真空溅射技术

《真空溅射技术》第一章溅射技术原子从母体中逸出的现象。1842年Grove(格洛夫)在试验室中觉察了这种现象。187719661970膜工艺发生了深刻变化，不但满足薄膜工艺越来越简单的要求，而且促进了工艺的进展。1980置和相应的薄膜工艺争论上也已消灭了工业性生产的局面。溅射理论被荷能粒子轰击的靶材处于负电位，所以一般称这种溅射为阴极溅射。关于阴极溅射的理论解释，主要有如下三种。蒸认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶，使靶外表受轰击的部位局部产生高温区，靶材到达蒸发温度而产生蒸发。碰撞论认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。轰击离子能量缺乏，不能发生溅射；轰击离子能量过高，会发生离子注入现象。混合论认为溅射是热蒸和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。u辉光放电u102-10-1Pa图：电压小时，由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。增加电压，带电粒子能量增加，碰撞中性气体原子，产生更多带电粒子，电流随之平稳增加，进入“汤森放电区”。电流增加到肯定程度，发生“雪崩”现象，离子轰击阴极，释放二次电子，二次电子与中性气体原子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生更多的二次电子，如此循环，当产生的电子数正好产生足够多离子，这些离子能够再生出同样数量的电子时，进入自持状态，气体开头起辉，电压降低，电流突然上升，此为“正常辉光放电区”。放电自动调整阴极轰击面积，最初轰击是不均匀的，随着电源功率增大，轰击面积增大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。当轰击区域掩盖整个阴极面后，再进一步增加功率，会使放电区内的电压和电流密度同时上升，进入溅射工艺工作区域，即“特别辉光放电区”。在该区域内，假设阴极没有水冷或连续增加功率，当电流密度“雪崩”。由于输入阻抗限制着电压，将形成低压大电流的“弧光放电”。形成“特别辉光放电”的关键是击穿电压V

