濺射鍍膜解析

§4.3濺射鍍膜技術(shù)

?濺射鍍膜的特點

?

濺射的基本原理

輝光放電、濺射特性、濺射鍍膜過程、濺射機理

?濺射鍍膜的類型

二極濺射、偏壓濺射、三極或四極濺射、射頻濺射、磁控濺射、對向靶濺射、反應(yīng)濺射、離子束濺射濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀積到被鍍襯底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。濺射鍍膜廣泛用于制備金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、絕緣介質(zhì)，以及化合物半導(dǎo)體、碳化物、氮化物等薄膜。自70年代以來，日益受到重視，并取得重大進(jìn)展。射頻濺射鍍膜機濺射鍍膜的特點濺射鍍膜與真空鍍膜相比，有如下特點：任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點金屬、低蒸氣壓元素和化合物；濺射薄膜與襯底的附著性好；濺射鍍膜的密度高、針孔少，膜層純度高；膜層厚度可控性和重復(fù)性好。濺射鍍膜的缺點：濺射設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置；m）。濺射的基本原理——輝光放電★輝光放電直流輝光放電輝光放電是在真空度約10-1Pa的稀薄氣體中，兩個電極之間在一定電壓下產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。氣體放電時，兩電極之間的電壓和電流的關(guān)系復(fù)雜，不能用歐姆定律描述。濺射過程是建立在氣體輝光放電基礎(chǔ)上。濺射的基本原理——輝光放電濺射的基本原理——輝光放電無光放電由于宇宙射線產(chǎn)生的游離離子和電子在直流電壓作用下運動形成電流，10-16-10-14A。自然游離的離子和電子是有限的，所以隨電壓增加，電流變化很小。湯森放電區(qū)隨電壓升高，電子運動速度逐漸加快，由于碰撞使氣體分子開始產(chǎn)生電離。于是在伏-安特性曲線出現(xiàn)湯森放電區(qū)。上述兩種情況都以自然電離源為前提，且導(dǎo)電而不發(fā)光。因此，稱為非自持放電。濺射的基本原理——輝光放電輝光放電當(dāng)放電容器兩端電壓進(jìn)一步增大時，進(jìn)入輝光放電區(qū)。氣體擊穿自持放電（電流密度范圍2-3個數(shù)量級）電流與電壓無關(guān)（與輝光覆蓋面積有關(guān)）電流密度恒定電流密度與陰極材料、氣體壓強和種類有關(guān)電流密度不高（濺射選擇非正常放電區(qū)）稱為正常輝光放電濺射的基本原理——輝光放電非正常輝光放電區(qū)當(dāng)轟擊覆蓋住整個陰極表面之后，進(jìn)一步增加功率，放電電壓和電流同時增加，進(jìn)入非正常輝光放電。

特點：電流增大時，放電電極間電壓升高，且陰極電壓降與電流密度和氣體壓強有關(guān)。

陰極表面情況：此時輝光布滿整個陰極，離子層已無法向四周擴(kuò)散，正離子層向陰極靠攏，距離縮短。此時若想提高電流密度，必須增加陰極壓降，結(jié)果更多的正離子轟擊陰極，更多的二次電子從陰極產(chǎn)生。濺射的基本原理——輝光放電弧光放電區(qū)異常輝光放電時，常有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷奈ｋU。極間電壓陡降，電流突然增大，相當(dāng)于極間短路；放電集中在陰極局部，常使陰極燒毀；損害電源。濺射的基本原理——輝光放電在正常輝光放電區(qū)，陰極有效放電面積隨電流增加而增大，從而使有效區(qū)內(nèi)電流密度保持恒定。當(dāng)整個陰極均成為有效放電區(qū)域后，只有增加陰極電流密度，才能增大電流，形成均勻而穩(wěn)定的“異常輝光放電”，并均勻覆蓋基片，這個放電區(qū)就是濺射區(qū)域。正常輝光與異常輝光放電在濺射區(qū)：濺射電壓，電流密度和氣體壓強遵守以下關(guān)系式中，和是取決于電極材料、尺寸和氣體種類的常數(shù)。濺射的基本原理——輝光放電濺射的基本原理——輝光放電輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)濺射的基本原理——濺射特性★濺射參數(shù)濺射閾值濺射閾值是指使靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須的最小能量。目前能測出10-5原子/離子的濺射率（閾值參考）。對絕大多數(shù)金屬靶材，濺射閾值為10~30eV濺射的基本原理——濺射特性濺射的基本原理——濺射特性濺射率濺射率是指正離子轟擊陰極靶時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數(shù)。又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)。濺射率與入射離子種類、能量、角度及靶材的類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、升華熱大小等因素有關(guān)。1.靶材料濺射率與靶材料種類的關(guān)系可用周期律來說明。濺射的基本原理——濺射特性濺射的基本原理——濺射特性2.入射離子能量70eV-10KeV濺射的基本原理——濺射特性3.入射離子種類原子量核外電子結(jié)構(gòu)濺射的基本原理——濺射特性4.入射離子的入射角入射離子的入射角是指離子入射方向與濺射靶材表面法線之間的夾角。0-60之間服從規(guī)律

