《磁控濺射原理》PPT課件.ppt

1,磁 控 濺 射 原 理,815TCO,2,outline,磁控濺射原理 磁控濺射分類 直流平面靶濺鍍Al電極 中頻旋轉(zhuǎn)靶濺鍍ZAO和ITO,3,磁控濺射原理,直流輝光放電,右圖為直流輝光放電的發(fā)光區(qū)電位分布 及凈空間電荷沿極間距的分布圖。,靠近陰極有一明亮的發(fā)光區(qū)，稱為陰極 輝光區(qū)。,電子在陰極暗區(qū)發(fā)生大量的電離碰撞， 正離子被加速射向陰極。但是正離子的 遷移率遠(yuǎn)低于電子的遷移率，凈空間電 荷呈正值，在陰極表面附近形成一個正 離子殼層。 陰極暗區(qū)是氣體輝光放電的最基本組 成 部分。,在負(fù)輝光區(qū)，電子碰撞氣體原子產(chǎn)生強烈的發(fā)光。 法拉第暗區(qū)和正柱區(qū)幾乎是等電位區(qū)，不一定是輝光放電所必需。,4,磁控濺射原理,低頻交流輝光放電,在頻率低于50KHz的交流電壓下，離子有足夠的活動能力且有充分的時間，在每個半周期在各個電極上建立直流輝光放電。其機理基本上與直流輝光放電相同。,射頻輝光放電,在一定氣壓下，在陰陽極之間施加交流電壓，當(dāng)其頻率增高到射頻頻率時即可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。,射頻輝光放電在輝光放電空間中電子震蕩足以產(chǎn)生電離碰撞的能量，所以減小了放電對二次電子的依賴，并且能有效降低擊穿電壓。 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)電體，可以濺射任何材料，因此射頻輝光放電廣泛用于介質(zhì)的濺射。 頻率在530MHz都稱為射頻頻率。,5,磁控濺射原理,濺射原理,濺射過程即為入射離子通過一系列碰撞進(jìn)行能量和動量交換的過程。,電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar離子和電子，電子飛向基片，在此過程中不斷和Ar原子碰撞，產(chǎn)生更多的Ar離子和電子。Ar離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。,6,電子在電場力作用下迅速飛向基片表面：,一般濺射鍍膜的不足,電子與Ar原子碰撞幾率低，Ar離子密度偏低，濺射效率低，成膜速度慢。,電子運動路徑短，轟擊在基片上速度快，導(dǎo)致基片溫度升高。,磁控濺射原理,7,磁控濺射原理,電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠(yuǎn)離靶材，最終沉積在基片上。,電子運動路徑變長，與Ar原子碰撞幾率增加， 提高濺射效率。 電子只有在其能量將耗盡時才會落到基片上， 基片溫度上升慢。,8,磁控濺射的優(yōu)點,穩(wěn)定性好 重復(fù)性好 均勻性好 高速 低溫,應(yīng)用廣泛 金屬 非金屬 金屬化合物 非金屬化合物,9,影響濺鍍效率的因素,磁場分布 濺射速率 沉積速率 工作氣壓 工作電壓 濺射功率 靶基距,10,反應(yīng)濺射中的金屬靶中毒,金屬靶表面不斷與反應(yīng)氣體（ O2 等）生成化合物覆蓋層從而使濺射速率大幅度下降甚至不濺射，稱之為靶中毒。 過多的反應(yīng)氣體（O2等)使金屬靶材表面被氧化。 任何不穩(wěn)定因素（如：電?。┒寄芷茐南到y(tǒng)的平衡，導(dǎo)致靶中毒。 在直流濺射中要非常注意濺射參數(shù)的控制。 使用射頻磁控濺射可解決靶中毒問題。 使用中頻磁控濺射可杜絕靶中毒問題。,11,磁控濺射分類,射頻（RF）磁控濺射,直流（DC）磁控濺射,中頻（MF）磁控濺射,12,射頻（RF）磁控濺射,射頻磁控濺射的特點：,電流大，濺射速率高，產(chǎn)量大,膜層與基體的附著力比較強,向基片的入射能量低，避免了 基片溫度的過度升高,大功率的射頻電源價格較高 ，對 于人身防護(hù)也成問題 。,裝置較復(fù)雜，存在絕緣、屏蔽、 匹配網(wǎng)絡(luò)裝置與安裝、電極冷卻 等多種裝置部件 。,射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用 。,13,直流（DC）磁控濺射,. 直流磁控濺射的特點,. 靶材,直流磁控濺射沉積薄膜一般用平面靶。,14,直流（DC）磁控濺射,15,中頻（MF）磁控濺射,中頻交流磁控濺射可用在單個陰極靶系統(tǒng)中。 工業(yè)上一般使用孿生靶濺射系統(tǒng)。,16,中頻（MF）磁控濺射,中頻交流孿生靶濺射的兩個靶位上的工作波形,17,TwinMag II,中頻（MF）磁控濺射,18,一種典型的平面矩形靶,中頻（MF）磁控濺射,19,中頻（MF）磁控濺射,20,旋轉(zhuǎn)靶的優(yōu)點,靶材利用率最高可達(dá) 70% 以上 靶材有更長的使用壽命 更快的濺射速率 杜絕靶中毒現(xiàn)象,中頻（MF）磁控濺射,21,中頻孿生旋轉(zhuǎn)靶磁控濺射,中頻（MF）磁控濺射,22,中頻（MF）磁控濺射,中頻反應(yīng)磁控濺射中的“遲滯回線”現(xiàn)象,Process control: high deposition rate unstable transition mode.,23,三種磁控濺射對比,24,Al背電極工藝參數(shù),制備方法的選擇：采用DC濺射鋁平面矩形靶,工藝參數(shù)：,本底真空2310-3Pa 工作氣壓0.30.6 Pa 基片溫度 200C 工作電壓 工作功率密度 厚度5001000nm,25,前、背電極ZAO工藝參數(shù),制備方法的選擇：采用MF濺射鋅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材,工藝參數(shù)：,本底真空410-4Pa 工作氣壓2.0Pa 基片溫度 200C 反應(yīng)氣體分壓0.15-0.5Pa 工作電