真空溅射镀膜-讲义.pptx

,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,2013/1/29,#,真空溅射镀膜,诚真企业有限公司,溅射镀膜之必要制程可分三大项，即：,真空排气（,Pumping,）,气体导入（,Gas introducing,）,放电（,Discharge,）,1.,真空排气,如一般之真空系统，可使用油扩散真空帮浦（,Oil diffusion pump,），涡轮分子真空帮浦（,Turbomoleular pump,）等高真空排气装置，配合油回转帮浦（,Oil rotary pump,），使溅镀室之真空度最少能达到,10,-6,Torr,或更好的程度，方可实施溅镀。一般依溅镀材料之不同，真空排气之要求，应特别注意溅镀室内可能残存气体种类及含量（或溅镀室内壁，在高真空下可能逸出之气体），对溅镀效果而安排适当的排气组件组合。,溅射镀膜制程,2.,气体导入,溅射镀膜时，氩气为最主要溅射气体源，若还有他种气体欲导入时，目的即在做化学反应溅镀，一般对氩气的比例均较低，故气体导入时，先以氩气导入之控制为主。而其控制方式可采用定压或定量方式。原则上以可容许之最大流量为佳，如此可减少器壁内残存有害气体逸出（,Out gas,）之影响，惟不可影响到排气系统的排气能力。,一般气体导入控制以质量流动控制器（,Mass Flow Controller,）最容易操作，而且稳定。气体导入操作方法，一般系在溅镀室之真空度达到最好程度（,10,-6,Torr,以下）时，然后导入气体，调整溅镀室的真空度约在,5,8x10,-4,Torr,为最大流量（高真空排气能力不调整时），惟需注意高真空帮浦之背压，不可超过其临界值为限（一般约在,0.2Torr,以下）。若背压超过时，即表示补助帮浦（油回转帮浦）排气能量不足。,经以上气体导入后，使其达到稳定状态，即可将主真空阀之排气度减低（关小主真空阀之开口，或控制节流阀之开合度）使溅镀室的真空度达到,5x10,-2,5x10,-3,Torr,（视靶材材质，靶面至遮板或基板距离及靶结构而定）。并待数分钟，使其达到稳定状态，即可进入放电操作。,3.,放电,溅射目的之达成，即在使氩气，电离成正离子后撞击靶面，使靶材原子溅射出来并沈积于基板上。故必须将靶材施予负性高电压，以达到此目的。其放电情况，在有磁控装置时，如图,2-1,所示。,于溅射放电时，阴极靶面所形成之阴极暗区（简称暗区）具有相当重要之影响，一般于施加负电压之阴极对阳极之溅镀室壁及基板（一般为接地形态）放电时，暗区之宽度约在,10,到,30mm,之间。,暗区宽度依气体压力而定，气体压力愈高（即真空度较差时），暗区宽度愈小。暗区太宽或太窄，对溅射镀膜，都无法达到最好的效果。,图,2-2a,即气体压力太高，暗区宽度变窄，放电介于靶材及阴极屏蔽之间。而靶材与阴极屏蔽（接地电位）间距离约在,7mm,以下，当靶材与屏蔽发生放电时，不仅产生不纯物沈积，于阴阳极间的绝缘材，而导致阴极阳极间之高电压短路，这是非常危险的。,图,2-2c,即当气体压力太低时，放电即很难产生，假使放电能产生，亦很难稳定。,图,2-2a,暗区宽度太窄 图,2-2b,暗区宽度适中 图,2-2c,暗区宽度太宽,一、直流二极溅射原理,直流二极溅射是利用直流辉光放电使气体电进，如图,8-1,所示。图,8-1a,是一个辉光放电管，其中装有两个电极，作为阴极和阳极。将管内抽真空，使其真空度达到,10Pa,左右，再加上几百伏的直流电压，就会产生辉光放电。辉光放电区域并不是均匀的。只要两个电极之间有足够的距离，就能观察到一些明暗程度不同的区域。这些区域主要是,阴极暗区、负辉区、法拉第暗区和正辉区,(,图,8-1a),。,除阴极暗区以外，其他各个区域或者是等离子体区,(,阳极辉柱,),，或者近似于等离子体区,(,负辉区和法拉第暗区,),。等离子体之中存在大量自由电子，是一种良导体，因此加在放电管两极的电压，几乎毫无损失地通过各个等离子区，而全部加在阴极暗区。图,8-1b,是辉光放电区的电位分布。,图,8-1,二极直辉光放电,a),辉光放电区的结构,1-,阴极,2-,阴极暗区,3-,负辉区,4-,法拉第暗区,5-,阳极辉柱,6-,阳极,b),辉光放电区的电位分布,第一节溅射镀膜原理,存在于负辉区等离子体之中的离子，一旦由于热运动而进入阴极暗区，就会被其中存在的电场加速而飞向阴极。阴极表面的溅射效应，就是由这些离子造成的。