，主要取决于二次电子的平均自B由程和阴阳极之间的距离。为了引起最初的雪崩，每个二次电子必需产生出约10-20需要的电离碰撞次数；假设气压太高或极间距离太大，气体中形成的离子将因非弹性碰撞而减速，以致于当轰击阴极时，已无足够的能量产生二次电子。直流辉光放电的形貌和参量分布图：阿斯顿暗区，不发生电离和激发；阴极辉光区，气体分子激发发光；阴极暗区，产生很强的电离，具有很高的正离子浓度，有较强的空间电荷；负辉光区，光度最强，有较强的负空间电荷；法拉第暗区，电离和激发都很小；不肯定是辉光放电必需的，是起连接作用。正柱区，等离子区，几乎与法拉第暗区等电位；u低频沟通辉光放电50KHz在每个半周期内在各个电极上建立直流辉光放电。除了电极交替地成为阴极和阳极之外，其机理根本上与直流辉光放电一样。40KHz。u射频辉光放电Ø两个重要特征：第一、在辉光放电空间中电子振荡到达足以产生电离碰撞的能量，所以减小了放电对二次电子的依靠，并且降低了击穿电压。其次、射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导体，可以溅射任何材料。射频辉光放电的阴极室电容耦合电极，阳极接地。Ø溅射靶和基片完全对称放置于射频辉光放电等离子体中，正离子以均等的时机轰击溅射靶和基片，溅射成膜是不行能的。实际上，只要求靶上得到溅射，那么这在射频辉光放电等离子体中阴极电压VcVaAaAcVc/Va=(Aa/Ac)4。Aa>>Ac,所以Vc>>Va，放射频辉光放电时，等离子体重离子对接地零件只有极微小的轰击，而对溅射靶却进展猛烈轰击并使之产生溅射。以下图为小的容性耦合电极(靶)至大的直接耦合电极之间发生射频辉光放电时，极间电位的分布图。u溅射过程u靶材的溅射现象以下图为荷能离子碰撞外表所产生的各种现象：在等离子体中，任何外表具有肯定负电位时，就会发生上述溅射现象，只是强弱程度不同而已。所以靶、真空室壁、基片都有可能产生溅射现象。以靶的溅射为主时，称为溅射成膜；对基片进展溅射现象称为溅射刻蚀；真空室和基片在高压强下的溅射称为溅射清洗。我们一般应用为溅射成膜，在各种现象中，人们最关心的是溅射效应，即被正离子轰击出来的靶材中性粒子的数量，称为溅射量S。溅射率ç：表示一个正离子入射到靶材外表从其外表上所溅射出来的原子数。u溅射粒子向基片的迁移过程靶至基片的空间距离应与该值大致相等。否则，粒子在迁移过程中将发生屡次碰撞，即降低靶材原子的能量又增加靶材的散射损失。虽然靶材原子在向基片迁移的过程中，因碰撞(主要与工作气体分子)而降低其能量，但是，由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量，所以溅射镀膜u粒子入射到基片后的成膜过程应考虑如下问题：Ø沉积速率指从靶材上溅射出来的材料，在单位时间内沉积到基片上得厚度，与溅射速率成正比。在选定镀膜环境以及气体的状况下，提高沉积速率的最好方法只有提高离子流。不增加电压条件下增加离子流只有提高工作气体压力。如下图，气体压力与溅射率的关系曲线，当压力增高到肯定值时，溅射率开头明显下降。其缘由是靶材粒子的背返射和散射增大，导致溅射率下降。所以由溅射率来考虑气压的最正确值是比较适宜的，固然应当留意由于气压上升影响薄膜质量的问题。Ø沉积薄膜的纯度沉积到基片上得杂质越少越好。这里所说的杂质专指真空室剩余气体。解决的方法是:1、提高本底真空度2、提高氩气量。为此，在提高真空系统抽气力量的同时，提高本底真空度和加大送氩量是确保薄膜纯度必不行少的两项措施。10-3-10-4Pa。Ø沉积成膜过程中的其它污染²真空室壁和室内构件外表所吸附的气体。承受烘烤去气方法。²集中泵返油。配制涡轮分子泵或冷凝泵等比较好。²基片清洗不彻底。应尽可能保证基片不受污染和不带有颗粒状污染物。Ø成膜过程中的溅射条件u应具备溅射率高、对靶材呈惰性、价格廉价、来源便利、易于得到高纯度的气体。一般承受氩气。u溅射电压及基片电位(即接地、悬浮或偏压)对薄膜特性的影响严峻。溅射电压不但影响沉积速率，而且严峻英雄薄膜的构造。基片电位直接影响入射的电子流或离子流。基片接地处于阳极电位，则它们受到等同电子轰击。基片悬浮，在辉光放电空间取得相对于地电位稍负的悬浮电位V

。而基片四周等f离子体电位V

高于基片电位为(V+VP f P假设基片有目的地施加偏压，使其按电的极性接收电子或离子，不仅可以净化基片增加薄膜附着力，而且还可以转变薄膜的结晶构造。uu必需具备高纯度的靶材和清洁的靶外表。溅射沉积之前对靶进展预溅射，使靶外表净化处理。u此在不同的溅射装置上，或制备不同的薄膜时，应当对溅射工艺参数进展试验选择为宜。u膜厚可控性和重复性好Ø掌握靶电流可以掌握膜厚Ø通过溅射时间掌握膜厚u薄膜与基片的附着力强Ø高能量的溅射原子产生不同程度的注入现象，形成一层伪集中层Ø基片在成膜过程中始终在等离子区中被清洗和激活，去除了附着力不强的溅射原子，净化且激活基片外表。u可以制备特别材料的薄膜Ø可溅射几乎全部的固体(包括粒状、粉状的物质)，不受熔点的限制。Ø使用不同材料同时溅射制备混合膜、化合膜。Ø可制备氧化物绝缘膜和组分均匀的合金膜。Ø可通入反响气体，承受反响溅射方法制备与靶材完全不同的的物质膜。如用硅靶制作二氧化硅绝缘膜；用钛靶，充入氮气和氩气，制备氮化钛仿金膜。u膜层纯度高Ø没有蒸发法制膜装置中的坩埚构件，溅射膜层不会混入坩埚加热器材料的成分。u缺点：成膜速度比蒸发镀膜低、基片温上升、易受杂质气体影响、装置构造简单。工业部门应用实例备注电子工业半导体材料、电介质材料、导电材料、超导材料、低基片温度太阳能电池、集成线路及电路元件等机械工业耐蚀、耐热、耐摩擦性能保护性材料等厚膜光学工业反射膜、选择性透光膜、光集积回路、反射镜保护膜低基片温度装饰塑料涂层、陶瓷涂层、彩虹包装等厚膜航天及交航天及交导电玻璃挡风玻璃通置溅射的各种工艺统称为直流溅射镀膜工艺。

