磁场在磁控溅射中的作用
磁控溅射主要包括放电等离子体输运、靶材刻蚀、薄膜沉积等过程,磁场对磁控溅射各个过程都会产生影响。在磁控溅射系统中加上正交磁场后,电子受到洛伦兹力的作用而做螺旋径迹运动,必须经过不断的碰撞才能渐渐运动到阳极,由于碰撞使得部分电子到达阳极后能量较小,对基片的轰击热也就不大。另外,由于电子受靶磁场的约束,在靶面上的磁作用区域以内即放电跑道这一局部小范围内的电子浓度很高,而在磁作用区域以外特别是远离磁场的基片表面附近,电子浓度就因发散而低得多且分布相对均匀,甚至比二极溅射条件下的还要低(因为两者的工作气体压力相差一个数量级)。轰击基片表面的电子密度低,使得轰击基片造成的温升较低,这就是磁控溅射基片温升低的主要机理。
另外,如果只有电场,电子到达阳极经过的路程将很短,与工作气体的碰撞概率只有63.8%。而加上磁场后,电子在向阳极运动的过程中做螺旋运动,磁场束缚和延长了电子的运动轨迹,大大提高了电子与工作气体的碰撞概率,进而大大促进了电离的发生,电离后再次产生的电子也加入碰撞的过程中,能将碰撞的概率提高几个数量级,有效地利用了电子的能量,因而在形成高密度等离子体的异常辉光放电中,等离子体密度增加。溅射出靶材原子的速率也随之增加,正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效,这就是磁控溅射沉积速率高的原因。此外,磁场的存在还可以使溅射系统在较低气压下运行,低的工作气压可以使离子在鞘层区域减少碰撞,以比较大的动能轰击靶材,并日能够降低溅射出的靶材原子和中性气体的碰撞,防止靶材原子被散射到器壁或被反弹到靶表面,提高薄膜沉积的速率和质量。
靶磁场能够有效约束电子的运动轨迹,进而影响等离子体特性以及离子对靶的刻蚀迹;增加靶磁场的均匀性能够增加靶面刻蚀的均匀性,从而提高靶材的利用率;合理的电磁场分布还能够有效地提高溅射过程的稳定性。因此,对于磁控溅射靶来说,磁场的大小及分布是极其重要的。