【技術資料】濺鍍系統

濺鍍系統

當一固體表面承受高能量離子或原子的撞擊時，就會有物質因動量傳送而從物體表面放射出來，此現象稱為濺射，濺射率(sputtering yield)為每一入射離子可濺出的靶原子數，影響濺射率的重要因素有靶材的表面結構，入射離子的質量與能量等，濺射程序對溫度不敏感。而入射離子的能量需大於界限能量(thresholdenergy)才有能力將靶材原子濺出，金屬靶材的界限能量約在 10~30eV，當入射離子的能量超過界限能量後，濺射率會急速增加，當入射離子能量超過 100eV 後，濺射率幾乎隨入射離子的能量呈線性的增加，而此時的濺射率才有實用的價值。若繼續提高離子的能量，濺射率增加的趨勢變緩，濺射率達到最大值，會再緩緩的下降，此時濺射率隨著入射離子能量的增加而下降是因為離子較深入靶材內部，而內部原子即時被濺離其晶格位置，也未必可到達表面脫離成為被濺出的物質。由以上的敘述我們可以解到濺鍍的基本原理。但基本上濺鍍不是一個能量效率使用很好的物理現象，在離子轟擊靶材表面後，約有 70%的能量轉換成熱，約25%的能量用在產生二次電子，而只有約 2.2%的能量是用在濺射的步驟上，這就是為什麼濺射的靶材必須有足夠的冷卻裝置的原因，以避免表面的溫度過高，而使的蒸鍍的現象發生在濺鍍上。在濺射的過程中，因為產生的電子數量並不多，再加上電子可以迅速的經由其它接地區域(如 chamber wall)而從電漿中移出，如何使得電子在電漿內的數量得以維持，便成為一個重要的課題，因此便有磁控濺鍍法(Magnetron sputtering)的產生。電子是一種帶負電荷的粒子，藉著被電漿與電極板間的電場所加速，電子將可以獲得足夠的能量，以產生並維持電漿的電中性，假如我們在電漿中加入一磁埸，電子將會螺旋式的運動，且其運動的圓周半徑可以寫為:

其中 m e 及 Ve 分別為電子的質量及運動速度， B 為磁埸強度，而 q 為電荷的電量，等於1.6*10 −19 庫侖(Coulomb) 。雖然電子與其它粒子之間的碰撞頻率，在某 一特定壓力下是固定的，但是經磁埸的介入之後，電子往其它接地的區域的移 動將不再是以直線的方式前進，螺旋式的運動，使得電子從電漿裏消失前所經 的距離拉長，因此增加了電子與氣體分子間的碰撞次數，這使得磁控濺鍍可維持在更低的壓力下，電漿也不會熄滅。一般在濺鍍的過程中，除了工作氣體(惰性氣體)外，若再通入反應所需的氣體(如氧氣)，以生成所需的化合物鍍層，即稱為反應濺鍍(Reactive sputteringdeposition)，而此反應氣體有可能會與靶材發生反應，因此在反應濺鍍的過程中，由靶材濺鍍出來粒子除了，中性原子、離子、二次電子外，尚有化合物分子團會被濺射出來。

圖六、(a)傳統濺鍍系統結構(b)磁控濺鍍系統結構




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