60-80時，濺射率最大90時，濺射率為零濺射的基本原理——濺射特性濺射的基本原理——濺射特性5.靶材溫度靶材存在與升華相關(guān)的某一溫度。低于此溫度時，濺射率幾乎不變；高于此溫度時，濺射率急劇增加。濺射的基本原理——濺射特性濺射原子的能量和速度濺射原子的能量（5-10eV）比熱蒸發(fā)原子能量（0.1eV）大1-2個數(shù)量級。濺射原子的能量與靶材、入射離子種類和能量、濺射原子的方向等有關(guān)。幾組實驗數(shù)據(jù)曲線。濺射的基本原理——濺射特性濺射的基本原理——濺射特性濺射的基本原理——濺射鍍膜過程★濺射鍍膜過程靶材濺射過程濺射的基本原理——濺射鍍膜過程濺射粒子的遷移過程濺射粒子的成膜過程淀積速率是指從靶材上濺射出來的物質(zhì)，在單位時間內(nèi)淀積到基片上的薄膜厚度。濺射粒子：正離子：不能到達(dá)基片中性原子或分子其余粒子均能向基片遷移濺射的基本原理——濺射機理★濺射機理濺射率隨入射離子能量增大而增大，在離子能量達(dá)到一定程度后，由于離子注入效應(yīng)，濺射率減小；濺射率的大小與入射離子的質(zhì)量有關(guān)；當(dāng)入射離子能量小于濺射閾值時，不會發(fā)生濺射；濺射原子的能量比蒸發(fā)原子大許多倍；入射離子能量低時，濺射原子角度分布不完全符合余弦定律，與入射離子方向有關(guān)；電子轟擊靶材不會發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺射的基本原理——濺射機理熱蒸發(fā)理論（早期理論）認(rèn)為：濺射現(xiàn)象是被電離氣體的離子在電場中加速并轟擊靶面，而將能量傳遞給碰撞處的原子，導(dǎo)致很小的局部區(qū)域產(chǎn)生高溫，使靶材融化，發(fā)生熱蒸發(fā)?？梢越忉尀R射率與靶材蒸發(fā)熱和入射離子的能量關(guān)系；可以解釋濺射原子的余弦分布規(guī)律；不能解釋濺射率與入射離子角度關(guān)系，非余弦分布規(guī)律，以及濺射率與質(zhì)量關(guān)系等。濺射的基本原理——濺射機理動量轉(zhuǎn)移理論深入研究結(jié)果表明，濺射完全是一個動量轉(zhuǎn)移過程，并被人們廣泛接受。該理論認(rèn)為，低能離子碰撞靶時，不能直接從表面濺射出原子，而是把動量傳遞給被碰撞的原子，引起原子的級聯(lián)碰撞。這種碰撞沿晶體點陣的各個方向進(jìn)行。當(dāng)原子的能量大于結(jié)合能時，就從表面濺射出來。濺射鍍膜的類型——二級直流濺射★二級直流濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基片濺射鍍膜的類型——二級直流濺射控制參數(shù)：功率、電壓、壓力、電極間距等。濺射參數(shù)不易獨立控制，放電電流隨電壓和氣壓變化，工藝重復(fù)性差；真空系統(tǒng)多采用擴(kuò)散泵，殘留氣體對膜層污染較嚴(yán)重，純度較差；基片溫度升高，淀積速率低；靶材必須是良導(dǎo)體。缺點特點：結(jié)構(gòu)簡單，可以獲得大面積均勻薄膜。濺射鍍膜的類型——三極或四極濺射★三極或四極濺射等離子區(qū)由熱陰極和一個與靶無關(guān)的陽極來維持，而靶偏壓是獨立的。大大降低靶偏壓。負(fù)電位濺射鍍膜的類型——三極或四極濺射1.靶電流和靶電壓可獨立調(diào)節(jié)，克服了二極濺射的缺點2.靶電壓低（幾百伏），濺射損傷??；3.濺射過程不依賴二次電子，由熱陰極發(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；缺點：不能抑制電子轟擊對基片的影響（溫度升高）；燈絲污染問題；不適合反應(yīng)濺射等。特點：濺射鍍膜的類型——射頻濺射★射頻濺射濺射鍍膜的類型——射頻濺射1.電子與工作氣體分子碰撞電離幾率非常大，擊穿電壓和放電電壓顯著降低，比直流濺射小一個數(shù)量級；2.能淀積包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體在內(nèi)的幾乎所有材料；3.濺射過程不需要次級電子來維持放電。缺點：當(dāng)離子能量高時，次級電子數(shù)量增大，有可能成為高能電子轟擊基片，導(dǎo)致發(fā)熱，影響薄膜質(zhì)量。特點：濺射鍍膜的類型——磁控濺射★磁控濺射磁控濺射是70年代發(fā)展起來的一種高速濺射技術(shù)。磁控濺射可以使淀積速率提高。氣體電離從0.3-0.5%提高到5-6%。濺射鍍膜的類型——磁控濺射磁控濺射工作原理磁控濺射技術(shù)中使用了磁控靶。磁控靶濺射鍍膜的類型——磁控濺射在陰極靶的表面上形成一個正交的電磁場。濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速成為高能電子，但是它并不直接飛向陽極，而在電場和磁場的作用下作擺線運動。高能電子束縛在陰極表面與工作氣體分子發(fā)生碰撞，傳遞能量，并成為低能電子。濺射鍍膜的類型——磁控濺射特點：在陰極靶的表面形成一個正交的電磁場；電離效率高（電子一般經(jīng)過大約上百米的飛行才能到達(dá)陽極，碰撞頻率約為10-7

