真空溅射技术

《真空溅射技术》

第一章溅射技术

所谓“溅射”就是用荷能粒子(通常用气体正离子)轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。

1842年Grove(格洛夫)在实验室中发现了这种现象。

1877年美国贝尔实验室及西屋电气公司首先开始应用溅射原理制备薄膜。

1966年美国国际商用电子计算机公司应用高频溅射技术制成了绝缘膜。

1970年磁控溅射技术及其装置出现，它以“高速”、“低温”两大特点使薄膜工艺发生了深刻变化，不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求，而且促进了新工艺的发展。

我国在1980年前后，许多单位竞先发展磁控溅射技术。目前在磁控溅射装置和相应的薄膜工艺研究上也已出现了工业性生产的局面。

第一节溅射理论及其溅射薄膜的形成过程

溅射理论

被荷能粒子轰击的靶材处于负电位，所以一般称这种溅射为阴极溅射。关于阴极溅射的理论解释，主要有如下三种。

蒸发论

认为溅射是由气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击的部位局部产生高温区，靶材达到蒸发温度而产生蒸发。

碰撞论

认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果。轰击离子能量不足，不能发生溅射；轰击离子能量过高，会发生离子注入现象。

混合论

认为溅射是热蒸发论和碰撞论的综合过程。当前倾向于混合论。

u辉光放电

u直流辉光放电

在压力为102-10-1Pa的容器内，在两个电极间加上直流电压后所发生的放电过程如图：

电压小时，由宇宙射线或空间残留的少量离子和电子的存在只有很小的电流。增加电压，带电粒子能量增加，碰撞中性气体原子，产生更多带电粒子，电流随之平稳增加，进入“汤森放电区”。电流增加到一定程度，发生“雪崩”现象，离子轰击阴极，释放二次电子，二次电子与中性气体原子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生更多的二次电子，如此循环，当产生的电子数正好产生足够多离子，这些离子能够再生出同样数量的电子时，进入自持状态，气体开始起辉，电压降低，电流突然升高，此为“正常辉光放电区”。放电自动调整阴极轰击面积，最初轰击是不均匀的，随着电源功率增大，轰击面积增大，直到阴极面上电流密度几乎均匀为止。当轰击区域覆盖整个阴极面后，再进一步增加功率，会使放电区内的电压和电流密度同时升高，进入溅射工艺工作区域，即“异常辉光放电区”。在该区域内，如果阴极没有水冷或继续增加功率，当电流密度达到约0.1A/cm2以上，将有热发射电子混入二次电子之中，随后发生又一个“雪崩”。由于输入阻抗限制着电压，将形成低压大电流的“弧光放电”。

形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压V B，主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。为了引起最初的雪崩，每个二次电子必须产生出约10-20个离子。若气压太低或极间距离太小，二次电子撞到阳极之前，无法到达所需要的电离碰撞次数；若气压太高或极间距离太大，气体中形成的离子将因非弹性碰撞而减速，以致于当轰击阴极时，已无足够的能量产生二次电子。

直流辉光放电的形貌和参量分布图：

i.阿斯顿暗区，不发生电离和激发；

ii.阴极辉光区，气体分子激发发光；

iii.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。

Ø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。