着性好； （3）溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高； （4）膜层厚度可控性和重复性好。 溅射镀膜的缺点：溅射设备复杂，需要高压装置；溅射沉积的成膜速度低；基片温度较高；易受杂质气体影响等。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜基于高能离子轰击靶材时的溅射效应，整
2、个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。,放电方式： （1）直流溅射直流辉光放电 （2）射频溅射射频辉光放电 （3）磁控溅射环状磁场控制下的辉光放电,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电： 直流辉光放电是在真空度约110Pa的稀薄气体中，两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。 气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定律描述。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：1.无放电区 由于宇宙射线产生的游离离子和电子在直流电压作用下运动形成电流，10-16-10-14A。由于此区域导电但不发光，因此称为无光放电区。自然游离的离子和电子是
3、有限的，所以随电压增加，电流变化很小。2.汤森放电区 随电压升高，电子运动速度逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离，电离为正离子和电子，再被电场加速，再电离，使电流平稳地增加，于是在伏-安特性曲线出现汤森放电区。 上述两种情况都以自然电离源为前提，且导电而不发光。因此，称为非自持放电。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：3.过渡区 过C点后，发生“雪崩点火”，离子轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极产生更多的二次电子，大量的离子和电子产生后，放电达到自持，气体被击穿，开始起辉。两极间电流剧增，电压迅速降低，放电呈现负阻现象。
4、,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：3.过渡区-起辉电压（D）若气体P太低或电极间距d 太小，二次电子在到达阳极前不能使气体分子被碰撞电离，无法形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。若气体P太高或电极间距d太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速，也会使辉光放电熄灭。,由巴邢定律知，在气体成分和电极材料一定的情况下，起辉电压V只与气体压强P和电极距离d的乘积有关。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：4.正常辉光放电区（1）气体被击穿，自持放电；（2）电流密度恒定（有效放电面积随电流增加而增大），与电压无关；（3）电流密度不高（溅射选择异常辉光放电区）,二、溅射镀膜的基
5、本原理,（一）直流辉光放电：5.异常辉光放电区 当轰击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，电流增加，形成均匀而稳定的“异常辉光放电”，这个放电区就是溅射区域。（1）溅射电压： 式中，和是取决于电极材料、尺寸和气体种类的常数，j是电流密度，是气体压强。（2）阴极表面情况： 此时辉光布满整个阴极，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，距离缩短。此时若想提高电流密度，必须增加阴极压降，结果更多的正离子轰击阴极，更多的二次电子从阴极产生。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：6.弧光放电区 异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。 （1）极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短
6、路； （2）放电集中在阴极局部，常使阴极烧毁； （3）损害电源。,常压气体高温下放电,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：7.辉光的产生 众多的电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激跃迁到高能态，而后又衰变到基态并发射光子，大量的光子形成辉光。 对于一对平行平板放电电极，当电源功率增加，形成辉光放电时，阴阳两极间明暗光区的分布情况，以及暗区和亮区对应的电位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（1）阿斯顿暗区： 冷阴极发射的电子能量很低，约1eV左右，很难与气体发生碰撞电离，所以在阴极附近形成一个黑暗的区域，称为阿斯顿暗区。 使用氩、氖
7、之类气体时这个暗区很明显。对于其它气体，这个暗区很窄，难以观察到。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（2）阴极辉光区： 电子通过阿斯顿暗区后，在电场的作用下获得了足够的能量，与气体发生碰撞，使气体分子被激发，而后又衰变到基态并放出辉光，形成阴极辉光区。（3）克鲁克斯暗区： 随电子加速获足够能量，穿过阴极辉光区时与正离子不易发生复合，从而形成又一个暗区，叫做克鲁克斯暗区。 暗区的宽度与电子的平均自由程有关。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（4）负辉光区（辉光最强）： 随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。
8、 正离子移动速度慢，产生积聚，电位升高；与阴极之间的电位差成为阴极压降。 电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，与正离子复合几率增加，形成明亮的负辉光区。,靶材的位置,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（5） 法拉第暗区： 经过负辉光区后，大多数动能较大的电子因碰撞都已丧失了能量，少数电子穿过负辉光区，形成暗区。（6）正离子柱： 法拉第暗区过后，少数电子逐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。 此区域电压降很小，类似一个良导体。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：8.常用气体辉光放电各区域颜色,二、溅射镀膜的基本原理,（二）射频辉光放
