磁控濺射設備就是在真空中使用荷能粒子炮擊靶外表,使被炮擊出的粒子沉積在基片上的技能。通常,使用低壓惰性氣體輝光放電來發生入射離子。陰極靶由鍍膜資料制成,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的射頻電壓效果下發生輝光放電。電離出的氬離子炮擊靶外表,使得靶原子濺出并沉積在基片上,形成薄膜。濺射方法許多,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、非對稱溝通射頻濺射、離子束濺射以及反應濺射等。因為被濺射原子是與具有數十電子伏特能量的正離子交流動能后飛濺出來的,因而濺射出來的原子能量高,有利于進步沉積時原子的分散能力,進步沉積組織的細密程度,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,氣體離子在電場效果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,發生的離子數目少,靶材濺射效率低;而在高電壓和高氣壓下,盡管能夠發生較多的離子,但飛向基片的電子攜帶的能量高,容易使基片發熱乃至發生二次濺射,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磕碰幾率也大為增加,因而被散射到整個腔體,既會形成靶材浪費,又會在制備多層膜時形成各層的污染。為了處理陰極濺射的缺陷,人們在20世紀70年代開發出了直流磁控濺射技能,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:在磁控濺射中,因為運動電子在磁場中遭到洛侖茲力,它們的運動軌道會發生曲折乃至發生螺旋運動,其運動途徑變長,因而增加了與作業氣體分子磕碰的次數,使等離子體密度增大,從而磁控濺射速率得到很大的進步,并且能夠在較低的濺射電壓和氣壓下作業,下降薄膜污染的傾向;另一方面也進步了入射到襯底外表的原子的能量,因而能夠在很大程度上改進薄膜的質量。一起,通過多次磕碰而損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。因而磁控濺射法具有“高速”、“低溫”的長處。該方法的缺陷是不能制備絕緣體膜,并且磁控電極中采用的不均勻磁場會使靶材發生明顯的不均勻刻蝕,導致靶材使用率低,一般僅為20%-30%。
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