全自動磁控濺射系統技術分類

更新時間：2016-01-23

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    全自動磁控濺射系統是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導體、絕緣體等多材料，且具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優點，而上世紀 70 年代發展起來的全自動磁控濺射系統法更是實現了高速、低溫、低損傷。因為是在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。全自動磁控濺射系統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。

全自動磁控濺射系統技術分類
    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。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。
    為了解決陰極濺射的缺陷，人們在20世紀70年代開發出了全自動磁控濺射技術，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：在全自動磁控濺射系統中，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，從而全自動磁控濺射系統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。因此全自動磁控濺射系統法具有“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%。

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