此外，这些离子还从阴极表面击出电子，即所谓二次电子。二次电子也受到阴极暗区电场的加速，但飞行方向是飞离阴极。辉光放电之所以能够维时不变，正是依赖于这些二次电子在行程中与气体原子发生碰撞电离，恢而不断产生新的离子和电子，来补充等离子体的损失。,尽管二次电子在阴极暗区也与气体原子碰撞，但未能引起大量碰撞电离。二次电子发生首次碰撞电离的平均位置，大致在阴极暗区与负辉区的界面处。,负辉区的二次电子大致分为两类：一类是,高能电子,，另一类是,低能电子,。,高能电子是经阴极暗区加速之后的二次电子。正是这些高能电子在负辉区进行大量碰撞电离。高能电子进行多次碰撞电离之后，其能量大量消耗即转化为低能电子。低能电子的能量不足以产生碰撞电离，但还可以激励气体原子产生能级跳迁，使其发出辉光。最后，当二次电子的能量降到达辉光都不能激发的程度时，就到达了法拉第暗区。碰撞电离产生的电子，也是低能电子。可以简单地认为，负辉区的等离子体是来源于高能电子，而其辉光来源于低能电子。,紧接法拉第暗区，是阳极辉光区，这也是等离子区。阳极辉区单纯起导电作用，相当于阳极的延长物。如果使阳极向阴极靠近，则阳极辉区相应缩短，但对阴极放电区,(,包括阴极暗区和负辉区,),以及放电参数,(,电流和电压,),并没有任何影响。一旦阳极进入阴极放电区，就要提电高压才能维持放电，否则辉光放电就熄灭了。,由此可见，阴极放电区是辉光放电的主体；而阳极辉区往往是阳极与阴极放电区之间的导电填充物。直流二极溅射的放电气体，如同其他一切溅射技术一样，是采用氩气。溅射电压为,2,3Kv,，这就是氩气子通过阴极暗区时的加速电压。氩离子在阴极暗区进行中，可能与气体原子发生碰撞而损失一部分能量，所以轰击靶材的离子能量，一般都低于,2,3Kv,。如果阴极靶面击出一个二次电子按照自持辉光放电的条件，每个二次电子必须再生十个氩离子，以补充为了产生一个二次电子而丧失的十个氩离子。氩离子的再生，通过二次电子行程中，使氩原子碰撞电离来实现。实际上，要由二次电子补偿的氩离子还不只这一些，因为氩离子会不断飞向放电管的管壁，在管壁上与电子复合为氩原子。这称为管壁损失。,简单的直流二极溅射装置，相当于一个大型的气体放电管，包括这样几部分；装有两个水冷电极的真空容器，真空系统，充气系统和直流电源,(,见图,8-2),。阴极上安装靶材；阳极上安装基片，也就是镀膜的工件。两极之间的距离为,5,7cm,2,。工作压强为,5Pa,左右。,图,8-2,直流二极溅射装置,1-,阳极,2-,基片台,3-,真空室,4-,靶材,5-,屏蔽罩,6-,阳极,直流二极溅射，作为一种独立的镀膜工程已经被淘汰，但仍然在其他镀膜工程中作为辅助手段应用。例如，在磁控溅射之前，先用直流二极溅射的方式清洗基片。这时是以基片为阴极，使其受离子轰击，清除其表面吸附的气体和氧化物等污染层。这样处理以后，可以增强膜层与基片的结合强度。又如，直流二极型离子镀，就是由蒸镀配合直流二极溅射构成的。,二、磁控溅射原理,磁控溅射是,70,年代迅速发展起来的一种新型溅射技术，目前已经在大规模工厂生产中获得实际应用。,磁控溅射与其他溅射技术相比，具有,高速、低温、低损伤,等优点。高速，是指镀膜速率快；低温，是指镀膜时基片的温升小；低损伤，是指镀膜时没有高能电子轰击基片所造成的损伤。所有这些优点，都是相对于其他溅射镀膜技术而言。,磁控溅射之所以具有这些优点，并健在于阴极靶面上有一个封闭的环状磁场。图,8-3,是矩形靶面上的环状磁场情况。,图,8-3,矩形磁控靶的环状磁场,1-,靶面,2-,靶材,3-,跑道区,4-,磁力线,磁力线由靶面的外沿穿出靶面，然后由靶面的中心区域穿入。环状磁场区就像一条跑道，磁力线由跑道的外圈指向内圈，横贯跑道。,二次电子一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于说明电子的运动情况，可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。这种情况下，磁场对电子产生作用力,(,即劳伦兹力,),，迫使电子绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。此后，电子又再在电场的推动下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃地朝,E(,电场,),B(,磁场,),所指的方向漂移,(,图,8-4),。