薄膜的物理氣相沉積-濺射法

薄膜技術(shù)與應(yīng)用

——濺射鍍膜主講：朱家俊電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3濺射法及其他PVD方法概述輝光放電與等離子體物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積裝置2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所基本定義薄膜物理氣相沉積的第二大類方法是濺射法。這種方法利用有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引到被濺射的物質(zhì)做成的靶電極。在離子能量合適的情況下，入射離子在與靶表面原子的碰撞過程中將后者濺射出來。這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，從而實現(xiàn)薄膜的沉積。濺射沉積的發(fā)展簡史1852年，W.Grove在研究輝光放電的時候發(fā)現(xiàn)了濺射現(xiàn)象；1902年，Goldstein證明上述金屬沉積是正離子轟擊陽極濺射出的產(chǎn)物；20世紀(jì)30年代，已有人開始利用濺射現(xiàn)象在實驗室中制取薄膜；20世紀(jì)60年代初，Bell實驗室和WesterElectic公司利用濺射制取集成電路用的Ta膜，從而開始了工業(yè)上的應(yīng)用；1963年，指出全長10m的連續(xù)濺射鍍膜裝置；1965年，IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體材料的濺射成為可能；1969年，BattlePacficNorthwest實驗室制成了使用的三級高速濺射裝置；1974年，J.Chapin使高速、低溫濺射鍍膜成為現(xiàn)實。3.1概述Thomson形象的把濺射現(xiàn)象類比于水滴從高處落在平靜的水面所引起的水花飛濺現(xiàn)象，并稱其為“Spluttering”，后來在印刷的過程中，將字母“l(fā)”漏印而成為“Sputtering”，不久這一詞便被用作科學(xué)術(shù)語“濺射”。2023/2/12023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所濺射鍍膜的特點膜層和基體的附著力強；可以方便的制取高熔點物質(zhì)的薄膜；在大面積連續(xù)基板上可以制取均勻的薄膜；容易控制膜的成分，可以支取不同成分和配比的合金膜；可以進行反應(yīng)濺射，制取多種化合物膜；可以方便的制取多層膜；便于工業(yè)化生產(chǎn)，易于實現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作等。3.1概述電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3濺射法及其他PVD方法概述輝光放電與等離子體物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積裝置2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所等離子體

一種電離氣體，是離子、電子和高能粒子的集合，整體顯中性。它是一種由帶電粒子組成的電離狀態(tài)，亦稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體的獲得利用粒子熱運動的方法（燃燒或者熱沖擊使氣體達到很高的溫度，分子和原子劇烈碰撞而離解）；利用電磁波能量（光、X-ray）；利用接觸電離（功函數(shù)不同的兩種金屬在高熱表面接觸發(fā)生離子化現(xiàn)象）；利用高能粒子（核聚變）；利用將電子和離子混合合成的方法（火箭推進器）；電子碰撞的方法（在電場的作用下，產(chǎn)生低氣壓氣體放電）3.2輝光放電與等離子體2023/2/12023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體基本的濺射過程

