磁致濺射儀是套用於各種金屬薄膜的濺射蒸鍍儀器，在惰性氣體或者活性氣體中在陽極和陰極蒸發材料間加上幾百伏的直流電壓，使之產生輝光放電，放電中的離子碰撞到陰極的蒸發材料靶上，靶材的原子就會由其表面蒸發出來，蒸發原子被惰性氣體冷卻而凝結或與活性氣體反應而形成納米顆粒。
基本介紹
- 中文名：磁致濺射儀
- 外文名：Magnetron sputtering device
- 又稱：磁控濺射儀
- 所屬學科：自旋電子學
- 薄膜形成：核生長型、層生長型、層核生長型
- 優點：高濺射速率
工作原理,儀器結構,功能,薄膜的形成,核生長型,層生長型,層核生長型,製備優點,
工作原理
濺射法的原理是在惰性氣體或者活性氣體中在陽極和陰極蒸發材料間加上幾百伏的直流電壓，使之產生輝光放電，放電中的離子碰撞到陰極的蒸發材料靶上，靶材的原子就會由其表面蒸發出來，蒸發原子被惰性氣體冷卻而凝結或與活性氣體反應而形成納米顆粒。濺射是一個複雜的過程。濺射過程是建立在氣體輝光放電基礎上的。當兩電極上加上一個直流電壓時，由於宇宙線產生的游離離子和電子是很有限的，所以開始只有很小的電流。隨著電壓的升高，帶電離子和電子獲得了足夠的能量，與中性氣體分子碰撞產生電離，使電流平穩提高，但是電壓卻受到電源的高輸出阻抗限制而呈現一常數，這一區域稱為“湯姆森放電”。一旦產生了足夠多的離子和電子後，放電達到自持，氣體開始起輝，出現電壓降。進而增大電源的功率，電壓維持不變，電流平穩增加，這就是“正常輝光放電區”。當離子轟擊覆蓋整個陰極表面後，繼續增加電源功率，可同時提高放電區內的電壓和電流密度，形成均勻穩定的“異常輝光放電”，這個放電區就是濺射區域。如果達到了異常輝光放電區後，繼續增大電壓，一方面因更多的正離子轟擊陰極而產生大量的電子發射;另一方面因陰極強電場使暗區收縮，當電流密度達到了一定值時，電壓開始急劇下降，出現了低壓大電流弧光放電，這在濺射中應該力求避免。同時，在濺射過程中氣壓太低或者距離太小，均會使輝光放電熄滅，這是因為沒有足夠的氣體分子被碰撞產生離子和二次電子。氣壓太高，二次電子因多次被碰撞而得不到加速，也不能產生輝光放電。在這種成膜的過程中，蒸發材料在形成膜的時候並沒有熔融。它不像其它方法那樣，諸如真空沉積，要在蒸發材料被加熱和熔融之後，其原子才會從表面發射出來。
儀器結構
- 輸氣系統：濺射中需要通入高純氫氣作為濺射氣體。有時需要通入、等進行反應濺射。系統現有兩路質量流量計，所用的氣體可以選擇合適的流量進入真空室。
- 加熱系統：在樣品托上配有加熱電阻絲，襯底溫度在室溫範圍內可調。襯底的溫度可通過熱電偶測量及其相連電路進行控制。
- 濺射系統：磁控濺射儀的真空室中有三個磁控陰極靶，被水冷套冷卻。真空室上部放置有直徑為的圓形樣品托。陰極靶與樣品托之間的距離在內連續可調。
功能
- 各種金屬薄膜的濺射蒸鍍
- 各種金屬、非金屬化合物薄膜的濺射沉積
薄膜的形成
核生長型
這種類型形成過程的特點是，到達基片上的原子首先凝聚成核，後續飛來的原子不斷集聚在核的附近使核在三維方向不斷成長，最終形成薄膜。大部分薄膜的形成過程都屬於這種類型。核生長型的薄膜其生長過程可以分為如下四個階段。