简称为,E,B,漂移。电子的运动轨迹近似于一条摆线。,图,8-4,电子在正交电磁场作用下产生,E,B,漂移。,电场,E,的方向指向靶面；磁场,B,的方向纸面；,EB,的方向是从左向右,1-,靶面,2-,靶材,三、磁控溅射的特点,磁控溅射以外的其他溅射技术也都采用了磁场，但都没有构成封闭跑道。这类磁场尽管可以延长电子的行程，使其多用一些能量于碰撞电离，但终究不能像磁控溅射那样对其施行完全控制，使其几乎耗尽全部能量。,如果说，其他溅射技术虽免有高能电子轰击基片的话，那么，磁控溅射到进基片的几乎都是低能电子。这就不难理解为什么磁控溅射具有“低温”和“低损伤”这样一些优点。另外，磁控溅射的“高速”优点，也是由于磁场对电子施行了完全控制。,磁控溅射时，每个电子的能量几乎全部用于电离。这对提高等离子体密度大为有利。于是磁溅控射在不利于气体电离的条件下，仍然可以获得很高的靶面电流密度。例如，二极直流溅射的气体压强为,5Pa,，溅射电压为,2Kv,，靶面电流密度为,5mA/cm,2,；而磁控溅射时，压强降到,0.5Pa,，电压降到,0.5Kv,而电子流密度反而增到,20mA/cm,2,。,总之，对电子施行磁控以后，放电气体的阻抗大幅度下降，于是可以在高真空和低电压的情况下，获得高电流密度。,高真空可以减少溅射原子与气体原子的相互碰撞，因而有更多的溅射原子顺利到达基片。这有利于提高镀膜速率。至于电压和电流密度对镀膜速率的影响，必须综合为一个影响因素来统一考虑。因为电压与电流有一定函数关系，不能分别作为独立变量处理。,溅射靶面的功率密度有一定限额。超过限额以后，靶材会变形、开裂，甚至熔化。这一限额取决于靶材的性能,(,熔点和导垫率等,),以及靶的结构,(,靶材厚度和散热条件等。,),靶面的功率密度等于电压与电流密的乘积。在功率密度已经确定的条件下，电压与电流密度是相互制约的。高电压必然配以低电流密度,(,例如二极溅射,),；低电压必然配以高压流密度,(,例如磁控溅射,),。分析哪种搭配方有式更有利于提高镀膜速率，可以完结为单因素例如电压对镀膜率的影响来进行讨论。,电压对镀膜速率的影响，是通过对靶面剥离速率的影响来实现的。靶面剥离速率是指单位时间由单位面积靶面上剥离的原子数目。靶面剥离速率的提高，有利于提高镀膜速率。靶面剥离速率，正比于溅射产额,(,即每个离子由靶面击出的原子数目,),与电流密度,(,单位时间轰击靶面的离子数目的度量,),的乘积：,剥离速率,(,溅射产额,电流密度,),在功率密度已经确定的情况下，电压与电流密度的乘积是常数，于是：,溅射产额,剥离速率,(,溅射产额,),上式右方的各比值，可以根据溅射产额曲线来估计。图,8-5,的实验曲线，是各种能量的氩离子轰击铜靶材所得的溅射产额曲额。横坐标为离子能量,(,电子伏,),；纵坐标为溅射产额,(,原子,/,离子,),。由原点到曲线上任一点作联机，其斜率就是溅射产额与离子能量比值。,为了得出溅射产额与溅射电压的比值，这必须得到离子能量与溅射电压的函数关系。这关系相当复杂。例如，溅射电压为,500V,时，如果某个离子在阴极暗区的行程中，未与其他气体原子发生碰撞，则其能量可以达到,500eV,的极限值。但是，实际上必然有一部分离子与气体原子碰撞，而达不到这一极限能量。为了便于讨论问题，简单认为离子能量为极限能量一半。就本例而言即认为离子能量为,250eV,。,利用上述简单换算关系，就可以由图,8-5,得到溅射产额与溅射电压的比值。,图,8-5,氩离子对铜的溅射产额,依图,8-5,的原点，作一条直线与溅射产额曲线相切。切点的横坐标为,200eV,，换算成溅射电压为,400V,。由此可见，当溅射电压为,400V,时，铜靶的溅射产额与溅射电压的比值达到峰值。这时靶面剥离速率最高，因而镀膜速率也最高。各种靶材的这一峰值电压，大致在,500V,左右。这正是磁控溅射经常采用的电压值。这时，溅射一个靶材原子所需的能量最少。,为了最大限度的提高镀膜速率，必须往两方面着手。首先，在靶结构的设计上，要为靶面产生的热量创造良好的散热条件，其次，要选定适当的工程参数。磁控溅射的工程参数可以这样选定：靶面功率密度应达到允许的极限值，一般为,3,30W/cm,2,，这取决于靶结构和靶材；溅射电压为,400,600V,。,工程参数选定以后，就要采取一定措施来调节气体放电的阻抗，使其达到一定的阻抗值，来保证上述两项指标的实现。磁控溅射的阻抗可以由真空度和水平场强来调节。所谓水平场强，是指磁场在平行于靶面的方向上的分量。