在圖所示的真空系統(tǒng)中，靶材作為陰極，相對于作為陽極并接地的真空室處于的負電位。沉積薄膜的襯底可以是接地的，也可以是處于浮動電位或是處于一定的正、負電位。在對系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，充人適當(dāng)壓力的惰性氣體，例如以Ar作為放電氣體時，其壓力范圍一般于10-1~10Pa之間。在正負電極間外加電壓的作用下，電極氣體原子將被大量電離。電離過程使Ar原子電離為Ar’離子可以獨立運動的電子，其中的電子會加速飛向陽極，而帶正電離子則在電場的作用下加速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出相應(yīng)的能量。離子高速撞擊靶材的結(jié)果之一是使大量的靶材表面原子獲得了相當(dāng)高的能量，使其可以脫離靶材的束縛而飛向襯底。在上述濺射的過程中，還伴隨有其他粒子，包括二次電子等的發(fā)射過程。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體氣體的輝光放電過程電子與氣體的碰撞所稱的激發(fā)、電離與反應(yīng)。電離激發(fā)反應(yīng)右圖為簡單的直流氣體放電系統(tǒng)，電極之間由電動勢E的直流電源提供電壓V和電流I，并以電阻R作為限流電阻。高能亞穩(wěn)中性原子的存在在氣相沉積技術(shù)中很重要，一方面可以與沉積原子產(chǎn)生非彈性碰撞將一部分能量傳遞給沉積原子提高沉積原子的能量；另一方面，又可以產(chǎn)生累積電離，使受激離子電離，提高電離幾率。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體直流氣體放電伏安特性曲線在開始階段電極間幾乎沒有電流（極少數(shù)的原子受到激發(fā)）隨著電壓的提高，電離粒子的運動隨之加快，當(dāng)這部分電離粒子的速度達到飽和時，電流不在隨電壓升高而增加。電壓繼續(xù)升高，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來，（湯生放電）湯生放電后期，在一些電場強度較高的電極尖端開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。隨著電流的繼續(xù)增加，放電電壓將再次突然大幅度下降，電流劇烈增加，進入電弧放電階段。湯生放電后，氣體突然發(fā)生點擊穿現(xiàn)象，電路的電流大幅度增加，同時電壓顯著下降。在這一階段，導(dǎo)電粒子的數(shù)目大大增加，在碰撞過程中的能量也足夠高，會產(chǎn)生明顯的輝光。隨著電流的繼續(xù)增加，將使輝光擴展到整個放電長度上。由于放電擴展到整個電極區(qū)域，再增加電流就需要額外增加電壓。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體直流輝光放電區(qū)域的劃分阿斯頓暗區(qū)，剛離開冷陰極的電子能量較低，不足以引起氣體原子的激發(fā)；陰極光層，隨著電子在電場中的加速足以使氣體原子激發(fā)時，產(chǎn)生輝光；陰極暗區(qū)，電子能量進一步增加，引起氣體原子的電離，從而產(chǎn)生大量的離子與低速電子，這一過程并不發(fā)可見光。（陰極位降區(qū)）負輝區(qū)，在陰極暗區(qū)產(chǎn)生的電子大多數(shù)在這里與氣體原子碰撞激發(fā)或電離，并與離子復(fù)合，形成很強的輝光；法拉第暗區(qū)，大部分電子在負輝區(qū)失去能量，而且此區(qū)的電場也較弱，不足以引起明顯的激發(fā)；正光柱區(qū)，在這里，正離子和電子密度相當(dāng)，成為等離子體區(qū)，在此區(qū)，場強比陰極小幾個數(shù)量級，帶電粒子主要是無規(guī)則的運動。產(chǎn)生大量的非彈性碰撞；

陽極暗區(qū)，電子被陽極吸收，離子被陽極排斥，形成負的空間電荷區(qū)，電位升高，形成陽極位降區(qū)；

陽極輝光，電子在陽極區(qū)被加速，足以在陽極前產(chǎn)生電離和激發(fā)，形成陽極輝光區(qū)。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體等離子鞘層電子與離子具有不同的速度的一個直接后果是形成所謂的等離子體鞘層，即相對于等離子體來講，任何位于等離子體中或其附近的物體都將自動地處于一個負電位，并且在其表面外將伴隨有電荷的積累。E2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體直流輝光放電的特點輝光放電時的發(fā)光的顏色與氣體的種類有關(guān)；輝光放電氣壓一般選擇10-1~102Pa；陰極位降區(qū)是維持輝光放電不可缺少的一部分，放電主要在這個區(qū)域中進行；在等離子體中，任何處于等離子體中的物體相對于等離子體而言均呈現(xiàn)負電位；電子在整個輝光放電過程中起到?jīng)Q定性的作用。正常輝光放電和異常輝光放電階段。異常輝光放電(glowdischarge)是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的放電形式，它可以提供面積較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實現(xiàn)大面積的均勻濺射和薄膜沉積?；」夥烹娺^程應(yīng)盡力避免。該過程會導(dǎo)致不均勻蒸發(fā)和靶材料的損壞。放電擊穿之后的氣體變成為具有一定導(dǎo)電能力的等離子體，相對于弧光放電來講，輝光放電等離子體中電離粒子的密度以及粒子的平均能量均較低，而放電的電壓則較高。此時，質(zhì)量較大的重粒子，包括離子、中性原子和原子團的能量遠遠低于質(zhì)量極小的電子的能量。這是因為，質(zhì)量極小的電子極易在電場中加速而獲得能量。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體輝光放電中的碰撞過程彈性碰撞

