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?qū)碾x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(dǎo)體材料,不適于絕緣材料,因?yàn)檗Z擊絕緣靶材時表面的離子電荷無法中和,這將導(dǎo)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(jī)會將變小,甚至不能電離,導(dǎo)致不能連續(xù)放電甚至放電停止,濺射停止。故對于絕緣靶材或?qū)щ娦院懿畹姆墙饘侔胁?,須用射頻濺射法(RF)。
濺射過程中涉及到復(fù)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(fā)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(diǎn)陣中被碰撞出來,產(chǎn)生離位原子,并進(jìn)一步和附近的原子依次反復(fù)碰撞,產(chǎn)生碰撞級聯(lián)。當(dāng)這種碰撞級聯(lián)到達(dá)靶材表面時,如果靠近靶材表面的原子的動能大于表面結(jié)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(jìn)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(shù)。通常,利用低壓惰性氣體輝光放電來產(chǎn)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(fù)高壓或13.56MHz的射頻電壓作用下產(chǎn)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(yīng)濺射等。
由于被濺射原子是與具有數(shù)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(kuò)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(qiáng)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(chǎn)生的離子數(shù)目少,靶材濺射效率低;而在高電壓和高氣壓下,盡管可以產(chǎn)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(fā)熱甚至發(fā)生二次濺射,影響制膜質(zhì)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(fèi),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(jì)70年代開發(fā)出了直流磁控濺射技術(shù),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(diǎn),因而獲得了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
其原理是:在磁控濺射中,由于運(yùn)動電子在磁場中受到洛侖茲力,它們的運(yùn)動軌跡會發(fā)生彎曲甚至產(chǎn)生螺旋運(yùn)動,其運(yùn)動路徑變長,因而增加了與工作氣體分子碰撞的次數(shù),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(zhì)量。同時,經(jīng)過多次碰撞而喪失能量的電子到達(dá)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(yōu)點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)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(chǎn)生顯著的不均勻刻蝕,導(dǎo)致靶材利用率低,一般僅為20%-30%。
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