磁控溅射镀膜技术的物理过程是什么(磁控溅射镀膜技术的物理过程包括)

导语：磁控溅射镀膜技术的物理过程

导读:

溅射气体离子轰击靶材引起靶材原子溅射

溅射原子在背景气体中的输运过程

溅射原子到达衬底后沉积过程

由于原子生长等对于成膜质量比较关键,因此沉积过程为下文主要介绍方向.

1:溅射气体离子轰击靶材引起靶材原子溅射 :

(1)离子轰击靶材表面时与靶材原子发生动量交换而在靶材内部引发一系列碰撞;一部分靶材原子从碰撞中获得反冲动能从而挣脱表面结合能的束缚而成为溅射原子(也可从作者上篇磁控溅射镀膜原理级联碰撞理解,由于内部运动非常繁琐,针对本技术不需过多了解).

磁控溅射镀膜中,靶偏压一般在 300-500 V,因此 轰击离子能量在 300-500 e V 之间,所以离子轰击靶面所引发的溅射过程属于单一撞击和线性级联碰撞 溅射过程.(还存在热钉扎溅射,由于需要轰击离子能量过高,在磁控溅射技术中几乎不会发生),那么什么是单一撞击和线性级联碰撞呢?

(2)单一撞击:

能量小于1 千电子伏特的离子轰击靶面时,由于离子轰击能量低 ,初始回弹原子的能量(靶材内碰撞后第一波原子)不足以引起靶材内部级联碰撞,导致回弹原子密度低.因此靶材原子主要通过与轰击离子或初始回弹离子直接单次碰撞获得能量的,也因此成为溅射原子.

(3)线性级联碰撞

首先讲一下基础过程,轰击粒子进入靶材的过程中,与靶材中原子发生弹性碰撞.此时,轰击粒子由于电场作用,带有很大的动能,一部分动能传递给了靶材原子,当靶材原子的动能超过其余靶材原子形成的势垒时(金属势垒在5~10 e V之间),破坏了原有的晶格阵点(稳定材质内部原子会成一定规律排列),这种获得动能的原子从晶格阵点碰出,变成离位原子.离位原子运动和周围靶材原子反复碰撞,形成了级联碰撞.当碰撞传递到靶材表面原子时,靶材表面原子获得的动能如果大于表面能,就会发生溅射现象.

2:溅射原子在背景气体中的输运过程

运输过程指的是,溅射原子在像衬底运动时与溅射气体原子发生碰撞,其运动方向会发生改变,也会损失部分能量,这就是运输过程.(此处笔者水平有限,先做简介,后期会做补充)3:溅射原子到达沉底后沉积过程:

(1)吸附和瞬态迁移:

吸附在衬底表面的那一层溅射原子成为增原子并在衬底表面进行瞬态迁移,增原子在瞬态迁移过程中,与衬底原子发生能量交换,从而使自身能量降到解析能以下.除此之外,增原子还会尽量使得体系表面能量最小化 .

(2)形核:

衬底表面增原子浓度达到一定程度 ,相邻增原子聚集成稳态原子岛(可以想象成小球堆成圆锥形).原子岛以原子堆垛的形式长大、合并从而在衬底表面形成连续薄膜 .

(3)薄膜生长:

增原子在衬底表面的迁移、 扩散和形核决定了薄膜的生长模式 .

岛状生长模式(核生长型) :

衬底表面吸附的增原子,一个个聚集成为孤立原子岛,后续沉积的增原子聚集在原子岛上堆垛使得原子岛增大 ,部分原子从原子岛脱落,填充缝隙,形成连续的薄膜.有如下三个阶段:成核阶段;小岛阶段;网络阶段;

大部分成膜属于核生长类型.

二维层状生长 :

溅射靶原子与基材原子之间的结合能接近靶原子之间的结合能,就会尝试层生长型.增原子在衬底表面形核密度低,增原子与衬底表面原子成键并沿衬底表面铺开从而形成台阶,后续沉积的增原子迁移到台阶边缘从而使台阶不断前移,最终导致薄膜二维层状生长.

岛状-层状生长 :

主要发生在溅射靶原子与基板材料相互作用很强的情况下,成膜初期以二维层状模式生长,随后增原子在层状薄膜上形成原子岛状结构而导致薄膜生长模式转化为三维岛状生长.

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