《磁控溅射原理》PPT课件

让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 1磁 控 溅 射 原 理815 TCO 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 2outline磁 控 溅 射 原 理磁 控 溅 射 分 类直 流 平 面 靶 溅 镀 Al电 极中 频 旋 转 靶 溅 镀 ZAO和 ITO 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 3磁 控 溅 射 原 理直 流 辉 光 放 电 右 图 为 直 流 辉 光 放 电 的 发 光 区 电 位 分 布 及 净 空 间 电 荷 沿 极 间 距 的 分 布 图 。 靠 近 阴 极 有 一 明 亮 的 发 光 区 ， 称 为 阴 极 辉 光 区 。 电 子 在 阴 极 暗 区 发 生 大 量 的 电 离 碰 撞 ， 正 离 子 被 加 速 射 向 阴 极 。 但 是 正 离 子 的 迁 移 率 远 低 于 电 子 的 迁 移 率 ， 净 空 间 电 荷 呈 正 值 ， 在 阴 极 表 面 附 近 形 成 一 个 正 离 子 壳 层 。 阴 极 暗 区 是 气 体 辉 光 放 电 的 最 基 本 组 成 部 分 。 在 负 辉 光 区 ， 电 子 碰 撞 气 体 原 子 产 生 强 烈 的 发 光 。 法 拉 第 暗 区 和 正 柱 区 几 乎 是 等 电 位 区 ， 不 一 定 是 辉 光 放 电 所 必 需 。 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 4磁 控 溅 射 原 理低 频 交 流 辉 光 放 电在 频 率 低 于 50KHz的 交 流 电 压 下 ， 离 子 有 足 够 的 活 动 能 力 且 有 充 分 的 时 间 ， 在每 个 半 周 期 在 各 个 电 极 上 建 立 直 流 辉 光 放 电 。 其 机 理 基 本 上 与 直 流 辉 光 放 电 相同 。射 频 辉 光 放 电在 一 定 气 压 下 ， 在 阴 阳 极 之 间 施 加 交 流 电 压 ， 当 其 频 率 增 高 到 射 频 频 率 时 即 可产 生 稳 定 的 射 频 辉 光 放 电 。射 频 辉 光 放 电 在 辉 光 放 电 空 间 中 电 子 震 荡 足 以 产 生 电 离 碰 撞 的 能 量 ， 所 以 减 小了 放 电 对 二 次 电 子 的 依 赖 ， 并 且 能 有 效 降 低 击 穿 电 压 。 射 频 电 压 可 以 穿 过 任 何 种 类 的 阻 抗 ， 所 以 电 极 就 不 再 要 求 是 导 电 体 ， 可 以 溅 射任 何 材 料 ， 因 此 射 频 辉 光 放 电 广 泛 用 于 介 质 的 溅 射 。频 率 在 5 30MHz都 称 为 射 频 频 率 。 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 5磁 控 溅 射 原 理溅 射 原 理溅 射 过 程 即 为 入 射 离 子 通 过 一 系 列 碰 撞 进 行 能 量 和 动 量 交 换 的 过 程 。 电 子 在 电 场 的 作 用 下 加 速 飞向 基 片 的 过 程 中 与 Ar原 子 发生 碰 撞 ， 电 离 出 大 量 的 Ar离子 和 电 子 ， 电 子 飞 向 基 片 ，在 此 过 程 中 不 断 和 Ar原 子 碰撞 ， 产 生 更 多 的 Ar离 子 和 电子 。 Ar离 子 在 电 场 的 作 用 下加 速 轰 击 靶 材 ， 溅 射 出 大 量的 靶 材 原 子 ， 呈 中 性 的 靶 原子 （ 或 分 子 ） 沉 积 在 基 片 上成 膜 。 靶 材基 片V (0)E +Ar Ar+-e -e -e +Ar+ 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 6电 子 在 电 场 力 作 用 下 迅 速 飞 向 基 片 表 面 ：一 般 溅 射 镀 膜 的 不 足电 子 与 Ar原 子 碰 撞 几 率 低 ， Ar离 子 密 度 偏 低 ， 溅 射 效 率 低 ， 成 膜 速 度 慢 。电 子 运 动 路 径 短 ， 轰 击 在 基 片 上 速 度 快 ， 导 致 基 片 温 度 升 高 。