碰撞后粒子所獲能量與碰撞前粒子能量之比當(dāng)M1和M2相等時，有，說明同種氣體原子的碰撞能量轉(zhuǎn)移十分有效；當(dāng)M1>>M2，有，即，說明輕粒子被碰撞后的速度為入射粒子速度的兩倍；當(dāng)M1<<M2，有，說明輕粒子轉(zhuǎn)移給重粒子的能量很小。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體輝光放電中的碰撞過程非彈性碰撞碰撞后粒子所獲能量的最大值與碰撞前粒子能量之比當(dāng)M1和M2相等時，有，說明粒子最多將其能量的一半交出；當(dāng)M1<<M2，有，說明輕粒子幾乎將所有的能量傳遞給中性粒子。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.2輝光放電與等離子體結(jié)論在氣體放電過程中，離子每發(fā)生一次彈性碰撞，最多可以損失其全部能量；而發(fā)生一次非彈性碰撞，最多失去能量的一半；電子與重粒子在彈性碰撞中幾乎不損失能量，而在非彈性碰撞中幾乎把所有的能量交給中性粒子。通Ar時濺射Al靶的輝光通Ar/N2時濺射Al靶的輝光電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3濺射法及其他PVD方法概述輝光放電與等離子體物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積裝置2023/2/12023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象轟擊離子與物質(zhì)表面的作用2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射產(chǎn)額濺射是一個離子轟擊物質(zhì)表面，并在碰撞過程中發(fā)生能量與動量的轉(zhuǎn)移，從而最終將物質(zhì)表面原子激發(fā)出來的復(fù)雜過程。濺射產(chǎn)額是被濺射出來的原子數(shù)與入射離子數(shù)之間的比值，它是衡量濺射過程效率的一個重要的參數(shù)。與入射離子能量的關(guān)系存在濺射閾值隨著入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先是提高，其后在10KeV左右趨于平緩，最后反而下降。每種物質(zhì)的濺射閾值與入射離子的種類關(guān)系不大，但與被濺射物質(zhì)的升華熱有一定比例關(guān)系。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射產(chǎn)額與入射離子種類和被濺射物質(zhì)的關(guān)系元素的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性，即隨著元素外層d電子數(shù)的增加，其濺射產(chǎn)額提高，因而Cu、Az＼Au等元素的濺射產(chǎn)額明顯高于Ti、Zr、Nb、Mo、W等元素的濺射產(chǎn)額；使用惰性氣體作為入射離子源時，濺射產(chǎn)額較高，且重離子的濺射產(chǎn)額高于輕離子的。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射產(chǎn)額與入射離子角度的關(guān)系隨著離子入射方向與靶面法線間夾角的增加，濺射產(chǎn)額先是呈現(xiàn)l／cos規(guī)律的增加，即傾斜入射有利于提高濺射產(chǎn)額。但當(dāng)入射角接近800時，產(chǎn)額迅速下降。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與靶材溫度的關(guān)系不大。但是，當(dāng)溫度達到一定水平之后，濺射產(chǎn)額會發(fā)生急劇的上升。其原因可能與溫度升高之后，物質(zhì)中原子間的鍵合力弱化，濺射的能量閾值減小有關(guān)。因此，在實際薄膜沉積過程中，均需要控制濺射的功率以及濺射靶材的溫升。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象合金的濺射和沉積

