《真空濺射技術(shù)》
*章 濺射技術(shù)
² 所謂“濺射”就是用荷能粒子（通常用氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象。
² 1842年Grove（格洛夫）在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。
² 1877年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室及西屋電氣公司首先開始應(yīng)用濺射原理制備薄膜。
² 1966年美國(guó)商用電子計(jì)算機(jī)公司應(yīng)用高頻濺射技術(shù)制成了絕緣膜。
² 1970年磁控濺射技術(shù)及其裝置出現(xiàn)，它以“高速”、“低溫”兩大特點(diǎn)使薄膜工藝發(fā)生了深刻變化，不但滿足薄膜工藝越來(lái)越復(fù)雜的要求，而且促進(jìn)了新工藝的發(fā)展。
² 我國(guó)在1980年前后，許多單位競(jìng)先發(fā)展磁控濺射技術(shù)。目前在磁控濺射裝置和相應(yīng)的薄膜工藝研究上也已出現(xiàn)了工業(yè)性生產(chǎn)的局面。
*節(jié) 濺射理論及其濺射薄膜的形成過(guò)程
u濺射理論
被荷能粒子轟擊的靶材處于負(fù)電位，所以一般稱這種濺射為陰極濺射。關(guān)于陰極濺射的理論解釋，主要有如下三種。
Ø 蒸發(fā)論
認(rèn)為濺射是由氣體正離子轟擊陰極靶，使靶表面受轟擊的部位局部產(chǎn)生高溫區(qū)，靶材達(dá)到蒸發(fā)溫度而產(chǎn)生蒸發(fā)。
Ø 碰撞論
認(rèn)為濺射現(xiàn)象是彈性碰撞的直接結(jié)果。轟擊離子能量不足，不能發(fā)生濺射；轟擊離子能量過(guò)高，會(huì)發(fā)生離子注入現(xiàn)象。
Ø 混合論
認(rèn)為濺射是熱蒸發(fā)論和碰撞論的綜合過(guò)程。當(dāng)前傾向于混合論。
u輝光放電
u直流輝光放電
在壓力為102-10-1Pa的容器內(nèi)，在兩個(gè)電極間加上直流電壓后所發(fā)生的放電過(guò)程如圖：
電壓小時(shí)，由宇宙射線或空間殘留的少量離子和電子的存在只有很小的電流。增加電壓，帶電粒子能量增加，碰撞中性氣體原子，產(chǎn)生更多帶電粒子，電流隨之平穩(wěn)增加，進(jìn)入“湯森放電區(qū)”。電流增加到一定程度，發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象，離子轟擊陰極，釋放二次電子，二次電子與中性氣體原子碰撞，產(chǎn)生更多離子，這些離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生更多的二次電子，如此循環(huán)，當(dāng)產(chǎn)生的電子數(shù)正好產(chǎn)生足夠多離子，這些離子能夠再生出同樣數(shù)量的電子時(shí)，進(jìn)入自持狀態(tài)，氣體開始起輝，電壓降低，電流突然升高，此為“正常輝光放電區(qū)”。放電自動(dòng)調(diào)整陰極轟擊面積，zui初轟擊是不均勻的，隨著電源功率增大，轟擊面積增大，直到陰極面上電流密度幾乎均勻?yàn)橹埂．?dāng)轟擊區(qū)域覆蓋整個(gè)陰極面后，再進(jìn)一步增加功率，會(huì)使放電區(qū)內(nèi)的電壓和電流密度同時(shí)升高，進(jìn)入濺射工藝工作區(qū)域，即“異常輝光放電區(qū)”。在該區(qū)域內(nèi)，如果陰極沒(méi)有水冷或繼續(xù)增加功率，當(dāng)電流密度達(dá)到約0.1A/cm2以上，將有熱發(fā)射電子混入二次電子之中，隨后發(fā)生又一個(gè)“雪崩”。由于輸入阻抗限制著電壓，將形成低壓大電流的“弧光放電”。
