濺射鍍膜類型ppt課件

1、濺射鍍膜類型,1,濺射鍍膜的方式很多，從電極結(jié)構(gòu)上可分為二極濺射、三或四極濺射和磁控濺射。 直流濺射系統(tǒng)一般只能用于靶材為良導(dǎo)體的濺射； 射頻濺射適用于絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等任何一類靶材的濺射； 反應(yīng)濺射可制備化合物薄膜； 為了提高薄膜純度而分別研究出偏壓濺射、非對稱交流濺射和吸氣濺射等； 對向靶濺射可以進行磁性薄膜的高速低溫制備。,2,各種濺射鍍膜類型的比較,3,4,5,一二極濺射,陰極靶由鍍膜材料制成,成膜的基板及其固定架作為陽極，構(gòu)成了濺射裝置的兩個極 。 使用直流電源則稱為直流二極濺射，因為濺射過程發(fā)生在陰極，故又稱為陰極濺射。 使用射頻電源時稱為射頻二極濺射。 靶和基板固定架都是平板

2、狀的稱為平面二極濺射。 若二者是同軸圓柱狀布置就稱為同軸二極濺射。,6,二級濺射結(jié)構(gòu)原理圖,基片,7,直流二極濺射原理,先將真空室預(yù)抽到高真空（如10-3Pa），然后，通入惰性氣體（通常為氬氣），使真空室內(nèi)壓力維持在110Pa； 接通電源（直流負(fù)高壓），電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar+和電子，電子飛向基片，在此過程中不斷和Ar原子碰撞，產(chǎn)生更多的Ar+和電子，Ar+離子經(jīng)電場加速后撞擊靶材表面，使靶材原子被轟擊而飛出來，同時產(chǎn)生二次電子，二次電子再撞擊氣體原子從而形成更多的帶電離子,更多的離子轟擊靶又釋放更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持； 從靶面飛

3、濺出來的粒子以足夠的動能飛向陽極并沉積在基材表面，形成鍍層。,8,濺射過程中涉及到復(fù)雜的散射過程和多種能量傳遞過程：首先，入射粒子與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射粒子的一部分動能會傳給靶材原子，某些靶材原子的動能超過由其周圍存在的其它原子所形成的勢壘(對于金屬是5-10eV)，從而從晶格點陣中被碰撞出來，產(chǎn)生離位原子，并進一步和附近的原子依次反復(fù)碰撞，產(chǎn)生碰撞級聯(lián)。當(dāng)這種碰撞級聯(lián)到達(dá)靶材表面時，如果靠近靶材表面的原子的動能大于表面結(jié)合能(對于金屬是1-6eV)，這些原子就會從靶材表面脫離從而進入真空。,9,直流二極濺射放電所形成電回路，是依靠氣體放電產(chǎn)生的正離子飛向陰極靶，一次電子飛向陽極而形成的

4、。而放電是依靠正離子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子，經(jīng)陰極暗區(qū)被加速后去補充被消耗的一次電子來維持的。因此，在濺射鍍膜過程中，濺射效應(yīng)是手段，沉積效應(yīng)是目的，電離效應(yīng)是條件。,10,為了提高淀積速率，在不影響輝光放電前提下，基片應(yīng)盡量靠近陰極靶。但基片接近陰極時，甚至在未達(dá)到陰極暗區(qū)之前，就會產(chǎn)生放電電流急劇變小而使濺射速率下降的現(xiàn)象。這時，從基片上膜厚分布來看，在陰極遮蔽最強的中心區(qū)膜最薄。因此，有關(guān)資料指出：陰極靶與基片間的距離以大于陰極暗區(qū)的34倍較為適宜。 直流二極濺射的工作參數(shù)為濺射功率、放電電壓、氣體壓力和電極間距。濺射時主要監(jiān)視功率、電壓和氣壓參數(shù)。當(dāng)電壓一定時，放電電流與氣體壓強的關(guān)

