真空溅射技术文档格式.docx
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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。
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：
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。
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。
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。
扩散泵返油。
配制涡轮分子泵或冷凝泵等比较好。
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。
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
必须具备高纯度的靶材和清洁的靶表面。
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
控制靶电流可以控制膜厚
通过溅射时间控制膜厚
u薄膜与基片的附着力强
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
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
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。
使用不同材料同时溅射制备混合膜、化合膜。
可制备氧化物绝缘膜和组分均匀的合金膜。
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
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
工业部门
应用实例
备注
电子工业
半导体材料、电介质材料、导电材料、超导材料、太阳能电池、集成线路及电路元件等
低基片温度
机械工业
耐蚀、耐热、耐摩擦性能保护性材料等
厚膜
光学工业
反射膜、选择性透光膜、光集积回路、反射镜保护膜
装饰
塑料涂层、陶瓷涂层、彩虹包装等
航天及交通
导电玻璃
挡风玻璃
第二章直流溅射镀膜
依据直流辉光放电原理制造的镀膜装置统称为直流溅射镀膜装置，利用这种装置溅射的各种工艺统称为直流溅射镀膜工艺。
第一节直流二极溅射装置
直流二极溅射装置示意图
1—真空室；
2—加热片；
3—阴极（靶）；
4—基片（阳极）；
5—氩气入口；
6—负高压电源；
7—加热电源；
8—真空系统
u电源采用直流。
u靶材必须是导体。
u靶上通以负高压。
u阴极靶与基片间的距离大于阴极暗区的3-4倍较为合适。
u直流二极溅射工作原理图：
第二节偏压溅射装置
u与直流二极溅射的区别在于基片上施加一固定直流偏压。
u偏压使基片表面在薄膜沉积过程中，受到气体离子的稳定轰击，消除可能进入薄膜表面的气体，提高薄膜的纯度。
u偏压可以清除附着力较差的沉积粒子，可以在沉积之前对基片进行轰击清洗，净化表面，提高薄膜的附着力。
u偏压使荷能粒子（一般指正离子）不断地轰击正在形成的薄膜表面，一方面提高膜层的强度，另一方面降低了膜层的生成速度。
u偏压较大时，能产生少量非膜材离子（如氩离子）的参杂现象。
为保证膜纯度，应选择适当的偏压值。
直流偏压溅射示意图
1—溅射室；
2—阴板；
3—基片；
4—阳极；
5—接抽气系统；
6—氩氧气入口
第三节三极或四极溅射装置
u三极溅射是用热电子强化放电的一种方式，它能使溅射速率比二极溅射有所提高，又能使溅射工况的控制更方面。
在二极溅射系统中提供一个热电子的源——一根发射自由热电子的帜热灯丝，当灯丝比靶电位更负的时候，电子朝向靶轰击，从而靶入射离子流增加，溅射量相应地增大。
由于热电子的数量并不很大，不会引起靶材过分地加热。
