Sputtering原理
Sputtering deposition是被激活的入射粒子之间冲撞而释放Target粒子形成的物理蒸镀过程。
此时，若要蒸发Target物质，须具备超过必要热能约4倍的冲击能量，才能从物质中脱离原子。非化学性、热性过程的Physical momentum exchange process几乎可以将所有物质用作Target。
Sputtering mechanism
在真空chamber内放入惰性气体（Ar）后，在Target上施加cathode。 （越重的离子呈现的Sputtering yield越高，但是因为价格低，主要使用Ar。）
从Cathode释放的电子与Ar气体冲撞后使Ar离子化。Ar + e-(primary) = Ar+ + E-(primary) + e-(secondary)
随着Ar进行excite释放电子，能量得到释放，此时发生glow discharge，按照离子与电子共存的gas，呈现特定颜色的plasma。
plasma内的Ar+离子因为高电位差，朝Target（cathode）方向加速，与target的表面冲撞， 中性的target原子被弹出，在基板形成薄膜。
Sputtering的优缺点
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- 优点
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针对各种不同材料，均呈现稳定且类似的成膜速度。
可形成均匀的薄膜，优秀的step&defect coverage。
优秀的adhesion。
可实现金属、合金、化合物、绝缘体等各种材料的成膜。
可实现Target冷却，所以可实现target最大化。
通过基板的sputter etching，可以实现pre-cleaning。
可通过O2、N2等reactive sputter形成氧化物、氮化物薄膜。
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- 缺点
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成膜速度慢。 (<10Å/sec)
可以用Magnetron sputtering改善High energy deposition可能引发薄膜不均一并产生damage。
成膜后通过热处理，可以减少不均一现象与damage薄膜暴露在电子、UV、离子等环境中被加热。（100~150℃）
视情况有必要冷却基板holder。成膜条件苛刻，相互影响。
应调节Sputtering parameters等。
DC sputtering 的优缺点
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- 优点
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结构简单，是最典型的sputter装置。
成膜速度几乎对各种金属都一样。
电流量与薄膜厚度几乎成正比，容易调整。
与RF sputtering相比，成膜速度快。
薄膜具有高均一度。
因为是高能量工艺，贴合强度大。
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- 缺点
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Target材料仅限金属。
需要较高的Ar压力。(10 ~ 15 mTorr)
基板很容易过热。
RF sputtering
在DC sputtering，target若为氧化物或绝缘体，则无法sputtering。这样的缺点可以通过RF sputtering解决，尤其在低压力状态下Sputter的物质到达Substrate的期间，Scattering相对减少，可以得到高的Sputtering Yield值。
在DC discharge，二次电子向Ionization precess供应足够能量之前在两极消灭，RF的两个电极与Plasma相比具有Negative potential，因此可以对电子进行Reflect后充分利用在Ionization上。
RF sputtering除了金属，还可以对非金属、绝缘体、氧化物、电介质等进行sputtering，频率虽然应该是低MHz频率，但是按照美国联邦通讯规定的传播管理内容，为了避免干扰广播频率，规定要使用13.56MHz的高频电源。
Sputter的物质到达Substrate的期间，Scattering相对减少，可以得到高的Sputtering Yield值。
Magnetron sputtering
为了增加Target的离子化，在Target背面安装永久磁铁或电磁铁，将cathode释放的电子局部搜集在target外侧形成的磁场内，促进与Ar气体原子的冲撞，这是提高Sputter yield的方法。
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- 优点
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Sputtering效率将提高。
通过电子的涡流运动，可以减少在电子基板与薄膜上的冲撞。
基板温度上升效果较小。
针对SiO2、Al2O3等绝缘体，成膜速度也快。
可以实现电介质材料的sputter或reactive sputter。
在特定input power，成膜速度均一。（±10%）
通过适当排列永久磁铁并使用shiled，可以轻松调整
薄膜厚度的Uniformity。
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- 缺点
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磁场需垂直于target表面。
因为磁场附近有选择性的sputter，对target的消耗性大。（效率约为25%）
