磁控溅射法制备无机薄膜:实验原理

2.磁控溅射

通常的溅射方法溅射效率不高。为了提高溅射效率,首先需要增加气体的离化效率。为了说明这一点,先讨论一下溅射过程。当经过加速的入射离子轰击靶材(阴极)表面时,会引起电子发射,在阴极表面产生的这些电子,开始向阳极加速后进入负辉光区,并与中性的气体原子碰撞,产生自持的辉光放电所需的离子。这些初始电子(Primary Electrons)的平均自由程随电子能量的增大而增大,但随气压的增大而减小。在低气压下,离子在远离阴极的地方产生,它们的热壁损失较大,同时,有很多初始电子可以以较大的能量碰撞阳极,所引起的损失又不能被碰撞引起的次级发射电子抵消,这时离化效率很低,以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子。通过增大加速电压的方法同时也增加了电子的平均自由程,从而不能有效地增加离化效率。虽然增加气压可以提高离化率,但在较高的气压下,溅射出的粒子与气体碰撞的机会也增大,实际的溅射率也很难有大的提高。

如果加上一平行于阴极表面的磁场,就可以将初始电子的运动限制在邻近阴极的区域,从而增加气体原子的离化效率。常用磁控溅射仪主要使用圆筒结构和平面结构,如图17.3所示。这两种结构中,磁场方向都平行于阴极表面,并将电子运动有效地限制在阴极附近。磁控溅射的制备条件通常为:加速电压300~800 V,磁场50~300 G,气压1~10 mTorr  ,电流密度4~60 mA/cm ,功率密度1~40 W/cm ,对于不同的材料最大沉积速率为100~1000 nm/min。

同溅射一样,磁控溅射也分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。射频磁控溅射中,射频电源的频率通常为50~30 MHz。射频磁控溅射相对于直流磁控溅射的主要优点是不要求作为电极的靶材导电。因此,理论上利用射频磁控溅射可以溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用,溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布,影响溅射效率。因此,磁性材料的靶材需要特别加工成薄片,尽量减少对磁场的影响。

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