磁 控 溅 射 原 理 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 7磁 控 溅 射 原 理 电 子 在 加 速 飞 向 基 片 的 过 程 中 受 到磁 场 洛 仑 磁 力 的 影 响 ， 被 束 缚 在 靠近 靶 面 的 等 离 子 体 区 域 内 ， 并 在 磁场 的 作 用 下 围 绕 靶 面 作 圆 周 运 动 ，该 电 子 的 运 动 路 径 很 长 ， 在 运 动 过程 中 不 断 的 与 氩 原 子 发 生 碰 撞 电 离出 大 量 的 氩 离 子 轰 击 靶 材 ， 经 过 多次 碰 撞 后 电 子 的 能 量 逐 渐 降 低 ， 摆脱 磁 力 线 的 束 缚 ， 远 离 靶 材 ， 最 终沉 积 在 基 片 上 。 电 子 运 动 路 径 变 长 ， 与 Ar原 子 碰 撞 几 率 增 加 ， 提 高 溅 射 效 率 。 电 子 只 有 在 其 能 量 将 耗 尽 时 才 会 落 到 基 片 上 ， 基 片 温 度 上 升 慢 。 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 8磁 控 溅 射 的 优 点 稳 定 性 好 重 复 性 好 均 匀 性 好 高 速 低 温 应 用 广 泛 金 属 非 金 属 金 属 化 合 物 非 金 属 化 合 物 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 9影 响 溅 镀 效 率 的 因 素 磁 场 分 布 溅 射 速 率 沉 积 速 率 工 作 气 压 工 作 电 压 溅 射 功 率 靶 基 距 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 10反 应 溅 射 中 的 金 属 靶 中 毒 金 属 靶 表 面 不 断 与 反 应 气 体 （ O2 等 ） 生 成 化 合 物 覆 盖 层 从而 使 溅 射 速 率 大 幅 度 下 降 甚 至 不 溅 射 ， 称 之 为 靶 中 毒 。 过 多 的 反 应 气 体 （ O2等 )使 金 属 靶 材 表 面 被 氧 化 。 任 何 不 稳 定 因 素 （ 如 ： 电 弧 ） 都 能 破 坏 系 统 的 平 衡 ， 导 致靶 中 毒 。 在 直 流 溅 射 中 要 非 常 注 意 溅 射 参 数 的 控 制 。 使 用 射 频 磁 控 溅 射 可 解 决 靶 中 毒 问 题 。 使 用 中 频 磁 控 溅 射 可 杜 绝 靶 中 毒 问 题 。 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 11磁 控 溅 射 分 类 射 频 （ RF） 磁 控 溅 射 直 流 （ DC） 磁 控 溅 射 中 频 （ MF） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 12射 频 （ RF） 磁 控 溅 射射 频 磁 控 溅 射 的 特 点 ：电 流 大 ， 溅 射 速 率 高 ， 产 量 大膜 层 与 基 体 的 附 着 力 比 较 强 向 基 片 的 入 射 能 量 低 ， 避 免 了 基 片 温 度 的 过 度 升 高 大 功 率 的 射 频 电 源 价 格 较 高 ， 对 于 人 身 防 护 也 成 问 题 。装 置 较 复 杂 ， 存 在 绝 缘 、 屏 蔽 、 匹 配 网 络 装 置 与 安 装 、 电 极 冷 却 等 多 种 装 置 部 件 。射 频 溅 射 不 适 于 工 业 生 产 应 用 。 1-磁 极 2-屏 蔽 罩 3-基 片 4-基 片 加 热 装 置5-溅 射 靶 6-磁 力 线 7-电 场 8-挡 板9-匹 配 网 络 10-电 源 11-射 频 发 生 器右 图 为 射 频 磁 控 溅 射 实 验 装置 示 意 图 。 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 13直 流 （ DC） 磁 控 溅 射 1-磁 极 2-屏 蔽 罩 3-基 片 4-基 片 加 热 装 置 5-溅 射 靶 6-磁 力 线 7-电 场 8-挡 板 直 流 磁 控 溅 射 装 置 图 与 射 频 磁控 溅 射 装 置 图 相 比 ， 其 不 需 要 外 部复 杂 的 网 络 匹 配 装 置 和 昂 贵 的 射 频电 源 装 置 ， 适 合 溅 射 导 体 或 者 半 导体 材 料 。 现 已 经 在 工 业 上 大 量 使 用。 . 直 流 磁 控 溅 射 的 特 点 . 