磁控濺射是一種常用的物理氣相沉積(PVD)方法,具有沉積溫度低、沉積速度快、沉積薄膜均勻性好、成分接近靶材成分等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)濺射技術(shù)的工作原理是:在高真空條件下,入射離子(ar+)在電場(chǎng)作用下轟擊靶材,使靶材表面的中性原子或分子獲得足夠的動(dòng)能,與靶材表面分離,沉積在基板表面形成薄膜。但是,電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響而漂移,導(dǎo)致濺射效率低。短的電子轟擊路徑也會(huì)導(dǎo)致襯底溫度升高。為了提高濺射效率,在靶材下方安裝了強(qiáng)磁體,中心和圓周分別有N極和S極。由于洛倫茲力的作用,電子被束縛在靶材周圍并繼續(xù)做圓周運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生更多的ar+轟擊靶材,大大提高了濺射效率。
雙靶磁控濺射儀是指電子與氬原子在電場(chǎng)E的作用下飛向襯底的過(guò)程中發(fā)生碰撞,使它們電離產(chǎn)生ar正離子和新電子;新的電子飛向基板,Ar離子在電場(chǎng)作用下加速向陰極靶材,以高能量轟擊靶材表面,使靶材濺射。在濺射粒子中,中性靶原子或分子沉積在基板上形成薄膜,產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響,產(chǎn)生e(電場(chǎng))×B(磁場(chǎng))指的方向漂移,稱為E×B漂移,其軌跡近似擺線。
如果是環(huán)形磁場(chǎng),電子會(huì)以近似擺線的形式在目標(biāo)表面做圓周運(yùn)動(dòng)。它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng),而且還束縛在靠近靶材表面的等離子體區(qū)域,大量的AR在該區(qū)域被電離轟擊靶材,從而達(dá)到很高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加,二次電子的能量耗盡,逐漸遠(yuǎn)離靶表面,在電場(chǎng)E的作用下沉積在襯底上。由于電子的能量很低,能量轉(zhuǎn)移對(duì)基板的影響很小,導(dǎo)致基板溫升低。
雙靶磁控濺射儀包括:氣路、真空系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中:
?。?)氣路系統(tǒng):與PECVD系統(tǒng)類似,磁控濺射系統(tǒng)應(yīng)包括完整的氣路系統(tǒng)。然而,與PECVD系統(tǒng)不同的是,PECVD系統(tǒng)中的氣路是反應(yīng)氣體的通道。磁控濺射系統(tǒng)的氣路一般為AR、N2等氣體。這些氣體不參與成膜,而是通過(guò)輝光放電轟擊靶原子,使靶原子獲得能量并沉積在襯底上形成薄膜。
(2)真空系統(tǒng):與PECVD系統(tǒng)類似,在磁控濺射成膜前需要將真空室抽至高真空。因此,它的真空系統(tǒng)還包括機(jī)械泵和分子泵,它們都是高真空系統(tǒng)。
?。?)循環(huán)水冷卻系統(tǒng):在雙靶磁控濺射儀工作過(guò)程中,一些容易發(fā)熱的部件(如分子泵)需要使用循環(huán)水帶走熱量進(jìn)行冷卻,以防止部件損壞。
(4)控制系統(tǒng):綜合控制PECVD系統(tǒng)各部分協(xié)同運(yùn)行完成薄膜沉積,一般與控制柜集成。
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