真空磁控溅射技术
真空磁控溅射技术
磁控溅射是目前应用最广泛的一种溅射沉积方法。它是在二极直流溅射的基础上，在靶表面附近增加一个磁场。电子由于受电场和磁场的作用，做螺旋运动，大大提高了电子的寿命，增加了电离产额，从而放电区的电离度提高，即离子和电子的密度增加。放电区的有效电阻变小，电压下降。另外放电区集中在靶表面，放电区中的离子密度高，所以入射到靶表面的离子密度大大提高，因而溅射产额大大增加。
也就是磁场控制溅射方式。
所谓溅射(sputtering)是指被加速的正离子轰击阴极（靶）表面时，将自身的能量传给阴极表面的原子，原子离开阴极沉积在基体上。是动量传递过程。利用溅射现象沉积薄膜的技术称溅射沉积技术。
溅射理论：公认的是碰撞理论，入射离子与固体表面原子发生弹性碰撞后，将其中一部分能量给了原子，该原子的动能超过它与其他原子形成的势垒（对金属约5--10ev)时，原子就会从晶格点阵碰出，形成离位原子，又与其他附近原子发生反复碰撞--联级碰撞。当原子动能超过结合能（1--6ev)时，原子离开表面进入真空室沉积在设置的基体上，形成薄膜。
入射正离子轰击固体表面后除产生原子外，还有其他现象产生，主要是原子和电子。原子沉积在基体上形成薄膜，电子用来维持辉光放电的继续。产生原子的多少用溅射产额（S)表示。
一、溅射产额及其影响因素
溅射产额--单位离子入射到表面后产生的原子数，单位：原子数/离子，也叫溅射率或溅射系数。决定阴极被剥离的速度，并在很大程度上决定薄膜的沉积速率。溅射产额与入射离的能量、质量、种类、入射角度及被溅材料的种类有关。
1、溅射产额与入射离子的关系：
1）与入射离子种类的关系：对于同一种被溅材料，当轰击离子的质量增加时，溅射产额随之增加，而且最大溅射产额出现在周期表惰性气体上；
2）与入射离子能量的关系：在入射离子的能量很低的一个范围内，没有或者几乎没有溅射发生，随着离子能量的增加，溅射产额也增加，当能量继续增加超过某一个值时，溅射产额不但不增加反而还要下降（S=0时的最高能量称为溅射的域值能量，一般为10--30ev）；
3）与离子入射角的关系：当入射角从0°（离子垂直入射到靶面）逐渐增加时，最初的溅射产额（S)也随之增加，当达到某一值（Al为75°）时，S达到最大，角度再增加S反而下降，至90°时，溅射产额下降到零。
2、溅射产额与靶材的关系：
随着原子序数的增加，S值是周期性变化的，材料的电子结构中，d壳层电子越多，该材料
S值就越大。
二、影响溅射粒子能量的
因素：
1、入射离子的能量对溅射粒子的影响：增大入射离子的能量会使溅射粒子的能量相应增加。在低压强状态下，增加溅射功率是提高入射离子能量的有效途径。如果压强太高，溅射原子在离开靶表面向基体运动的过程中就会与室内的气体分子发生碰撞，降低溅射原子的能量；
2、入射离子质量对溅射粒子的影响：质量大的正离子产生的溅射原子具有大的平均能量；
3、正离子入射角对溅射粒子能量的影响:入射角改为60°轰击把表面，溅射粒子能量就会提高。
磁控溅射技术：所谓磁控溅射就是利用阴极表面配合的磁场形成电子陷阱，使在E×B的作用下电子紧贴阴极表面飘移。
设置一个与靶面电场正交的磁场，溅射时产生的快电子在正交的电磁场中作近似摆线运动，增加了电子行程，提高了气体的离化率，同时高能量粒子与气体碰撞后失去能量，基体温度较低，在不耐温材料上可以完成镀膜。分类：
1、平面磁控溅射：
平衡平面溅射是最常用的平面靶磁控溅射，磁力线有闭合回路且与阴极平行，即在阴极表面构成一个正交的电磁场环形区域。等离子体被束缚在靶表面距离靶面大约60cm的区域，通常在基片上加负偏压来改善膜与基体的结合能力；
非平衡平面磁控溅射为了将等离子区域扩展，利用磁体摆放方式的调整，可以方便的获得不同的非平衡磁控源。
2、圆柱磁控溅射沉积技术：利用圆柱形磁控阴极实现溅射的技术磁控源是关键部分，阴极在中心位置的叫磁控源；阳极在中心位置的叫反磁控源。