9、电： 在一定气压下，阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率(30030) ，将产生射频辉光放电。射频辉光放电的重要特征： （1）电子会随着外电场从射频场中吸收能量而在场内作振荡运动，增加了与气体分子的碰撞几率，并使电离能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降低（仅为直流辉光放电的十分之一）； （2）正离子的质量大，运行速度低，跟不上电源极性的改变，可认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。 （3）射频辉光放电可以在较低的气压下进行，直流辉光放电常在 10 1 10 2 运行。,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：溅射阀值溅射率及其影响因素溅射粒子的速度
10、和能量分布溅射原子的角度分布,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：1.溅射阀值 溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量，主要取决于靶材料。,对绝大多数金属靶材，溅射阈值为1030eV,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：2.溅射率及其影响因素 溅射率是指正离子轰击阴极靶时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数，又称溅射产额或溅射系数。 溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关。（1）靶材料:,溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。 相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料，得到的溅射率不同。溅射率呈周期性变化，随靶材料
11、元素的原子序数的增大而增加。,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：（2）入射离子能量：存在溅射阈值，阈值能量一般为20100。当入射离子的能量小于这个阈值时，没有原子溅射出来;一般当入射离子能量为110时，溅射率可达到最大值;入射离子的能量与溅射率的关系可分三个区域: 指数上升区: 2 （数百）； 下降区:1/2 （=10100）；,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：（3）入射离子种类：入射离子的原子量越大，溅射率就越高;溅射率随入射离子的Z周期性变化而变。同一周期中凡闭合电子壳层的元素溅射率最大，所以惰性气体的溅射率最高。,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：（4）入射离子的入
12、射角：入射角是指离子入射方向与溅射靶材表面法线之间的夹角。在060间，随入射角的增大溅射率逐渐增大，基本服从 1 cos 规律， 60 2 0 ；在6080间，溅射率最大；入射角继续增加，则溅射率减小，90时溅射率为零。,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：（5）靶材温度： 靶材存在与升华相关的某一温度。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。 除此之外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、溅射压强等因素有关,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：3.溅射原子的能量和速度不同靶材具有不同的原子逸出能量；入射离子种类和能量（守恒定律）；倾斜方向逸出的原子具有较高的逸
13、出能量。,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：4.溅射原子的角度分布 溅射原子逸出的主方向与晶体结构有关，直接影响溅射率。单晶材料原子密排面是最主要的逸出方向：面心立方体结构逸出主方向是110晶向，其次是100、111 晶向。多晶靶与单晶靶溅射原子的角分布明显不同.单晶靶材可看到溅射原子明显有择优取向的角分布，多晶靶材显示出近似于余弦分布。,二、溅射镀膜的基本原理,（四）溅射镀膜过程：1.靶材的溅射过程 入射高能粒子轰击靶，将动量转给靶材原子，把靶材原子从靶表面撞出发生溅射。只有靶材原子吸收的能量超过其结合能，溅射才能发生。2.溅射粒子的迁移过程3.溅射粒子的成膜过程,二、溅射镀膜的基本原
14、理,（五）溅射机理：1.热蒸发理论（早期理论） 溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系，余弦分布规律；不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律，以及溅射率与入射离子质量关系等。,二、溅射镀膜的基本原理,（五）溅射机理：2.动量转移理论 深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程。 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的联级碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。当原子的能量大于结合能时，就从
15、表面溅射出来。,图4.1 溅射原子的联级碰撞示意图,三、磁控溅射,溅射沉积方法有两个缺点:第一，沉积速率较低；第二，溅射所需的工作气压较高。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体的离化率，发展出了磁控溅射技术。,（一）磁控溅射的工作原理： 引入正交电磁场来改变电子运动方向，束缚和延长电子的运动路径，提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量。,三、磁控溅射,（二）磁控溅射的特点：1.优点：（1）电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率约为 10 7 1 ）； 低气压下的高速溅射（2）低温：随着电子碰撞次数的增加，其能量消耗殆尽，最终沉积在基片上时传递的能量很小，致使基片温升较低；2.缺点：（1）不能实现强磁性材料的低温高速溅射（磁性靶）；（2）靶的利用率较低（约30%），这是靶磁场不均匀导致靶的侵蚀不均匀造成的。,
