溅射镀膜类型 ppt课件

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； 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；
对向靶溅射可以进行磁性薄膜的高速低温制备。
图3-34 钽膜电阻率与基片偏压关系
溅射镀膜类型
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。
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。
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。
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；
（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。）
基片 二级溅射结构原理图
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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；
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。
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。
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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。
各种溅射镀膜类型的比较
溅射镀膜类型 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。
若二者是同轴圆柱状布置就称为同轴二极溅射。