濺射法易于保證所制備的薄膜的化學(xué)成分與靶材的成分基本一致。而這一點對于蒸發(fā)法來說是很難做到的濺射法與蒸發(fā)法在保持確定的化學(xué)成分方面具有巨大差別的原因與不同元素濺射產(chǎn)額間的差別相比，元素之間在平衡蒸氣壓方面的差別太大；在蒸發(fā)的情況下，被蒸發(fā)物質(zhì)的表面成分持續(xù)變動。相比之下，濺射過程中靶物質(zhì)的擴散能力較弱。由于濺射產(chǎn)額差別造成的靶材表面成分的偏離很快就會使靶材表面成分趨于某一平衡成分，從而在隨后的濺射過程中實現(xiàn)一種成分的自動補償效應(yīng)：濺射產(chǎn)額高的物質(zhì)已經(jīng)貧化，濺射速率下降；而濺射產(chǎn)額低的元素得到了富集，濺射速率上升。其最終的結(jié)果是，盡管靶材表面的化學(xué)成分已經(jīng)改變，但濺射出來的物質(zhì)成分卻與靶材的原始成分相同。濺射沉積引起襯底溫度升高的原因原子的凝聚能；沉積原子的平均動能；等離子體中的其他粒子，如電子、中性原子等的轟擊帶來的能量。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.3物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射過程中入射離子與靶材之間的能量傳遞濺射出的原子將從濺射過程中獲得很大的動能，其數(shù)值一般為5～20eV，蒸發(fā)法為0.1eV電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3濺射法及其他PVD方法概述輝光放電與等離子體物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積裝置離化PVD技術(shù)2023/2/12023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置根據(jù)其特征分為直流濺射射頻濺射磁控濺射反應(yīng)濺射離子束濺射電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置直流濺射典型的濺射條件工作氣壓：10Pa，濺射電壓3KV，靶電流密度0.5mA／cm2，薄膜沉積速率低于0.1m/min.在直流濺射過程中，常用Ar作為工作氣體。工作氣壓是一個重要的參數(shù)，它對濺射速率以及薄膜的質(zhì)量都具有很大的影響。沉積速率通常與濺射功率（或者濺射電流的平方）成正比，與靶材和襯底之間的間距成反比。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置濺射沉積速率和工作氣壓的關(guān)系氣壓太低時，電子的平均自由

程較大，電離幾率降低，大部

分電子在陽極消失，濺射沉積

速率降低；氣壓太高時，濺射出來的原子

在向陽極襯底發(fā)行的過程中將

會受到過多的碰撞和散射；一般的沉積氣壓可取70~150mTorr。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置直流濺射的改進型-三極濺射系統(tǒng)利用燈絲熱電子發(fā)射離化氣體工作條件為：工作氣壓0.5Pa，濺射電壓1500V，靶電流密度2.0mA／cm2，薄膜沉積的速率0.3m／min。系統(tǒng)參數(shù)二極

