《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越復(fù)雜的要求，而且促進(jìn)了新工藝的發(fā)展。
² 我國在1980年前后，許多單位競先發(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?。?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，二次電子撞到陽極之前，無法到達(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??；不一定是輝光放電必須的，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，陽極接地。
Ø 濺射靶和基片*對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，并通過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與陽極電壓Va之比于陽極面積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)，等離子體重離子對接地零件只有極微小的轟擊，而對濺射靶卻進(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的原子數(shù)。
u濺射粒子向基片的遷移過程
靶材受到轟擊所放出的粒子中，正離子由于逆向電場的作用是不能到達(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程
應(yīng)考慮如下問題：
Ø 沉積速率
指從靶材上濺射出來的材料，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 成膜過程中的濺射條件
u濺射氣體的選擇
應(yīng)具備濺射率高、對靶材呈惰性、價(jià)格便宜、來源方便、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?，制備氮化鈦仿金膜?/span>
u膜層純度高
Ø 沒有蒸發(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，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。
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，磁場為曲線形，均勻電場和對數(shù)電場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E的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(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，而且被電磁場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那樣沿著磁力線來回振蕩，待電子能量耗盡時(shí)，在電場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與磁場平行，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改變電子運(yùn)動(dòng)的方向，束縛和延長電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高了電子對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對電子的束縛效應(yīng)?？梢?，正交電磁場的建立，B值的大小及其分布，特別是平行于靶表面的磁場分量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B與電場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、基片為陽極的對數(shù)電場和以靶中永磁體提供的曲線形磁場。
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)永磁體單元的對稱面上，磁力線平行于靶表面并與電場正交。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極之間發(fā)生冷陰極放電時(shí)的電子遷移簡圖
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。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：
圓形平面磁控靶的磁力線
1—陰極；2—極靴；3—*磁鐵；4—磁力線
該磁場是以圓形平面磁控靶軸線為對稱軸的環(huán)狀場。從而實(shí)現(xiàn)了電磁場的正交和對等離子體區(qū)域的封閉的磁控濺射所*的條件。由磁場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)與磁場形狀相對稱的圓環(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)。溫度過高將引起靶材熔化，溫度過低則導(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極的作用。其位置，可以通過合理設(shè)計(jì)屏蔽罩與陰極體之間的間隙來確定，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題zui嚴(yán)重的部位。其原因是端部磁場不均勻并與中部存在著差異。因此，保證磁路的長寬比大于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 |
氣體壓力對平面磁控濺射沉積速率的影響如下圖：
可見，對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。對于磁控濺射鍍膜，由于其電磁場并非均勻，尤其是不均勻的磁場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：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，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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