附加的热电子流，是靶电流的一个调整量，就是说，在二极溅射运行中，气压、电压和靶电流三个主要工艺参数中，电流可以独立于电压作一定程度的调整。
三极溅射比二极溅射大于提高了一倍的溅射速率。
u四极溅射——等离子弧溅射
（a）
（b）
（a）四极溅射装置结构示意图
1—机械泵；
2—阀；
3—可调漏泄阀；
4—低真空计；
5—高真空计；
6—阴极；
7—稳定性电极；
8—电磁线圈；
9—溅射室；
10—蒸镀基板灯丝；
11—靶；
12—阳极；
13—闸阀；
14—液氮阱；
15—放气阀；
16—液氮阱；
17—扩散泵；
18—水冷密封板；
19—钛升华泵；
20—加热器
（b）四极溅射装置的电气部分
1—热阴极；
2—稳定性电极；
3—基板；
5—靶；
6—线圈；
7—靶电源
工作压强比二极溅射低（10-1——10-2Pa）。
靶电流几乎不随靶电压改变，而依赖于阳极电流，实现了靶电流和电压的分别控制。
第三章磁控溅射镀膜
第一节磁控溅射的工作原理
磁控溅射是利用磁场束缚电子的运动，其结果导致轰击基片的高能电子的减少和轰击靶材的高能离子的增多，使其具备了“低温”、“高速”两大特点。
u水冷系统：
各种类型溅射靶，在辉光放电中因离子轰击都要发热。
为保证溅射靶的正常工作温度，均应设置冷却系统。
为保证冷却水的流速和进出口水温差在预定的范围内，要求溅射靶冷却水套应具有小流阻，溅射靶材和水冷背板的导热性能良好。
其进水压力一般为2KG以上。
u“高速”以基片与靶材相对不动时，溅射Al的成膜速率达到1μm/min而言，已经与电子束蒸发Al的成膜速率接近了，比二极溅射的溅射速率提高了一个数量级。
u“低温”是与二极溅射相比，在相同的条件下，二极溅射的基片温升可能达到350—450℃时，磁控溅射的基片温升大约只有250℃左右。
u除射频磁控装置外，其余的磁控溅射装置均是静止的电磁场，磁场为曲线形，均匀电场和对数电场则分别用于平面靶和同轴圆柱靶。
它们的工作原理相同。
电子e在电场E的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，若电子具有足够的能量（约30eV）时，则电离出Ar+和另一个电子e。
电子飞向基片，Ar+在电场E作用下加速飞向阴极（溅射靶）并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
在溅射粒子中，中性的靶原子（或分子）沉积在基片上形成薄膜，二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用以如图的摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。
该电子e1的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区域中电离出大量的Ar+用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射速率高的特点。
随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低，同时逐渐远离靶面。
低能电子e1将在如图中e3那样沿着磁力线来回振荡，待电子能量耗尽时，在电场E的作用下最终沉积到基片上。
由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。
由于磁极轴线处电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片。
但是，在磁控溅射装置中，磁极轴线处离子密度很低，所以E类电子很小，对基片温升作用不大。
磁控溅射工作原理
综上所述，磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动的方向，束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。
因此在形成高密度等离子体的异常辉光放电中正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。
这就是磁控溅射具有“地温”、“高速”两大特点的机理。