这是使电子产生,E,B,漂移的有效磁场强度。真空度一般选定为,0.5Pa,左右。这一选择，并不是根据阻抗的要求，而是由于达到这样高的真空度以后，镀膜速率就基本上不受气体碰撞的影响了。气体放电的阻抗是通过水平场强来调节。磁场越强，则阻抗越低。当各项工程参数按上述各个范围选定以后，水平场强为,0.03,0.05T,即可保证这些参数的实现。,有些磁控靶是采用固定放置的永磁体，其水平场强是不可调的，在设计时已经使其固定在,0.03,0.05T,范围内的某一数值。也有一些是采用移动式永磁体或电磁铁，以便随意调节水平场强。,总之，在保证靶面功率密度达到规定指针的前提下，磁控溅射可以通过水平场强来调节阻抗，使真空度和溅射电压这两项工程参数的指针，到最有利于镀膜速率的范围内。而这是其他溅射技术作不到的,(,直流二极溅射,),或难于作到的,(,三极溅射,),。正是由于这点，磁控溅射的镀膜速率不同程度地超过了其他溅射技术，甚至达到蒸镀水平，尽而获得“高速溅射”的称号。,四、磁控溅射靶,磁控溅射的“,高速、低温、低损伤,”这三大优点，都来源于靶面环状封闭磁场。由此可见，磁控溅射靶的设计，尤其是磁场的设计，是个关键问题。,磁控溅射靶的类型很多，大致可分为柱状磁控靶和平面磁控靶两大类。,在工业生产中获得广泛应用的，是矩形平面磁控靶。,一般的磁控溅射靶只能镀制非铁磁性材料。现在介绍一种能镀制各种材料,(,包括铁磁材料,),的矩形平面磁控靶。它的特点是：采用极靴，并使其与靶材直接接触；可以在极靴上装置电磁铁。图,8-6,是装置锶铁氧体时的整体结构。锶铁氧体价格便宜，不容易退磁，并且体积不大，可以在极靶上调配位置，以保证水平场强在靶面各处的均匀性。水平场强的强弱，可以通过增减永磁体数量来调节。但是，锶铁氧体这类陶瓷永磁体的磁阻很大，不能用来镀制铁磁材料。,图,8-6,短形平面磁控靶的结构,(,装六块锶铁氧体,),1-,极板,2-N,级靴,3-N,磁体,(,四块,),4-,冷却水管道,5-S,磁体,(,二块,),6-S,极靴,7-,靶材,铁磁材料的靶材,(,例如纯铁,),具有强烈的磁屏蔽作用。这时，只有使靶材达到磁饱和之后，靶面上才会有足够的漏磁。因此，镀制铁材料时，必须选用磁阻很小、能够产生高磁通的磁体，例如铝镍钴或电磁铁。图,8-7,是将锶铁氧体换成铝镍钴以后的靶结构。,图,8-7,矩形平面磁控的结构,(,装六块铝镍钴永磁体,),1-,铝镍钴永磁体,(,六块,)2-N,级靴,3-,靶材,4-S,级靴,5-,冷却水管道,电磁铁的磁阻比铝镍钴更低，最适于溅射铁磁材料,。电磁铁还能实现水平场强的连续调节。在溅射时，靶面跑道区域的电流密度最大，剥离速率较快，以至会刻蚀出一条沟槽。沟底的水平场强会随沟槽的加深而增强。这样会使工程参数和镀膜速率发生变化。为了使工程参数保持稳定，可以由工程参数，例如溅射电流的变化，获得反馈信号来调节电磁铁的励磁电流，从而使工程参数保持恒定。,可以任意增加矩形磁控靶长度，而不必改变磁体的装置方式；工程参数也不会发生大的变化。目前已有长度为,4m,的矩形磁控靶问世,(,用于镀制窗玻璃的隔热层,),。,磁控溅射时，基片与靶面的距离通常为,50mm,。靶面长轴方向上，除两端各占,10%,的端部以外，其他,80%,的中段称均匀区。正对均匀区放置的基片，其膜厚均匀度一般为,5%,。大量生产时所采用的溅射镀膜装置，是让基片连续不断地往靶面下方通过。这不但可以提高生产率，还能消除靶面短轴方向上的不均匀性。总之，只要采用足够长的矩形靶，就能对大批基片,(,例如集成线路硅片,),。大面积工件,(,例如窗玻璃,),或者成卷的薄带,(,例如聚酯带,),实现均匀镀膜。,具有大面积的均匀区，这是矩形磁控靶在大规模工业镀膜装置中获得广泛应用的重要原因之一。,磁控溅射靶面的跑道区域会出现沟槽。一旦沟槽穿透靶材，整块靶材就全部报废，要另行换上新靶材再用，所以靶材的利用率不高，一般只达到,40%,。磁控溅射的这一缺点，在使用贵重靶材时尤其突出。而在其他溅射方法中，靶面是均匀剥离的，靶材利用率不成问题。,一、合金膜的镀制,在各种镀膜技术中，溅射最适于镀制合金膜。溅射镀制合金膜，有三种可供选择的技术方案：,多靶溅射,、,镶嵌靶溅射,和,合金靶溅射,。,1.,多靶溅射,多靶溅射是采用几个纯金属靶同时对基片进行溅射。调整各个靶的功率，就能改变膜材成分。这种方法特别适于调整合金成分，可以得到成分连续变化的膜材。