磁控溅射的原理

2020-03-11

  磁控溅射属于辉光放电范畴,利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中,氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到元件表面形成所需膜层。

  磁控原理就是采用正交电磁场的分布控制电场中的电子运动轨迹,使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动,因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。

  在电场的作用下,电子向基片运动,在运动过程中,电子与充入的气体原子相互碰撞,使得电离得到离子以及一个电子,新的电子同样在电场的作用下,向基片运动,而得到的离子在电场的加速作用下,高能量轰击靶材,溅射靶材料。磁控溅射的粒子中,包括电子、离子以及中性粒子。其中溅射出的中性粒子,具有能量,在基片上沉积,形成薄膜。其中溅射得到的电子也称为二次电子,二次电子受到电场和磁场的相互作用。而在阴极暗区,二次电子只受到电场的作用,在负辉区,二次电子只受到磁场作用。二次电子在靶材表面受到电场加速作用,然后以速度进入负辉区,同时,二次电子的速度是垂直于磁场方向的,因此就受到洛伦兹力的作用,在向心力的作用下,做顺时针旋转的运动。当旋转过半周后,二次电子由负辉区进入阴极暗区,在电场的作用下,做减速运动,直至降至零。然后,电子在电场的作用下,反响加速,再次进入负辉区,再次做圆周运动。二次电子在靶材表面螺旋前进,这样增加了电子的运动路径,使得二次电子被缚在靶材表面,增加了与气体原子的碰撞几率,能够电离出更多的离子来轰击靶材,提高溅射速率。同时由于碰撞次数的增多,二次电子的能量下降,逐渐远离靶材表面,终在电场的作用下,沉积到基片上,由于电子的能量很小,对基片的温度影响很小。

  磁控溅射不仅可以得到很高的溅射速率,而且在溅射金属时还可以不让二次电子轰击而使基板保持接近冷态,这对单晶和塑料基板具有重要的意义。可用DC和RF放电工作,故能制备金属膜和介质膜。