濺射鍍膜是指在真空室中,利用荷能粒子轟擊靶材表面,透過粒子動量傳遞打出靶材中的原子及其它粒子,並使其沉澱在基體上形成薄膜的技術.濺射鍍膜技術具有可實現大面積快速沉積,薄膜與基體結合力好,濺射密度高、針孔少,膜層可控性和重複性好等優點,而且任何物質都可以進行濺射,因而近年來發展迅速,應用廣泛.

濺射現象

用帶有幾十電子伏能量的粒子轟擊材料表面時,材料將被激發為氣態,利用這種現象可以對材料進行表面的鍍膜、刻蝕、清洗和表面分析.由於離子易於在電磁場中加速或偏轉,所以荷能粒子一般為離子.當離子轟擊靶材表面時會產生許多效應.除了靶材的原子和分子最終參與成膜之外,其它效應對膜的生長也產生很大的影響.

濺射機理

目前被大多數人所接受的濺射機理是Sigmund提出的線性級聯濺射機理 .

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.有的原子獲得能量後從晶格處移位,並克服了表面勢壘直接發生濺射;有的不能脫離晶格的束縛,只能在原位做振動並波及周圍原子,結果使靶的溫度升高;而有的原子獲得足夠大的能量後產生一次反衝,將其臨近的原子碰撞移位,反衝繼續下去產生高次反衝,這一過程稱為級聯碰撞.級聯碰撞的結果是部分原子達到表面,克服勢壘逸出,這就形成了級聯濺射,這就是濺射機理.當級聯碰撞範圍內反衝原子密度不高時,動態反衝原子彼此間的碰撞可以忽略,這就是線性級聯碰撞.

濺射方法

濺射技術的成膜方法較多,典型方法有直流二極濺射、三極(或四極)濺射與磁控濺射等.

(一)二極濺射

二極濺射是最早採用,並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(導體)製成的靶作為陰極,放置被鍍件的工件架作為陽極(接地),兩極間距一般為數釐米至十釐米左右.當真空室內電場強度達到一定值後,兩極間產生異常輝光放電.等離子區中的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.

如採用射頻電源作為靶陰極電源,又可做成二極射頻濺射裝置,這種裝置可以濺射絕緣材料.

(二)三極濺射

二極濺射方法雖然簡單,但放電不穩定,而且沉積速率低.為了提高濺射速率以及改善膜層質量,人們在二極濺射裝置的基礎上附加熱陰極,製作出三極濺射裝置.

三極濺射中,等離子體的密度可以透過改變電子發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.

三極濺射的缺點在於放電不穩定,等離子體密度不均勻引起的膜厚不均勻.為此,在三極濺射的基礎上又加了一個輔助陽極,這就形成了四極濺射.

(三)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,穿越等離子體區以後在基片表面澱積、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,膜層質量好,可重複性好,便於產業化生產.它的發展引起了薄膜製備工藝的巨大變革.

磁控濺射源在結構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,並組成環形磁場.

在平面磁控靶結構原理圖中可以看出,磁控濺射源實質上是在二極濺射的陰極靶後面設定了磁鐵,磁鐵在靶面上產生水平分量的磁場.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域內沿跑道轉圈,在該區中透過頻繁地碰撞電離出大量Ar + 用以轟擊靶材,從而實現了高速濺射.電子經數次碰撞後能量逐漸降低,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.由於增加了正交電磁場對電子的束縛效應,故其放電電壓(500~600V)和氣壓(10 -1 Pa)都遠低於直流二極濺射.

反應磁控濺射

以金屬、合金、低價金屬化合物或半導體材料作為靶陰極,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生成化合物薄膜,這就是反應磁控濺射 .反應磁控濺射廣泛應用於化合物薄膜的大批次生產,這是因為:

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

(2)透過調節反應磁控濺射中的工藝引數 , 可以製備化學配比或非化學配比的化合物薄膜,透過調節薄膜的組成來調控薄膜特性.

(3) 反應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) 反應磁控濺射適於製備大面積均勻薄膜,並能實現單機年產上百萬平方米鍍膜的工業化生產.

但是,直流反應濺射的反應氣體會在靶表面非侵蝕區形成絕緣介質層,造成電荷積累放電,導致沉積速率降低和不穩定,進而影響薄膜的均勻性及重複性,甚至損壞靶和基片.為了解決這一問題,近年來發展了一系列穩定等離子體以控制沉積速率,提高薄膜均勻性和重複性的輔助技術.

(1) 採用雙靶中頻電源解決反應磁控濺射過程中因陽極被絕緣介質膜覆蓋而造成的等離子體不穩定現象,同時還解決了電荷積累放電的問題.

(2) 利用等離子發射譜監測等離子體中的金屬粒子含量,調節反應氣體流量使等離子體放電電壓穩定,從而使沉積速率穩定.

(3) 使用圓柱形旋轉靶減小絕緣介質膜的覆蓋面積.

(4) 降低輸入功率,並使用能夠在放電時自動切斷輸出功率的智慧電源抑制電弧.

(5) 反應過程與沉積過程分室進行,既能有效提高薄膜沉積速率,又能使反應氣體與薄膜表面充分反應生成化合物薄膜.

交流磁控濺射

和直流濺射相比交流磁控濺射採 用交流電源代替直流電源,解決了靶面的異常放電現象.

交流濺射時,靶對真空室壁不是 恆定的負電壓 , 而是週期一定的交流脈衝電壓 .設脈衝電壓的週期為 T, 在負脈衝 T —△ T 時間間隔內,靶面處於放電狀態,這一階段和直流磁控濺射相似;靶面上的絕緣層不斷積累正電荷,絕緣層上的場強逐步增大;當場強增大至一定限度後靶電位驟降為零甚至反向,即靶電位處於正脈衝△ T 階段.在△ T 時間內,放電等離子體中的負電荷─電子向靶面遷移並中和了絕緣層表面所帶的正電荷,使絕緣層內場強恢復為零,從而消除了靶面異常放電的可能性.

在靶面平均功率一定的前提下,負脈衝期間可以給靶施加更大的脈衝功率,因此交流濺射還可以在不改變靶的冷卻條件下增強基片附近的等離子體密度.

交流濺射 ( 脈衝濺射 ) 的電壓波形可以是對稱的,也可以是不對稱的.通常將輸出電壓波形為不對稱的矩形波的交流濺射方式稱為脈衝濺射 ( 常用於單靶濺射 ) ;而將輸出波形為對稱方波或正弦波的濺射方式稱為交流濺射 ( 常用於對靶濺射 ) .當交流濺射技術用於對靶濺射時,一個週期中每塊靶輪流充當陰極和陽極,形成良好的"自清潔"效應.在沉積多元合金或化合物薄膜時,還可以透過調節交變脈衝電壓的佔空比來改變薄膜的組分.

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,並給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設計.對於一個磁控濺射靶,其外環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於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".

非平衡磁控濺射法透過附加磁場,將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的範圍內,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,能夠向鍍膜區輸出更多的離子,離子濃度正比於濺射靶的放電電流.目前,該技術被廣泛應用於製備各種硬質薄膜.

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沿磁力線移動,避免了電子在真空室壁上的損失.