,用磁控靶进行多靶溅射时，各个靶的剥离速率不同，而沟槽加深的速率也不同，这会影响合金膜的成分。解决这个问题的办法，是随时调节磁场使工程参数保持恒定，电磁铁装备的磁控靶，很容易做这一点；用永磁体的磁控靶，可以用机械装置来调节永磁体与靶面的距离。,第二节 溅射镀膜工程,2.,镶嵌靶溅射,镶嵌靶溅射是将各种纯金属靶材，按一定比例镶嵌在靶面上同时进行溅射。,这种方法用于直流二极溅射很方便；但用于磁控溅射时，如果两种靶材的溅射产额有较大的差别，就会遇到困难，因为这两种靶材的沟槽加深速率不同，合金成分会随时变化，既然这两种靶材同处于一个靶上，就不可能像多靶溅射那样，对各个靶材的剥离速率分别进行控制。,3.,合金靶溅射,用合金靶溅射合金膜，唯一的关键问题是如何制备出合金靶材。最简单的办法是往整块合金板材或棒材上切取。当然，也可以用熔化浇铸工程得到。对于高熔点材料，可以用粉末治金工程获取。后两种工程得到的板材，难免包含一些孔洞和性质，溅射时，随着靶材的剥离，不断有新的孔洞和杂质暴露到表面，释放出有害物质。这样，不但影响真空度，还会影响膜材的纯度。,合金靶溅射过程中，通常不必采取任何控制合金成分的措施，就可以得到与靶材成分完全一致的膜材，这是合金靶磁射的最大优点。,考虑到合金靶的各种元素的溅射产额不同，这种靶材与膜材的成分一致性似乎难以理解。实际情况是，合金靶在溅射时，靶表面的成分与整个靶材的成分并不相同。在溅射过程中，有一种自动调整的机构，使靶面成分调整到能够保证膜材与靶材的成一致。,A,、,B,种元素构成的合金靶，如果其中,A,元素的溅射产额较高，则溅射进行后，靶表面成分即开始向,A,少的方向变化。直到溅射的,A,、,B,原子的比例与靶材的成分完全相符，靶面的,A,含量就不再下降了。这时，靶表面达到成分的恒稳态，并总是保持着确定状态的贫,A,层。这一薄层的厚度，大致相当于氩离子在靶面的注入深度。例如，能量为,400e,的氩离子溅射,AuCu,3,合金靶时，表面成分变化层的厚度约为,40A,，相当于,10,层原子厚。,新的合金靶初次进行溅射时，要用挡板遮住基片进行预溅射，等靶面剥离几微米建立起恒稳的成分变化层以后，再正式溅射。,膜材的成分有时也会与靶材不一致。其原因可能是：靶面温度太高，扩散太快而无法建立成分变化层，靶材中蒸气压较高的成分发生升华；基片上所加的负偏压太高，使膜材发生溅射。,上述各种方法，都是采用直流溅射，只适用于导电的靶材。虽然石墨并非是金属元素，然而它是一种导电材料，因此可以像金属一样制成石墨靶进行直流溅射，镀制铜碳合金膜。,溅射技术可以用于镀制非晶态合金膜。这时将液氮通入基片台，使基片处于低温。磁控溅射具有基片温升低的优点，最适于镀制非晶态合金膜。,溅射技术不但能镀制均匀的合金膜，还可以得到成分随膜厚变化的变成分膜，以及不同成分的膜层交替重迭的多层膜。后者通过扩散或离子束共混，即成为均匀的合金膜。,二、合物膜的镀制,化合物膜，通常是指由金属元素与非金属元素,(,碳、氮、氧、硼、硫等,),的化合物镀成的薄膜。,化合物膜的镀制，有三种技术方案可供选择：,直流溅射,、,射频溅射,和,反应溅射,。,1.,直流溅射,许多化合物是导电材料，其导电率甚至与金属材料相当可以采用直流溅射。这类化合物中，有碳化物,(,如,TaC,，,TiC,，,VC,，,ZrC),硼化物,(,如,MoB TaB),和硅化物,(,如,MoSi,2,，,TaSi,2,),。这些化合物都是高熔点的脆性材料，只能用粉末冶金工程制成靶材。这种靶材成本很高，再加上磁控溅射的靶材利用率低，靶材又不容易回收，很不经济。所以尽管直流溅射镀制化合物膜的工程简单，但从经济上考虑并不适于工业生产。即使进行小批量生产，也往往受到靶材来源的限制而不易实现。,2.,射频溅射,如果化合物靶材的电阻率很高，就不能用直流溅射，而只能用射频溅射。所谓射频是指无线电波发射范围的频率。,为了避免干扰电台工作，溅射所用射频电源的频率，规定为,13.56 MHz,。,射频溅射装置与直流二极溅射装置类似，只不过两个电极是接上射频电源。在射频电源的交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡。气体原子受这些振荡电子的碰撞而电离，并获得等离子体。,射频溅射的两个电极之一，是与机壳连接并接地的。这个电极处于零电位，并与等离子体的电位相位，几乎不受离子轰击，所以用于放置基片。习惯上称这个电极为阳极。另一个电极称为阴极，用于装置靶材，现在讨论阴极上装有绝缘靶材时的情况。