薄膜物理 第3章溅射法

1、第3章 薄膜的物理气相沉积（2）溅射法 被溅射出来的原子被溅射出来的原子 E0 , M1, Z1 本章主要内容： 3.1 溅射物理的发展史 3.2 气体放电现象 3.3 物质的溅射现象 3.4 溅射装置 3.1 溅射物理的发展史溅射物理的发展史 1853年年Grove就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的就观察到了溅射现象，发现在气体放电室的 器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成 份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因 。 1902年，年，Goldstein 才指出产生

2、这种溅射现象的原因是才指出产生这种溅射现象的原因是 由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他 完成了第一个离子束溅射实验。完成了第一个离子束溅射实验。 返 回 到了到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其 原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理 过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆 的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现的器壁保护、表面分析技术及薄

3、膜制备等都涉及到溅射现 象。象。 1969年，年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的在总结了大量的实验工作的 基础上，对基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，的理论工作进行了推广， 建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得 到了原子溅射产额的公式。到了原子溅射产额的公式。 1974年年，H.H. Andersen 和和H. L. Bay 研究研究 （实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生（实验）了低能重离子辐照固体表面，可以产生 非线性溅射现象，通常称为非线性溅射现象，通常称为“热钉扎热钉扎” (thermalized spike)

4、 效应。效应。 3.2 气体放电现象气体放电现象 在讨论气体放电现象之前，我们 先考思一下直流电场作用下物质的溅射现 象。如图3.1所示真空系统，在对系统抽 真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩 气。在正负电极间外加电压的作用下，电 极间的气体原子将被大量电离，产生氩离 子和可以独立运动的电子，电子在电场作 用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加 速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料， 使大量的靶材料表面原子获得相当高的能 量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。 气体放电是离子溅射过程的基础，下面简单讨论一下气体放 电过程。设有如图3.2a那样的一个直流气体放电体系。 开始：开始：电极间无电流通过，气体原子

5、多处于中性，只有少量的电离粒 子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。 随电压升高：随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒 子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个 垂线段）； 汤生放电：汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之 间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外 电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极 产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分 子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电 流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为 汤生放电。 汤生放电后期称为电晕放电。 辉光放电：辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象

6、。 此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定 导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电 电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足 够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大， 辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光 的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、 分布均匀的等离子体。 弧光放电：弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光 放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极 自身会发生热蒸发。返 回 3.3物质的溅射现象物质的溅射现象 图图3.7（教材第（教材第58页）页）示意性地画出了在离子轰击条件下，固体表面 可能发生的一系列的物理过程，溅射仅是离

7、子对物体表面轰击时 可能发生的物理过程之一。当离子入射到靶材料上时，对于溅射 过程来说比较重要的现象有两个，其一是物质的溅射，其二则是 电子的发射。而后者在电场的作用下获得能量，进而参与气体分 子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。物质原子的溅射是这一 小节重点讨论的内容 1 溅射产额溅射产额 （1）溅射产额的定义）溅射产额的定义 溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入 射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即 每入射一个粒子 溅射出来的原子数 Y 溅射产额同样可以表述为溅射

8、出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅 射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、 电荷态和种类有关。电荷态和种类有关。 （2）溅射产额的影响因素溅射产额的影响因素 a、入射离子能量、入射离子能量 入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响，如图入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响，如图3.9所示。所示。 （a) 各种物质都有自已的溅射阈值，大部分金属的溅射阈值在各种物质都有自已的溅射阈值，大部分金属的溅射阈值在1040eV

9、，只有只有 当入射离子的能量超过这个阈值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质当入射离子的能量超过这个阈值，才会实现对该物质表面原子的溅射。物质 的溅射阈值与它的升华热有一定的比例关系。的溅射阈值与它的升华热有一定的比例关系。表表3.1是各种金属在不同入射离是各种金属在不同入射离 子的情况下的溅射阈值和升华热的数据。子的情况下的溅射阈值和升华热的数据。 (b) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到 10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅

10、射产额反而下降。 如下图如下图 图 3.9 b、入射离子种类和被溅射物质种类、入射离子种类和被溅射物质种类 入射离子种类和被溅射物质种类对物质的溅射产额也有很大的影响。入射离子种类和被溅射物质种类对物质的溅射产额也有很大的影响。 （a）图）图3.10a是在加速电压为是在加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的离子入射的情况下，各种物质的 溅射产额的变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。溅射产额的变化情况。易知，溅射产额呈现明显的周期性。 图图3.10 （b）图）图3.10b是在是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击加速电压条件下各种入射离子轰击Ag表面时得到表面时得到 的溅

11、射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离 子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下 均采用均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。 c、离子入射角度对溅射产额的影响、离子入射角度对溅射产额的影响 图图3.12图图3.11 （b）在溅射过程中，溅射产额随粒子的运动方）在溅射过程中，溅射产额随粒子的运动方 向呈现如图向呈现如图3.12所示的欠余弦分布，即在表面法所示的欠余弦分布，即在表面法

12、线方向上溅射的产额稍低。尤其是当入射离子能线方向上溅射的产额稍低。尤其是当入射离子能 量较低时，这种欠余弦分布的特征更为明显。量较低时，这种欠余弦分布的特征更为明显。 （a）随着离子入射方向与靶面法线间夹角）随着离子入射方向与靶面法线间夹角的的 增加，溅射产额先呈现增加，溅射产额先呈现1/cos 规律的增加，规律的增加， 即倾斜入射有利于提高溅射产额。当入射角即倾斜入射有利于提高溅射产额。当入射角接接 近近80度角时，产额迅速下降。离子入射角对溅度角时，产额迅速下降。离子入射角对溅 射产额的影响如图射产额的影响如图3.11。 d、靶材温度对溅射产额的影响、靶材温度对溅射产额的影响 在一定的温度

13、范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。在一定的温度范围内，溅射产额与靶材温度的关系不大。 但是，当温度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。但是，当温度达到一定水平后，溅射产额会发生急剧的上升。 原因可能与温度升高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阈值原因可能与温度升高之后，物质中原子间的键合力弱化，溅射的能量阈值 减小有关。因此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射减小有关。因此在实际薄膜沉积过程中，均需要控制溅射功率及溅射 靶材的温升。靶材的温升。 图图3.13 （教材第（教材第63页）是在页）是在45keV的的Xe离子入射的情况下，多种物质的离子入射的情况下，多种物质

14、的 溅射产额的变化规律。溅射产额的变化规律。 2 合金的溅射与沉积合金的溅射与沉积 （1）合金的溅射）合金的溅射 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的优点就是：与蒸发法相比，合金的溅射法最大的优点就是： 易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。易保证所制备的薄膜成份与靶材料成份基本一致。 原因：原因：a、不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压、不同元素的溅射产额相差较小，而不同元素的平衡蒸气压 相差太大；相差太大； b、更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对、更重要的是，蒸发源处于熔融状态，易形成扩散甚至对 流，从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面流

15、，从而表现出很强的自发均匀化的倾向，这将导致被蒸发物质的表面 成分持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅成分持续变动；相比之下，溅射过程中靶物质的扩散能力很弱。由于溅 射产额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于射产额差别而造成的靶材表面成分的偏差很快就会使靶材表面成分趋于 某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效某一平衡成分，从而在随后的溅射过程中，实现一种成分的自动补偿效 应：溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集，应：溅射产额高的物质贫化，溅射速率下降；溅射产额低的元素富集， 溅射速率上升。最终的结果是，尽管靶

16、材表面成分已经改变，但溅射出溅射速率上升。最终的结果是，尽管靶材表面成分已经改变，但溅射出 的物的物 质的成分却与靶材的原始成分相同。质的成分却与靶材的原始成分相同。 例如，对于成分为例如，对于成分为80%Ni-20%Fe的合金靶，的合金靶，1keV的的Ar+离子溅射，溅射产离子溅射，溅射产 额分别为：额分别为：S(Ni)=2.2，S(Fe)=1.3。经过一段时间的预溅射之后，靶材表。经过一段时间的预溅射之后，靶材表 面的成分比将逐渐变为面的成分比将逐渐变为Ni/Fe=80*1.3/20*2.2=2.36，即，即70.2%Ni-29.8%Fe。 在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜

17、。在这之后，溅射的成分能够保证沉积出合适成分的薄膜。 （2）溅射法的主要特点）溅射法的主要特点 与蒸发法相比，合金的溅射法最大的主要特点有： a 、在溅射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因 此溅射出的原子将从中获得很大的能量，在沉积时，高能量 的原子对衬底的撞击提高了原子自身在薄膜表面的扩散能力， 使薄膜的组织更致密、附着力也得到明显改善。当然这也会 引起衬底温度的升高。 b、制备合金薄膜时，成分的控制性能好。 c、溅射靶材可以是极难熔的材料。因此，溅射法可以方便地 用于高熔点物质的溅射和薄膜的制备。 d、可利用反应溅射技术，从金属元素靶材制备化合物薄膜。 我们将在反应溅射这一节中讨

18、论。 e、有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜 表面的粗糙度。 表3.2是从沉积原理方面对溅射和蒸发这两种薄膜制备方法 进行的总结与比较 返 回 3.4 溅射沉积装置溅射沉积装置 靶材：靶材：纯金属、合金通过冶炼或粉末冶金法制备，纯度及致密性较好。 化 合 物粉末热压法制备，纯度及致密性较差。 主要溅射法： 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 其他溅射法 1 直流溅射直流溅射 直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适用直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适用 于导电性较好各类合金薄膜。于导电性较好各类合金薄膜。 （1）直流溅射设备）直流溅射设备(如右图）如右图） （2）直流溅射的基本

19、原理：）直流溅射的基本原理： 在对系统抽真空后，充入一定在对系统抽真空后，充入一定 压力的惰性气体，如氩气。在正压力的惰性气体，如氩气。在正 负电极间外加电压的作用下，电负电极间外加电压的作用下，电 极间的气体原子将被大量电离，极间的气体原子将被大量电离， 产生氩离子和可以独立运动的电产生氩离子和可以独立运动的电 子，电子在电场作用下飞向阳极，子，电子在电场作用下飞向阳极， 氩离子则在电场作用下加速飞向氩离子则在电场作用下加速飞向 阴极阴极靶材料，高速撞击靶材料，靶材料，高速撞击靶材料， 使大量的靶材料表面原子获得相使大量的靶材料表面原子获得相 当高的能量而脱离靶材料的束缚当高的能量而脱离靶材

20、料的束缚 飞向衬底。飞向衬底。 （3）溅射条件：工作气压）溅射条件：工作气压10Pa，溅射电，溅射电 压压000V，靶电流密度，靶电流密度0.5mA/cm2,薄膜薄膜 沉积率低于沉积率低于0.1m/min。 （4）工作气压对溅射速率的影响）工作气压对溅射速率的影响 气压低，电子自由程较长，通过碰气压低，电子自由程较长，通过碰 撞而引起的气体分子电离的几率较低，撞而引起的气体分子电离的几率较低， 同时离子在阳极上溅射时发出二次电同时离子在阳极上溅射时发出二次电 子的几率也相对较小。这些导致溅射子的几率也相对较小。这些导致溅射 速率很低；速率很低； 随气压升高，溅射速率提高；随气压升高，溅射速率提

21、高； 气压过高时，溅射出来的原子在飞气压过高时，溅射出来的原子在飞 向衬底的过程中受过多的散射，部分向衬底的过程中受过多的散射，部分 溅射原子甚至被散射回靶材表面沉积溅射原子甚至被散射回靶材表面沉积 下来，因此溅射速率反而下降。下来，因此溅射速率反而下降。 图图3.16 （5）工作气压对薄膜质量的影响）工作气压对薄膜质量的影响 溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量 较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密度。较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密度。 溅射气压的

22、提高使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化。溅射气压的提高使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化。 （6）直流溅射装置的缺点）直流溅射装置的缺点 不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流以及溅射气压；不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流以及溅射气压； 使用的气压较高（使用的气压较高（10Pa左右），溅射速率低，薄膜质量（致密度、纯度）差。左右），溅射速率低，薄膜质量（致密度、纯度）差。 （7）直流溅射装置的改进）直流溅射装置的改进 如图如图3.17所示（教材第所示（教材第70页）。在直流二极溅射的基础上，增加一个发射电子页）。在直流二极溅射的基础上，增加一个发射电子