濺射三極

濺射射頻

濺射壓力

Pa100.51電壓

V300015001000電流

mA/cm20.52.01沉積率

m/min<0.10.30.5不同濺射系統(tǒng)的典型工作參數(shù)比較2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置射頻濺射無線電波13.56MHZ，交變電場。負半周時，靶材為陰極，基片為陽極，正離子轟擊靶材，濺射正常進行。正半周，靶材為陽極，基片為陰極，電子質(zhì)量比離子小，遷移率高，很快飛向靶面，中和正電荷，且可能迅速積累大量電子，使靶表面空間電荷呈現(xiàn)負電性，即正半周也可實現(xiàn)離子轟擊。射頻能濺射絕緣靶。2023/2/1射頻電極上的電流與電壓電子速度比離子的快得多，因而射頻電極在正半周內(nèi)接受的電子比在負半周內(nèi)接受的離子多得多，或者說其特性就象二極管。其平均電流為零，則相應(yīng)產(chǎn)生鞘層電位3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1射頻濺射時自偏壓效應(yīng)的產(chǎn)生每個射頻電極既是陰極，又是陽極電子的速度比離子的速度高得多每個電極在半周期內(nèi)傾向于接受的電子電量要比離子電量多許多，因此逐漸形成了鞘層電位，它的形成與靶是否是導(dǎo)體無關(guān)非對稱的電極形式：真空室、地電極并接在一起，形成面積很大的非濺射極靶濺射極面積相對較小可將兩個電極及中間的等離子體看成是兩個串聯(lián)的電容，其中靶電極與等離子體間的電容因靶面積小而較小，而等離子體與接地極間的電容因電極面積大而較大。兩“電容”的電壓降V與電極面積A的二次方成反比，即其中，角標(biāo)c和d分別指經(jīng)電容C或是直接耦合至射頻電源的靶電極和接地極。因此，面積較小的靶電極擁有較高的自偏壓3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1射頻濺射時自偏壓效應(yīng)的產(chǎn)生接地極對等離子體的電位為-Vp，而射頻極對等離子體的電位為Vc-Vp。則，濺射極自偏壓Vb射頻濺射方法靶電極上的自偏壓很高，造成射頻靶的濺射，使非導(dǎo)體的濺射成為可能真空室壁的自偏壓小，受到離子轟擊和濺射的效應(yīng)小，可被忽略出于同樣的道理，在襯底或薄膜（可以是絕緣體）上施加一射頻電源，也可以起到施加負偏壓的作用3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1射頻濺射阻抗匹配3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所ErR等效電路右圖中：E：理想電源r：電源內(nèi)阻R：負載電阻當(dāng)負載電阻等于電源內(nèi)阻時，負載將獲得最大功率，這種工作狀態(tài)就稱為匹配。裝置較復(fù)雜，存在絕緣、屏蔽、匹配網(wǎng)絡(luò)裝置與安裝、電極冷卻等多種裝置部件。大功率的射頻電源價格較高，對于人身防護也成問題。2023/2/1解決的辦法：磁控濺射3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所磁控濺射一般濺射方法的兩大缺點：濺射沉積薄膜的速率較低濺射所需的氣壓較高，否則放電現(xiàn)象不易維持,兩者導(dǎo)致污染幾率增加，濺射效率低2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置磁控濺射磁控濺射是利用濺射方法的普遍原理，在垂直電場的方向上加一磁場。這樣，垂直方向上的磁力線可以將電子約束在靶表面附近，延長其在等離子體內(nèi)的運動軌跡，提高它參與氣體分子碰撞和電離過程幾率的作用，從而降低濺射過程的氣體壓力，提高濺射效率和沉積速率。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置磁控濺射2023/2/13.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所磁控濺射直流與磁控濺射情況下氣體放電的帕邢曲線磁控濺射的優(yōu)點：氣壓可以低至10-1Pa，降低了薄膜污染；且沉積速率高（可大于10m/hr）、靶電壓低

2023/2/1非平衡磁控濺射方法磁控濺射還具有可將等離子體約束于靶附近，離子對薄膜的轟擊作用小的特點，這對于希望減少薄膜損傷、降低沉積溫度的場合來說是有利的;但有時，又希望保持適度的離子對薄膜的轟擊效應(yīng)。這時，可借助所謂的非平衡磁控濺射方法;非平衡磁控濺射靶有意減?。ɑ蚣哟螅┝税兄行牡拇朋w體積，使部分磁力線發(fā)散至距靶較遠的地方;非平衡磁控濺射時，等離子體的作用范圍擴展到了薄膜附近，造成氣體分子電離和部分離子轟擊薄膜表面3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1偏壓濺射方法在一般濺射裝置的基礎(chǔ)上，將襯底的電位與接地陽極（真空室）的電位分開設(shè)置，在襯底與等離子體之間有意識地施加一偏置電壓，吸引部分離子轟擊薄膜的方法。有時，這種方法又被稱為濺射離子鍍通常，負偏壓的大小控制在數(shù)百伏之內(nèi)。偏壓濺射是改善薄膜組織及性能的常用手段偏壓直流濺射和偏壓射頻濺射制備的Ta薄膜顯示了類似的結(jié)果，表明偏壓對薄膜組織及電阻率的影響遵循著一種普遍的內(nèi)在規(guī)律3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所Ta薄膜電阻率隨偏置電壓的變化

