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1、6.3 濺射成膜 1濺射是指荷能粒子(如正離子)轟擊靶材,使靶材表面原子或原子團逸出的現(xiàn)象,逸出的原子在工件表面形成與靶材成分相同的薄膜。這種制備薄膜的方法稱為濺射成膜。 2濺射技術(shù)的發(fā)展1842年,Grove提出濺射現(xiàn)象;1870年,濺射技術(shù)始用于薄膜制備;1930年,濺射成膜技術(shù)進入實用階段;20世紀(jì)70年代,電子工業(yè)半導(dǎo)體制造工藝需要制備組成復(fù)雜的合金,促進了濺射成膜技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用;濺射成膜技術(shù)優(yōu)點:可以精確控制膜的組分,增強膜與基體的結(jié)合力。3濺射的基本原理 1氣體放電理論2輝光放電3濺射機制(1)濺射蒸發(fā)論(2)動量轉(zhuǎn)移理論44濺射率及其影響因素 通常,一個入射靶面的離子,使靶面濺
2、射出來的原子數(shù)稱為濺射率,用S表示??梢?,濺射率是決定濺射成膜快慢的主要因素之一。影響濺射率大小的主要因素有入射離子能量、入射角度、靶材及表面的晶體結(jié)構(gòu)。其中入射離子能量起決定性的作用,圖6-20是濺射率和入射離子能量的關(guān)系。 5圖6-20 濺射率與入射離子能量關(guān)系示意 (P228)與升華熱具有相同數(shù)量級100400ev400500ev,S(E)1/2離子注入6事實上,濺射率S的大小還取決于正離子的種類。靶材為Ag,加速電壓為45kV時,濺射率隨正離子原子序數(shù)呈周期的變化,而惰性氣體呈現(xiàn)出峰值。所以通常濺射時多用Ar。此外,靶材料不同對濺射影響也較大,隨著原子序數(shù)的增大,濺射率也是周期性變化,
3、如Cu、Ag、Au都具有最大的濺射率。表6-6給出了各種物質(zhì)的濺射率。 7表6-6 各種物質(zhì)的濺率 86.3.2 濺射設(shè)備 1直流濺射典型的直流二極濺射設(shè)備原理如圖6-21所示,它由一對陰極和陽極組成的二極冷陰極輝光放電管組成。陰極相當(dāng)于靶,陽極同時起支撐基片作用。9圖6-21 典型的兩極直流濺射設(shè)備 Ar氣壓保持在13.3-0.133Pa之間,附加直流電壓在kV數(shù)量級時,則在兩極之間產(chǎn)生輝光放電,于是Ar+由于受到陰極位降而加速,轟擊靶材表面,使靶材表面溢出原子,濺射出的粒子沉積于陽極處的基片上,形成與靶材組成相同的薄膜。 10二極直流濺射是濺射方法中最簡單的,然而有很多缺點,其中最主要是放
4、電不夠穩(wěn)定,需要較高起輝電壓,并且由于局部放電常會影響制膜質(zhì)量。此外,二極濺射以靶材為陰極,所以不能對絕緣體進行濺射。 112高頻濺射 采用高頻電壓時,可以濺射絕緣體靶材。由于絕緣體靶表面上的離子和電子的交互撞擊作用,使靶表面不會蓄積正電荷,因而同樣可以維持輝光放電。一般而言,高頻放電的點燃電壓遠低于直流或低頻時的放電電壓。圖6-22是高頻濺射的示意,與直流濺射相比,區(qū)別在于附加了高頻電源。 12圖6-22 高頻濺射儀原理圖 133磁控濺射 與蒸鍍法相比,二極或高頻濺射的成膜速率都非常小,大約50nm/min,這個速率約為蒸鍍速度的1/5-1/10,因而大大限制了濺射技術(shù)的推廣應(yīng)用。為了提高濺
5、射速度,后來又發(fā)展了磁控濺射。 14磁控濺射原理磁控濺射(magnetron-sputtering)是70年代迅速發(fā)展起來的一種“高速低溫濺射技術(shù)”。磁控濺射是在陰極靶的表面上方形成一個正交電磁場。當(dāng)濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速為高能電子后,并不直接飛向陽極,而是在正交電磁場作用下作來回振蕩的近似擺線的運動。15高速低溫濺射技術(shù)(補充)高能電子不斷與氣體分子發(fā)生碰撞并向后者轉(zhuǎn)移能量,使之電離而本身變成低能電子。這些低能電子最終沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽極而被吸收,避免高能電子對極板的強烈轟擊,消除了二極濺射中極板被轟擊加熱和被電子輻照引起損傷的根源,體現(xiàn)極板“低溫”的特點。由于外