5、系如圖3-32所示。氣體壓力不低于lPa，陰極靶電流密度為0.15 1.5MA/CM。,11,優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜。 缺點： （1）濺射參數(shù)不易獨立控制，放電電流易隨電壓和氣壓變化，工藝重復(fù)性差； （2）氣體壓力較高（10Pa左右），濺射速率較低，這不利于減少雜質(zhì)污染及提高濺射效率，使薄膜純度較差，成膜速度慢； （3）電子在電場力作用下迅速飛向基片表面：電子運動路徑短，轟擊在基片上速度快，導(dǎo)致基片溫度升高； （4）為了在輝光放電過程中使靶表面保持可控的負(fù)高壓，靶材必須是導(dǎo)體。（直流濺射法要求靶材能夠?qū)碾x子轟擊過程中得到的正電荷傳遞給與其緊密接觸的陰極，從而該方法只能濺

6、射導(dǎo)體材料，不適于絕緣材料。因為轟擊絕緣靶材時表面的離子電荷無法中和，這將導(dǎo)致靶面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶上，兩極間的離子加速與電離的機會將變小，甚至不能電離，導(dǎo)致不能連續(xù)放電甚至放電停止，濺射停止。故對于絕緣靶材或?qū)щ娦院懿畹姆墙饘侔胁模氂蒙漕l濺射法。）,12,二、偏壓濺射,直流偏壓濺射的原理示意如圖所示。它與直流二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓。 特點： （1）若施加的是負(fù)偏壓，則在薄膜淀積過程中，基片表面都將受到氣體離子的穩(wěn)定轟擊，隨時清除可能進入薄膜表面的氣體，有利于提高薄膜的純度。并且也可除掉粘附力弱的淀積粒子，加之在淀積之前可對基片進行轟擊清洗，使表面凈化，從而提

7、高了薄膜的附著力。,直流偏壓濺射的原理示意圖,13,（2）偏壓濺射還可改變淀積薄膜的結(jié)構(gòu)。圖3-34示出了基片加不同偏壓時鉭膜電阻率的變化。偏壓在-100V至100V范圍，膜層電阻率較高，屬-Ta即四方晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)負(fù)偏壓大于100V時，電阻率迅速下降，這時鉭膜已相變?yōu)檎ｓw心立方結(jié)構(gòu)。這種情況很可能是因為基片加上正偏壓后，成為陽極，導(dǎo)致大量電子流向基片，引起基片發(fā)熱所致。 圖3-34 鉭膜電阻率與基片偏壓關(guān)系,14,三、三極或四極濺射,二極直流濺射只能在較高氣壓下進行，因為它是依賴離子轟擊陰極所發(fā)射的次級電子來維持輝光放電。如果氣壓降到1.32.7Pa（1020mTorr）時，則陰極暗區(qū)擴大，電

8、子自由程增加，等離子體密度降低，輝光放電便無法維持。 在低壓下，為了增加離化率并保持放電自持，一個可供選擇的方法就是提供一個額外的電子源（額外電子源提供具有合適能量的額外電子,保持高離化效率），而不是從靶陰極獲得電子。 三極濺射克服了二極濺射的缺點，它在真空室內(nèi)附加一個獨立的電子源熱陰極（熱陰極通常是一加熱的鎢絲，他可以承受長時間的離子轟擊），它通過熱離子輻射形式發(fā)散電子并和陽極產(chǎn)生等離子體，同時使靶相對于該等離子體為負(fù)電位，用等離子體中的正離子轟擊靶材而進行濺射。如果為了引入熱電子并使放電穩(wěn)定，再附加第四電極穩(wěn)定化電極，即稱為四極濺射。,15,原理： 等離子區(qū)由熱陰極和一個與靶無關(guān)的陽極來維