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(yáng)極之間的距離。為了引起zui初的雪崩，每個(gè)二次電子必須產(chǎn)生出約10-20個(gè)離子。若氣壓太低或極間距離太小，二次電子撞到陽(yáng)極之前，無(wú)法到達(dá)所需要的電離碰撞次數(shù)；若氣壓太高或極間距離太大，氣體中形成的離子將因非彈性碰撞而減速，以致于當(dāng)轟擊陰極時(shí)，已無(wú)足夠的能量產(chǎn)生二次電子。
直流輝光放電的形貌和參量分布圖：
i. 阿斯頓暗區(qū)，不發(fā)生電離和激發(fā)；
ii. 陰極輝光區(qū)，氣體分子激發(fā)發(fā)光；
iii. 陰極暗區(qū)，產(chǎn)生很強(qiáng)的電離，具有很高的正離子濃度，有較強(qiáng)的空間電荷；
iv. 負(fù)輝光區(qū)，光度zui強(qiáng)，有較強(qiáng)的負(fù)空間電荷；
v. 法拉第暗區(qū)，電離和激發(fā)都很?。徊灰欢ㄊ禽x光放電必須的，是起連接作用。
vi. 正柱區(qū)，等離子區(qū)，幾乎與法拉第暗區(qū)等電位；
u低頻交流輝光放電
在頻率低于50KHz的交流電壓條件下，離子有足夠的活動(dòng)能力且有充分的時(shí)間，在每個(gè)半周期內(nèi)在各個(gè)電極上建立直流輝光放電。除了電極交替地成為陰極和陽(yáng)極之外，其機(jī)理基本上與直流輝光放電相同。
我們常用的中頻濺射屬于這個(gè)范圍，中頻濺射的頻率為40KHz。
u射頻輝光放電
Ø 兩個(gè)重要特征：
*、在輝光放電空間中電子振蕩達(dá)到足以產(chǎn)生電離碰撞的能量，所以減小了放電對(duì)二次電子的依賴，并且降低了擊穿電壓。
第二、射頻電壓可以穿過(guò)任何種類的阻抗，所以電極就不再要求是導(dǎo)體，可以濺射任何材料。射頻輝光放電的陰極室電容耦合電極，陽(yáng)極接地。
Ø 濺射靶和基片*對(duì)稱放置于射頻輝光放電等離子體中，正離子以均等的機(jī)會(huì)轟擊濺射靶和基片，濺射成膜是不可能的。實(shí)際上，只要求靶上得到濺射，那么這個(gè)電極（濺射靶）必須絕緣起來(lái)，并通過(guò)電容耦合到射頻電源上；另一個(gè)電極（真空室壁）為直接耦合電極（即接地極），而且靶面積必須比直接耦合電極小。實(shí)驗(yàn)證明：在射頻輝光放電等離子體中陰極電壓Vc與陽(yáng)極電壓Va之比于陽(yáng)極面積Aa和陰極面積Ac之比存在如下關(guān)系：Vc/Va=（Aa/Ac）4。
由于Aa >> Ac,所以Vc >> Va，放射頻輝光放電時(shí)，等離子體重離子對(duì)接地零件只有極微小的轟擊，而對(duì)濺射靶卻進(jìn)行強(qiáng)烈轟擊并使之產(chǎn)生濺射。
下圖為小的容性耦合電極（靶）至大的直接耦合電極之間發(fā)生射頻輝光放電時(shí)，極間電位的分布圖。
u濺射過(guò)程
u靶材的濺射現(xiàn)象
下圖為荷能離子碰撞表面所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象：
在等離子體中，任何表面具有一定負(fù)電位時(shí)，就會(huì)發(fā)生上述濺射現(xiàn)象，只是強(qiáng)弱程度不同而已。所以靶、真空室壁、基片都有可能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。以靶的濺射為主時(shí)，稱為濺射成膜；對(duì)基片進(jìn)行濺射現(xiàn)象稱為濺射刻蝕；真空室和基片在高壓強(qiáng)下的濺射稱為濺射清洗。
我們一般應(yīng)用為濺射成膜，在各種現(xiàn)象中，人們zui關(guān)心的是濺射效應(yīng)，即被正離子轟擊出來(lái)的靶材中性粒子的數(shù)量，稱為濺射量S。
濺射率ç：表示一個(gè)正離子入射到靶材表面從其表面上所濺射出來(lái)的原子數(shù)。
u濺射粒子向基片的遷移過(guò)程
靶材受到轟擊所放出的粒子中，正離子由于逆向電場(chǎng)的作用是不能到達(dá)基片上的，其余粒子均會(huì)向基片遷移。壓強(qiáng)為101-10-1Pa，粒子平均自由程約為1-10cm，因此靶至基片的空間距離應(yīng)與該值大致相等。否則，粒子在遷移過(guò)程中將發(fā)生多次碰撞，即降低靶材原子的能量又增加靶材的散射損失。
