全自動磁控濺射系統(tǒng)技術分類

更新時間：2016-01-23

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    全自動磁控濺射系統(tǒng)是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導體、絕緣體等多材料，且具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優(yōu)點，而上世紀 70 年代發(fā)展起來的全自動磁控濺射系統(tǒng)法更是實現(xiàn)了高速、低溫、低損傷。因為是在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。全自動磁控濺射系統(tǒng)通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率。

全自動磁控濺射系統(tǒng)技術分類
    直流濺射法要求靶材能夠?qū)碾x子轟擊過程中得到的正電荷傳遞給與其緊密接觸的陰極，從而該方法只能濺射導體材料，不適于絕緣材料，因為轟擊絕緣靶材時表面的離子電荷無法中和，這將導致靶面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶上，兩極間的離子加速與電離的機會將變小，甚至不能電離，導致不能連續(xù)放電甚至放電停止，濺射停止。故對于絕緣靶材或?qū)щ娦院懿畹姆墙饘侔胁?，須用射頻濺射法（RF）。
    濺射過程中涉及到復雜的散射過程和多種能量傳遞過程：首先，入射粒子與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射粒子的一部分動能會傳給靶材原子，某些靶材原子的動能超過由其周圍存在的其它原子所形成的勢壘(對于金屬是5-10eV)，從而從晶格點陣中被碰撞出來，產(chǎn)生離位原子，并進一步和附近的原子依次反復碰撞，產(chǎn)生碰撞級聯(lián)。當這種碰撞級聯(lián)到達靶材表面時，如果靠近靶材表面的原子的動能大于表面結(jié)合能(對于金屬是1-6eV)，這些原子就會從靶材表面脫離從而進入真空。
    濺射鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術。通常，利用低壓惰性氣體輝光放電來產(chǎn)生入射離子。陰極靶由鍍膜材料制成，基片作為陽極，真空室中通入0.1-10Pa的氬氣或其它惰性氣體，在陰極(靶)1-3KV直流負高壓或13.56MHz的射頻電壓作用下產(chǎn)生輝光放電。電離出的氬離子轟擊靶表面，使得靶原子濺出并沉積在基片上，形成薄膜。濺射方法很多，主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應濺射等。
    由于被濺射原子是與具有數(shù)十電子伏特能量的正離子交換動能后飛濺出來的，因而濺射出來的原子能量高，有利于提高沉積時原子的擴散能力，提高沉積組織的致密程度，使制出的薄膜與基片具有強的附著力。
    濺射時，氣體被電離之后，氣體離子在電場作用下飛向接陰極的靶材，電子則飛向接地的壁腔和基片。這樣在低電壓和低氣壓下，產(chǎn)生的離子數(shù)目少，靶材濺射效率低；而在高電壓和高氣壓下，盡管可以產(chǎn)生較多的離子，但飛向基片的電子攜帶的能量高，容易使基片發(fā)熱甚至發(fā)生二次濺射，影響制膜質(zhì)量。另外，靶材原子在飛向基片的過程中與氣體分子的碰撞幾率也大為增加，因而被散射到整個腔體，既會造成靶材浪費，又會在制備多層膜時造成各層的污染。
    為了解決陰極濺射的缺陷，人們在20世紀70年代開發(fā)出了全自動磁控濺射技術，它有效地克服了陰極濺射速率低和電子使基片溫度升高的弱點，因而獲得了迅速發(fā)展和廣泛應用。
    其原理是：在全自動磁控濺射系統(tǒng)中，由于運動電子在磁場中受到洛侖茲力，它們的運動軌跡會發(fā)生彎曲甚至產(chǎn)生螺旋運動，其運動路徑變長，因而增加了與工作氣體分子碰撞的次數(shù)，使等離子體密度增大，從而全自動磁控濺射系統(tǒng)速率得到很大的提高，而且可以在較低的濺射電壓和氣壓下工作，降低薄膜污染的傾向；另一方面也提高了入射到襯底表面的原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。同時，經(jīng)過多次碰撞而喪失能量的電子到達陽極時，已變成低能電子，從而不會使基片過熱。因此全自動磁控濺射系統(tǒng)法具有“高速”、“低溫”的優(yōu)點。該方法的缺點是不能制備絕緣體膜，而且磁控電極中采用的不均勻磁場會使靶材產(chǎn)生顯著的不均勻刻蝕，導致靶材利用率低，一般僅為20%-30%。

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