干貨丨你懂磁控濺射嗎？

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，這種現象稱為濺射現象。

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射出來。早期人們認為這一現象源于靶材的局部加熱。但是不久人們發現濺射與蒸發有本質區別，并逐漸認識到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動量傳遞的結果。

1.3 濺射的基本過程

A-B:無光放電區

B-C:湯森放電區

C-D:過渡區

D-E:正常輝光放電區

E-F:異常輝光放電區

F-G:弧光放電區

在“異常輝光放電區”內，電流可以通過電壓來控制，從而使這一區域成為濺射所選擇的工作區域。形成“異常輝光放電”的關鍵是擊穿電壓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

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。

二、濺射裝置

2.1 直流濺射(DC sputtering)

輝光放電直流濺射系統

1.陰極（靶)

2.陽極（基片）

3.真空室

4.進氣口

5.真空抽氣系統

6.高壓電源（DC）

濺射與氣壓的關系

在一定范圍內提高離化率、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，產生一個平衡。

目標：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，進而工藝重復性差。

2.2 射頻濺射(RF sputtering)

射頻濺射特點

射頻方法可以被用來產生濺射效應的原因是它可以在靶材上產生自偏壓效應。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多年前發明，后來由Kay和其他人發展起來，并研制出濺射槍和柱式磁場源。1979年Chapin引入了平面磁控結構。

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：應用廣泛，尤其適用于大面積平板的連續型鍍膜。鍍膜均勻性，產品的一致性較好。

圓形:只適合于做小型的磁控源，制靶簡單，適合科研中應用。

電磁鐵

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

電流磁效應

圓柱形

適合鍍覆尺寸變化大，形狀復雜的工件。

圓柱形磁控濺射靶的結構

倒錐形靶材

靶材利用率高；槍體結構緊湊，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為循環次數,i為周期內層數）

tx1=y1；

tx2=y2；

…… ；

txi=yi ；

next;

本文轉載自網絡作者鄭遠平，鏈接：https://wenku.baidu.com/view/810f3cdb6c175f0e7dd13749.html。

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