磁控溅射等离子体中的物理过程如下所示：
与直流二极溅射相比较，区别只在于增加了正交电磁场对电子的束缚效应。
可见，正交电磁场的建立，B值的大小及其分布，特别是平行于靶表面的磁场分量B1是磁控溅射中一个极其重要的参数。
为了提高对电子的束缚效应，磁控溅射装置中应当尽可能满足磁场B与电场E相互垂直（即正交）和利用磁力线及电极（一般为阴极靶）封闭等离子体的两个重要条件。
由于束缚效应的作用，磁控溅射的放电电压和气压都远低于直流二极溅射，通常分别为500-600V和10-1Pa。
第二节磁控溅射靶靶型分类
u靶型开发的历程大致如下：
首先开发的是轴状靶→圆盘形平面靶→S-枪→矩形平面靶→各种异形靶→对靶或孪生靶→靶面旋转的圆柱靶→靶-弧复合靶→……，目前应用最广泛的是矩形平面靶，未来最受关注的是旋转圆柱靶和靶-弧复合靶。
u同轴圆柱形磁控溅射
在溅射装置中该靶接500-600V的负电位，基片接地、悬浮或偏压，一般构成以溅射靶为阴极、基片为阳极的对数电场和以靶中永磁体提供的曲线形磁场。
圆柱形磁控溅射靶的结构
1—水咀座；
2—螺母；
3—垫片；
4—密封圈；
5—法兰；
6—密封圈；
7—绝缘套；
8—螺母；
9—密封圈；
10—屏蔽罩；
11—密封圈；
12—阴极靶；
13—永磁体；
14—垫片；
15—管；
16—支撑；
17—螺母；
18—密封圈；
19—螺帽
圆柱形磁控溅射靶的磁力线
在每个永磁体单元的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。
磁力线与靶表面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子区域。
在异常辉光放电中，离子不断地轰击靶表面并使之溅射，而电子如下图那样绕靶表面作圆周运动。
在圆柱形阴极与同轴阳极之间发生冷阴极放电时的电子迁移简图
u平面磁控溅射
圆形平面磁控溅射
u圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体（包括环形磁铁和中心磁柱）、水冷套和靶外壳等组成的阴极体上。
如下图所以结构：
圆形平面磁控溅射靶的结构
1—冷却水管；
2—轭铁；
3—真空室；
4—环形磁铁；
5—水管；
6—磁柱；
7—靶子；
8—螺钉；
9—压环；
10—密封圈；
11—靶外壳；
12—屏蔽罩；
13—螺钉；
14—绝缘垫；
15—绝缘套；
16—螺钉
通常，溅射靶接500-600V负电压；
真空室接地；
基片放置在溅射靶的对面，其电位接地、悬浮或偏压。
因此，构成基本上是均匀的静电场。
永磁体或电磁线圈在靶材表面建立如下图的曲线形静磁场：
圆形平面磁控靶的磁力线
1—阴极；
2—极靴；
3—永久磁铁；
4—磁力线
该磁场是以圆形平面磁控靶轴线为对称轴的环状场。
从而实现了电磁场的正交和对等离子体区域的封闭的磁控溅射所必备的条件。
由磁场形状决定了异常辉光放电等离子区的形状，故而决定了靶材刻蚀区是一个与磁场形状相对称的圆环，其形状如下图：
圆形平面靶刻蚀形状
u冷却水的作用是控制靶温以保证溅射靶处于合适的冷却状态。
温度过高将引起靶材熔化，温度过低则导致溅射速率的下降。
u屏蔽罩的设置，是为了防止非靶材零件的溅射，提高薄膜纯度。
并且该屏蔽罩接地，还能起着吸收低能电子的辅助阳极的作用。
其位置，可以通过合理设计屏蔽罩与阴极体之间的间隙来确定，其值应小于二次电子摆线轨迹的转折点距离dt,一般≤3mm。
u磁控溅射的磁场时由磁路结构和永久磁体的剩磁（或电磁线圈的安匝数）所决定的。
最终表现为溅射靶表面的磁感应强度B的大小及分布。
通常，圆形平面磁控溅射靶表面磁感应强度的平行分量B1为0.02-0.05T，其较好值为0.03T左右。
因此，无论磁路如何布置，磁体如何选材，都必须保证上述B1要求。
矩形平面磁控溅射靶
一个典型的矩形平面靶断面结构图
其结构与圆形平面磁控溅射靶基本相同，只是靶材是矩形的而不是圆形平面。
其磁力线形状见下图：
矩形平面磁控溅射靶的磁力线
磁体布局
磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均匀程度和沉积膜厚均匀性。