2023/2/13.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射調(diào)整制備化合物薄膜時，可以直接使用化合物作為靶材。但有時化合物濺射會發(fā)生化合物分解的情況，使沉積的薄膜在成分上與靶材有很大的差別上述現(xiàn)象的原因是濺射環(huán)境中相應(yīng)元素的分壓低于形成相應(yīng)化合物所需的壓力。因此，解決問題的辦法是調(diào)整氣體的組成和壓力，通入相應(yīng)的活性氣體，抑制化合物的分解進一步，也可采用純金屬作濺射靶，但在工作氣體中混入適量的反應(yīng)氣體（如O2、N2、NH3、CH4、H2S等），在濺射沉積的同時生成所需的化合物。這種濺射技術(shù)被稱為反應(yīng)濺射方法2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置反應(yīng)濺射調(diào)整濺射室內(nèi)的氣體組成和壓力，限制化合物分解過程，也可以采用純金屬作為濺射靶材，在工作氣體中混入活性氣體如O2、N2、NH3、CH4、H2S等時期在濺射沉積的同時生成特定的化合物從而完成從濺射、反應(yīng)到沉積多個步驟。可以沉積的化合物有：（1）氧化物：Al2O3、SiO2、SnO2等；（2）碳化物：SiC、WC、TiC等；（3）氮化物：TiN、AlN、Si3N4等；（4）硫化物：CdS、ZnS、CuS等。

反應(yīng)濺射由于采用了金屬靶材，因而它不僅可以大大降低靶材的制造成本，而且還可以有效地改善靶材和薄膜的純度2023/2/1反應(yīng)濺射N2分壓對Ta薄膜電阻率及電阻率溫度系數(shù)的影響通過控制活性氣體的壓力，可控制沉積產(chǎn)物的成分與性能。如反應(yīng)濺射沉積TaN時，可形成的相包括Ta、Ta2N、TaN及它們的混合物3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射時遇到的問題隨著活性氣體壓力的增加，靶材表面也要形成一層相應(yīng)的化合物,并導(dǎo)致濺射和薄膜沉積速率的變化化合物的濺射產(chǎn)額一般低于金屬，即濺射效率會下降。這時，靶材上活性氣體的吸附速率已經(jīng)大于和等于其濺射速率；大量的入射離子不是在對靶進行濺射，而是在濺射不斷吸附到靶上的氣體，并大量產(chǎn)生二次電子發(fā)射上述濺射特征的變化呈現(xiàn)出滯后的特征。只有當(dāng)活性氣體的流量降低至更低的水平時，濺射效率才會提高到原來的水平。變化前后的濺射模式被稱為金屬態(tài)的濺射和化合物態(tài)的濺射3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1

從提高濺射效率的角度考慮，希望在保證薄膜成分的同時，盡量將濺射過程控制在曲線的E點附近。3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射薄膜沉積速率隨反應(yīng)氣體流量的變化2023/2/13.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射法所獨有的靶中毒問題更嚴(yán)重的是，陽極上生成化合物,導(dǎo)致陽極不能再接受電子即出現(xiàn)陽極消失現(xiàn)象,以至濺射過程不能穩(wěn)定進行靶面上形成的化合物會使得靶面上發(fā)生電荷積累、不時引起電弧放電，損害靶材與薄膜上述反應(yīng)濺射特有的靶上形成化合物的現(xiàn)象被稱為靶材的中毒靶中毒不僅會降低薄膜的沉積速度，而且也會損害靶和薄膜，它對濺射工藝的控制提出了嚴(yán)格的要求。2023/2/13.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射避免靶材中毒的可能措施包括將反應(yīng)氣體的輸入位置盡量設(shè)置在遠離靶材而靠近襯底的地方，提高活性氣體的利用效率，抑制其與靶材表面反應(yīng)的進行提高反應(yīng)氣體的活性，以降低其所需的壓力提高靶材的濺射速率，降低活性氣體吸附的相對影響導(dǎo)致靶中毒問題出現(xiàn)的原因在于靶材與陽極表面出現(xiàn)化合物層和電荷積累顯然，若可以每隔一段時間讓靶及陽極表面積累的電荷得以釋放的話，就可避免靶面打火等現(xiàn)象的出現(xiàn)因此，解決的辦法之一:可采取對濺射靶周期地施加交變電壓的方法，不斷提供釋放靶電荷的機會2023/2/1反應(yīng)濺射避免靶材中毒的可能措施包括針對靶表面的電荷積累，可估計靶面電弧擊穿”打火”現(xiàn)象出現(xiàn)的時間間隔。設(shè)相應(yīng)化合物層的介電常數(shù)與擊穿場強為εr

