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Sputter磁控溅镀原理

2022-05-12    作者:未知    来源:网络文摘

     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 谙窒螅自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f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:Sputter磁控溅镀原理 图1

    从公式 可以看出,洛伦兹力的大小不仅和磁场力的大小有关,而且取决于v和B之间的夹角的正弦 。

Sputter磁控溅镀原理 图2时。此时,运动电荷不受磁力作用。

Sputter磁控溅镀原理 图3时。此时,运动电荷受到最大磁力作用。

     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1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e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e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e,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e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。

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