磁控溅射的利用效率
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发布时间：2022-04-25 12:16
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时间：2023-05-09 05:45
磁控溅射靶材的利用率可成为磁控溅射源的工程设计和生产工艺成本核算的一个参数。截止2012年，还没有见到对磁控溅射靶材利用率专门或系统研究的报道，而从理论上对磁控溅射靶材利用率近似计算的探讨具有实际意义。对于静态直冷矩形平面靶，即靶材与磁体之间无相对运动且靶材直接与冷却水接触的靶， 靶材利用率( 最大值) 数据多在20%~30%左右(间冷靶相对要高一些，但其被刻蚀过程与直冷靶相同，不作专门讨论)，且多为估计值。为了提高靶材利用率，研究出来了不同形式的动态靶，其中以旋转磁场圆柱靶最著名且在工业上被广泛应用，据称这种靶材的利用率最高可超过70%，但缺少足够数据或理论证明。常见的磁控溅射靶材从几何形状上看有三种类型：矩形平面、圆形平面和圆柱管
如何提高利用率是真空磁控溅射镀膜行业的重点,圆柱管靶利用高,但在有些产业是不适用。
利用外加磁场捕捉电子，延长和束缚电子的运动路径，搞高离化率，增加镀膜速率。
1)溅射粒子(主要是原子，还有少量离子等)的平均能量达几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能kT高得多(3000K蒸发时平均动能仅0.26eV)，溅射粒子的角分布与入射离子的方向有关。(2)入射离子能量增大(在几千电子伏范围内)，溅射率(溅射出来的粒子数与入射离子数之比)增大。入射离子能量再增大，溅射率达到极值；能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降。(3)入射离子质量增大，溅射率增大。(4)入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增大(倾斜入射比垂直入射时溅射率大)。(5)单晶靶由于焦距碰撞(级联过程中传递的动量愈来愈接近原子列方向)，在密排方向上发生优先溅射。(6)不同靶材的溅射率很不相同。 磁控溅射通常的溅射方法，溅射效率不高。为了提高溅射效率，首先需要增加气体的离化效率。为了说明这一点，先讨论一下溅射过程。当经过加速的入射离子轰击靶材(阴极)表面时，会引起电子发射，在阴极表面产生的这些电子，开始向阳极加速后进人负辉光区，并与中性的气体原子碰撞，产生自持的辉光放电所需的离子。这些所谓初始电子(primary electrons )的平均自由程随电子能量的增大而增大，但随气压的增大而减小。在低气压下，离子是在远离阴极的地方产生，从而它们的热壁损失较大，同时，有很多初始电子可以以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失又不能被碰撞引起 的次级发射电子抵消，这时离化效率很低，以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子。通过增大加速电压的方法也同时增加了电子的平均自由程，从而也不能有效地增加离化效率。虽然增加气压可以提高离化率，但在较高的气压下，溅射出的粒子与气体的碰撞的机会也增大，实际的溅射率也很难有大的提高。如果加上一平行于阴极表面的磁场，就可以将初始电子的运动*在邻近阴极的区域，从而增加气体原子的离化效率。
常用磁控溅射仪主要使用圆筒结构和平面结构，这两种结构中，磁场方向都基本平行于阴极表面，并将电子运动有效地*在阴极附近。磁控溅射的制备条件通常是，加速电压：300~800V，磁场约：50~300G，气压：1 ~10 mTorr，电流密度：4~60mA/cm ，功率密度：1~40W/cm ，对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm/min到1000nm/min。同溅射一样，磁控溅射也分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。射频磁控溅射中，射频电源的频率通常在50~30MHz。射频磁控溅射相对于直流磁控溅射的主要优点是，它不要求作为电极的靶材是导电的。因此，理论上利用射频磁控溅射可以溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布，影响溅射效率。因此，磁性材料的靶材需要特别加工成薄片，尽量减少对磁场的影响。