直流二极溅射装置示意图；2—加热片；3—阴极(靶)；4—基片(阳极)；5—氩气入口；6—负高压电源；7—加热电源；8—真空系统u3-4uuu外表的气体，提高薄膜的纯度。u外表，提高薄膜的附着力。u的强度，另一方面降低了膜层的生成速度。u择适当的偏压值。直流偏压溅射示意图1—溅射室；2—阴板；3—基片；4—阳极；5—接抽气系统；6—氩氧气入口u三极溅射是用热电子强化放电的一种方式，它能使溅射速率比二极溅射有所提高，又能使溅射工况的掌握更方面。在二极溅射系统中供给一个热电子的源——一根放射自由热电子的帜热灯丝，当灯丝比靶电位更负的时候，电子朝向靶轰击，从而靶入射离子流增加，溅射量相应地增大。由于热电子的数量并不很大，不会引起靶材过分地加热。附加的热电子流，是靶电流的一个调整量，就是说，在二极溅射运行中，气压、电压和靶电流三个主要工艺参数中，电流可以独立于电压作肯定程度的调整。三极溅射比二极溅射大于提高了一倍的溅射速率。u四极溅射——等离子弧溅射(a)(b)四极溅射装置构造示意图1—机械泵；2—阀；3—可调漏泄阀；4—低真空计；5—高真空计；6—阴极；7—稳定性电极；8—电磁线圈；9—溅射室；10—蒸镀基板灯丝；11—靶；12—阳极；13—闸阀；14—液氮阱；15—放气阀；16—液氮阱；17—集中泵；18—水冷密封板；19—钛升华泵；20—加热器(b)四极溅射装置的电气局部1—热阴极；2—稳定性电极；3—基板；4—阳极；5—靶；6—线圈；7—靶电源Ø工作压强比二极溅射低(10-1——10-2Pa)。Ø靶电流几乎不随靶电压转变，而依靠于阳极电流，实现了靶电流和电压的分别掌握。磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动，其结果导致轰击基片的高能电子的削减和轰击靶材的高能离子的增多，使其具备了“低温”、“高速”两大特点。u正常工作温度，均应设置冷却系统。为保证冷却水的流速和进出口水温差在预定的范围内，要求溅射靶冷却水套应具有小流阻，溅射靶材和水冷背板的导热性能2KGu“高速”以基片与靶材相对不动时，溅射Al1μm/min与电子束蒸发Alu“低温”是与二极溅射相比，在一样的条件下，二极溅射的基片温升可能到达350—450℃250℃左右。u电场和对数电场则分别用于平面靶和同轴圆柱靶。它们的工作原理一样。e在电场E30eVAr+和另一个电子eAr+在电场E粒子中，中性的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜，二次电子e1

在加速飞向基片时受磁场B圆周运动。该电子e1

的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶外表的等离子体区域内，在该区域中电离出大量的Ar+用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1