雖然靶材原子在向基片遷移的過(guò)程中，因碰撞（主要與工作氣體分子）而降低其能量，但是，由于濺射出的靶材原子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)原子的能量，所以濺射鍍膜沉積在基片上的靶材原子的能量較大，其值相當(dāng)于蒸發(fā)原子能量的幾十至一百倍。
u粒子入射到基片后的成膜過(guò)程
應(yīng)考慮如下問(wèn)題：
Ø 沉積速率
指從靶材上濺射出來(lái)的材料，在單位時(shí)間內(nèi)沉積到基片上得厚度，與濺射速率成正比。在選定鍍膜環(huán)境以及氣體的情況下，提高沉積速率的方法只有提高離子流。不增加電壓條件下增加離子流只有提高工作氣體壓力。
如圖所示，氣體壓力與濺射率的關(guān)系曲線，當(dāng)壓力增高到一定值時(shí)，濺射率開始明顯下降。其原因是靶材粒子的背返射和散射增大，導(dǎo)致濺射率下降。所以由濺射率來(lái)考慮氣壓的*值是比較合適的，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)注意由于氣壓升高影響薄膜質(zhì)量的問(wèn)題。
Ø 沉積薄膜的純度
沉積到基片上得雜質(zhì)越少越好。這里所說(shuō)的雜質(zhì)專指真空室殘余氣體。解決的方法是:
1、提高本底真空度
2、提高氬氣量。
為此，在提高真空系統(tǒng)抽氣能力的同時(shí)，提高本底真空度和加大送氬量是確保薄膜純度*的兩項(xiàng)措施。
就濺射鍍膜裝置而言，真空室本底真空度應(yīng)為10-3-10-4Pa。
Ø 沉積成膜過(guò)程中的其它污染
² 真空室壁和室內(nèi)構(gòu)件表面所吸附的氣體。采用烘烤去氣方法。
² 擴(kuò)散泵返油。配制渦輪分子泵或冷凝泵等比較好。
² 基片清洗不*。應(yīng)盡可能保證基片不受污染和不帶有顆粒狀污染物。
Ø 成膜過(guò)程中的濺射條件
u濺射氣體的選擇
應(yīng)具備濺射率高、對(duì)靶材呈惰性、價(jià)格便宜、來(lái)源方便、易于得到高純度的氣體。一般采用氬氣。
u濺射電壓及基片電位
濺射電壓及基片電位（即接地、懸浮或偏壓）對(duì)薄膜特性的影響嚴(yán)重。
濺射電壓不但影響沉積速率，而且嚴(yán)重英雄薄膜的結(jié)構(gòu)。
基片電位直接影響入射的電子流或離子流。
1. 基片接地處于陽(yáng)極電位，則它們受到等同電子轟擊。
2. 基片懸浮，在輝光放電空間取得相對(duì)于地電位稍負(fù)的懸浮電位Vf。而基片周圍等離子體電位VP高于基片電位為（Vf+VP），將引起一定程度的電子和正離子的轟擊，導(dǎo)致膜厚、成分或其它特性的變化。如下圖:
3. 假如基片有目的地施加偏壓，使其按電的極性接收電子或離子，不僅可以凈化基片增強(qiáng)薄膜附著力，而且還可以改變薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
u基片溫度
u高純度的靶材
1. 必須具備高純度的靶材和清潔的靶表面。
2. 濺射沉積之前對(duì)靶進(jìn)行預(yù)濺射，使靶表面凈化處理。
u由于濺射裝置中存在多種參數(shù)間的相互影響，并且綜合地決定濺射薄膜的特性，因此在不同的濺射裝置上，或制備不同的薄膜時(shí)，應(yīng)該對(duì)濺射工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)選擇為宜。
第二節(jié) 濺射薄膜的特點(diǎn)
u膜厚可控性和重復(fù)性好
Ø 控制靶電流可以控制膜厚
Ø 通過(guò)濺射時(shí)間控制膜厚
u薄膜與基片的附著力強(qiáng)
Ø 高能量的濺射原子產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，形成一層偽擴(kuò)散層
