平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射
发布时间：2019-01-15
平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar原了电离成为Ar+离子和电子，产生辉光放电，Ar+离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。
电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率。
但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60mm的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。
非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300mm的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图所示。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大的改善了膜层的质量，非平衡磁控溅射系统有两种结构，一种是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，因此该方式很少被采用。另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使衬底离子流密度提高，通常可达5mA/cm2以上。这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。
非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的。比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层。
非平衡磁控溅射技术的运用，使平衡磁控溅射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解决，然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难沉积出均匀的薄膜，而且在电子飞向基体的过程中，随着磁场强度的减弱，一部分电子吸附到真空室壁上，导致电子和离子的浓度下降。对此研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统，以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射，如图为双靶闭合磁场和双靶镜像磁场
比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场分布情况，可以看出在靶材表面附近磁场差别不大，内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀，溅射出大量靶材粒子飞向基体表面。在内部和外环磁极的位置，特别是较强的外环磁极处，以纵向磁场为主，成为二次电子逃离靶面的主要通道，进而成为向镀膜区域输送带电粒子的主要通道。再比较闭合磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布，差别就大了，对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外（真空室壁）弯曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低了电子进而离子的数量。由于镜像磁场方式不能有效地束缚电子，因而等离子体的溅射效率未有得到提高。而闭合磁场非平衡靶对在镀膜区域的纵向磁场是闭合的。只要磁场强度足够，电子就只能在镀膜区域和两个靶之间运动，避免了电子的损失，从而增加了镀膜区域的离子浓度，大幅度提高了溅射效率。
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