23、 的热阴极和一个辅助阳极，构成三极（或称四极）溅射装置。的热阴极和一个辅助阳极，构成三极（或称四极）溅射装置。 特点：由于热阴极发射电子的能力较强，特点：由于热阴极发射电子的能力较强， 因而放电气压可以维持在较低水平上，这因而放电气压可以维持在较低水平上，这 对于提高沉积速率、减少气体污染等都是对于提高沉积速率、减少气体污染等都是 有利的。此时提高辅助阳极的电流密度即有利的。此时提高辅助阳极的电流密度即 可提高等离子体的密度和薄膜的沉积速率，可提高等离子体的密度和薄膜的沉积速率， 而轰击靶材的离子流又可以得到独立的调而轰击靶材的离子流又可以得到独立的调 节。节。 缺点：难于获得大面积且分布均匀

24、的等离子体，缺点：难于获得大面积且分布均匀的等离子体， 且在提高薄膜沉积速率方面的能力有限。且在提高薄膜沉积速率方面的能力有限。 2 射频溅射射频溅射 适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。 （1）射频溅射设备（如图）射频溅射设备（如图3.18a） （2）射频溅射的基本原理）射频溅射的基本原理 两极间接上射频（两极间接上射频（530MHz，国际上多采用美国国际上多采用美国 联邦通讯委员会（联邦通讯委员会（FCC）建议的）建议的13.56MHz）电源后，两极）电源后，两极 间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的间等离子体中不断振

25、荡运动的电子从高频电场中获得足够的 能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产 生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（10Pa左右）左右） 产生二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压（产生二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压（ 1Pa 左右）下进行，沉积速率也因此时气体散射少而较二极溅射左右）下进行，沉积速率也因此时气体散射少而较二极溅射 为高；高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而为高；高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而 不必再要求电极一定要是导体；由于射

26、频方法可以在靶材上不必再要求电极一定要是导体；由于射频方法可以在靶材上 产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处 于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其产生自发的于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其产生自发的 轰击和溅射，而在衬底上自偏压效应很小，气体离子对其产轰击和溅射，而在衬底上自偏压效应很小，气体离子对其产 生的轰击和溅射可以忽略，将主要是沉积过程。生的轰击和溅射可以忽略，将主要是沉积过程。 如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？如何理解射频电场对于靶材的自偏压效应？ 由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对

27、于等离子体来说，由于电子的运动速度比离子的速度大得多，因而相对于等离子体来说， 等离子体近旁的任何部位都处于负电位。等离子体近旁的任何部位都处于负电位。 设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它设想一个电极上开始并没有任何电荷积累。在射频电压的驱动下，它 既可作为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极既可作为阳极接受电子，又可作为阴极接受离子。在一个正半周期中，电极 将接受大量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将将接受大量电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期中，它又将 接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。

28、经过这样几接受少量运动速度较慢的离子，使其所带负电荷被中和一部分。经过这样几 个周期后，电极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位。个周期后，电极上将带有一定数量的负电荷而对等离子体呈现一定的负电位。 （此负电位对电子产生排斥作用，使电极此后接受的正负电荷数目相等）（此负电位对电子产生排斥作用，使电极此后接受的正负电荷数目相等） 设等离子电位为设等离子电位为Vp（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极（为正值），则接地的真空室（包含衬底）电极 （电位为（电位为0）对等离子的电位差为）对等离子的电位差为-Vp，设靶电极的电位为，设靶电极的电位为Vc（是一个负值），（是一个负值），

29、 则靶电极相对于等离子体的电位差为则靶电极相对于等离子体的电位差为Vc-Vp。 |Vc-Vp|幅值要远大于幅值要远大于| -Vp|。因因 此，这一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子此，这一较大的电位差使靶电极实际上处在一个负偏压之下，它驱使等离子 体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。书中从电极面积的非体在加速后撞击靶电极，从而对靶材形成持续的溅射。书中从电极面积的非 对称性角度同样解释了不同电极相对于等离子体处不同负电位的原因，见对称性角度同样解释了不同电极相对于等离子体处不同负电位的原因，见P73 第四段落。第四段落。 （3）溅射条件：工作气压）溅射条件：