6、加磁場的存在,電子的復(fù)雜運動增加了電離率,實現(xiàn)了高速濺射。磁控濺射的技術(shù)特點是要在陰極靶面附件產(chǎn)生與電場方向垂直的磁場,一般采用永久磁鐵實現(xiàn)。16在濺射裝置中附加磁場,由于洛侖茲力作用,可以使濺射速度成倍提高。當(dāng)電場與磁場方向平行時,電子運動方向決定了其兩種運動傾向。其一是不受洛侖茲力作用,此時電子速度平行于磁場方向;其二是做螺旋運動,此時電子速度與磁場成角。 17無論哪種情形,在磁場作用下,電子的運動被封閉在電極范圍內(nèi),大大減少了電子與腔體的復(fù)合損耗,同時電子的螺旋運動增加了電子從陰極到陽極的運動路程,有效地增加了氣體的電離。當(dāng)磁場與電場正交時,電子在陰極附近作擺線運動,而后返回到陰極,增加
7、了碰撞電子數(shù)量,從而有效增加了氣體分子的電離。這剛好與增加反應(yīng)室氣體壓力具有相同的效果。 184反應(yīng)濺射 在濺射中,如果將靶材做成化合物來制備化合物薄膜,則薄膜的成分一般與靶材化合物的成分偏差較大。為了濺射化合物薄膜,通常在反應(yīng)氣氛下來實現(xiàn)濺射,即將活性氣體混入放電氣體中,就可以控制成膜的組成和性質(zhì),這種方法叫反應(yīng)濺射方法。 19反應(yīng)濺射裝置中一般設(shè)有引入活性氣體的入口,并且基片應(yīng)預(yù)熱到500左右的溫度。此外,要對濺射氣體與活性氣體的混合比例進行適當(dāng)控制。通常情況下,對于二極直流濺射,氦氣加上活性氣體后的總壓力為l.3Pa,而在高頻濺射時一般為0.6Pa左右。表6-7是利用反應(yīng)濺射法制備化合物
8、薄膜的常用工藝參數(shù)。 20表6-7 反應(yīng)濺射法制備薄膜的工藝條件 21濺射鍍膜工藝 以磁控濺射為例,如果是間歇式的,一般工序為:(1)鍍前表面處理。與蒸發(fā)鍍膜相同。(2)真空室的準(zhǔn)備。包括清潔處理,檢查或更換靶(不能有滲水、漏水,不能與屏蔽罩短路),裝工件等。(3)抽真空。22(4)磁控濺射。通常在0.066Pa-0.13Pa真空度時通入氬氣,其分壓為0.66Pa-1.6Pa。然后接通靶冷卻水,調(diào)節(jié)濺射電流或電壓到規(guī)定值時進行濺射。自濺射電流達到開始濺射的電流時算起,到時停止濺射,停止抽氣。這是一般的操作情況,實際上不同材料和產(chǎn)品所采用的工藝條件是不一樣的,應(yīng)根據(jù)具體要求來確定,有些條件要嚴(yán)格
9、控制。(5)鍍后處理235離子鍍 濺射法是利用被加速的正離子的撞擊作用,使蒸氣壓低而難蒸發(fā)的物質(zhì)變成氣體。這種正離子若打到基片上,還會起到表面清洗的作用,提高薄膜質(zhì)量。然而,這樣又帶來一個新的問題,就是成膜速度受到一定限制。為了解決這一難題,將真空蒸鍍與濺射結(jié)合起來,利用真空蒸鍍來鍍膜,利用濺射來清洗基片表面,這種制膜方法被稱為離子鍍膜。圖6-23給出了離子鍍裝置原理。 24圖6-23 離子鍍膜裝置 25將基片放在陰極板上,在基片和蒸發(fā)源之間加高電壓,真空室內(nèi)充入1.3-1.310-2Pa放電氣體。與放電氣體成比例的蒸發(fā)分子,由于強電場作用而激發(fā)電離,離子加速后打到基片上,而大部分中性蒸發(fā)分子不能加速而直接到達基片上。采用這種方法制備的薄膜與基體結(jié)合強度大。若加之磁場控制濺射,或在兩極間加高頻電場或混入反應(yīng)性氣體,可以制備多種單質(zhì)或化合物薄膜。 26離子鍍膜的基本過程包括鍍料蒸發(fā)。離化、離子加速、離子轟擊工件表面。離子或原子之間的反應(yīng)、離子的中和、成膜等過程,而且這些過程是在真空、氣體放電的條件下完成的。一般情況下,離子鍍設(shè)備由真空室、蒸發(fā)源(或氣源、濺射源等)、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。不同類型的離子鍍方法采用不同的真空度;鍍料氣
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