溅射镀膜类型 ppt课件

二、偏压溅射
直流偏压溅射的原理示意如图 所示。它与直流二极溅射的区别 在于基片上施加一固定直流偏压。
特点：
（1）若施加的是负偏压，则在 薄膜淀积过程中，基片表面都将 受到气体离子的稳定轰击，随时 清除可能进入薄膜表面的气体， 有利于提高薄膜的纯度。并且也 可除掉粘附力弱的淀积粒子，加 之在淀积之前可对基片进行轰击 清洗，使表面净化，从而提高了 薄膜的附着力。
直流二极溅射的工作参数为溅 射功率、放电电压、气体压力 和电极间距。溅射时主要监视 功率、电压和气压参数。当电 压一定时，放电电流与气体压 强的关系如图3-32所示。气体 压力不低于lPa，阴极靶电流 密度为0.15 ～1.5MA/CM²。
优点：
结构简单，可获得大面积膜厚均匀的薄膜。
缺点：
（1）溅射参数不易独立控制，放电电流易随电压和气压变化，工艺重复 性差；
从靶面飞溅出来的粒子以足够的动能飞向阳极并沉积在基材表面，形 成镀层。
基片
e-
E
Ar
+ Ar+
+ Ar+
e-
e-
靶材
V (<0)
溅射过程中涉及到复杂的散射过程和多种能量传递过程： 首先，入射粒子与靶材原子发生弹性碰撞，入射粒子的一 部分动能会传给靶材原子，某些靶材原子的动能超过由其 周围存在的其它原子所形成的势垒(对于金属是5-10eV)， 从而从晶格点阵中被碰撞出来，产生离位原子，并进一步 和附近的原子依次反复碰撞，产生碰撞级联。当这种碰撞 级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能大 于表面结合能(对于金属是1-6eV)，这些原子就会从靶材 表面脱离从而进入真空。
若二者是同轴圆柱状布置就称为同轴二极溅射。
基片 二级溅射结构原理图
直流二极溅射原理
先将真空室预抽到高真空（如10-3Pa），然后，通入惰性气体（通常 为氩气），使真空室内压力维持在1～10Pa；
接通电源（直流负高压），电子在电场的作用下加速飞向基片的过程 中与Ar原子发生碰撞， 电 离 出 大 量 的 Ar+和电子，电子飞向基片，在 此过程中不断和Ar原子碰撞，产生更多的Ar+和电子，Ar+离子经电场 加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电 子，二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子,更多的离子 轰击靶又释放更多的电子，从而使辉光放电达到自持；
原理：
等离子区由热阴极 和一个与靶无关的阳极 来维持，并通过外部线 圈所提供的磁场，将等 离子体限域在阳极和灯 丝阴极之间。而靶偏压 是独立的，这就大大降 低了靶偏压。
三极溅射克服了二极溅射的缺点，它在真空室内附加一个 独立的电子源——热阴极（热阴极通常是一加热的钨丝， 他可以承受长时间的离子轰击），它通过热离子辐射形式 发散电子并和阳极产生等离子体，同时使靶相对于该等离 子体为负电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅 射。如果为了引入热电子并使放电稳定，再附加第四电 极——稳定化电极，即称为四极溅射。
直流二极溅射放电所形成电回路，是依靠气体放电产生的正离子飞向 阴极靶，一次电子飞向阳极而形成的。而放电是依靠正离子轰击阴极 所产生的二次电子，经阴极暗区被加速后去补充被消耗的一次电子来 维持的。因此，在溅射镀膜过程中，溅射效应是手段，沉积效应是目 的，电离效应是条件。
为了提高淀积速率，在不影响 辉光放电前提下，基片应尽量 靠近阴极靶。但基片接近阴极 时，甚至在未达到阴极暗区之 前，就会产生放电电流急剧变 小而使溅射速率下降的现象。 这时，从基片上膜厚分布来看 ， 在阴极遮蔽最强的中心区膜最 薄。因此，有关资料指出：阴 极靶与基片间的距离以大于阴 极暗区的3~4倍较为适宜。
图3-34 钽膜电阻率与基片偏压关系
三、三极或四极溅射
二极直流溅射只能在较高气压下进行，因为它是依赖离子 轰击阴极所发射的次级电子来维持辉光放电。如果气压降 到1.3~2.7Pa（10~20mTorr）时，则阴极暗区扩大，电子 自由程增加，等离子体密度降低，辉光放电便无法维持。
在低压下，为了增加离化率并保持放电自持，一个可供选 择的方法就是提供一个额外的电子源（额外电子源提供具 有合适能量的额外电子,保持高离化效率），而不是从靶 阴极获得电子。
（2）气体压力较高（10Pa左右），溅射速率较低，这不利于减少杂质污 染及提高溅射效率，使薄膜纯度较差，成膜速度慢；
（ 3 ） 电子在电场力作用下迅速飞向基片表面：电子运动路径短，轰击在 基片上速度快，导致基片温度升高；
（4）为了在辉光放电过程中使靶表面保持可控的负高压，靶材必须是导 体。（直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传 递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝 缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶 面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的 机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射 停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射 法。）
Hale Waihona Puke Baidu
直流偏压溅射的原理示意图
（2）偏压溅射还可改变淀积薄膜的结构。图3-34示出了基片加不同偏
压时钽膜电阻率的变化。偏压在-100V至100V范围，膜层电阻率较高，属 β-Ta即四方晶结构。当负偏压大于100V时，电阻率迅速下降，这时钽膜 已相变为正常体心立方结构。这种情况很可能是因为基片加上正偏压后， 成为阳极，导致大量电子流向基片，引起基片发热所致。
对向靶溅射可以进行磁性薄膜的高速低温制备。
各种溅射镀膜类型的比较
一．二极溅射
阴极靶由镀膜材料制成,成膜的基板及其固定架作为阳极，
构成了溅射装置的两个极 。
使用直流电源则称为直流二极溅射，因为溅射过程发生在 阴极，故又称为阴极溅射。
使用射频电源时称为射频二极溅射。
靶和基板固定架都是平板状的称为平面二极溅射。
溅射镀膜类型
溅射镀膜类型
溅射镀膜的方式很多，从电极结构上可分为二极 溅射、三或四极溅射和磁控溅射。
直流溅射系统一般只能用于靶材为良导体的溅射； 射频溅射适用于绝缘体、导体、半导体等任何一
类靶材的溅射；
反应溅射可制备化合物薄膜； 为了提高薄膜纯度而分别研究出偏压溅射、非对
称交流溅射和吸气溅射等；