,阴极的电位，是按射频电源的频率变化。当阴极处于正电位时，靶面主要是从等离子体中收集电子，阴极电位为负时，靶面主要是收集离子。电子的质量很小，其运动速度,(,或迁移率,),远远超过笨重的离子。因此射频放电刚发生时，靶面收集到的电子数目会超过离子。既然靶材是绝缘体，就必然有多余的负电荷在靶面累积。最终使靶面具有一个恒定的负电位,(,相对于等离子体和阳极的零电位而言,),。这一负电位对电子所起的排斥作用，正好使每一周期到达靶面的电子和离子的数目相等。,靶面上的实际电位，是射频电源导致的脉动电位与恒定负电位的迭加。当靶面处于脉动电位的正半周时，脉动电位与恒定负电位相互抵消；处于负半周时，脉动电位与恒定负电位相互迭加。正是这一迭加的负电位，使离子加速而轰击靶面，并产生溅射效应。,阴极靶面自发产生的恒定负电位，在射频溅射中起重要作用。首先是，调整靶面收集的电子数目，使其与轰击靶面的离子数目相等。这样，放电过程才能保持恒稳态。其次是加速离子，产生溅射效应。,射频溅射装置的电源线路中，总要串联一个隔离电容。这是为了在射频溅射采用导电材料的靶材时，也能在靶面保持必不可少的恒定负电位。,射频溅射最大的优点，是可以溅射任何靶材。缺点是射频电源,(,尤其是大功率的,),要比直流电源复杂得多。射频范围的微波对人体有伤害，因此防护也是一个问题。,磁控溅射也可以用射频电源，实现射频磁控溅射。,3.,反应溅射,大规模镀制化合物膜，最适宜的方法是反应溅射。这种方法的优点在于不必用化合物靶材，而是直接用金属靶，也不必用复杂的射频电源，而是用直流溅射。,反应溅射，是在金属靶材进行溅射的同时，通入反应气体，使两者在基片上发生化学反应，得到所要求的化合物薄膜。例如，镀制,TiN,时，靶材为金属钛，溅射气体为,Ar,和,N,2,混合气，镀制氧化物时，用,Ar,和,O,2,混合气；碳化物用,C,2,H,2,(,乙炔,),；硅化物用,SiH,4,(,硅烷,),；硫化物用,H,2,S,。,反应溅射时，通入真空室内的反应气体，不但与基片上的膜材反应形成化合物膜，同时还与靶材反应，在靶面上形成化合物。后一反应是有害的，它使靶材的剥离速率下降，因而镀膜速率大为下降，甚至可以降低一个数量级。其原因是由于化合物的溅射产额较小，另外，还有某些其他原因，通常所谓的靶材中毒，就是指靶面形成了化合物。,靶材中毒的另一征兆，是气体放电的阻抗下降。这是由于化合物靶材的二次电子产额高于金属靶材，也就是说，每个轰击靶材的离子，可以产生更多的二次电子。于是，在溅射电压不变的条件下，电流会增大。在实际操作时，可以根据放电阻抗的变化，判断靶材的中毒情况。,为了防止靶材中毒，首要措施有两条：增大靶面功率密度和减少反应气体。,前者是为了尽快地将靶面化合物剥离，并且由靶面溅射出大量金属原子，以便可以在靶面附近阻碍反应气体到达靶面。当然，靶面功率密度的增加有一定限度，也就是不能超过各种靶材的允许值，否则会烧坏靶材。后者是直接减少靶面化合物。但这也有一定限度。反应气体的通入量减少到一定程度以后，化合物膜就达不到所要求的化学成分了。例如，,TiO,2,是透明薄膜，而溅射气体中含氧量不足时，会得到缺氧的,TiO,2,-X(X,为小于,2,的正数,),。,TiO,2,-X,是透明度很差的黑色薄膜。,在尽量增加靶面功率密度和尽量减少反应气体之后，如果靶面仍有中毒现象，还可以进一步采取另一些比较复杂的措施。但这需要在设备上作些改造。例如，增大基片与靶面的距离，降低金属原子在基片上沈积速率；设法将氩气通到靶面，而反应气体通到基片附近；在基片上加偏压，让离子或电子轰击基片，以提高膜材的活性。,上述所有措施，都是为了进一步降低溅射气体中的反应气体含量。,磁控溅射的靶面上，功率密度并不是均匀的跑道区域的功率密度大大超过平均值。因此，即使其他部分已经布满化合物，跑道区域仍能保持洁净的金属靶，不致于影响镀膜速率。如果使功率密度逐渐下降，或使反应气体逐渐增加，靶面的中毒现象会逐渐向跑道区域蔓延。相应地，镀膜速率和放电阻抗逐渐下降。而直流二极溅射的靶面，功率密度是均匀的，中毒现象会突然发生。,三、悬浮电位和偏压,溅射镀膜装置的阴极，必然是靶材。这是由溅射原理决定的。为了方便和安全起见，总是以机壳,(,真空容器,),接地，并将它作为阳极。,基片架通常是与机壳绝缘的，这样就有可能使基片处于和机壳不同的电位，也就是可以对基片加上偏压。图,8-8,是基片加偏压的情况。