靶 材 直 流 磁 控 溅 射 沉 积 薄 膜 一 般用 平 面 靶 。圆 形 平 面 靶 ： 15%矩 形 平 面 靶 ： 30% 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 14直 流 （ DC） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 15中 频 （ MF） 磁 控 溅 射中 频 交 流 磁 控 溅 射 可 用 在 单 个 阴 极 靶 系 统 中 。工 业 上 一 般 使 用 孪 生 靶 溅 射 系 统 。 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 16中 频 （ MF） 磁 控 溅 射中 频 交 流 孪 生 靶 溅 射 的 两 个 靶 位 上 的 工 作 波 形 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 17TwinMag II中 频 （ MF） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 18一 种 典 型 的 平 面 矩 形 靶中 频 （ MF） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 19中 频 （ MF） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 20旋 转 靶 的 优 点 靶 材 利 用 率 最 高 可 达 70% 以 上 靶 材 有 更 长 的 使 用 寿 命 更 快 的 溅 射 速 率 杜 绝 靶 中 毒 现 象中 频 （ MF） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 21中 频 孪 生 旋 转 靶 磁 控 溅 射中 频 （ MF） 磁 控 溅 射 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 22中 频 （ MF） 磁 控 溅 射中 频 反 应 磁 控 溅 射 中 的 “ 迟 滞 回 线 ” 现 象Process control: high deposition rateunstable transition mode. 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 23三 种 磁 控 溅 射 对 比DC MF RF电 源 价 格 便 宜 一 般 昂 贵靶 材 圆 靶 /矩 形 靶 平 面 靶 /旋 转 靶 实 验 室 一 般 用 圆 平 面 靶靶 材 材 质 要 求 导 体 无 限 制 无 限 制抵 御 靶 中 毒 能 力 弱 强 强靶 材 利 用 率 15 / 30 30 / 70应 用 金 属 金 属 /化 合 物 工 业 上 不 采 用 此 法 易 打 弧 ， 不 稳 定在 反 应 溅 射 中 要 严 格控 制 反 应 气 体 流 量 工 作 稳 定 ，无 打 弧 现 象 ，溅 射 速 率 快 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 24Al背 电 极 工 艺 参 数制 备 方 法 的 选 择 ： 采 用 DC溅 射 铝 平 面 矩 形 靶 工 艺 参 数 ： 本 底 真 空 23 10-3Pa 工 作 气 压 0.30.6 Pa 基 片 温 度 200C 工 作 电 压 工 作 功 率 密 度 厚 度 5001000nm 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 25前 、 背 电 极 ZAO工 艺 参 数制 备 方 法 的 选 择 ： 采 用 MF溅 射 锌 铝 合 金 旋 转 靶 材工 艺 参 数 ： 本 底 真 空 4 10-4Pa 工 作 气 压 2.0Pa 基 片 温 度 200C 反 应 气 体 分 压 0.15-0.5Pa 工 作 电 压 工 作 能 量 密 度 9.3W/cm2 厚 度 前 电 极 800 1000nm 背 电 极 60 100nm 让 不 可 能 成 为 可 能 Making the IMPOSSIBLE possible 26ITO工 艺 参 数 基 片 温 度 330C 工 作 电 压 115V 工 作 气 压 0.3 0.5Pa 气 体 中 氧 含 量 ： 15 20 沉 积 速 率 15 30nm/min