Ø 基片在成膜過(guò)程中始終在等離子區(qū)中被清洗和激活，清除了附著力不強(qiáng)的濺射原子，凈化且激活基片表面。
u可以制備特殊材料的薄膜
Ø 可濺射幾乎所有的固體（包括粒狀、粉狀的物質(zhì)），不受熔點(diǎn)的限制。
Ø 使用不同材料同時(shí)濺射制備混合膜、化合膜。
Ø 可制備氧化物絕緣膜和組分均勻的合金膜。
Ø 可通入反應(yīng)氣體，采用反應(yīng)濺射方法制備與靶材*不同的新的物質(zhì)膜。如用硅靶制作二氧化硅絕緣膜；用鈦靶，充入氮?dú)夂蜌鍤猓苽涞伔陆鹉ぁ?/span>
u膜層純度高
Ø 沒(méi)有蒸發(fā)法制膜裝置中的坩堝構(gòu)件，濺射膜層不會(huì)混入坩堝加熱器材料的成分。
u缺點(diǎn)：成膜速度比蒸發(fā)鍍膜低、基片溫升高、易受雜質(zhì)氣體影響、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
第三節(jié) 濺射應(yīng)用范圍簡(jiǎn)介
| 工業(yè)部門 | 應(yīng)用實(shí)例 | 備注 |
| 電子工業(yè) | 半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)材料、導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料、太陽(yáng)能電池、集成線路及電路元件等 | 低基片溫度 |
| 機(jī)械工業(yè) | 耐蝕、耐熱、耐摩擦性能保護(hù)性材料等 | 厚膜 |
| 光學(xué)工業(yè) | 反射膜、選擇性透光膜、光集積回路、反射鏡保護(hù)膜 | 低基片溫度 |
| 裝飾 | 塑料涂層、陶瓷涂層、彩虹包裝等 | 厚膜 |
| 航天及交通 | 導(dǎo)電玻璃 | 擋風(fēng)玻璃 |
第二章 直流濺射鍍膜
依據(jù)直流輝光放電原理制造的鍍膜裝置統(tǒng)稱為直流濺射鍍膜裝置，利用這種裝置濺射的各種工藝統(tǒng)稱為直流濺射鍍膜工藝。
*節(jié) 直流二極濺射裝置
直流二極濺射裝置示意圖
1—真空室；2—加熱片；3—陰極（靶）；4—基片（陽(yáng)極）；
5—氬氣入口；6—負(fù)高壓電源；7—加熱電源；8—真空系統(tǒng)
u電源采用直流。
u靶材必須是導(dǎo)體。
u靶上通以負(fù)高壓。
u陰極靶與基片間的距離大于陰極暗區(qū)的3-4倍較為合適。
u直流二極濺射工作原理圖：
第二節(jié) 偏壓濺射裝置
u與直流二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓。
u偏壓使基片表面在薄膜沉積過(guò)程中，受到氣體離子的穩(wěn)定轟擊，消除可能進(jìn)入薄膜表面的氣體，提高薄膜的純度。
u偏壓可以清除附著力較差的沉積粒子，可以在沉積之前對(duì)基片進(jìn)行轟擊清洗，凈化表面，提高薄膜的附著力。
u偏壓使荷能粒子（一般指正離子）不斷地轟擊正在形成的薄膜表面，一方面提高膜層的強(qiáng)度，另一方面降低了膜層的生成速度。
u偏壓較大時(shí)，能產(chǎn)生少量非膜材離子（如氬離子）的參雜現(xiàn)象。為保證膜純度，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)钠珘褐怠?/span>
直流偏壓濺射示意圖
1—濺射室；2—陰板；3—基片；4—陽(yáng)極；5—接抽氣系統(tǒng)；6—氬氧氣入口
第三節(jié) 三極或四極濺射裝置
u三極濺射是用熱電子強(qiáng)化放電的一種方式，它能使濺射速率比二極濺射有所提高，又能使濺射工況的控制更方面。在二極濺射系統(tǒng)中提供一個(gè)熱電子的源——一根發(fā)射自由熱電子的幟熱燈絲，當(dāng)燈絲比靶電位更負(fù)的時(shí)候，電子朝向靶轟擊，從而靶入射離子流增加，濺射量相應(yīng)地增大。由于熱電子的數(shù)量并不很大，不會(huì)引起靶材過(guò)分地加熱。附加的熱電子流，是靶電流的一個(gè)調(diào)整量，就是說(shuō)，在二極濺射運(yùn)行中，氣壓、電壓和靶電流三個(gè)主要工藝參數(shù)中，電流可以獨(dú)立于電壓作一定程度的調(diào)整。三極濺射比二極濺射大于提高了一倍的濺射速率。
