陰極濺射與濺射閥值能量-磁控濺射基本原理與工況

1、陰極濺射

　　所謂“陰極濺射”就是真空腔體內(nèi)荷能粒子(主要是工作氣體電離后的正離子)轟擊陰極靶材，從而引起靶材表面粒子(正離子、原子和分子等)被撞擊獲能后從靶材表面逸出的現(xiàn)象。它是高能離子轟擊陰極，使陰極表面的中性原子或分子獲能逸出的過程，濺射是轟擊粒子與靶材原子之間動(dòng)態(tài)能量傳遞的結(jié)果。

2、濺射能量閥值

　　(1)陰極靶材濺射能量閥值是指將靶材原子濺射出來所須的入射(即轟擊)離子的最小能量值;

　　(2)當(dāng)入射離子的能量低于濺射閥值時(shí)，雖然可以見到等離子體發(fā)出的較強(qiáng)輝光，但是不會(huì)發(fā)生靶材原子濺射逸出現(xiàn)象;

　　(3)濺射能量閥值與入射離子質(zhì)量無明顯依賴關(guān)系，但不同的工作氣體對(duì)靶材濺射能量閥值會(huì)產(chǎn)生一定影響。

　　(4)不同陰極靶材的濺射能量閥值有很大的不同。濺射能量閥值隨靶材原子序數(shù)增加而減小(即與原子核外電子能級(jí)排列與最外層電子“排列位置”的“滿位”或“缺失”狀況有關(guān))。大多數(shù)金屬靶材濺射能量閥值為10~30ev(氬Ar為工作氣體)。

　　(5)轟擊靶材離子的能量可以通過調(diào)節(jié)靶電源的輸出，即改變磁控靶濺射電壓進(jìn)行控制。磁控靶濺射電壓還會(huì)對(duì)濺射沉積的薄膜晶狀結(jié)構(gòu)造成影響。

　　(6)在磁控靶濺射的工藝過程中，如發(fā)現(xiàn)最終未能在基片和工件表面濺射沉積成膜的情況，究其原因，可以從以下幾個(gè)方面著手分析：

　�、� 磁控靶濺射電壓是否足夠高(靶輸出電壓的高低可以決定轟擊靶材的電離氣體離子的能量大小，只有轟擊離子的能量大于靶材的濺射能量閥值，濺射才有可能發(fā)生)。

　　② 磁控靶是否工作在氣體放電伏-安特性曲線的“異常放電”區(qū)段上。直流靶電源運(yùn)行在“異常放電”區(qū)段時(shí)的典型特點(diǎn)是：調(diào)節(jié)磁控靶濺射電壓高低時(shí)，濺射電流隨之同步增加或減少;脈沖和射頻電源隨著輸出頻率的增高，這種相對(duì)應(yīng)性會(huì)減弱，操作人員須在工藝實(shí)踐中細(xì)心體會(huì)才能掌握。

　　③ 磁控靶前出現(xiàn)的靶材濺射離子發(fā)光的典型顏色是否正確，這是判斷靶材是否發(fā)生濺射的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　④ 可能部分靶材(例如鋁靶材表面的氧化鋁層)的預(yù)濺射過程還未結(jié)束。

　�、� 還可通過測(cè)試到達(dá)基片和工件的離子數(shù)即偏置電流來間接反應(yīng)靶材濺出離子的沉積狀況(這個(gè)方法的可靠性不高，當(dāng)磁控濺射功率較小時(shí)，偏置電流太小，不易準(zhǔn)確識(shí)別)。

　　⑥ 磁控靶的表面溫度主要決定于靶材的散熱條件和靶材所承受的平均功率的大小。當(dāng)散熱條件確定時(shí)，若平均功率的較大，磁控靶可以在偏低一些的濺射電壓下進(jìn)行靶材的濺射;反之，則需較高的電壓。這也是同一靶電源，帶小靶能夠正常進(jìn)行濺射，而帶大靶在很小的功率時(shí)濺射難以穩(wěn)定進(jìn)行的重要原因之一。