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      技術交流

      磁控濺射

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      磁控濺射
      磁控濺射是為了在低氣壓下進行高速濺射,必須有效地提高氣體的離化率。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的方法。

      1、工作原理

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      磁控濺射的工作原理是指:在一相對穩定真空狀態下,陰陽極間產生輝光放電,極間氣體分子被離子化而產生帶電電荷,電子在電場E的作用下,在飛向基片過程中與氬原子發生碰撞,使其電離產生出Ar 和新的電子;新電子飛向基片,Ar 在電場作用下加速飛向陰極靶,并以高能量轟擊靶表面,使靶材發生濺射。在濺射粒子中,中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜,而產生的二次電子會受到電場和磁場作用,產生E(電場)×B(磁場)所指的方向漂移,簡稱E×B漂移,其運動軌跡近似于一條擺線。若為環形磁場,則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動,它們的運動路徑不僅很長,而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區域內,并且在該區域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材,從而實現了高的沉積速率。隨著碰撞次數的增加,二次電子的能量消耗殆盡,逐漸遠離靶表面,并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低,傳遞給基片的能量很小,致使基片溫升較低。

      ????? 磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經歷復雜的散射過程,和靶原子碰撞,把部分動量傳給靶原子,此靶原子又和其他靶原子碰撞,形成級聯過程。在這種級聯過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量,離開靶被濺射出來。

      Sputter 濺射理論根據詳解:

      洛倫茲力:實驗和理論證明,在磁感強度為B的磁場中,電荷為q,運動速度為v的帶電粒子,所受磁場力為:
      此力Fm通常稱為洛倫茲力.此公式稱為洛倫茲公式。根據運動電荷在磁場中的洛倫茲力公式Fm=qv x B,洛倫茲力的大小為:Fm=|q|vbsin@ 。從公式可以看出,洛倫茲力Fm的大小不僅和q、v、B的大小有關,而且取決于和之間的夾角的正弦sin@。
      當@=0或π時,v//B,Fm=0此時,運動電荷不受磁力作用。
      當@=π或3π/2時,V⊥B,Fm=|q|vB 。此時,運動電荷受到最大磁力作用。洛倫茲力的方向為:服從右手螺旋法則。運動電荷帶電量的正負不同,即使在均相同的情況下,洛倫茲力的方向也不同。
      當時q>0,Fm=qv x B ,即磁場力的方向服從右手螺旋法則。
      當時q<0,Fm=-|q|vB,負號說明磁場力的方向在右手螺旋法則規定的反方向。
      始終運動方向垂直,故洛倫茲力對運動電荷永不做功,洛倫茲力公式是安培定律的微觀形式。洛倫茲公式是洛倫茲在 20 世紀初首先根據安培定律導出的,之后從實驗上得到了驗證。對載流導體在磁場中所受的力,從微觀上看,是導體中作定向運動的電子受磁場力作用的結果。根據安培定律,和電流強度的微觀表示形式,如圖中電流元受到的安培力可改寫為:

      式中 dN是電流元IdL中參與導電的運動電荷總數。

      在磁場強度為B的磁場中,電荷為q運動速度為v的帶電粒子,所受的磁場力Fm=qv x b為此力Fm通常稱為洛倫茲力。當vb時,帶電粒子同時參與兩種運動,將在磁場中作螺旋線運動。粒子速度垂直于磁場方向的分量Vg所對應的洛倫茲分力,將使粒子繞磁場作圓周運動,回旋半徑:

      粒子速度平行于磁場方向的分量 Vx所對應的洛倫茲分力,將使粒子作勻速直線運動,兩個分運動合成為螺旋線運動。

      帶電粒子在磁場中的運動
      2、種類

      磁控濺射包括很多種類。各有不同工作原理和應用對象。但有一共同點:利用磁場與電子交互作用,使電子在靶表面附近成螺旋狀運行,從而增大電子撞擊氬氣產生離子的概率。所產生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材。
      靶源分平衡和非平衡式,平衡式靶源鍍膜均勻,非平衡式靶源鍍膜膜層和基體結合力強。平衡靶源多用于半導體光學膜,非平衡多用于磨損裝飾膜。磁控陰極按照磁場位形分布不同,大致可分為平衡態和非平衡磁控陰極。平衡態磁控陰極內外磁鋼的磁通量大致相等,兩極磁力線閉合于靶面,很好地將電子/等離子體約束在靶面附近,增加碰撞幾率,提高了離化效率,因而在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電,靶材利用率相對較高,但由于電子沿磁力線運動主要閉合于靶面,基片區域所受離子轟擊較小.非平衡磁控濺射技術概念,即讓磁控陰極外磁極磁通大于內磁極,兩極磁力線在靶面不完全閉合,部分磁力線可沿靶的邊緣延伸到基片區域,從而部分電子可以沿磁力線擴展到基片,增加基片區域的等離子體密度和氣體電離率。不管平衡非平衡,若磁鐵靜止,其磁場特性決定一般靶材利用率小于30%。為增大靶材利用率,可采用旋轉磁場。但旋轉磁場需要旋轉機構,同時濺射速率要減小。旋轉磁場多用于大型或貴重靶。如半導體膜濺射。對于小型設備和一般工業設備,多用磁場靜止靶源。
      用磁控靶源濺射金屬和合金很容易,點火和濺射很方便。這是因為靶(陰極),等離子體,和被濺零件/真空腔體可形成回路。但若濺射絕緣體如陶瓷則回路斷了。于是人們采用高頻電源,回路中加入很強的電容。這樣在絕緣回路中靶材成了一個電容。但高頻磁控濺射電源昂貴,濺射速率很小,同時接地技術很復雜,因而難大規模采用。為解決此問題,發明了磁控反應濺射。就是用金屬靶,加入氬氣和反應氣體如氮氣或氧氣。當金屬靶材撞向零件時由于能量轉化,與反應氣體化合生成氮化物或氧化物。
      磁控反應濺射絕緣體看似容易,而實際操作困難。主要問題是反應不光發生在零件表面,也發生在陽極,真空腔體表面,以及靶源表面。從而引起滅火,靶源和工件表面起弧等。
      冷卻是一切源(磁控,多弧,離子)所必需,因為能量很大一部分轉為熱量,若無冷卻或冷卻不足,這種熱量將使靶源溫度達一千度以上從而溶化整個靶源。

      3、技術分類

      可以分為直流磁控濺射法和射頻磁控濺射法。
      直流濺射法要求靶材能夠將從離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,導致不能連續放電甚至放電停止,濺射停止。故對于絕緣靶材或導電性很差的非金屬靶材,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,產生離位原子,并進一步和附近的原子依次反復碰撞,產生碰撞級聯。當這種碰撞級聯到達靶材表面時,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。目前濺射方法很多,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,產生的離子數目少,靶材濺射效率低;而在高電壓和高氣壓下,盡管可以產生較多的離子,但飛向基片的電子攜帶的能量高,容易使基片發熱甚至發生二次濺射,影響制膜質量。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。
      為了解決上述缺陷,人們在20世紀70年代開發出了直流磁控濺射技術,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,因而獲得了迅速發展和廣泛應用。
      其原理是:在磁控濺射中,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生彎曲甚至產生螺旋運動,其運動路徑變長,因而增加了與工作氣體分子碰撞的次數,使等離子體密度增大,從而磁控濺射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量。同時,經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。因此磁控濺射法具有“高速”、“低溫”的優點。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生顯著的不均勻刻蝕,導致靶材利用率低,一般僅為20%-30%。

      4、利用率

      磁控濺射靶材的利用率可成為磁控濺射源的工程設計和生產工藝成本核算的一個參數。目前沒有見到對磁控濺射靶材利用率專門或系統研究的報道,而從理論上對磁控濺射靶材利用率近似計算的探討具有實際意義。對于靜態直冷矩形平面靶,即靶材與磁體之間無相對運動且靶材直接與冷卻水接觸的靶, 靶材利用率( 最大值) 數據多在20%~30%左右(間冷靶相對要高一些,但其被刻蝕過程與直冷靶相同,不做專門討論),且多為估計值。為了提高靶材利用率,研究出來了不同形式的動態靶,其中以旋轉磁場圓柱靶最著名且在工業上被廣泛應用,據稱這種靶材的利用率最高可超過70%,但缺少足夠數據或理論證明。常見的磁控濺射靶材從幾何形狀上看有三種類型:矩形平面、圓形平面和圓柱管。
      如何提高利用率是真空磁控濺射鍍膜行業的重點,圓柱管靶利用高,但在有些產業是不適用。
      特點
      利用外加磁場捕捉電子,延長和束縛電子的運動路徑,搞高離化率,增加鍍膜速率。
      1)濺射粒子(主要是原子,還有少量離子等)的平均能量達幾個電子伏,比蒸發粒子的平均動能kT高得多(3000K蒸發時平均動能僅0.26eV),濺射粒子的角分布與入射離子的方向有關。2)入射離子能量增大(在幾千電子伏范圍內),濺射率(濺射出來的粒子數與入射離子數之比)增大。入射離子能量再增大,濺射率達到極值;能量增大到幾萬電子伏,離子注入效應增強,濺射率下降。3)入射離子質量增大,濺射率增大。4)入射離子方向與靶面法線方向的夾角增大,濺射率增大(傾斜入射比垂直入射時濺射率大)。5)單晶靶由于焦距碰撞(級聯過程中傳遞的動量愈來愈接近原子列方向),在密排方向上發生優先濺射。6)不同靶材的濺射率很不相同。