对有磁性的材料（Co、Ni等）进行sputtering时，
导致外侧的剩余磁场过小。
要使用1/8” ~ 1/32”程度的薄target。
Reactive sputtering
与Bias sputtering的作用完全相反，为按照任意目的而形成氧化物或氮化物等薄膜（电介质薄膜等），使用reactive sputtering。
该方法与一般的sputtering相同，但是除了Ar气体，同时供应微量氧气或氮气，从而能够获得所需化合物的薄膜。
与直接对氧化物或氮化物target进行sputter相比，凭借Reactive sputtering形成的化合物薄膜，在制造、纯度与价格方面都具有优势。
因为target上的气态原子十分不稳定，容易与反应性气体发生反应，而且到达基板的原子在薄膜状态下反应速度也很快。
在Reactive sputtering过程中提高基板温度，可以加快化合物形成速度，从而提高成膜速度。。
但是Reactive sputtering，会缩短真空压力gauge或glow discharge用filament的寿命，EC sputter期间在target表面形成氧化物或氮化物等绝缘层，从而降低sputter效率。
这种现象若为DC sputtering，可以从sputter初期开始旋转target背面的永久磁铁或改变磁铁电流，进行改善。
磁性体
磁性体是磁场内磁化物质的统称，在宏观意义上，空气也包含在磁性体内。
简而言之，虽然在程度上有所差异，但存在于地球上的所有物质都可以称为磁性体。
只是其磁性（被磁铁吸附的性质）水平会依不同物质（素材）呈现出很大不同。
像铁一样呈现强力磁性的物体被称为强磁性体，而像铝一样几乎没有磁性的物质称为顺磁性体。这里的顺磁性体也被称为非磁性体。顺磁性体中还有像金或铜一样呈现抗磁性的物质，这类物质还有一个特别的名字，那就是抗磁性体。抗磁性体具有与强磁性体完全相反的性质，但是因为其作用十分微弱，因此包含在顺磁性体分类中。
- 强磁性体
- 铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）
- 顺磁性体
- 铝（Al）、铬（Cr）、铂（Pt）
- 抗磁性体
- 铜（Cu）、金（Au）、银（Ag）
自发磁与温度的关系
如果是低于居里点的温度，铁等强磁性体的电子自旋朝向某一方向排列。排列的自旋越多，那么该磁性体就越容易成为磁铁，在外部磁场受到磁化。
此时，因为认为是在自旋方向上形成了迷你磁铁，因此可以看做是一种原子磁铁。
总之，强磁性体可以自然地具备磁性，并将其称为天然磁性。
自然磁性具有温度依赖性，在-273℃（绝对温度）达到最大值。
随着温度上升，磁性减弱，在居里点失去所有磁性。
即，变成非磁性体（顺磁性体）。
磁化（Magnetizing）
磁化按照磁化方法分为3种。磁化是指排列磁性体内的原子磁铁。在进行磁化之前，磁性体的N极与S极
相互前后相连，处于磁力线不能释放到外部的状态（无磁化）。
但是，若在外部施加强烈N极与S极磁界，这些原子磁铁将排列成与外部磁界平行的状态，变成能够向外部释放磁力线的结构。
像这样，在磁性体外部施加强烈磁界，让原子磁铁因刺激而按照一定方向排列的过程，称为磁化。
最常用的磁化方法是在线圈上施加足够大的直流电流，形成强烈磁界{也被称为磁场。意为磁力线形成势力的空间}，
并在其磁界内放入磁性体磁化。视情况还可以使用对铁氧体进行弱磁化的方法，不直接施加直流电源，
而是将磁性体直接接触强烈稀土类永磁体Nd-Fe-B等磁铁，从而令其磁化。
磁导率
磁导率是磁通密度及与其相对应的磁化力之比（磁通密度/磁化力），是指通过磁性体的磁力线数。
与磁导率类似的概念有相对磁导率，这是将磁材料的磁导率除以真空磁导率的比值。
相对磁导率最高的是铁，其值为120~20000。其他强磁性体有钴为270，镍为180。
另一方面，铝、铜等顺磁性体（非磁性体）的相对磁导率接近1，几乎与空气或真空状态相同。
因为铝、铜的相对磁导率非常低，因此即便是金属，磁力线也可以轻松通过。
可以说完全没有屏蔽磁力线的力量。
与此相比，磁力线很难通过铁等强磁性体，一旦进入到磁性体内，除非达到磁饱和，则不会穿出磁性体。
磁滞回线（Hysteresis loop）
若慢慢磁化铁等强磁性体，磁通密度与磁化力的关系将呈现0 A B C等特性。
但是，若在饱和状态（饱和点C）慢慢减小磁化力，磁通密度也相应减少，变成C D。若继续施加负方向磁化力，那么将经过E，到达F。
相对磁导率最高的是铁（Fe），其值为120~20000。其他强磁性体有钴为270，镍为180。
另一方面，铝、铜等顺磁性体（非磁性体）的相对磁导率接近1，几乎与空气或真空状态相同。
因为铝、铜的相对磁导率非常低，因此即便是金属，磁力线也可以轻松通过。可以说完全没有屏蔽磁力线的力量。
与此相比，磁力线很难通过铁等强磁性体，一旦进入到磁性体内，除非达到磁饱和，则不会穿出磁性体。
Magnetron sputtering
一般情况下，可通过磁滞曲线了解磁性材料的特性，但对于永久磁铁，则利用BH曲线。好的磁铁一般指磁力强的磁铁，而这与磁通密度成正比。
但是，即使磁通密度再大，如果保磁力弱，也很难持续稳定地维持其磁力。因此，好的磁铁可以说是磁通密度大且保磁力大的磁铁。
下列曲线表示退磁曲线，曲线上的任一点“A”的“b”和“H”的值将成为Ba和Ha，而Ba X Ha值被称为磁能积。
在曲线上，Ba X Ha最大点“D”称为最大磁能积，表示为“BHmax”，其单位是“X10GOe”。
为轻松了解退磁曲线上任一点的磁能积，提前将连接相同BH点的曲线画出来。
在该状态下，逐渐减少外部磁场，将磁通密度减少成A→b，外部磁场为0（zero），那么将会到“b”点，从而剩下0（zero）b的磁通密度。
我们将该值称为Residual Induction，表示为Br，单位是G（Gauss）。
如果施加反方向的外部磁场，磁通密度将逐渐减少，到达“c”点。为了让其到达“c”点而需要的反方向的外部磁场的强度称为保磁力，表示为Hc，单位是Oe（Oersted）。