阴极溅射与溅射阀值能量-磁控溅射基本原理与工况

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1、阴极溅射

  所谓“阴极溅射”就是真空腔体内荷能粒子(主要是工作气体电离后的正离子)轰击阴极靶材,从而引起靶材表面粒子(正离子、原子和分子等)被撞击获能后从靶材表面逸出的现象。它是高能离子轰击阴极,使阴极表面的中性原子或分子获能逸出的过程,溅射是轰击粒子与靶材原子之间动态能量传递的结果。

2、溅射能量阀值

  (1)阴极靶材溅射能量阀值是指将靶材原子溅射出来所须的入射(即轰击)离子的最小能量值;

  (2)当入射离子的能量低于溅射阀值时,虽然可以见到等离子体发出的较强辉光,但是不会发生靶材原子溅射逸出现象;

  (3)溅射能量阀值与入射离子质量无明显依赖关系,但不同的工作气体对靶材溅射能量阀值会产生一定影响。

  (4)不同阴极靶材的溅射能量阀值有很大的不同。溅射能量阀值随靶材原子序数增加而减小(即与原子核外电子能级排列与最外层电子“排列位置”的“满位”或“缺失”状况有关)。大多数金属靶材溅射能量阀值为10~30ev(氩Ar为工作气体)。

  (5)轰击靶材离子的能量可以通过调节靶电源的输出,即改变磁控靶溅射电压进行控制。磁控靶溅射电压还会对溅射沉积的薄膜晶状结构造成影响。

  (6)在磁控靶溅射的工艺过程中,如发现最终未能在基片和工件表面溅射沉积成膜的情况,究其原因,可以从以下几个方面着手分析:

  ① 磁控靶溅射电压是否足够高(靶输出电压的高低可以决定轰击靶材的电离气体离子的能量大小,只有轰击离子的能量大于靶材的溅射能量阀值,溅射才有可能发生)。

  ② 磁控靶是否工作在气体放电伏-安特性曲线的“异常放电”区段上。直流靶电源运行在“异常放电”区段时的典型特点是:调节磁控靶溅射电压高低时,溅射电流随之同步增加或减少;脉冲和射频电源随着输出频率的增高,这种相对应性会减弱,操作人员须在工艺实践中细心体会才能掌握。

  ③ 磁控靶前出现的靶材溅射离子发光的典型颜色是否正确,这是判断靶材是否发生溅射的一个重要衡量标准之一。

  ④ 可能部分靶材(例如铝靶材表面的氧化铝层)的预溅射过程还未结束。

  ⑤ 还可通过测试到达基片和工件的离子数即偏置电流来间接反应靶材溅出离子的沉积状况(这个方法的可靠性不高,当磁控溅射功率较小时,偏置电流太小,不易准确识别)。

  ⑥ 磁控靶的表面温度主要决定于靶材的散热条件和靶材所承受的平均功率的大小。当散热条件确定时,若平均功率的较大,磁控靶可以在偏低一些的溅射电压下进行靶材的溅射;反之,则需较高的电压。这也是同一靶电源,带小靶能够正常进行溅射,而带大靶在很小的功率时溅射难以稳定进行的重要原因之一。

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