u四極濺射——等離子弧濺射
（a） （b）
（a）四極濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖
1—機(jī)械泵；2—閥；3—可調(diào)漏泄閥；4—低真空計(jì)；5—高真空計(jì)；
6—陰極；7—穩(wěn)定性電極；8—電磁線圈；9—濺射室；10—蒸鍍基板燈絲；
11—靶；12—陽(yáng)極；13—閘閥；14—液氮阱；15—放氣閥；16—液氮阱；
17—擴(kuò)散泵；18—水冷密封板；19—鈦升華泵；20—加熱器
（b）四極濺射裝置的電氣部分
1—熱陰極；2—穩(wěn)定性電極；3—基板；4—陽(yáng)極；5—靶；6—線圈；7—靶電源
Ø 工作壓強(qiáng)比二極濺射低（10-1——10-2Pa）。
Ø 靶電流幾乎不隨靶電壓改變，而依賴于陽(yáng)極電流，實(shí)現(xiàn)了靶電流和電壓的分別控制。
第三章 磁控濺射鍍膜
*節(jié) 磁控濺射的工作原理
磁控濺射是利用磁場(chǎng)束縛電子的運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果導(dǎo)致轟擊基片的高能電子的減少和轟擊靶材的高能離子的增多，使其具備了“低溫”、“高速”兩大特點(diǎn)。
u水冷系統(tǒng)：各種類型濺射靶，在輝光放電中因離子轟擊都要發(fā)熱。為保證濺射靶的正常工作溫度，均應(yīng)設(shè)置冷卻系統(tǒng)。為保證冷卻水的流速和進(jìn)出口水溫差在預(yù)定的范圍內(nèi)，要求濺射靶冷卻水套應(yīng)具有小流阻，濺射靶材和水冷背板的導(dǎo)熱性能良好。其進(jìn)水壓力一般為2KG以上。
u“高速”以基片與靶材相對(duì)不動(dòng)時(shí)，濺射Al的成膜速率達(dá)到1μm/min而言，已經(jīng)與電子束蒸發(fā)Al的成膜速率接近了，比二極濺射的濺射速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
u“低溫”是與二極濺射相比，在相同的條件下，二極濺射的基片溫升可能達(dá)到350—450℃時(shí)，磁控濺射的基片溫升大約只有250℃左右。
u除射頻磁控裝置外，其余的磁控濺射裝置均是靜止的電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)為曲線形，均勻電場(chǎng)和對(duì)數(shù)電場(chǎng)則分別用于平面靶和同軸圓柱靶。它們的工作原理相同。
電子e在電場(chǎng)E的作用下加速飛向基片的過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，若電子具有足夠的能量（約30eV）時(shí)，則電離出Ar+和另一個(gè)電子e。電子飛向基片，Ar+在電場(chǎng)E作用下加速飛向陰極（濺射靶）并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)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，二次電子e1在加速飛向基片時(shí)受磁場(chǎng)B的洛侖茲力作用以如圖的擺線和螺旋線狀的復(fù)合形式在靶表面作圓周運(yùn)動(dòng)。該電子e1的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域中電離出大量的Ar+用來(lái)轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了磁控濺射速率高的特點(diǎn)。