,图,8-8,基片加偏压的情况,调节偏压电源，可以使基片处于不同的偏压。当基片的电位调节到与等离子体相等时，由于彼此之间不存在电场，所以等离子体之中电子和离子，都可以通过热运动而自由到达基片。根据实验测定，在磁控溅射时，到达基片的电子流密度为,100mA/cm,2,量级；而离子流密度只有,1mA/cm,2,量级。差别这样大的原因，主要在于电子的动能比离子高，并且电子的质量只有氩离子的几万分之一，因而电子的运动速度比笨重的离子快得多。近似地认为，电场不影响离子的运动速度和离子流密度，而对电子流密度影响很大。,现在将基片的偏压调到零，也就是使基片与阳极的电位相等，构成阳极的一部份。这时可以认为基片的电流密度与阳极的相等。磁控溅射时，阴极,(,靶面,),的平均电流密度，一般不超过,10mA/cm,2,量级。而阳极,(,真空室内壁,),的面积比阴极大几十倍，所以阳极的平均电流密度是,0.1 mA/cm,2,量级，这是到达阳极的电子流超过离子流的结果。实际上，离子流密度只有,1mA/cm,2,量级，所以电子流也与此相近。,综上所述，可以近似认为基片的电位与等离子体相等时，电子流密度为,100 mA/cm,2,；与阳极相等时为,1 mA/cm,2,。由此可见，阳极电位必然低于等离子体，对来自等离子体的电子有排斥作用，从而使电子流密度减少两个数量级。,通常将阳极规定为零电位，于是，等离子体具有正电位。磁控溅射时，等离子体的电位为,10V,左右。,切断偏压电源后，基片“悬浮”在等离子体子中。这时基片上将自动产生一个相对于等离子为负值的电位,(,称为悬浮电位,),，使到达基片表面的电子和离子数目相等。上面谈到，到达阳极表面的电子流超过离子流约,0.1 mA/cm,2,，而电位为零；现在，悬浮基片的电子流正好等于离子流，其电位显然要低于阳极。或者说，悬浮电位相对于阳极电位也是负值。磁控溅射时，悬浮电位为,10V,左右。,任何悬浮于等离子体中的物体，都具有悬浮电位。绝缘材料的基片,(,例如玻璃片,),装置在基片架上时，无论基片架的偏压是多少，这类基片总是保持悬浮电位。,基片的偏压电位取得的效果，可以用悬浮电位作为分界点来说明。电位高于悬浮电位时，基片主要受电子轰击，并且电子流密度以及电子的能量都随电位的升高而增加；电位低于悬浮电位时，基片主要是受离子轰击，并且电位的降低对离子流密度没有影响，但能使离子能量增加。在反应溅射时，有时要求加正偏压，让电子轰击基片，以提高膜材的反应活性。当然，也可以加负偏压，用离子轰击来达到同样的目的。,当基片处于零电位或悬浮电位时，轰击基片的电子少，基片的损伤小，温度升高，是半导体器件镀膜时经常采用的工程条件。,某些薄膜在镀制时，要求具有一定能量的离子不断轰击膜材。其目的是改变膜材与基片的结合力，提高膜材的致密程度和,(,或,),改善性能。磁控溅射时，基片的负偏压甚至可以达到,2KV,。基片的负偏压低于,100V,时，离子流密度为,1 mA/cm,2,量级，基片表面的功率密度相应为,0.1W/cm,2,量级，可将基片加热。离子轰击和基片温度升高，都能提高沈积原子在膜面上的迁移率，有利于得到致密的膜层。,当基片的负偏压高于,100V,时，轰击基片的离子能量超过膜材溅射的国值。这时，基片在镀膜的同时，又被离子轰击而发生溅射。当镀膜速率超过溅射速率时，基片上的膜层仍然不断加厚，总言来讲，仍然是镀膜过程。这种在基片上既有原子沈积又有原子溅射的镀膜过程，可以改变膜层的结构和性能，并能提高膜层与基片的结合强度，可以形象地称这种镀膜过程为动态镀膜，但在镀膜技术上已经习惯于称之为离子镀。,四、结合强度,薄膜的结合强度，是膜材与基材之间的结合力或结合能的度量。溅射镀制的薄膜，有的厚度只有几百埃，厚的也不过几微米。薄膜材料之所以免于破损，完全依赖于基片的支撑。膜材与基材之间的结合，是实现这种支撑的基础。,膜材界面层基材，构成整个薄膜系。所谓薄膜的结合强度，实施上是指界面层的强度。,界面层大致可分为四类：,1),突变界面层,(,图,8-9 a),突变界面，是指膜材与基材的直接接解面。突变界面层，是突变界面与相邻的基材和膜材共同构成的一层材料。薄膜结合强度不单由界面本身决定，还与界面两侧的材料密切相关。,图,8-9 a),突变界面层,2),化合物界面层,(,图,8-9b),这种界面层中包含一层化合物。这层化合物是在镀膜时由沈积的膜材原子与基材发生反应而形成的。例如，硅片上镀镍时，超过,325,即可形成化合物,NiSi,，而这一温度是不难达到的。