9、持，并通過外部線圈所提供的磁場，將等離子體限域在陽極和燈絲陰極之間。而靶偏壓是獨立的，這就大大降低了靶偏壓。 當(dāng)在靶上施加一相對于陽極的負(fù)高壓，濺射就會出現(xiàn)，如同在二級輝光放電那樣，離子轟擊靶，靶材便沉積在基片上。,負(fù)電位,16,但是，若對穩(wěn)定性電極加+300V電壓時，只要稍微提高一點氣壓（由G至T），放電即可重新開始。即穩(wěn)定性電極的作用使穩(wěn)定放電的范圍從D點擴大到T點，使放電氣壓提高一個數(shù)量級。因此，四極濺射的主閥幾乎可在全開狀態(tài)下進行濺射。靶電流主要決定于陽極電流，而不隨靶電壓而變，因此，靶電流和靶電壓可獨立調(diào)節(jié)，從而克服了二極濺射的相應(yīng)缺點。,穩(wěn)定電極的作用在于使放電趨于穩(wěn)定。如圖3-3

10、7所示陽極電流與氣體壓力的關(guān)系，從圖看出，若從E點降低氣壓，放電電流逐漸減小，到F-G點放電停止，為使放電重新開始，要提高氣體壓力。若穩(wěn)定性電極為自由電位時，必須將氣壓由G點提高到D點才能再行放電。,穩(wěn)定電極電位,17,優(yōu)點： 1、克服了二極直流濺射只能在較高氣壓下進行的缺點； 2、由于靶電壓低，對基片的濺射損傷小，適宜用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路，并已取得良好效果； 3、三極濺射的進行不再依賴于陰極所發(fā)射的二次電子，濺射速率可以由熱陰極的發(fā)射電流控制，提高了濺射參數(shù)的可控性和工藝重復(fù)性； 4、四極濺射的穩(wěn)定電極使放電趨于穩(wěn)定。 缺點： 1、三（四）極濺射還不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對基板的轟

11、擊，特別在高速濺射的情況下，基板的溫升較高； 2、燈絲壽命短，也還存在燈絲的不純物使膜層沾污等問題； 3、這種濺射方式并不適用于反應(yīng)濺射，特別在用氧作反應(yīng)氣體的情況下，燈絲的壽命將顯著縮短。,18,四、射頻濺射,直流濺射裝置只能濺射導(dǎo)體材料，由于放電不能持續(xù)而不能濺射絕緣物質(zhì)。于是出現(xiàn)了射頻濺射。 射頻濺射裝置如圖所示：相當(dāng)于直流濺射裝置中的直流電源部分改由射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)和電源所代替，利用射頻輝光放電產(chǎn)生濺射所需正離子。,19,機理：,(1)射頻電源對絕緣靶之所以能進行濺射鍍膜，主要是因為在絕緣靶表面上建立起負(fù)偏壓的緣故。在靶上施加射頻電壓，由于交流電源的正負(fù)性發(fā)生周期交替,當(dāng)濺射靶處于

12、正半周期時，由于電子的質(zhì)量比離子的質(zhì)量小得多，故其遷移率很高僅用很短時間就可以飛向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且在靶面又迅速積累大量的電子，使其表面呈現(xiàn)負(fù)偏壓，導(dǎo)致在射頻電壓的負(fù)半周時吸引正離子轟擊靶材，從而在正、負(fù)半周中，均可實現(xiàn)對絕緣材料的濺射。 （2）射頻濺射的機理和特性可以用射頻輝光放電解釋。在射頻濺射裝置中，等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量并在電場內(nèi)振蕩，因此，電子與工作氣體分子碰撞并使之電離的幾率非常大，故使得擊穿電壓和放電電壓顯著降低。,20,如射頻電場強度為 式中， ，f為射頻頻率。在真空中的自由電子，由于射頻電場的作用，所受到的力為 電子速度 速度比電場滯后90。 電子運動方程為 式中， 為電子運動的振幅。 即真空中的自由電子在交變電場作用下，以振幅為A作簡諧運動。由于在濺射條件下有氣體分子存在，電子在振蕩過程中與氣體分子碰撞的幾率增加，其運動方向也從簡諧運動變?yōu)闊o規(guī)則的雜亂運動。因為電子能從電場不斷吸收能量，因此，在不斷碰撞中有足夠的能量來使氣體分子離化，即使