关于溅射

溅射

一、 溅射的基本内容：

1、定义：所谓溅射，就是这充满腔室的工艺气体在高电压的作用下，形成气体等离子体（辉光放电），其中的阳离子在电场力作用下高速向靶材冲击，阳离子和靶材进行能量交换，使靶材原子获得足够的能量从靶材表面逸出（其中逸出的还可能包含靶材离子）。这一整个的动力学过程，就叫做溅射。

入射离子轰击靶面时，将其部分能量传输给表层晶格原子，引起靶材中原子的运动。有的原子获得能量后从晶格处移位，并克服了表面势垒直接发生溅射；有的不能脱离晶格的束缚，只能在原位做振动并波及周围原子，结果使靶的温度升高；而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲，将其临近的原子碰撞移位，反冲继续下去产生高次反冲，这一过程称为级联碰撞。级联碰撞的结果是部分原子达到表面，克服势垒逸出，这就形成了级联溅射，这就是溅射机理。当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时，动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略，这就是线性级联碰撞

2、溅射的四要素：

①：靶材物质

②：电磁场

③：底物

④：一整套完整配备的镀膜设备

3、溅射收益：

3.1、离子每一次撞击靶材时，靶材所释放出的靶材原子。

3.2、影响溅射收益的因素：

①：等离子体中离子动能

②：入射离子的入射角度

3.3、最大溅射收益的决定因素：

①：入射角度在45°-50°左右

　　②：取决于靶材物质

3.4、入射角度的影响因素

①：由电场决定

②：靶材表面于入射源的相对角度

4、溅射率：

4.1、定义：每单位时间内靶材物质所释放出的原子个数

4.2、溅射率的影响因素

①：离子动能（取决于电源电压和气体压力）

②：等离子密度（取决于气体压力和电流）

4.3、统计学公式：Rs(统计学)=d/t。

注：溅射原子溢出角度大部分在0~10度之间，因此在腔室内所有区域都可能被镀上一层膜，久之会产生污染。所以真空溅射腔室内必须进行定期清洁。

二、 溅射种类：

1、反应溅射：氧化物，氮化物作为沉积物质

现象：①：靶材分子分裂，其于工艺气体离子发生反应，形成化合物

②：膜层性能改变

③：靶材有可能中毒

2、二极溅射（见下图）：二极溅射是一种经典的标准溅射技术，其中等离子体和电子均只沿着电场方向运动。

特征：①：无磁场

②：溅射率低

③：放电电压高（＞500V）

④：镀膜底物受热温度极易升高（＞500°C）

用途：主要用于金属靶材、绝缘靶材、磁性靶材等的溅射镀。

3、磁控溅射（见下图）：暗区无等离子体产生，在磁控溅射下，电子呈螺旋形运动，不会直接冲向阳极。而是在电场力和磁场力的综合作用在腔室内做螺旋运动。同时获的能量而和工艺气体以及溅射出的靶材原子进行能量交换，使气体及靶材原子离子化，大大提高气体等离子体密度，从而提高了溅射速率（可提高10—20倍）和溅射均匀性。

4、二极溅射与磁控溅射对比：

4.1：靶材利用率（TU）：是指发生溅射的靶材质量占原靶材质量的比率。

公式表示：靶材利用率={原靶材质量（Kg）—溅射后靶材质量}/原靶材质量

靶材利用率对比见下表：

注：①：磁控溅射靶材利用率稍低，电压要求低，电流会高，溅射率提高，增加生产效率，降低成本。

②：靶材使用寿命结素之前必须及时更换新靶材，防止靶材周围物质发生溅射（金属箔片、连接片、阴极）

4.2、两种溅射技术的区别：

①：靶材利用率不同

②：溅射腔室和阴极设计要求不同

③：放电电流和放电电压不同（见下表）

④：溅射率不同：磁控溅射有更短的沉积时间，更高的沉积量和更短沉积周期。

以下引自书籍：

《真空溅射技术》

² 所谓“溅射”就是用荷能粒子（通常用气体正离子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。

² 1842年Grove（格洛夫）在实验室中发现了这种现象。

² 1877年美国贝尔实验室及西屋电气公司首先开始应用溅射原理制备薄膜。

² 1966年美国国际商用电子计算机公司应用高频溅射技术制成了绝缘膜。

² 1970年磁控溅射技术及其装置出现，它以“高速”、“低温”两大特点使薄膜工艺发生了深刻变化，不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求，而且促进了新工艺的发展。

² 我国在1980年前后，许多单位竞先发展磁控溅射技术。目前在磁控溅射装置和相应的薄膜工艺研究上也已出现了工业性生产的局面。

第一节 溅射理论及其溅射薄膜的形成过程

u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。

Ø 蒸发论

认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击的部位局部产生高温区，靶材达到蒸发温度而产生蒸发。

Ø 碰撞论

认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。轰击离子能量不足，不能发生溅射；轰击离子能量过高，会发生离子注入现象。