和Eb

，轟擊靶面的離子流密度為J，從電荷開始積累到發(fā)生放電擊穿的時間間隔大致等于 以反應(yīng)濺射SiO2為例，設(shè)靶面濺射區(qū)離子流密度為1mA/cm2，SiO2的Eb=3105V/cm，介電常數(shù)ε

=3.7，則放電現(xiàn)象發(fā)生的時間間隔約等于tb=100us。因此，電荷釋放所需要的放電頻率應(yīng)該高于10kHz中頻孿生靶濺射和脈沖濺射3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/13.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射中頻孿生靶濺射和脈沖濺射目前,反應(yīng)濺射多使用頻率為10-150kHz的正弦波中頻電源頻率為10-70kHz的脈沖電源在中頻濺射的情況下，靶材周期性地處于高電位和低電位低電位時，靶材在被離子被濺射的同時，正電荷積累下來高電位時，等離子體中的電子迅速涌入,中和掉靶材表面積累的電荷，抑制了靶材表面的打火現(xiàn)象2023/2/1中頻孿生靶磁控濺射裝置的示意圖

3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射中頻孿生靶濺射中頻濺射法常使用兩個并列的靶、即孿生靶，它們各自與中頻電源的一端相連，并與整個的真空室相絕緣。兩靶交替作為陰極和陽極,分別被離子所濺射2023/2/13.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所反應(yīng)濺射脈沖濺射法脈沖濺射法使用的是矩形波式的脈沖電源在負脈沖期間，靶材處于被濺射的狀態(tài)在正脈沖期間，靶材表面積累的電荷將由于電子的迅速流入而得到中和脈沖濺射法也可以使用與中頻濺射法時類似的孿生靶脈沖濺射時的電壓波形

為保持高的濺射速率，同時也由于電子的速度遠高于離子的速度，因此正脈沖的寬度可以小于負脈沖的寬度2023/2/1反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射的交流濺射方法可以理解，脈沖濺射與中頻濺射兩者在克服濺射靶材表面電荷積累方面的作用是相同的，因而它們也具有相同的優(yōu)點，即抑制靶中毒和打火現(xiàn)象發(fā)生、穩(wěn)定并提高薄膜的沉積速率與質(zhì)量中頻濺射和脈沖濺射法統(tǒng)稱為交流濺射法。它克服了困擾反應(yīng)濺射技術(shù)的靶電極電荷積累問題，因而靶材毒化的問題不再是妨害反應(yīng)濺射過程進行的限制性因素。這大大促進了化合物薄膜材料制備技術(shù)的發(fā)展，因而已在實際生產(chǎn)中迅速獲得了推廣與使用3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所2023/2/1離子束濺射3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所離子源2023/2/1離子束濺射一般的濺射方法多是將靶、薄膜置于輝光放電環(huán)境中，氣體壓力一般在0.1-10Pa之間。其缺點是薄膜沉積過程處于等離子體中，這造成離子能量、強度不能精確控制體雜質(zhì)的污染等離子體轟擊導(dǎo)致薄膜溫度上升會產(chǎn)生電子、離子轟擊損傷離子束濺射方法與此不同，它將離子的產(chǎn)生與靶的濺射過程相分開。離子產(chǎn)生區(qū)的真空度保持在0.1Pa的數(shù)量級，而濺射區(qū)的真空度則可維持在低于10-3Pa（甚至可達10-7Pa）3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所離子束以一定的角度轟擊靶材并濺射出其表層的原子。在靶材不導(dǎo)電時，需要在離子槍外或是在靶材的表面附近，用直接對離子束提供電子的方法，中和離子束所攜帶的電荷。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置濺射用靶材利用率比較2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置濺射用靶材利用率比較2023/2/1各種濺射方法的相互關(guān)系3.4濺射沉積裝置電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所組合方式2023/2/12023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.4濺射沉積裝置離子濺射與蒸發(fā)方法的原理及特性比較