(l)成核階段碰撞到基片上的原子，其中一部分與基片原子交換的能量很少，仍具有相當大的能量，所以能返回氣相。而另一部分則被吸附在基片的表面上，這種吸附主要是物理吸附，原子將在基片表面停留一定的時間。由於原子本身還具有一定的能量，同時還可以從基片得到熱能，因此原子有可能在表面進行遷移或者擴散。在這一過程中，原子有可能再蒸發，也可能與基片發生化學作用而形成化學吸附，還可能遇到其它的蒸發原子而形成原子對或者原子團，發生後兩種情況時，原子再蒸發與遷移的可能性極小，從而逐漸形成穩定的凝聚核。
(2)小島階段當凝聚晶核達到一定的濃度以後。繼續蒸發就不再形成新的晶核。新蒸發來的吸附原子通過表面遷移將集聚在己有的晶核上，使晶核生長並形成小島，這些小島通常是三維結構，並多數己具有該種物質的晶體結構，即己形成微晶粒。
(3)網路階段隨著小島的生長，相鄰的小島會互相接觸並彼此結合，結合的過程有點類似兩個小液滴結合成一個大液滴的情況。這是由於小島在結合時會釋放出一定的能量，這些能量足以使相互接觸的微晶狀小島瞬時熔化，在結合以後，由於溫度下降新生成的島將重新結晶。電子衍射結果發現，在尺寸和結晶取向不同的兩個島相結合時，得到的微晶的結晶取向與原來較大的小島的相同。隨著小島的不斷結合，將形成一些具有溝道的網路狀薄膜。
(4)連續薄膜繼續蒸發時，吸附原子將填充這些空溝道，此時也有可能在空溝道中生成新的小島，由小島的生長來填充空溝道，最後形成連續薄膜。
層生長型
這種生長類型的特點是，蒸發原子首先在基片表面以單原子層的形式均勻地翟蓋一層，然後再在三維方向上生長更多的層。這種生長方式多數發生在基片原子與蒸發原子間的結合能接近於蒸發原子間的結合能的情況下。層生長型的過程大致如下:入射到基片表面的原子，經過表面擴散並與其它原子碰撞後形成二維的核，二維核捕捉周圍的吸附原子便生長為二維小島。這類材料在表面上形成的小島濃度大體是飽和濃度，即小島間的距離大體上等於吸附原子的平均擴散距離。在小島成長過程中，小島的半徑均小於平均擴散距離。因此，到達小島上的吸附原子在島上擴散以後都被邊緣所捕獲。由於在小島的表面上吸附原子的濃度很低，不容易在三維方向上生長，所以只有在前一層的小島長到足夠大，甚至小島互相結合，已經基本形成完整層的時候，後一層的二維晶核或者二維小島才有可能形成，出現薄膜以層狀生長的形式。層狀生長時，靠近基體的薄膜其晶體結構通常類似於基體的結構，只是到一定的厚度時才逐漸由刃位錯過渡到該材料固有的晶體結構。
層核生長型
在基體和薄膜原子相互作用特彆強的情況下，才容易出現層核生長型。首先在基片表面生長1-2層單原子層，這種二維結構強烈地受基片晶格的影響，晶格常數有較大的畸變。然後再在這原子層上吸附入射原子，並以核生長方式生成小島，最終形成薄膜。
製備優點
不僅可以得到很高的濺射速率，而且在濺射金屬時還可以避免二次電子轟擊而使基板保持接近冷態，這對單晶和塑膠基板具有重要的意義。磁控濺射可以用DC和RF放電工作，故能製備金屬膜和介質膜。但是它的缺點是：不能實現強磁性材料的低溫高速濺射，因為幾乎所有的磁通都通過磁性靶子，所以在靶面附近不能外加強磁場；絕緣靶會使基板溫度上升；靶子的利用率低，這是由於靶子的侵蝕不均勻的緣故。