隨著碰撞次數(shù)的增加，電子e1的能量逐漸降低，同時(shí)逐漸遠(yuǎn)離靶面。低能電子e1將在如圖中e3那樣沿著磁力線來(lái)回振蕩，待電子能量耗盡時(shí)，在電場(chǎng)E的作用下zui終沉積到基片上。由于該電子的能量很低，傳給基片的能量很小，致使基片溫升較低。由于磁極軸線處電場(chǎng)與磁場(chǎng)平行，電子e2將直接飛向基片。但是，在磁控濺射裝置中，磁極軸線處離子密度很低，所以E類電子很小，對(duì)基片溫升作用不大。
磁控濺射工作原理
綜上所述，磁控濺射的基本原理就是以磁場(chǎng)改變電子運(yùn)動(dòng)的方向，束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高了電子對(duì)工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。因此在形成高密度等離子體的異常輝光放電中正離子對(duì)靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，同時(shí)受正交電磁場(chǎng)的束縛的電子只能在其能量將要耗盡時(shí)才能沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“地溫”、“高速”兩大特點(diǎn)的機(jī)理。磁控濺射等離子體中的物理過(guò)程如下所示：
與直流二極濺射相比較，區(qū)別只在于增加了正交電磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛效應(yīng)?？梢?，正交電磁場(chǎng)的建立，B值的大小及其分布，特別是平行于靶表面的磁場(chǎng)分量B1是磁控濺射中一個(gè)極其重要的參數(shù)。
為了提高對(duì)電子的束縛效應(yīng)，磁控濺射裝置中應(yīng)當(dāng)盡可能滿足磁場(chǎng)B與電場(chǎng)E相互垂直（即正交）和利用磁力線及電極（一般為陰極靶）封閉等離子體的兩個(gè)重要條件。由于束縛效應(yīng)的作用，磁控濺射的放電電壓和氣壓都遠(yuǎn)低于直流二極濺射，通常分別為500-600V和10-1Pa。
第二節(jié) 磁控濺射靶靶型分類
u靶型開發(fā)的歷程大致如下：首先開發(fā)的是軸狀靶→圓盤形平面靶→S-槍→矩形平面靶→各種異形靶→對(duì)靶或?qū)\生靶→靶面旋轉(zhuǎn)的圓柱靶→靶-弧復(fù)合靶→……，目前應(yīng)用zui廣泛的是矩形平面靶，未來(lái)zui受關(guān)注的是旋轉(zhuǎn)圓柱靶和靶-弧復(fù)合靶。
u同軸圓柱形磁控濺射
在濺射裝置中該靶接500-600V的負(fù)電位，基片接地、懸浮或偏壓，一般構(gòu)成以濺射靶為陰極、基片為陽(yáng)極的對(duì)數(shù)電場(chǎng)和以靶中永磁體提供的曲線形磁場(chǎng)。
圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)
1—水咀座；2—螺母；3—墊片；4—密封圈；5—法蘭；6—密封圈；
7—絕緣套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—陰極靶；
13—永磁體；14—墊片；15—管；16—支撐；17—螺母；18—密封圈；19—螺帽
圓柱形磁控濺射靶的磁力線
在每個(gè)永磁體單元的對(duì)稱面上，磁力線平行于靶表面并與電場(chǎng)正交。磁力線與靶表面封閉的空間就是束縛電子運(yùn)動(dòng)的等離子區(qū)域。在異常輝光放電中，離子不斷地轟擊靶表面并使之濺射，而電子如下圖那樣繞靶表面作圓周運(yùn)動(dòng)。
在圓柱形陰極與同軸陽(yáng)極之間發(fā)生冷陰極放電時(shí)的電子遷移簡(jiǎn)圖
u平面磁控濺射
Ø 圓形平面磁控濺射
u圓形平面靶采用螺釘或釬焊方式緊緊固定在由永磁體（包括環(huán)形磁鐵和中心磁柱）、水冷套和靶外殼等組成的陰極體上。如下圖所以結(jié)構(gòu)：
圓形平面磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)
1—冷卻水管；2—軛鐵；3—真空室；4—環(huán)形磁鐵；5—水管；6—磁柱；