四、特殊溅射沉积技术：以上面几种做基础，为达到某些特殊目的而产生的溅射技术。
1、反应溅射：可分为两类，第一种情况是靶为纯金属、合金或混合物，通入的气体是反应气体，或Ar加上一部分反应气体；第二种情况是靶为化合物，在纯氩气气氛中溅射产生分解，使膜内缺少一种或多种靶成分，在溅射时需要补充反应气体以补偿损失的成分。常用的反应气体有氧、氮、氧+氮（空气）、乙炔、甲烷等。
1）反应过程，反应发生在表面--靶或基体上，活性气体也可以形成活性基团，溅射原子与活性基团碰撞也会形成化合物沉积在基体上。
当通入的反应气体压强很低，或靶的溅射产额很高时化合物的合成发生在基体上，而且化合物的成分取决于溅射粒子和反应气体到达基体的相对速度，这种条件下，靶面的化学反应消失或者是化合物分解的速度远大于合成的速度；当气体压强继续升高，或溅射产额降低时化合反应达到某个域值，此后在靶上的化学合成
速度大于逸出速度，认为化合物在靶面进行。
2）反应溅射参数与生成物性
能的关系：在纯Ar状态下溅射沉积的时纯铝膜，当氮气被引入真空室后，靶面发生变化，随氮气的量不断上升，填充因子下降，膜内AlN含量上升，膜的介质性提高，方块电阻增加，当氮气达到某一值时，沉积膜就是纯的AlN。同时电流不变的条件下，电压下降，沉积速率降低。
根据膜的导电性的高低可定性的将反应溅射过程分为两种模式--金属模式和化合物模式，介乎两者之间是过渡区。一般认为膜的方块电阻在1000之下是金属模式，大于几M为化合物模式。
由于反应气体量的增加，靶面上会形成一层化合物，薄膜成分变化的同时沉积速率下降当气体量按原来增加量减少时，放电曲线及沉积速率都出现滞后现象。
直流反应溅射出现的问题：
1）靶的污染：靶表面形成了非导电的化合物或者导电很差的化合物之后，除了放电电压及沉积速率变化之外，还会因为靶面状况的动态变化引起膜成分及结构的变化；
2）阳极消失：当阳极上化合物沉积到一定厚度时就中断了电荷传导的通路，造成电荷不断积累，最终阳极失去作用，辉光放电不稳定，沉积的膜层性能不一致。因此经常清理阳极是必要的；
3）极间打火：随阴阳极覆盖化合物，导电性能变差或丧失使电子积累。若要维持辉光放电，必须提高外加电压，结果造成阴极表面化合物的击穿，形成弧光放电。严重的影响溅射过程的稳定性，并造成膜的缺陷。最有效的解决方法是改变放电模式，采用交流及脉冲溅射。
2、中频溅射及脉冲溅射:在靶上加一个交变电压，当工作在负电压阶段时，靶被溅射；工作在正电压阶段时，中和靶面积累的正电荷，这就是交流溅射技术。电压波形是非对称的矩形波的溅射方法称为脉冲溅射；电压波形是对称的方波或正弦波称交流溅射。在一个给定电场强度下，频率越高，溅射产额越低。实验发现在频率为60kHz、80kHz、500kHz和13.5MHz时的溅射产额分别为直流溅射时的100%、85%、70%和55%，通常取10--80kHz。因此也称交流溅射为中频溅射。
中频溅射常用于孪生靶，也叫对靶是近乎完全相同的两个靶相对而立，各自与电源的两个极相连，并与真空室处于悬浮状态。在溅射过程中，两个靶周期性的交替作为阴极和阳极处于低电位的靶吸引正离子产生溅射，处于高电位的另一个靶吸引电子中和靶面积累的正离子，抑制了溅射时的打火现象，同时消除了“阳极消失”现象。中频孪生靶溅射技术有以下特点：
1）有高的沉积速率。中频溅射时靶功率密度是直流时的三
倍情况下可以得到十倍的沉积速率；
2）膜内缺陷低。由于消除了打火现象膜内缺陷比直流溅射时低几个数量级；
3
）膜内应力低，与基体结合力强。由于中频溅射时到达基体的原子能量高于直流溅射，因此沉积时基体温升高，形成的膜较致密；
4）连接简单。中频溅射时电源与靶的连接比射频（13.56MHz)溅射容易，后者需要复杂的阻抗匹配。
脉冲磁控溅射是采用脉冲电源或者直流电源与脉冲生成装置配合，输出脉冲电流驱动磁控溅射沉积。一般使用矩形波电压，既容易获得又有利于研究溅射放电等离子体的变化过程。工作模式与中频溅射。