Ø 混合论

认为溅射是热蒸发论和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。

u辉光放电

u直流辉光放电

在压力为102-10-1Pa的容器内，在两个电极间加上直流电压后所发生的放电过程如图：

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”。电流增加到一定程度，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，气体开始起辉，电压降低，电流突然升高，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。当轰击区域覆盖整个阴极面后，再进一步增加功率，会使放电区内的电压和电流密度同时升高，进入溅射工艺工作区域，即“异常辉光放电区”。在该区域内，如果阴极没有水冷或继续增加功率，当电流密度达到约0.1A/cm2以上，将有热发射电子混入二次电子之中，随后发生又一个“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“异常辉光放电”的关键是击穿电压VB，主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。为了引起最初的雪崩，每个二次电子必须产生出约10-20个离子。若气压太低或极间距离太小，二次电子撞到阳极之前，无法到达所需要的电离碰撞次数；若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：

i. 阿斯顿暗区，不发生电离和激发；

ii. 阴极辉光区，气体分子激发发光；

iii. 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；

iv. 负辉光区，光度最强，有较强的负空间电荷；

v. 法拉第暗区，电离和激发都很小；不一定是辉光放电必须的，是起连接作用。

vi. 正柱区，等离子区，几乎与法拉第暗区等电位；

u低频交流辉光放电

在频率低于50KHz的交流电压条件下，离子有足够的活动能力且有充分的时间，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，其机理基本上与直流辉光放电相同。

我们常用的中频溅射属于这个范围，中频溅射的频率为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达到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赖，并且降低了击穿电压。

第二、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，正离子以均等的机会轰击溅射靶和基片，溅射成膜是不可能的。实际上，只要求靶上得到溅射，那么这个电极（溅射靶）必须绝缘起来，并通过电容耦合到射频电源上；另一个电极（真空室壁）为直接耦合电极（即接地极），而且靶面积必须比直接耦合电极小。实验证明：在射频辉光放电等离子体中阴极电压Vc与阳极电压Va之比于阳极面积Aa和阴极面积Ac之比存在如下关系：Vc/Va=（Aa/Ac）4。

由于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，而对溅射靶却进行强烈轰击并使之产生溅射。

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

下图为荷能离子碰撞表面所产生的各种现象：

在等离子体中，任何表面具有一定负电位时，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；对基片进行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表面从其表面上所溅射出来的原子数。

u溅射粒子向基片的迁移过程

靶材受到轰击所放出的粒子中，正离子由于逆向电场的作用是不能到达基片上的，其余粒子均会向基片迁移。压强为101-10-1Pa，粒子平均自由程约为1-10cm，因此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多次碰撞，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，所以溅射镀膜沉积在基片上的靶材原子的能量较大，其值相当于蒸发原子能量的几十至一百倍。

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情况下，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。

如图所示，气体压力与溅射率的关系曲线，当压力增高到一定值时，溅射率开始明显下降。其原因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佳值是比较合适的，当然应当注意由于气压升高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残余气体。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能力的同时，提高本底真空度和加大送氩量是确保薄膜纯度必不可少的两项措施。

就溅射镀膜装置而言，真空室本底真空度应为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表面所吸附的气体。采用烘烤去气方法。

² 扩散泵返油。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溅射气体的选择

应具备溅射率高、对靶材呈惰性、价格便宜、来源方便、易于得到高纯度的气体。一般采用氩气。

u溅射电压及基片电位

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重。

溅射电压不但影响沉积速率，而且严重英雄薄膜的结构。

基片电位直接影响入射的电子流或离子流。

1. 基片接地处于阳极电位，则它们受到等同电子轰击。

2. 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Vf。而基片周围等离子体电位VP高于基片电位为（Vf+VP），将引起一定程度的电子和正离子的轰击，导致膜厚、成分或其它特性的变化。如下图:

3. 假如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强薄膜附着力，而且还可以改变薄膜的结晶结构。

u基片温度

u高纯度的靶材

1. 必须具备高纯度的靶材和清洁的靶表面。

2. 溅射沉积之前对靶进行预溅射，使靶表面净化处理。

u由于溅射装置中存在多种参数间的相互影响，并且综合地决定溅射薄膜的特性，因此在不同的溅射装置上，或制备不同的薄膜时，应该对溅射工艺参数进行试验选择为宜。

第二节 溅射薄膜的特点

u膜厚可控性和重复性好

Ø 控制靶电流可以控制膜厚

Ø 通过溅射时间控制膜厚

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，形成一层伪扩散层

Ø 基片在成膜过程中始终在等离子区中被清洗和激活，清除了附着力不强的溅射原子，净化且激活基片表面。

u可以制备特殊材料的薄膜

Ø 可溅射几乎所有的固体（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 可通入反应气体，采用反应溅射方法制备与靶材完全不同的新的物质膜。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、基片温升高、易受杂质气体影响、装置结构复杂。

第三节 溅射应用范围简介

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