7—靶子；8—螺釘；9—壓環(huán)；10—密封圈；11—靶外殼；12—屏蔽罩；
13—螺釘；14—絕緣墊；15—絕緣套；16—螺釘
通常，濺射靶接500-600V負(fù)電壓；真空室接地；基片放置在濺射靶的對(duì)面，其電位接地、懸浮或偏壓。因此，構(gòu)成基本上是均勻的靜電場(chǎng)。永磁體或電磁線圈在靶材表面建立如下圖的曲線形靜磁場(chǎng)：
圓形平面磁控靶的磁力線
1—陰極；2—極靴；3—*磁鐵；4—磁力線
該磁場(chǎng)是以圓形平面磁控靶軸線為對(duì)稱軸的環(huán)狀場(chǎng)。從而實(shí)現(xiàn)了電磁場(chǎng)的正交和對(duì)等離子體區(qū)域的封閉的磁控濺射所*的條件。由磁場(chǎng)形狀決定了異常輝光放電等離子區(qū)的形狀，故而決定了靶材刻蝕區(qū)是一個(gè)與磁場(chǎng)形狀相對(duì)稱的圓環(huán)，其形狀如下圖：
圓形平面靶刻蝕形狀
u冷卻水的作用是控制靶溫以保證濺射靶處于合適的冷卻狀態(tài)。溫度過(guò)高將引起靶材熔化，溫度過(guò)低則導(dǎo)致濺射速率的下降。
u屏蔽罩的設(shè)置，是為了防止非靶材零件的濺射，提高薄膜純度。并且該屏蔽罩接地，還能起著吸收低能電子的輔助陽(yáng)極的作用。其位置，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)屏蔽罩與陰極體之間的間隙來(lái)確定，其值應(yīng)小于二次電子擺線軌跡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)距離dt,一般≤3mm。
u磁控濺射的磁場(chǎng)時(shí)由磁路結(jié)構(gòu)和*磁體的剩磁（或電磁線圈的安匝數(shù)）所決定的。zui終表現(xiàn)為濺射靶表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小及分布。通常，圓形平面磁控濺射靶表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的平行分量B1為0.02-0.05T，其較好值為0.03T左右。因此，無(wú)論磁路如何布置，磁體如何選材，都必須保證上述B1要求。
Ø 矩形平面磁控濺射靶
² 一個(gè)典型的矩形平面靶斷面結(jié)構(gòu)圖
其結(jié)構(gòu)與圓形平面磁控濺射靶基本相同，只是靶材是矩形的而不是圓形平面。
² 其磁力線形狀見下圖：
矩形平面磁控濺射靶的磁力線
² 磁體布局
磁體的布局直接影響濺射靶的刻蝕均勻程度和沉積膜厚均勻性。為了改進(jìn)該均勻性，可采用下圖所示磁體布局：
矩形陰極改進(jìn)了沉積膜厚度分布后的磁鐵排布情況：
（a）—雙環(huán)；（b）—帶隙磁鐵；注明了實(shí)驗(yàn)測(cè)定的均勻度
可見，矩形平面磁控濺射靶的兩個(gè)端部是刻蝕和膜厚分布不均勻問(wèn)題zui嚴(yán)重的部位。其原因是端部磁場(chǎng)不均勻并與中部存在著差異。因此，保證磁路的長(zhǎng)寬比大于3，基片應(yīng)沿矩形靶的寬度方向運(yùn)動(dòng)或矩形靶加長(zhǎng)使其端部位于基片之外。
² 靶材的安裝
安裝方式分直接水冷和間接水冷兩種形式。采用間接水冷，為了保證靶材的冷卻效果，應(yīng)將其緊緊壓在水冷背板上，為此，壓框與水冷卻背板得間隙y必須大于0.5mm。我們一般采用的是在靶材上開螺釘孔，直接用螺釘將靶材連接到水冷背板上，為了使傳熱效果更好，在兩者之間壓一層薄薄的石墨紙。此外，也可以采用釬焊技術(shù)將靶材焊接在水冷背板上。安裝形式如下圖：
靶材冷卻型式
（a）—直接冷卻；（b）—間接冷卻；
1—壓框；2—靶材；3—背板；4—密封圈；5—冷卻水；6—陰極體
² 靶材刻蝕區(qū)域
對(duì)比如下兩圖：
² 平面磁控濺射的工作特性
1） 電壓、電流及氣壓的關(guān)系：通常，平面磁控濺射的工作條件為陰極電壓300-600V、電流密度4-60mA /cm2、氬氣壓力0.13-1.3Pa、功率密度1-36W/cm2。