的能量渐渐降低，同时渐渐远离靶面。低能电e将在如图中e3E1用下最终沉积到基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。由于磁极轴线处电场与磁场平行，电子e2在磁控溅射装置中，磁极轴线处离子密度很低，所以E作用不大。磁控溅射工作原理综上所述，磁控溅射的根本原理就是以磁场转变电子运动的方向，束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此在形成高密度等离子体的特别辉光放电中正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“地温”、“高速”两大特点的机理。磁控溅射等离子体中的物理过程如下所示：与直流二极溅射相比较，区分只在于增加了正交电磁场对电子的束缚效应。可见，正交电磁场的建立，BB1磁控溅射中一个极其重要的参数。为了提高对电子的束缚效应，磁控溅射装置中应当尽可能满足磁场B与电场E互垂直(即正交)和利用磁力线及电极(一般为阴极靶)封闭等离子体的两个重要条件。由于束缚效应的作用，磁控溅射的放电电压和气压都远低于直流二极溅射，500-600V10-1Pa。uS-枪→矩形平面应用最广泛的是矩形平面靶，将来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。u同轴圆柱形磁控溅射500-600V成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体供给的曲线形磁场。圆柱形磁控溅射靶的构造水咀座；2—螺母；3—垫片；4—密封圈；5—法兰；6—密封圈；7—绝缘套；8—螺母；9—密封圈；10—屏蔽罩；11—密封圈；12—阴极靶；13—永磁体；14—垫片；15—管；16—支撑；17—螺母；18—密封圈；19—螺帽圆柱形磁控溅射靶的磁力线在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶外表并与电场正交。磁力线与靶外表封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。在特别辉光放电中，离子不断地轰击靶外表并使之溅射，而电子如以下图那样绕靶外表作圆周运动。在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图u平面磁控溅射Ø圆形平面磁控溅射水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。如以下图所以构造：圆形平面磁控溅射靶的构造；4—环形磁铁；5—水管；6—磁柱；7—靶子；8—螺钉；9—压环；10—密封圈；11—靶外壳；12—屏蔽罩；13—螺钉；14—绝缘垫；15—绝缘套；16—螺钉500-600V位接地、悬浮或偏压。因此，构成根本上是均匀的静电场。永磁体或电磁线圈在靶材外表建立如以下图的曲线形静磁场：圆形平面磁控靶的磁力线1—阴极；2—极靴；3—永久磁铁；4—磁力线该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。从而实现了电磁场的正交和对等离子体区域的封闭的磁控溅射所必备的条件。由磁场外形打算了特别辉光放电等离子区的外形，故而打算了靶材刻蚀区是一个与磁场外形相对称的圆环，其外形如以下图：圆形平面靶刻蚀外形u熔化，温度过低则导致溅射速率的下降。u还能起着吸取低能电子的关心阳极的作用。其位置，可以通过合理设计屏蔽罩与阴极体之间的间隙来确定，其值应小于二次电子摆线轨迹的转折点距离d≤3mm。

,一般t最终表现为溅射靶外表的磁感应强度B靶外表磁感应强度的平行重量B1

0.02-0.05T0.03T无论磁路如何布置，磁体如何选材，都必需保证上述B1

要求。Ø矩形平面磁控溅射靶²一个典型的矩形平面靶断面构造图其构造与圆形平面磁控溅射靶根本一样，只是靶材是矩形的而不是圆形平面。²其磁力线外形见以下图：矩形平面磁控溅射靶的磁力线²磁体布局磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均匀程度和沉积膜厚均匀性。为了改进该均匀性，可承受以下图所示磁体布局：矩形阴极改进了沉积膜厚度分布后的磁铁排布状况：(a)—双环；(b)—带隙磁铁；注明白试验测定的均匀度可见，矩形平面磁控溅射靶的两个端部是刻蚀和膜厚分布不均匀问题最严峻的部位。其缘由是端部磁场不均匀并与中部存在着差异。因此，保证磁路的长宽比大3，基片应沿矩形靶的宽度方向运动或矩形靶加长使其端部位于基片之外。²靶材的安装安装方式分直接水冷和间接水冷两种形式。承受间接水冷，为了保证靶材的冷却效果，应将其紧紧压在水冷背板上，为此，压框与水冷却背板得间隙y0.5mm。我们一般承受的是在靶材上开螺钉孔，直接用螺钉将靶材连接到水冷背板上，为了使传热效果更好，在两者之间压一层薄薄的石墨纸。此外，也可以承受钎焊技术将靶材焊接在水冷背板上。安装形式如以下图：靶材冷却型式(a)—直接冷却；(b)—间接冷却；1—压框；2—靶材；3—背板；4—密封圈；5—冷却水；6—阴极体²靶材刻蚀区域比照