,图,8-9b),化合物界面层,3),扩散界面层,(,图,8-9 c),在镀膜时，膜材与基材发生相互扩散，即可得到这种界面层。如果两种材料能形成连续固溶体，则可以得到没有化学成分突然变化的扩散界面层。扩散依赖于原子的热运动，所以镀膜时基片温度的高低，是影响是否形成扩散界面层的决定性因素。,图,8-9c),扩散界面层,4),伪扩散界面层,(,图,8-9 d),这也是化学成分逐渐变化的界面层，但不是依赖于热扩散，而是由离子轰击形成的，所以称为伪扩散界面层。,图,8-9d),伪扩散界面层,在偏压溅射时，例如基片加上几百伏的负偏压以后，离子轰击基材会发生溅射效应。溅射的基材原子，有些会与气体原子碰撞而返回基材，并与由靶面飞来的靶材原子同时沈积在基片上。于是，基片上最初沈积的膜层中含有一定数量的基材原子。随着膜层的增厚，才逐渐转化为由纯靶材构成的膜层。,镀膜工作者所追求的薄膜结合强度，目标是使界面层的强度超过膜材和基材，让薄膜体系的薄弱环节转移到基材或膜材。但这一目标并不容易达到。,界面层的结合强度取决于三方面：键合强度，显微组织和内应力,。,1),键合强度,从本质上看，界面层的结合强度来源于原子之间的键合。,界面层存在的接合键，不外乎化学键和物理键，前者在键合时，原子之间有电子的交往，键能较高，可达,10eV,；后者却依赖于原子的极化而产生吸引力，键能很低，只有,0.1eV,左右。由此可见，只要以化学键取代物理键，就可以大大提高界面层的结合强度。这在原理上是可行的，但实际上难以作到。首先，界面层的接合键在很大程度上取决于基材和膜材的本质，此外，目前还没有一种测定键合状态的简便方法。,根据理论计算，即使是键能最低的范德瓦尔键，其键合力也能达到,500MPa,，相当于一般工业材料的水平。而界面层的实际强度，比这一水平低一个数量级以上。由此可见，还有一些严重削弱界面层强度的因素，主要是显微缺陷，应力集中和内应力。镀膜工作者对提高结合强度所采取的措施，目前都是针对这些削弱界面层强度的因素，但还做不到调整界面层的键合状态。,2),显微组织,膜材与基材的界面本身，往往是界面层中最薄弱的环节，因为原先存在于基片表面的任何污物都将保留在这界面上。这些污物中，有的本身强度很低,(,如油脂,),，有的与基材结合不牢,(,如尘埃,),，有的是脆性材料,(,如氧化物,),。这些都可以认为是界面上的夹杂物，是一种显微缺陷。,镀膜时已经有一些常规手段，用来清除基片表面的污物。例如，基片进入真空室之前，先经过溶剂和超音波清洗去除油脂和尘埃，进入真空室之后，再用溅射清洗去除氧化物。溅射清洗是以基片为阴极，进行溅射刻蚀。当然，离子轰击所产生的热量，还会使残留有机物分解或挥发。基片的清洗一般都能受到重视，但往往忽视清洗时的污染。如果溅射气体严重不纯，含有大量氧、氮、水蒸气和油蒸气等杂质气体，则清洗后也不一定得到洁净的表面。,提高溅射气体的纯净程度，不但有利于提高界面层的强度，还可以提高膜材的纯度。一般措施为：溅射所用的氩气采用纯度为,99.999%,的高纯氩；扩散泵，甚至真空室中加液氮冷却，以捕集水蒸气和油蒸气；在停机后，真空室中充以氮气，以免空气进入后，在真空室器壁上吸附氧气和水蒸气。,锥状晶是一种不但影响界面层强度，这对膜材强度有不良影响的显微缺陷。镀膜过程，实际上是靶材原子在基片上的沈积过程。沈积原子到达基片表面后，仍具有一定能量，因而在表面上四处游动。最后，在表面缺陷处聚集成晶核,(,图,8-10 a),。晶核不但接受基片表面游动的原子，还直接接受由靶面飞来的原子。正是这些原子使晶核不断成长,(,图,8-10 b),。当原子的迁移率不高时，长成的晶粒往往成锥形一根部细，顶部粗。一旦各个晶粒的顶部相互接触，沈积原子就再也不能到达根部了。于是，在晶粒的根部留下许多孔洞。这不但减少了膜材与基材的键合面积，还出现大量易于产生应力集中的缝隙。,(,图,8-10 c),锥状晶的晶界相当疏松，因而使膜材的强度降低。消除锥状晶的措施是基片加热和偏压溅射，目的是提高原子迁移率。,图,8-10,锥形晶的形成,为了提高界面层的强度，除了消除显微缺陷以外，还可以采取改善显微组织的措施。,在突变、化合物、扩散和伪扩散这四种界面层中，前两种的显微组织就不如后两种。突变界面的两侧，是性能完全不同的材料。其弹性模量的差异，会使界面上产生应力集中；其膨胀系数的不同，会产生热应力。这些都易于导致界面早期破裂。而平直的界面更有利于裂纹的传播。化合物界面也有同样的缺点。此外，化合物