      5、圓形磁控濺射靶

      圓形磁控濺射靶圓形磁控濺射靶直徑范圍為:50~250mm;靶結構材料選取適合高真空的優質不銹鋼和銅合金材料;磁場源采用穩定性最高的稀土釤鈷永磁材料;磁場采用模塊化排布并進行優化設計,有效地提高靶材利用率和設備穩定性;冷卻水循環量為1L/min,能有效的保證設備的冷卻效果;根據不同設備可以配置不同角度的安裝頭;采用Φ20不銹鋼導管,復合法蘭進行安裝,適用于高真空高純度鍍膜。另外其他特殊性能可根據客戶需要進行設計。 圓形磁控濺射靶應用領域:直徑50~150mm靶主要應用于大專院校與科研院所研究性磁控濺射鍍膜設備使用;直徑150mm以上靶為生產型磁控濺射鍍膜設備采用。

      6、提高濺射效率

      磁控濺射通常的濺射方法,濺射效率不高。為了提高濺射效率,首先需要增加氣體的離化效率。為了說明這一點,先討論一下濺射過程。當經過加速的入射離子轟擊靶材(陰極)表面時,會引起電子發射,在陰極表面產生的這些電子,開始向陽極加速后進人負輝光區,并與中性的氣體原子碰撞,產生自持的輝光放電所需的離子。這些所謂初始電子(primary electrons )的平均自由程隨電子能量的增大而增大,但隨氣壓的增大而減小。在低氣壓下,離子是在遠離陰極的地方產生,從而它們的熱壁損失較大,同時,有很多初始電子可以以較大的能量碰撞陽極,所引起的損失又不能被碰撞引起 的次級發射電子抵消,這時離化效率很低,以至于不能達到自持的輝光放電所需的離子。通過增大加速電壓的方法也同時增加了電子的平均自由程,從而也不能有效地增加離化效率。雖然增加氣壓可以提高離化率,但在較高的氣壓下,濺射出的粒子與氣體的碰撞的機會也增大,實際的濺射率也很難有大的提高。如果加上一平行于陰極表面的磁場,就可以將初始電子的運動限制在鄰近陰極的區域,從而增加氣體原子的離化效率。
      常用磁控濺射儀主要使用圓筒結構和平面結構,這兩種結構中,磁場方向都基本平行于陰極表面,并將電子運動有效地限制在陰極附近。磁控濺射的制備條件通常是,加速電壓:300~800V,磁場約:50~300G,氣壓:1~10 mTorr,電流密度:4~60mA/cm2,功率密度:1~40W/cm2,對于不同的材料最大沉積速率范圍從100nm/min到1000nm/min。同濺射一樣,磁控濺射也分為直流(DC)磁控濺射和射頻(RF)磁控濺射。射頻磁控濺射中,射頻電源的頻率通常在50~30MHz。射頻磁控濺射相對于直流磁控濺射的主要優點是,它不要求作為電極的靶材是導電的。因此,理論上利用射頻磁控濺射可以濺射沉積任何材料。由于磁性材料對磁場的屏蔽作用,濺射沉積時它們會減弱或改變靶表面的磁場分布,影響濺射效率。因此,磁性材料的靶材需要特別加工成薄片,盡量減少對磁場的影響。 用圓筒結構和平面結構,如圖14.5所示。這兩種結構中,磁場方向都基本平行于陰極表面,并將電子運動有效地限制在陰極附近。磁控濺射的制備條件通常是,加速電壓:300~800V,磁場約:50~300G,氣壓:1~10 mTorr,電流密度:4~60mA/cm2,功率密度:1~40W/cm2,對于不同的材料最大沉積速率范圍從100nm/min到1000nm/min。同濺射一樣,磁控濺射也分為直流(DC)磁控濺射和射頻(RF)磁控濺射。射頻磁控濺射中,射頻電源的頻率通常在50~30MHz。射頻磁控濺射相對于直流磁控濺射的主要優點是,它不要求作為電極的靶材是導電的。因此,理論上利用射頻磁控濺射可以濺射沉積任何材料。由于磁性材料對磁場的屏蔽作用,濺射沉積時它們會減弱或改變靶表面的磁場分布,影響濺射效率。因此,磁性材料的靶材需要特別加工成薄片,盡量減少對磁場的影響。
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