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磁控溅射 报告人：郑远平 指导教师：李国庆 主要内容 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。 离子和固体表面的相互作用 离子轰击固体表面所产生各效应的几率 1852年Grove在研究辉光放电时首次发现这一现象。 Thomson形象地把这一现象类比于水滴从高处落在平静的水面所引起的水花飞溅现象，并命名为“Spluttering”,由于印刷错误写成“Sputtering”。从此“Sputtering”便用作科学术语“溅射”。 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。 如下实验事实充分证明了这一点： 溅射出来的粒子角分布取决于入射粒子的方向（a） 从单晶靶溅射出来的粒子显示择优取向（b） 溅射率不仅取决与入射粒子的能量，而且也取决于入射粒子的质量（c） 溅射出来的粒子平均速率比热蒸发的粒子平均速率高得多（d） 入射离子是如何产生的呢？ 1.3 溅射的基本过程 电子与其他粒子的碰撞过程： 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。 溅射粒子的速度和能量 溅射原子获得比热蒸发大1~2个数量级的能量在1~10eV之间,它与靶材，入射离子质量和能量有关。 溅射的优缺点 二、溅射装置 2.1 直流溅射(DC sputtering) 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。 三级溅射 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。 速度为v的电子在电场E和磁感强度为B的磁场中将受到洛仑兹力的作用： 电荷在均匀电磁场中运动 当磁场B均匀而电场E为零时,电子沿磁力线方向以不受磁场影响的速度v∥，同时沿着磁力线有回旋运动,电子回旋半径： 当B和E为均匀场且二者平行时，一个由静止开始运动的电子被自由地加速。 当B与E均匀且相互垂直时，一个由静止开始运动的电子，其运动方程： 假设t= 0 时电子位于坐标原点并且初速为零， E、B均为常数， 该方程的解为 运动轨迹为在YOZ 平面内沿Z 轴平行前进的摆线 电荷在非均匀电磁场中运动 电荷在非均匀磁场中运动除了受到洛伦兹力外,还要受到一个由于磁场的空间分布不均匀性而引起的磁阻力 电荷在镜像磁场中的运动——横向磁约束 磁力线沿y 轴是对称分布