交流溅射系统.doc

用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段，如13.56MHz，所以称为射频溅射。
　　在直流射频装置中如果使用绝缘材料靶时，轰击靶面得正离子会在靶面上累积，使其带正电，靶电位从而上升，使得电极间的电场逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。为了溅射沉积绝缘材料，人们将直流电源换成交流电源。由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。由于在靶上会形成负偏压，所以射频溅射装置也可以溅射导体靶。
　　在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。
用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段，如13.56MHz，所以称为射频溅射。
　　在直流射频装置中如果使用绝缘材料靶时，轰击靶面得正离子会在靶面上累积，使其带正电，靶电位从而上升，使得电极间的电场逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。为了溅射沉积绝缘材料，人们将直流电源换成交流电源。由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。由于在靶上会形成负偏压，所以射频溅射装置也可以溅射导体靶。
　　在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。
射频溅射装置是利用高频电磁辐射来维持低气压（约2.5×10－2Pa）的辉光放电。阴极安置在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶子上，这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射介质材料（靶子）的目的。
在射频溅射的一个周期内，由于每个电极将交替成为阴极和阳极，对于一个具有两个面积相等金属电极的溅射系统来说，于是受到了等量离子流和电子流轰击，亦即两个电极都有一半的时间受到相同能量的离子流的轰击，显然这种结构的射频溅射系统难以沉积成薄膜。因此，解决问题的方法是使两个电极面积大小不等，即非对称平板型结构。把射频电源接在小电极上，而将大电极和屏蔽罩等相连后接地作为另一电极。这样在小电极处产生的暗区电压降比大电极半暗区压降要大得多。由于暗区压降的大小决定轰击电极的离子能量，如果大电极面积达到足以使流向它的离子能量小于撮射阈能，则在大电极上就不会发生溅射。因而只要用小电极作为靶，而将基片或工件放置在大电极上，就可以进行射频溅射镀膜了。通常射频溅射使用的频率为10～30MHz，目前国际上通用的射频频率为13.56MHz。
射频溅射几乎可以用来沉积任何固体材料的薄膜，获得的薄膜致密、纯度高、与基片附着牢固、溅射速率大、工艺重复性好。常用来沉积各种合金膜、磁性膜、超声换能器的铌酸锂和钛酸钡压电薄膜以及其他功能薄膜。

射频溅射
使用直流溅射方法可以很方便地溅射沉积各类金属薄膜，但这一方法的前提之一是靶材具有较好的导电性。由于一定的溅射速率就需要一定的工作电流，因此要用直流溅射方法溅射导电性较差的非金属靶材的话，就需要大幅度地提高直流溅射装置电源的电压。显然，对于导电性很差的非金属材料的溅射，我们需要一种新的溅射方法。
射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。设想在图3.1中设备的两电极之间接上交流电源时的情况。当交流电源的频率低于50kHz时，气体放电的情况与直流时候的相比没有什么根本的改变，气体中的离子仍可及时到达阴极完成放电过程。唯一的差别只是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换。这种电位极性的不断交替导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。
当频率超过50kHz以后，放电过程开始出现以下两个变化。第一，在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。第二，高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导电体。因此，采用高频电源将使溅射过程摆脱靶材导电性的限制。
一般来说，在溅射中使用的高频电源频率已属于射频范围，其频率区间为5~30MHz。国际上通常采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会（FCC）建议的13.56MHz。
使得射频方法可以被用来产生溅射效应的另一个原因是它可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。
要理解射频电场对于靶材的自偏压效应，我们来看看下图所示的射频溅射装置的示意图。在图中，射频电压通过一个电容C被耙合到了靶材上。由于在射频电场中电子的运动速度比离子的速度高得多，因而对于一个被电容隔离，既可以作为阴极，又可以作为阳极的射频电极来说，它在正半周期内作为正电极接受的电子电量将比在负半周期内作为负电极接受的离子电量多得多，或者说它吸引电子所需要的正电压比吸引离子所需要的负电压在绝对值上要低得多。这等于是在说，该电极的导电特性相当于一个二极管。
1 靶中毒
举例来说，在制备TiAlN薄膜时，通入的工作气体N2不但与沉积在工件上的膜层原子反应形成化合物膜，同时还会与靶材（Ti靶、Al靶或复合靶）反应在靶面上形成化合物，产生“靶中毒”现象。此时，入射离子不是在对金属靶材进行溅射，而是在溅射不断形成的表层化合物。因此，反应溅射过程中会出现两种不同的溅射模式，即溅射速率相对较高的金属模式和溅射速率相对很低的化合物模式。靶材形成化合物层造成溅射模式发生上述变化的现象，即称为靶材的中毒。在金属靶面形成的导电性较差的化合物不仅会造成溅射速率及薄膜沉积速率的降低，还会引起溅射工况的变化以及薄膜结构、成分的波动。因此，在上例中确定最优的N2分压值也就显得十分重要。
2 阳极消失
从靶材溅射出来的物质将会在阳极表面沉积出相应的化合物，阻塞电荷传导的通路，造成电荷的不断积累，最后导致阳极作用的丧失。此时，放电体系的阻抗以及辉光等离子体的分布发生相应变化，放电现象变得很不稳定，溅射过程和所制备的薄膜性能发生波动。
3 靶面和电极间打火（弧光放电）
磁控溅射过程中弧光放电大致可分为三种类型：
极间放电：
阳极框上绝缘涂层与靶面的弧光放电：
在阴极表面的“轨道放电”。
靶材和阳极表面导电性能的恶化使得靶面和阳极处产生电荷的积累，最后造成化合物层的放电击穿，在靶表面引起弧光放电。在靶材的溅射区和非溅射区之间的边界处，最容易发生打火击穿现象。打火会造成靶材表面的局部熔化和物质颗粒的喷溅。这不仅会缩短靶材的寿命，还会大大增加薄膜中缺陷的密度。