乱谈磁控溅射VIP免费

磁控溅射技术是目前最重要的工业化大面积真空镀膜技术之一。溅射技术的历史发展如图3-1所示，从中可以看出发展的驱动力主要来自：降低工艺成本、解决工艺难题和满足进一步提高薄膜性能的工艺参数优化。前者关注于靶材利用率、沉积速率、薄膜均匀性以及溅射过程稳定性等方面的问题；后者由于低能离子轰击在薄膜沉积过程中的重要作用，主要要求增加溅射原子离化率和能独立控制/调节微观等离子体工艺参数等，以更好地满足实际镀膜工艺中的多种需求。其中，HIPIMS：高功率脉冲磁控溅射highpowerimpulsemagnetronsputtering，MFMS：中频磁控溅射middlefrequencymagnetronsputtering，CFUBMS：闭合场非平衡磁控溅射closedfieldunbalancedmagnetronsputtering，UBMS：非平衡磁控溅射unbalancedmagnetronsputtering，IBAMS：离子束辅助磁控溅射ionbeamaidingmagnetronsputtering，HCM：空心阴极磁控溅射hollowcathodesputtering，ICPMS：感应耦合等离子磁控溅射inductivelycoupledplasmamagnetronsputtering。（一）磁控溅射工艺原理相对于其它的制备工艺（如CVD、PLD、Spraypyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最为常用的方法之一。概括起来磁控溅射主要具有如下优点[20]：较低的制备温度（可室温沉积）；较高的成膜质量，与衬底附着力好；可控性好，具有较高的沉积速率；可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物；成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。本贴对一般性溅射过程原理部分从略，其详细介绍可参考文献[147-150]，而主要结合制备AZO薄膜的情况，重点对磁控靶构造、磁路设计和部分表观工艺参数（externalparameters）与微观/等离子体参数（plasmaparameters）的关系做一简要评述。按照构造的不同，磁控溅射靶可以分为圆柱靶和平面靶两类，制备AZO薄膜通常使用的是平面靶，所以以下重点讨论平面靶。磁控溅射技术的主要原理就是：同时应用一定强度的磁场（～50－200mT，能显著影响电子运动但不影响离子的运动）和电场（负偏压，约几百V），可以将等离子体（主要是电子）约束在靶面附近（形成非均匀等离子体），增加碰撞几率，提高了离化效率，因而能在较低的工作气压（～0.1－10Pa）和电压下就能起弧/维持辉光放电，而且同时减少了电子对基片的轰击，利于实现低温沉积[149]；另一方面，这种非均匀等离子体也本质上决定了靶面的非均匀刻蚀以及沉积粒子流量（大致表现为薄膜沉积速率）和能量分布的空间非均匀性，但这可以通过优化磁控靶结构构造、磁场位形强度分布和移动基片等措施，在一定程度上予以改善弥补或尽量达到所需参数。等离子体微观工艺参数磁控溅射通常选择“异常辉光放电区”为工作区域，辉光放电典型的等离子体参数如图1(a)所示[20]。其中重要的等离子参数/微观工艺参数主要有:离子流量/能量/角度分布(Ionflux/energy/angledistribution)、中性溅射原子流量/能量/角度分布(neutralsputteredatomflux/energy/angledistribution)、电子温度/密度（Electrontemperature/density）、ji/jn比、以及电场电势分布（如图1(b)所示：鞘层压降Vdc、等离子体空间电位Vp、基片浮点电位Vfl等）等等。这些参数直接影响决定了沉积薄膜生长、结构性能。比如典型地，对于反应溅射AZO薄膜，当阴极压降在300～500V，工作气压在10-1～10Pa时，背景气体Ar平均能量为～0.026eV,密度为1019-1020m-3，鞘层Ar+平均能量在～0.733Vdc[155]；氧气压在～10-2量级，密度为1018-1019m-3；电子温度2-5eV；溅射出的原子多数是呈中性的，能量在～1-10eV量级，在基片处的密度在1016-1017m-3量级。准确的测量出各种等离子体微观工艺参数比较复杂和需要专门的检测仪器[152-153]（如Langmuirprobes,opticalemissionspectroscopy,massandenergyspectroscopy）。简化处理，多数研究者表征粒子流量分布采用ji/jn比值这个参数（其中ji值可以用Langmuir探针测得的离子电流密度来推测到，jn值可以根据沉积速率、薄膜密度、原子量计算出来[185]）；离子能量分布一方面除了采用专用仪器直接测得，另一方面简单的根据Langmuir探针测得等离子体空间电位和基底浮点电位（或零点位或偏压），取其差值就是近似的平...