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1、1,磁 控 溅 射 原 理,815TCO,2,磁控溅射原理,直流辉光放电,右图为直流辉光放电的发光区电位分布 及净空间电荷沿极间距的分布图。,靠近阴极有一明亮的发光区，称为阴极 辉光区。,电子在阴极暗区发生大量的电离碰撞，正离子被加速射向阴极。但是正离子的 迁移率远低于电子的迁移率，净空间电 荷呈正值，在阴极表面附近形成一个正 离子壳层。阴极暗区是气体辉光放电的最基本组 成 部分。,在负辉光区，电子碰撞气体原子产生强烈的发光。法拉第暗区和正柱区几乎是等电位区，不一定是辉光放电所必需。,3,磁控溅射原理,低频交流辉光放电,在频率低于50KHz的交流电压下，离子有足够的活动能力且有充分的时间，在每
2、个半周期在各个电极上建立直流辉光放电。其机理基本上与直流辉光放电相同。,射频辉光放电,在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率增高到射频频率时即可产生稳定的射频辉光放电。,射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量，所以减小了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电压。射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导电体，可以溅射任何材料，因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射。频率在530MHz都称为射频频率。,4,磁控溅射原理,溅射原理,溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程。,电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与Ar原子发生碰撞，电离出
3、大量的Ar离子和电子，电子飞向基片，在此过程中不断和Ar原子碰撞，产生更多的Ar离子和电子。Ar离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。,5,电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：,一般溅射镀膜的不足,电子与Ar原子碰撞几率低，Ar离子密度偏低，溅射效率低，成膜速度慢。,电子运动路径短，轰击在基片上速度快，导致基片温度升高。,磁控溅射原理,6,磁控溅射原理,电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，并在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量
4、的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。,电子运动路径变长，与Ar原子碰撞几率增加，提高溅射效率。电子只有在其能量将耗尽时才会落到基片上，基片温度上升慢。,7,磁控溅射的优点,稳定性好重复性好均匀性好高速低温,应用广泛金属非金属金属化合物非金属化合物,8,影响溅镀效率的因素,磁场分布溅射速率沉积速率工作气压工作电压溅射功率靶基距,9,反应溅射中的金属靶中毒,金属靶表面不断与反应气体（O2 等）生成化合物覆盖层从而使溅射速率大幅度下降甚至不溅射，称之为靶中毒。过多的反应气体（O2等)使金属靶材表面被氧化。任何不稳定因素（如：电弧）都能破坏
5、系统的平衡，导致靶中毒。在直流溅射中要非常注意溅射参数的控制。使用射频磁控溅射可解决靶中毒问题。使用中频磁控溅射可杜绝靶中毒问题。,10,射频（RF）磁控溅射,射频磁控溅射的特点：,电流大，溅射速率高，产量大,膜层与基体的附着力比较强,向基片的入射能量低，避免了 基片温度的过度升高,大功率的射频电源价格较高，对 于人身防护也成问题。,装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件。,射频溅射不适于工业生产应用。,11,直流（DC）磁控溅射,.直流磁控溅射的特点,.靶材,直流磁控溅射沉积薄膜一般用平面靶。,12,中频（MF）磁控溅射,中频交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统
6、中。工业上一般使用孪生靶溅射系统。,13,中频（MF）磁控溅射,中频交流孪生靶溅射的两个靶位上的工作波形,14,TwinMag II,中频（MF）磁控溅射,15,旋转靶的优点,靶材利用率最高可达 70%以上 靶材有更长的使用寿命更快的溅射速率杜绝靶中毒现象,中频（MF）磁控溅射,16,中频孪生旋转靶磁控溅射,中频（MF）磁控溅射,17,中频（MF）磁控溅射,中频反应磁控溅射中的“迟滞回线”现象,Process control:high deposition rateunstable transition mode.,18,三种磁控溅射对比,19,Al背电极工艺参数,制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶,工艺参数：,本底真空2310-3Pa工作气压0.30.6 Pa基片温度 200C工作电压工作功率密度厚度5001000nm,20,前、背电极ZAO工艺参数,制备方法的选择：采用MF溅射锌铝合金旋转靶材,工艺参数：,本底真空410-4Pa 工作气压2.0Pa基片温度 200C反应气体分压0.15-0.5Pa 工作电压工作能量密度9.3W/cm2 厚度 前电极8001000nm 背电极60100nm,21,ITO工艺参数,基片温度330C工作电压115V工作气压0.30.5Pa气体中氧含量：1520沉积速率1530nm/min,