30、工作气压1.0Pa，溅射电压，溅射电压1000V，靶电流密，靶电流密 度度1.0mA/cm2,薄膜沉积速率低于薄膜沉积速率低于0.5m/min。 （）射频溅射法的特点（）射频溅射法的特点 a、能够产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射，并沉、能够产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射，并沉 积在衬底上；积在衬底上； b、自发产生负偏压的过程与所用靶材是否是导体无关。、自发产生负偏压的过程与所用靶材是否是导体无关。 但是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至靶但是，在靶材是金属导体的情况下，电源须经电容耦合至靶 材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏压；材，以隔绝电荷流通的路径，从而形成自偏

31、压； c、与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能、与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能 量直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应的量直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应的 靶电压较低。靶电压较低。 相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有的两个缺点： a、沉积速率较蒸发法低； b、所需工作气压较高，否则电子的平均自由程太长，放电现象不易维持。 从而导致薄膜被污染的可能性较高。磁控溅射法则因为其沉积速率磁控溅射法则因为其沉积速率 较高（比其他溅射法高出一个数量级），工作气体压力较低而具有独特较高（比其他溅射法高出一个数量级），工作气体压力较低而具有独特

32、的优越性。的优越性。 （1）磁控溅射的基本原理）磁控溅射的基本原理 当电子在正交电磁场中运动时，由于受到洛仑兹力的影响，电子的运动将由当电子在正交电磁场中运动时，由于受到洛仑兹力的影响，电子的运动将由 直线运动变成摆线运动，如图所示。电子将可以被约束在靶材表面附近，延长直线运动变成摆线运动，如图所示。电子将可以被约束在靶材表面附近，延长 其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率。这其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率。这 样，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以显著提高溅射效率和沉积速率。样，既可以降低溅射过程的气体压力，也可以显著提高溅射效

33、率和沉积速率。 磁控溅射磁控溅射 （2）磁控溅射设备）磁控溅射设备 根据靶材形状不同，磁控溅射可以有许多形式，常用的主要有：平面磁控靶、根据靶材形状不同，磁控溅射可以有许多形式，常用的主要有：平面磁控靶、 圆柱磁控靶。圆柱磁控靶。 a、平面磁控靶、平面磁控靶 b、圆柱磁控靶、圆柱磁控靶 这里用的是电磁线圈，书中用这里用的是电磁线圈，书中用 的是永磁铁来提供磁场。的是永磁铁来提供磁场。 （）磁控溅射的特点（）磁控溅射的特点 a、工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性；、工作气压低，沉积速率高，且降低了薄膜污染的可能性； b、维持放电所需的靶电压低；、维持放电所需的靶电压低； c、电子对

34、衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉积温度；、电子对衬底的轰击能量小，可以减少衬底损伤，降低沉积温度； d、空易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。、空易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积。 缺点：缺点：a、对靶材的溅射不均匀；、对靶材的溅射不均匀； b、不适合铁磁材料的溅射，如果铁磁、不适合铁磁材料的溅射，如果铁磁 材料，则少有漏磁，等离子体内无磁力线通过；材料，则少有漏磁，等离子体内无磁力线通过； （）磁控溅射法的改进（）磁控溅射法的改进 保持适度的离子对衬底的轰击效应，保持适度的离子对衬底的轰击效应， 以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。以提高薄膜的质量：附着力、致密度等。 a、采用非平衡磁控溅射法，有意识、采用非平衡磁控溅射法，有意识 地增大（或减小）靶中心的磁体体积，造成地增大（或减小）靶中心的磁体体积，造成 部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近，这 时等离子体的作用扩展到了衬底附近，而部时等离子体的作用扩展到了衬底附近，而部 分电子被加速射向衬底，同时在此过程中造分电子被加速射向衬底，同时在此过程中造 成气体分子