一文讀懂濺射沉積技術(shù)

2023/04/20

定義

濺射鍍膜是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表面，通過粒子動量傳遞打出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉淀在基體上形成薄膜的技術(shù)。濺射鍍膜技術(shù)具有可實現(xiàn)大面積快速沉積，薄膜與基體結(jié)合力好，濺射密度高、針孔少，膜層可控性和重復(fù)性好等優(yōu)點，而且任何物質(zhì)都可以進行濺射，因而近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。

濺射機理

入射離子轟擊靶面時，將其部分能量傳輸給表層晶格原子，引起靶材中原子的運動。有的原子獲得能量后從晶格處移位，并克服了表面勢壘直接發(fā)生濺射；有的不能脫離晶格的束縛，只能在原位做振動并波及周圍原子，結(jié)果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后產(chǎn)生一次反沖，將其臨近的原子碰撞移位，反沖繼續(xù)下去產(chǎn)生高次反沖，這一過程稱為級聯(lián)碰撞。級聯(lián)碰撞的結(jié)果是部分原子達到表面，克服勢壘逸出，這就形成了級聯(lián)濺射，這就是濺射機理。當(dāng)級聯(lián)碰撞范圍內(nèi)反沖原子密度不高時，動態(tài)反沖原子彼此間的碰撞可以忽略，這就是線性級聯(lián)碰撞。 

二極濺射

二極濺射是最早采用，并且是目前最簡單的基本濺射方法。直流二極濺射裝置由陰、陽極組成。用膜材(導(dǎo)體)制成的靶作為陰極，放置被鍍件的工件架作為陽極(接地)，兩極間距一般為數(shù)厘米至十厘米左右。當(dāng)真空室內(nèi)電場強度達到一定值后，兩極間產(chǎn)生異常輝光放電。等離子區(qū)中的Ar +離子被加速而轟擊陰極靶，被濺射出的靶材原子在基體上沉積形成薄膜。

三極濺射

二極濺射方法雖然簡單，但放電不穩(wěn)定，而且沉積速率低。為了提高濺射速率以及改善膜層質(zhì)量，人們在二極濺射裝置的基礎(chǔ)上附加熱陰極，制作出三極濺射裝置。

三極濺射中，等離子體的密度可以通過改變電子發(fā)射電流和加速電壓來控制。離子對靶材的轟擊能量可以用靶電壓加以控制，從而解決了二極濺射中靶電壓、靶電流和氣壓之間相互制約的矛盾。

三極濺射的缺點在于放電不穩(wěn)定，等離子體密度不均勻引起的膜厚不均勻。為此，在三極濺射的基礎(chǔ)上又加了一個輔助陽極，這就形成了四極濺射。 

磁控濺射

磁控濺射又稱為高速低溫濺射。在磁場約束及增強下的等離子體中的工作氣體離子 (如 Ar+)，在靶陰極電場的加速下，轟擊陰極材料，使材料表面的原子或分子飛離靶面，穿越等離子體區(qū)以后在基片表面淀積、遷移最終形成薄膜。

與二極濺射相比較，磁控濺射的沉積速率高，基片升溫低，膜層質(zhì)量好，可重復(fù)性好，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。它的發(fā)展引起了薄膜制備工藝的巨大變革。

磁控濺射源在結(jié)構(gòu)上必須具備兩個基本條件：

(1)建立與電場垂直的磁場；

(2)磁場方向與陰極表面平行，并組成環(huán)形磁場。

在平面磁控靶結(jié)構(gòu)原理圖中可以看出，磁控濺射源實質(zhì)上是在二極濺射的陰極靶后面設(shè)置了磁鐵，磁鐵在靶面上產(chǎn)生水平分量的磁場。離子轟擊靶材時放出二次電子，這些電子的運動路徑很長，被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)沿跑道轉(zhuǎn)圈，在該區(qū)中通過頻繁地碰撞電離出大量Ar + 用以轟擊靶材，從而實現(xiàn)了高速濺射。電子經(jīng)數(shù)次碰撞后能量逐漸降低，逐步遠離靶面，最終以很低的能量飛向陽極基體，這使得基體的升溫也較低。由于增加了正交電磁場對電子的束縛效應(yīng)，故其放電電壓(500～600V)和氣壓(10 -1 Pa)都遠低于直流二極濺射。 

反應(yīng)磁控濺射

以金屬、合金、低價金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極，在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與氣體粒子反應(yīng)生成化合物薄膜，這就是反應(yīng)磁控濺射 。反應(yīng)磁控濺射廣泛應(yīng)用于化合物薄膜的大批量生產(chǎn)，這是因為：

(1)反應(yīng)磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應(yīng)氣體 ( 氧、氮、碳氫化合物等 ) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù) , 可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜，通過調(diào)節(jié)薄膜的組成來調(diào)控薄膜特性。

(3) 反應(yīng)磁控濺射沉積過程中基板升溫較小，而且制膜過程中通常也不要求對基板進行高溫加熱，因此對基板材料的限制較少。

(4) 反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實現(xiàn)單機年產(chǎn)上百萬平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。

非平衡磁控濺射

Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控濺射的概念，并給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設(shè)計。對于一個磁控濺射靶，其外環(huán)磁場強度與中部磁極的磁場強度相等或接近，稱為“平衡磁控濺射靶”；如果某一磁極的磁場相對于另一極性相反的部分增強或減弱，就形成了“非平衡磁控濺射靶”。非平衡磁控濺射法通過附加磁場，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的范圍內(nèi)，使基片沉浸在等離子體中。這樣一方面濺射出來的粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面等離子體轟擊基片，起到離子輔助的作用，極大的改善了膜層質(zhì)量。非平衡磁控濺射除了具有較高的濺射速率外，能夠向鍍膜區(qū)輸出更多的離子，離子濃度正比于濺射靶的放電電流。目前，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備各種硬質(zhì)薄膜。非平衡磁控濺射的磁場又分閉合場和非閉合場兩種。閉合的磁場能夠控制電子只在磁場內(nèi)沿磁力線移動，避免了電子在真空室壁上的損失。