BST薄膜材料制备工艺研究

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3.1射频磁控溅射原理
所谓溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子在电场作用下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子做为轰击粒子。
溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。直流二极溅射利用的是直流辉光放电，三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电，射频溅射是利用射频辉光放电，磁控溅射是利用磁场控制下的辉光放电。
3.1.1磁控溅射
磁控溅射的工作原理如图3-1所示。电子e在电场E的作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子e。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于说明电子的运动情况，我们近似认为二次电子在阴极暗区时只受电场作用，一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速而飞向负辉区，进入负辉区的电子具有一定速度且垂直于磁力线运动。在这种情况下，电子由于受到磁场洛仑兹力的作用而绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。然后电子又在电场的作用下，再次飞离靶面并开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃式地朝E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移。电子在正交电磁场作用下的运动轨迹近似于一条摆线。若为环行磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面作圆周运动。

图3-1  磁控溅射工作原理
Fig. 3-1 Schematic diagram of magnetron sputtering
二次电子在环状磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区中电离出最大的Ar+ 离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射淀积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量消耗殆尽，逐渐远离靶面。并在电场E的作用下最终淀积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片升温较低。另外，对于e2类电子来说，由于磁极轴线处的电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片，但是在磁极轴线处离子密度很低，所以e2电子很少，对基片温升作用极微。
综上所述，磁控溅射的基本原理就是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量耗尽时才沉积在基片上。这就是磁控溅射具有低温、高速两大特点的原因。
3.1.2 射频磁控溅射
由于直流磁控溅射装置需要在溅射靶上加一负电压，因而就只能溅射导体材料，溅射绝缘靶时，由于放电不能持续而不能溅射绝缘物质。为了淀积介质薄膜，导致了射频溅射技术的发展。
射频溅射利用射频辉光放电产生溅射所需正离子。射频电源对绝缘靶之所以能进行溅射镀膜，主要是因为在绝缘靶表面上建立起负偏压的缘故。当溅射靶处于上半周时，由于电子的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高，仅用很短时间就可以飞向靶表面，中和其表面积累的正电荷，从而实现对绝缘材料的溅射。并且在靶面又迅速积累大量的电子，使其表面因空间电荷呈现负电位，导致在射频电压的正半周期时也吸引离子轰击靶材，从而实现了在正、负半周中均可产生溅射。

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