磁控溅射淀积技术优化

为了增加成膜速度，常在靶面与基体之间施加电磁场，即采用所谓的磁控溅射技术MSD（Magnetron Sputtering Deposition），以提高气体子的电离速度与薄膜生长速度。磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射，中性的靶原子或分子淀积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）漂移，其运动轨迹靠近靶表面的等离子体区域内，近似于一条长长的摆线。二次电子在长途运动中在该区域中电离出更多的Ar+用来轰击靶材，从而实现了高的淀积速率。

磁控溅射淀积是在溅射的基础上，运用靶板材料自身的电场与磁场的相互电磁交互作用，在靶板附近添加磁场，使得二次电子电离出更多的氩离子，增加溅射效率。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并最终在衬底上淀积成膜的方法。磁控溅射是把磁控原理与普通溅射技术相结合利用磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，以此改进溅射的工艺，使得镀膜厚度及均匀性可控，且制备的薄膜致密性好、黏结力强及纯净度高。目前磁控溅射技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。

磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线，增加了电子和带电粒子以及气体分子相碰撞的概率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，而Ar+离子在高压电场加速作用下，与靶材撞击并释放能量，使靶材表面的靶原子逸出靶材飞向基板，并淀积在基板上形成薄膜，图5-50为磁控溅射原理示意图。由图5-50可以看出，电子被洛伦兹力F=e（v×B）束缚在非均匀磁场中，增强了氩原子的电离。

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图5-50　磁控溅射原理

磁控溅射最典型的特点就是在溅射过程中基板温升低和能实现“高速”溅射。溅射产生二次电子被加速为高能电子后，在正交磁场作用下作摆线运动，不断与气体分子发生碰撞，把能量传递给气体分子，本身变为低能粒子，也就不会使基板过热。溅射速率高是因为二次电子作摆线运动，要经过上百米的飞行才最终被阳极吸收，电子的平均自由程只有10 cm量级，电离效率高，易于放电，溅射速率高达100～1000 nm/min，实现了“高速”溅射。磁控溅射的分类是根据系统所用电源进行分类的，可分为直流溅射、射频溅射、脉冲溅射和中频溅射。

大部分磁控源在1～20 m torr压强下，阴极电压为300～700 V条件下工作。溅射速率约为1～100 nm/min，压强为1E-1～1E-3 torr，溅射功率在几百W左右，基片温度在几百度左右。溅射率基本由在靶上的电流密度、靶与基片距离、靶材、压强、溅射气体组分等决定。当在磁控溅射系统中将射频电压加在绝缘体上时，离子和电子迁移率的不同将导致阴极负自偏压的形成，由此提供给溅射所需的电势。