（a）—各種氣壓下, 矩形平面磁控陰極的電流——電壓特性
（b）—恒定的陰極平均電流密度數(shù)值下，陰極電壓與氣壓的關(guān)系
2） 沉積速率
沉積速率是表征成膜速度的物理量，其值與濺射速率成正比。由于濺射靶的不均勻?yàn)R射和基片的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了薄膜沉積的不均勻性。
平面磁控濺射的基片運(yùn)動(dòng)方式
（a）—行星運(yùn)動(dòng)；（b）—有小孔屏蔽極的平面運(yùn)動(dòng)；
（c）—鼓形轉(zhuǎn)動(dòng)；（d）—直線運(yùn)動(dòng)
因此，一般以膜的平均厚度除以沉積時(shí)間所定義的平均沉積速率（nm/min）來(lái)表征沉積速率。平均沉積速率與濺射靶的功率密度（W/cm2）的比值稱為功率效率。在靶尺寸、磁路及功率密度一定時(shí)，沉積速率將隨著靶材變化。對(duì)于非鐵磁性材料，該變化是由于濺射率的差別而引起的。下表列出了600eV離子能量的濺射速率：
| 靶材材料 | 濺射率（600eV） | 濺射速率（nm/min） |
| Ag | 3.40 | 2660 |
| Al | 1.24 | 970 |
| Au | 2.43（500eV） | 1900 |
| Co | 1.36 | 1060 |
| Cr | 1.30 | 1020 |
| Ti | 0.58 | 450 |
| Ni | 1.52 | 1190 |
氣體壓力對(duì)平面磁控濺射沉積速率的影響如下圖：
可見，對(duì)于具體的濺射裝置和濺射條件，有一個(gè)*的氣體壓力值。
為盡可能地提高沉積速率，基片應(yīng)盡量靠近濺射靶，但必須保證穩(wěn)定地異常輝光放電。通常，其zui小間距為5-7cm。
zui大功率密度是限制沉積速率的另一個(gè)主要因素。
綜上所述，濺射靶刻蝕區(qū)尺寸及其功率密度、靶-基距、靶材、氣壓、磁路及磁物等參數(shù)均是影響沉積速率的因素。濺射靶的熱學(xué)特性和機(jī)械特性則是限制zui大沉積速率的因素。
第四章 膜厚均勻度
膜厚均勻度是衡量薄膜質(zhì)量和鍍膜裝置性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為提高膜厚均勻度，可以采取優(yōu)化靶基距、改變基片運(yùn)動(dòng)方式、增加擋板機(jī)構(gòu)和膜厚監(jiān)控儀等措施。對(duì)于磁控濺射鍍膜，由于其電磁場(chǎng)并非均勻，尤其是不均勻的磁場(chǎng)分布造成不均勻的等離子密度，導(dǎo)致靶原子的不均勻?yàn)R射和不均勻的沉積。
*節(jié) 磁路布置
u磁場(chǎng)：在各種磁控濺射（包括直流磁控濺射和射頻磁控濺射）靶中，束縛電子運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B是個(gè)極其重要的參數(shù)。主要是指靶面上zui大平行磁場(chǎng)B1，該參數(shù)與所選用的磁體材料、磁體幾何形狀及其排列有關(guān)。
u改進(jìn)磁路布置（其中包括磁體、極靴、間隙、形狀等）能夠改善磁場(chǎng)，拓寬靶刻蝕區(qū)和改善靶原子的沉積分布，從而提高膜厚的均勻度。
由上圖可知，改變磁體形狀等因素，就改變了磁場(chǎng)分布，進(jìn)而改變了靶材的刻蝕情況。顯然第二種情況優(yōu)于*種情況。
第二節(jié)靶——基距
u任何一臺(tái)具體的濺射鍍膜裝置，與*的鍍膜均勻度相對(duì)應(yīng)，存在一個(gè)*的靶基距。
u圓形平面磁控靶的靶——基距
R1為刻蝕區(qū)內(nèi)半徑；
R2為刻蝕區(qū)外半徑；
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出此類型濺射靶的*靶基距離h≈2R2。
u平面磁控靶的靶——基距
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