s-1）；可以在低真空（10-1Pa，濺射電壓數(shù)百伏，靶流可達(dá)到幾十毫安/m2）實現(xiàn)高速濺射；低溫、高速。濺射鍍膜的類型——反應(yīng)濺射★反應(yīng)濺射一般描述與反應(yīng)蒸發(fā)相類似，在濺射過程中引入反應(yīng)氣體，就可以控制生成薄膜的組成和特性，稱為“反應(yīng)濺射”。濺射淀積高純介質(zhì)薄膜和各種化合物薄膜，必須先有高純靶。高純的氧化物、氮化物、碳化物、或其它化合物粉末并不難得，但是，加工成靶確是很難的。濺射鍍膜的類型——反應(yīng)濺射粒子的按能量分布：反應(yīng)速度常數(shù)：目前，對于反應(yīng)濺射成膜過程及機理的研究還不十分深入。通常靶反應(yīng)濺射過程分為三個部分：靶面反應(yīng)、氣相反應(yīng)、基片反應(yīng)。反應(yīng)動力學(xué)過程反應(yīng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的必要條件：反應(yīng)物分子必須有足夠能量以克服分子間的勢壘。和為正逆反應(yīng)過程的活化能；反應(yīng)活化能為：濺射鍍膜的類型——反應(yīng)濺射（1）靶面反應(yīng):靶面金屬與反應(yīng)氣體之間的反應(yīng)，結(jié)果影響淀積薄膜的質(zhì)量和成分。關(guān)鍵是防止在靶面上形成穩(wěn)定化合物（如鋁靶）。（2）氣相反應(yīng):逸出靶面的原子在到達(dá)基片之前與反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)形成化合物。（3）基片反應(yīng):濺射原子在基片表面形成所需要的化合物?；疽笫?到達(dá)基片的金屬原子與反應(yīng)氣體分子之間維持一定的比例；保持適當(dāng)?shù)幕瑴囟?。濺射鍍膜的類型——反應(yīng)濺射濺射鍍膜的類型——離子束濺射鍍膜★離子束濺射鍍膜以上各種濺射方法都是利用輝光放電產(chǎn)生的離子進(jìn)行濺射，基片置于等離子體中。存在如下問題：基片受電子轟擊；濺射條件下，氣體壓力、放電電流等參數(shù)不能獨立控制；工藝重復(fù)性差。離子束濺射法：用離子源發(fā)出離子。經(jīng)引出、加速、聚焦，使其成為束狀，用此離子束轟擊置于高真空室中的靶，將濺射出的原子進(jìn)行鍍膜。濺射鍍膜的類型——離子束濺射鍍膜離子束濺射的種類（1）一次離子束淀積（低能離子束淀積）

離子束由薄膜材料的離子組成，離子能量較低，到達(dá)基片后就淀積成膜。（2）二次離子束淀積（離子束濺射）離子束由惰性氣體或反應(yīng)氣體的離子組成，離子能量高，它們打到由薄膜材料構(gòu)成的靶上，引起靶原子濺射，并在襯底上形成薄膜。濺射鍍膜的類型——離子束濺射鍍膜離子束濺射的原理濺射鍍膜的類型——離子束濺射鍍膜離子束濺射的優(yōu)點（1）高真空下成膜，純度高；（2）淀積在無場區(qū)進(jìn)行，基片不是電路的一部分，不會產(chǎn)生電子轟擊引起的基片溫升；（3）可以對工藝參數(shù)獨立地嚴(yán)格控制，重復(fù)性好；（4）適合于制備多組分的多層薄膜；（5）可制備幾乎所有材料的薄膜。濺射鍍膜的類型——離子束濺射鍍膜（2