磁控濺射制備Al2O3薄膜
發布時間：2020-08-08
磁控濺射鍍膜技術與其它鍍膜技術相比具有沉積溫度低、濺射速率快的優點，在科研領域受到高度關注。
濺射是指真空中帶有能量的入射離子撞擊靶材表面，靶材表面原子獲得能量從靶材表面脫離的現象。如圖所示，帶電離子Ar+轟擊Al靶表面，Al靶表面的Al原子不會直接脫離靶面，被撞擊的Al原子能量會傳遞給臨近的Al原子，從而引起Al靶面點陣連鎖式的碰撞，點陣排列中的Al原子受到周圍Al原子能量的傳遞，當Al原子能量聚集超過原子間結合能時，Al原子就會從Al靶表面逸出，濺射發生，濺射出的Al原子與O2反應形成Al2O3薄膜沉積在基底上。
（1）直流濺射
直流濺射時靶材為陰極，電源為直流電源，電荷會不斷累計，所以直流磁控濺射的靶材適用于金屬材料和導體材料，不適用于絕緣材料。以絕緣材料為直流濺射靶材，靶面受離子轟擊，大量正電荷聚集于靶表面，靶材由于作為陰極建立的負偏壓減弱，同時電場強度也因靶表面電位增加而降低，入射離子因能量不足無法濺射。
濺射過程中，需不斷提高放電電壓，基底不斷受到高能粒子的轟擊，容易損傷沉積薄膜并引起基底溫度升高。當沉積金屬薄膜時，如果入射Ar+轟擊正在沉積的薄膜，沉積的薄膜吸收入射Ar+的能量，將會導致沉積薄膜的晶格結構發生生長或收縮。當工作氣壓較低(＜0.1Pa)時，Ar難電離，無法維持濺射；工作氣壓較高(＞3.0Pa)時，沉積的薄膜質量較低。因此選定濺射氣壓0.1Pa～3.0Pa來進行反應，此時能夠持續放電，使二次電子產生足夠的能量離化濺射離子。
直流磁控濺射Al2O3薄膜時一般采用高純Al靶為濺射靶材，通入O2和Ar進行反應濺射。如圖所示，電子e在電場E作用下飛向基底，電子e運動過程中與Ar產生碰撞，Ar被電離產生Ar+和新的電子e，Ar+在電場E作用下加速飛向陰極Al 靶，進而對Al靶進行轟擊。碰撞產生的二次電子在磁場B和電場E的共同作用下形成一條類似于擺線的運動軌跡。磁場形狀為環形，電子在磁場B作用下在Al靶周圍產生環形運動軌跡，且只能在Al靶周圍的等離子體區域運動，同時在該區域Ar的電離程度增大，電離產生大量Ar+轟擊Al靶表面，Al原子濺射率增加，Al原子與O2進行反應沉積到基底上形成Al2O3薄膜，Al2O3薄膜的沉積速率增加。二次電子e在電場E的作用下運動至基底上，由于電子e在Al靶周圍等離子區域的運動過程中不斷碰撞，能量消耗較大，所以到達基底上的能量較弱，基底溫升較低。所以直流磁控濺射Al2O3薄膜具有沉積速率快、沉積溫度低等優勢。
（2）射頻濺射
射頻磁控濺射是在靶材陰極上加載高頻電壓，等離子體區域中的離子和電子將會在高頻電場的驅動下向靶面移動，離子的運動速率較電子運動速率高，所以離子向靶材陰極的移動跟不上靶材陰極高頻信號的變化。在正半周期內將有大量電子運動至靶材表面，靶面帶有負的自偏壓，負偏壓加載在電磁場中，離子得以加速運動，濺射現象產生。磁控濺射多元成分的合金或化合物薄膜時，調節濺射工藝參數能夠改變薄膜的性能質量，但是直流磁控濺射介質薄膜時會出現靶中毒現象，濺射不穩定。當采用射頻濺射絕緣層薄膜時靶中毒現象就不會發生。
Al靶處于電源負半周期，Ar+對Al 靶進行轟擊，如(a)所示；同時，能量損失殆盡的Ar+沉積在Al靶表面，如圖 2.3(b)所示；當Al靶處于電源正半周期時，靶面的Ar+與轟擊Al靶表面的電子e抵消，如圖(c)所示。在射頻電源的一個周期內電子e和Ar+輪流轟擊Al靶表面，Al靶受到轟擊的時間和電壓都會增加，Al2O3薄膜被連續不斷的沉積出來。射頻電源與沉積在Al靶陰極表面的Ar+進行中和，靶面電位被降低。陰極靶又為永磁靶，即在陰極靶的內側裝有永磁鐵建立磁場來限制電子的運動區域和軌跡，使電子沿著Al靶做周期性運動來加大與Ar的碰撞程度，Al靶與Al2O3靶射頻沉積Al2O3薄膜相比，Al靶射頻沉積Al2O3薄膜中Al元素充足且效率高。
內容摘自《直流、射頻磁控濺射制備Al2O3薄膜工藝探索及其性能的研究》
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