为了改进该均匀性，可采用下图所示磁体布局：
矩形阴极改进了沉积膜厚度分布后的磁铁排布情况：
（a）—双环；
（b）—带隙磁铁；
注明了实验测定的均匀度
可见，矩形平面磁控溅射靶的两个端部是刻蚀和膜厚分布不均匀问题最严重的部位。
其原因是端部磁场不均匀并与中部存在着差异。
因此，保证磁路的长宽比大于3，基片应沿矩形靶的宽度方向运动或矩形靶加长使其端部位于基片之外。
靶材的安装
安装方式分直接水冷和间接水冷两种形式。
采用间接水冷，为了保证靶材的冷却效果，应将其紧紧压在水冷背板上，为此，压框与水冷却背板得间隙y必须大于0.5mm。
我们一般采用的是在靶材上开螺钉孔，直接用螺钉将靶材连接到水冷背板上，为了使传热效果更好，在两者之间压一层薄薄的石墨纸。
此外，也可以采用钎焊技术将靶材焊接在水冷背板上。
安装形式如下图：
靶材冷却型式
（a）—直接冷却；
（b）—间接冷却；
1—压框；
2—靶材；
3—背板；
5—冷却水；
6—阴极体
靶材刻蚀区域
对比如下两图：
平面磁控溅射的工作特性
1）
电压、电流及气压的关系：
通常，平面磁控溅射的工作条件为阴极电压300-600V、电流密度4-60mA/cm2、氩气压力0.13-1.3Pa、功率密度1-36W/cm2。
（a）—各种气压下,矩形平面磁控阴极的电流——电压特性
（b）—恒定的阴极平均电流密度数值下，阴极电压与气压的关系
2）
沉积速率是表征成膜速度的物理量，其值与溅射速率成正比。
由于溅射靶的不均匀溅射和基片的运动方式决定了薄膜沉积的不均匀性。
平面磁控溅射的基片运动方式
（a）—行星运动；
（b）—有小孔屏蔽极的平面运动；
（c）—鼓形转动；
（d）—直线运动
因此，一般以膜的平均厚度除以沉积时间所定义的平均沉积速率（nm/min）来表征沉积速率。
平均沉积速率与溅射靶的功率密度（W/cm2）的比值称为功率效率。
在靶尺寸、磁路及功率密度一定时，沉积速率将随着靶材变化。
对于非铁磁性材料，该变化是由于溅射率的差别而引起的。
下表列出了600eV离子能量的溅射速率：
靶材材料
溅射率（600eV）
溅射速率（nm/min）
Ag
3.40
2660
Al
1.24
970
Au
2.43（500eV）
1900
Co
1.36
1060
Cr
1.30
1020
Ti
0.58
450
Ni
1.52
1190
气体压力对平面磁控溅射沉积速率的影响如下图：
可见，对于具体的溅射装置和溅射条件，有一个最佳的气体压力值。
为尽可能地提高沉积速率，基片应尽量靠近溅射靶，但必须保证稳定地异常辉光放电。
通常，其最小间距为5-7cm。
最大功率密度是限制沉积速率的另一个主要因素。
综上所述，溅射靶刻蚀区尺寸及其功率密度、靶-基距、靶材、气压、磁路及磁物等参数均是影响沉积速率的因素。
溅射靶的热学特性和机械特性则是限制最大沉积速率的因素。
第四章膜厚均匀度
膜厚均匀度是衡量薄膜质量和镀膜装置性能的一项重要指标。
为提高膜厚均匀度，可以采取优化靶基距、改变基片运动方式、增加挡板机构和膜厚监控仪等措施。
对于磁控溅射镀膜，由于其电磁场并非均匀，尤其是不均匀的磁场分布造成不均匀的等离子密度，导致靶原子的不均匀溅射和不均匀的沉积。
第一节磁路布置
u磁场：
在各种磁控溅射（包括直流磁控溅射和射频磁控溅射）靶中，束缚电子运动的磁场强度B是个极其重要的参数。
主要是指靶面上最大平行磁场B1，该参数与所选用的磁体材料、磁体几何形状及其排列有关。
u改进磁路布置（其中包括磁体、极靴、间隙、形状等）能够改善磁场，拓宽靶刻蚀区和改善靶原子的沉积分布，从而提高膜厚的均匀度。
由上图可知，改变磁体形状等因素，就改变了磁场分布，进而改变了靶材的刻蚀情况。
显然第二种情况优于第一种情况。
第二节靶——基距
u任何一台具体的溅射镀膜装置，与最佳的镀膜均匀度相对应，存在一个最佳的靶基距。
u圆形平面磁控靶的靶——基距
R1为刻蚀区内半径；
R2为刻蚀区外半径；
经过计算，得出此类型溅射靶的最佳靶基距离h≈2R2。
u平面磁控靶的靶——基距
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