一、溅射原理

1.1 溅射定义

就像往平静的湖水里投入石子会溅起水花一样，用高速离子轰击固体表面使固体中近表面的原子（或分子）从固体表面逸出，这种现象称为溅射现象。

1.2 溅射的基本原理

溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面使其中的原子发射出来。早期人们认为这一现象源于靶材的局部加热。但是不久人们发现溅射与蒸发有本质区别，并逐渐认识到溅射是轰击粒子与靶粒子之间动量传递的结果。

1.3 溅射的基本过程

A-B:无光放电区

B-C:汤森放电区

C-D:过渡区

D-E:正常辉光放电区

E-F:异常辉光放电区

F-G:弧光放电区

在“异常辉光放电区”内，电流可以通过电压来控制，从而使这一区域成为溅射所选择的工作区域。形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压VB。主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。

1.4 溅射参数

溅射阈值：将靶材溅射出来所需的入射离子的最小能量值。

溅射率：入射正离子轰击靶材时，平均每个正离子能从靶阴极打出的原子个数。

二、溅射装置

2.1 直流溅射(DC sputtering)

辉光放电直流溅射系统

1.阴极（靶)

2.阳极（基片）

3.真空室

4.进气口

5.真空抽气系统

6.高压电源（DC）

溅射与气压的关系

在一定范围内提高离化率、提高均匀性要增加压强和保证薄膜纯度、提高薄膜附着力要减小压强的矛盾，产生一个平衡。

目标：尽量小的压强下维持高的离化率。

特点：提供一个额外的电子源，而不是从靶阴极获得电子。实现低压溅射（压强小于0.1帕）

缺点：难以在大块扁平材料中均匀溅射，而且放电过程难以控制，进而工艺重复性差。

2.2 射频溅射(RF sputtering)

射频溅射特点

射频方法可以被用来产生溅射效应的原因是它可以在靶材上产生自偏压效应。在射频溅射装置中，击穿电压和放电电压显著降低。不必再要求靶材一定要是导电体。

2.3 磁控溅射(megnetron sputtering)

2.3.1 磁控溅射原理

磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动，提高电子的离化率。并且与传统溅射相比具有“低温”、“高速”两大特点。

通过磁场提高溅射率的基本原理由Penning在60多年前发明，后来由Kay和其他人发展起来，并研制出溅射枪和柱式磁场源。1979年Chapin引入了平面磁控结构。

磁控溅射工作原理示意图

沉积速率高

增长电子运动路径，提高离化率，电离出更多的轰击靶材的离子

低温

碰幢次数的增加，电子的能量逐渐降低，在能量耗尽以后才落在阳极

2.3.2 磁控溅射源装置

平面型

矩形：应用广泛，尤其适用于大面积平板的连续型镀膜。镀膜均匀性，产品的一致性较好。

圆形:只适合于做小型的磁控源，制靶简单，适合科研中应用。

电磁铁

电流的磁效应：如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。

电流磁效应

圆柱形

适合镀覆尺寸变化大，形状复杂的工件。

圆柱形磁控溅射靶的结构

倒锥形靶材

靶材利用率高；枪体结构紧凑，体积较小

靶是圆锥形，不易制备

三、磁控溅射实例

3.1 磁控溅射镀膜

基本步骤：

抽真空 传样 通氩气 加磁场 加偏压 起辉 镀膜

程序控制

对于单层膜

“for=1；

tx=y； （tx表示第x个靶位的溅射时间，y设定的 溅射时间，以sec为单位）

next； ”

对于多层膜（n×i层）

“for=n； （ n为循环次数,i为周期内层数）

tx1=y1；

tx2=y2；

…… ；

txi=yi ；

next;

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