一、濺射原理

1.1 濺射定義

就像往平靜的湖水里投入石子會濺起水花一樣，用高速離子轟擊固體表面使固體中近表面的原子（或分子）從固體表面逸出，這種現(xiàn)象稱為濺射現(xiàn)象。

1.2 濺射的基本原理

濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面使其中的原子發(fā)射出來。早期人們認(rèn)為這一現(xiàn)象源于靶材的局部加熱。但是不久人們發(fā)現(xiàn)濺射與蒸發(fā)有本質(zhì)區(qū)別，并逐漸認(rèn)識到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動量傳遞的結(jié)果。

1.3 濺射的基本過程

A-B:無光放電區(qū)

B-C:湯森放電區(qū)

C-D:過渡區(qū)

D-E:正常輝光放電區(qū)

E-F:異常輝光放電區(qū)

F-G:弧光放電區(qū)

在“異常輝光放電區(qū)”內(nèi)，電流可以通過電壓來控制，從而使這一區(qū)域成為濺射所選擇的工作區(qū)域。形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓VB。主要取決于二次電子的平均自由程和陰陽極之間的距離。

1.4 濺射參數(shù)

濺射閾值：將靶材濺射出來所需的入射離子的最小能量值。

濺射率：入射正離子轟擊靶材時，平均每個正離子能從靶陰極打出的原子個數(shù)。

二、濺射裝置

2.1 直流濺射(DC sputtering)

輝光放電直流濺射系統(tǒng)

1.陰極（靶)

2.陽極（基片）

3.真空室

4.進(jìn)氣口

5.真空抽氣系統(tǒng)

6.高壓電源（DC）

濺射與氣壓的關(guān)系

在一定范圍內(nèi)提高離化率、提高均勻性要增加壓強和保證薄膜純度、提高薄膜附著力要減小壓強的矛盾，產(chǎn)生一個平衡。

目標(biāo)：盡量小的壓強下維持高的離化率。

特點：提供一個額外的電子源，而不是從靶陰極獲得電子。實現(xiàn)低壓濺射（壓強小于0.1帕）缺點：難以在大塊扁平材料中均勻濺射，而且放電過程難以控制，進(jìn)而工藝重復(fù)性差。

2.2 射頻濺射(RF sputtering)

射頻濺射特點

射頻方法可以被用來產(chǎn)生濺射效應(yīng)的原因是它可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)。在射頻濺射裝置中，擊穿電壓和放電電壓顯著降低。不必再要求靶材一定要是導(dǎo)電體。

2.3 磁控濺射(megnetron sputtering)

2.3.1 磁控濺射原理

磁控濺射是利用磁場束縛電子的運動，提高電子的離化率。并且與傳統(tǒng)濺射相比具有“低溫”、“高速”兩大特點。

通過磁場提高濺射率的基本原理由Penning在60多年前發(fā)明，后來由Kay和其他人發(fā)展起來，并研制出濺射槍和柱式磁場源。1979年Chapin引入了平面磁控結(jié)構(gòu)。

磁控濺射工作原理示意圖

沉積速率高

增長電子運動路徑，提高離化率，電離出更多的轟擊靶材的離子低溫

碰幢次數(shù)的增加，電子的能量逐漸降低，在能量耗盡以后才落在陽極

2.3.2 磁控濺射源裝置

平面型

矩形：應(yīng)用廣泛，尤其適用于大面積平板的連續(xù)型鍍膜。鍍膜均勻性，產(chǎn)品的一致性較好。

圓形:只適合于做小型的磁控源，制靶簡單，適合科研中應(yīng)用。

電磁鐵

電流的磁效應(yīng)：如果一條直的金屬導(dǎo)線通過電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場。導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強。

電流磁效應(yīng)

圓柱形

適合鍍覆尺寸變化大，形狀復(fù)雜的工件。

圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)

倒錐形靶材

靶材利用率高；槍體結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小

靶是圓錐形，不易制備

三、磁控濺射實例

3.1 磁控濺射鍍膜

基本步驟：

抽真空  傳樣  通氬氣  加磁場  加偏壓  起輝  鍍膜

程序控制

對于單層膜

“for=1；

tx=y； （tx表示第x個靶位的濺射時間，y設(shè)定的 濺射時間，以sec為單位）next； ”

對于多層膜（n×i層）

“for=n； （ n為循環(huán)次數(shù),i為周期內(nèi)層數(shù)）

tx1=y1；

tx2=y2；

…… ；

txi=yi ；

next;