電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3濺射法及其他PVD方法概述輝光放電與等離子體物質(zhì)的濺射現(xiàn)象濺射沉積裝置離化PVD技術(shù)2023/2/1概述2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.5離化PVD技術(shù)概念：通過將成膜材料高度電離化形成膜材料離子，從而其增加沉積動能，并使之在高化學(xué)活性狀態(tài)下沉積薄膜的技術(shù)。出發(fā)點：

以其它手段激發(fā)沉積物質(zhì)粒子，然后使之與高度電離的等離子體交互作用(類似PECVD)，促使沉積粒子離化，使之既可被電場加速而獲得更高動能，同時在低溫狀態(tài)下具有高化學(xué)活性?；咎攸c：

大多數(shù)是蒸發(fā)/濺射(氣相物質(zhì)激發(fā))與等離子體離化過程(賦能、激活)的交叉結(jié)合！主要優(yōu)勢：低溫沉積、甚至可以低溫外延生長；薄膜性能≥濺射(結(jié)合力、致密度)、沉積速率≥蒸發(fā)(>>濺射)；可沉積化合物薄膜；薄膜表面形貌、粗糙程度高度可控。2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.5離化PVD技術(shù)概述沉積離子的轟擊作用：1、對基片的作用：物理/化學(xué)清潔作用；形成注入型缺陷；

改變表面形貌及粗糙度；改變局部化學(xué)成分；

破壞晶體結(jié)構(gòu)；造成局部溫升。2、對膜基界面的作用：形成偽擴散層(沉積物/基體物質(zhì)的物理混合梯度層)；

輸入動能，增強擴散/形核，易于成膜；

界面致密化；

改善沉積粒子的繞射性，提高薄膜的均勻程度及其對基片表面復(fù)雜形狀的覆蓋能力。主要沉積技術(shù)分類：2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.5離化PVD技術(shù)一、概念：真空下，通過氣體放電使氣體或靶材料部分離化，

在離化離子轟擊基片的同時，形成其離化物質(zhì)或

其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物在基片上的沉積。二、技術(shù)關(guān)鍵：1、膜材料的氣化激發(fā)：既可蒸發(fā)、也可濺射；2、氣相粒子的離化：輸運過程中必須路經(jīng)等離子體，并被離化！三、實現(xiàn)原理：1、基片置于陰極，等離子體中的正離子轟擊基片并成膜。

2、成膜時沉積物中約20~40%來自離化的膜材料離子，其余為原子。

3、離化后的膜材料離子具有高化學(xué)活性和高動能，并轟擊基片對薄

膜的生長形成有利影響。

4、形成的薄膜由于離子的轟擊作用，具有結(jié)合力高、低溫沉積、

表面形貌及粗糙度可控、可形成化合物等一系列優(yōu)點。四、沉積裝置：1、直流輝光放電型離子鍍：二極型：如右圖所示≈

蒸發(fā)+二極濺射電子束蒸發(fā)出成膜物質(zhì)氣相粒子，路經(jīng)二極輝光放電系統(tǒng)形成

的等離子體，并部分離化，在基片負偏壓作用下被加速轟擊基片，形成薄膜的沉積。離子鍍(IonPlating)2023/2/1電子封裝材料與薄膜技術(shù)研究所3.5離化PVD技術(shù)沉積裝置：1、直流輝光放電型離子鍍：三極型：如右圖1所示≈

電阻蒸發(fā)+三極濺射

引入熱陰極（第三極）的作用：

發(fā)射更多電子，氣體離化率、等離子體荷電密度！2、電弧離子鍍：陰極電弧離子鍍(CathodicArcIonPlating)：如右圖2所示?！鲫帢O斑點內(nèi)電流密度、溫度極高，可大量蒸發(fā)出陰極物質(zhì)；

■蒸發(fā)物質(zhì)離化，既可維持放電，又可提供鍍膜離子；

■因此：陰極電弧既是蒸發(fā)源，又