溅射离子镀膜

实验一真空蒸发和离子溅射镀膜随着材料科学的发展，近年来薄膜材料作为其中的一个重要分支从过去体材料一统天下的局面中脱赢而出。

如过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅需数几个器件或一块集成电路板就能完成，薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。

薄膜技术还可以将各种不同的材料灵活的复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。

薄膜的应用范围越来越宽，按其用途可分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储薄膜、防护功能薄膜等。

目前，薄膜材料在科学技术和社会经济各个领域发挥着越来越重要的作用。

因此薄膜材料的制备和研究就显得非常重要。

薄膜的制备方法可分为物理法、化学法和物理化学综合法三大类。

物理法主要指物理气相沉积技术（Physical Vapor Deposition, 简称PVD）,即在真空条件下，采用各种物理方法将固态的镀膜材料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面，从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。

物理气相沉积过程可概括为三个阶段： 1.从源材料中发射出粒子；2.粒子输运到基片；3.粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。

由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出各种不同形式，主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜三种主要形式。

在这三种PVD基本镀膜方法中，气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各不相同，由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。

本实验主要介绍了真空蒸发和离子溅射两种镀膜技术。

在薄膜生长过程中，膜的质量与真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等有关。

在溅射薄膜的生长过程中，气体流量（压力）也会对形成的薄膜的性质产生影响。

通过改变镀膜条件，即可得到性质炯异的薄膜材料。

对制备的薄膜材料，可通过 X射线衍射、电子显微镜（扫描电镜、透射电镜等）、扫描探针（扫描隧道显微镜、原子力显微镜等）以及光电子能谱、红外光谱等技术来进行分析和表征，还可通过其它现代分析技术测试薄膜的各种相应特性等。

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简单的直流二极溅射装置，相当于一个大型的气体放电管，包括这样几部分；装有两个水冷电极的真空容器，真空系统，充气系统和直流电源(见图8-2)。阴极上安装靶材；阳极上安装基片，也就是镀膜的工件。两极之间的距离为5〜7cm2。工作压强为 5Pa左右。 图8-2 直流二极溅射装置 1-阳极 2-基片台 3-真空室 4-靶材 5-屏蔽罩 6-阳极 直流二极溅射，作为一种独立的镀膜工程已经被淘汰，但仍然在其他镀膜工程中作为辅助手段应用。例如，在磁控溅射之前，先用直流二极溅射的方式清洗基片。这时是以基片为阴极，使其受离子轰击，清除其表面吸附的气体和氧化物等污染层。这样处理以后，可以增强膜层与基片的结合强度。又如，直流二极型离子镀，就是由蒸镀配合直流二极溅射构成的。
于溅射放电时，阴极靶面所形成之阴极暗区（简称暗区）具有相当重要之影响，一般于施加负电压之阴极对阳极之溅镀室壁及基板（一般为接地形态）放电时，暗区之宽度约在10到30mm之间。 暗区宽度依气体压力而定，气体压力愈高（即真空度较差时），暗区宽度愈小。暗区太宽或太窄，对溅射镀膜，都无法达到最好的效果。 图2-2a即气体压力太高，暗区宽度变窄，放电介于靶材及阴极屏蔽之间。而靶材与阴极屏蔽（接地电位）间距离约在7mm以下，当靶材与屏蔽发生放电时，不仅产生不纯物沈积，于阴阳极间的绝缘材，而导致阴极阳极间之高电压短路，这是非常危险的。 图2-2c即当气体压力太低时，放电即很难产生，假使放电能产生，亦很难稳定。
第一节 溅射镀膜原理
一、直流二极溅射原理 直流二极溅射是利用直流辉光放电使气体电进，如图8-1所示。图8-1a是一个辉光放电管，其中装有两个电极，作为阴极和阳极。将管内抽真空，使其真空度达到10Pa左右，再加上几百伏的直流电压，就会产生辉光放电。辉光放电区域并不是均匀的。只要两个电极之间有足够的距离，就能观察到一些明暗程度不同的区域。这些区域主要是阴极暗区、负辉区、法拉第暗区和正辉区(图8-1a) 。 除阴极暗区以外，其他各个区域或者是等离子体区(阳极辉柱)，或者近似于等离子体区(负辉区和法拉第暗区)。等离子体之中存在大量自由电子，是一种良导体，因此加在放电管两极的电压，几乎毫无损失地通过各个等离子区，而全部加在阴极暗区。图8-1b是辉光放电区的电位分布。 图8-1 二极直辉光放电 a)辉光放电区的结构 1-阴极 2-阴极暗区 3-负辉区 4-法拉第暗区 5-阳极辉柱 6-阳极 b)辉光放电区的电位分布

Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作 用，提高了沉积速率。 (c) 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近， 不与基片接触。这样，电离产生的正离子能 有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰 击，制膜过程中温升较小。
有效地解决了直流溅射中基片温 升高和溅射速率低两大难题
存在的问题： ➢ 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 ➢ 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 ➢ 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面
直流溅射沉积装置示意图
已很少用，主要因为沉积速率太低 ~ 0.1mm/min
溅射沉积速率与工作气压间的关系
➢ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的 散射（方向及能量无序），到达基片的几率 随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均 匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极 平面面积为基片面积的两倍。
对膜层结构的影响
膜层的晶粒尺 寸和内应力
膜层的晶 面间距
第七节 溅射方法和溅射装置
➢ 直流溅射(二极，三极，四极) ➢ 射频溅射 ➢ 磁控溅射 ➢ 反应溅射
1. 直流溅射（双极型）
电压约1－5 kV，出射 原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV， 到达基板的原子能量约 1-2eV。
第二节 溅射机制 溅射原子的联级碰撞示意图
溅射机制：
局部加热蒸发机制
动能直接传递机制
(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦 规律，而趋向于晶体密度最高的方向；
(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也 决定于其质量；
(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。

溅射镀膜介绍一: 溅射镀膜应用:溅射镀膜主要用于半导体生产的金属薄膜的生长.如下图的金属层1到金属层6都是运用溅射镀膜所生产.溅射镀膜到形成所需的金属线的过程为：溅射镀膜--→光照显影--→蚀刻（形成金属连接线）二: 溅射镀膜原理溅射淀积（溅射）是另一种老工艺，能够适应现代半导体制造需要。

它几乎可以在任何衬底上淀积任何材料，而且广泛应用在人造珠宝涂层，镜头和眼镜的光学涂层的制造。

在真空反应室中，由镀膜所需的金属构成的固态厚板被称为靶材（target）（图1），靶材接阴极，衬底接阳极并接地。

首先将氩气充入室内，并且电离成正电荷。

带正电荷的氩离子被不带电的靶吸引，加速冲向靶。

在加速过程中这些离子受到引力作用，获得动量，轰击靶材。

这样在靶上就会出现动量转移现象（momentum transfer）。

正如在桌球，球杆把能量传递到其他球，使它们分散一样，氩离子轰击靶，引起其上的原子分散。

被氩离子从靶上轰击出的原子和分子进入反应室。

这就是溅射过程。

从靶上轰击出原材料之后，氩离子、轰击出的原材料、气体原子和溅射工艺所产生的电子在靶前方形成一个等离子区域。

等离子区是可见的，呈现紫色。

而黑色区域将等离子区和靶分开，我们称之为暗区（dark space）。

图1 溅射工艺的原理被轰击出的原子或分子散布在反应室中，其中一部分渐渐地停落在晶圆上，形成薄膜，溅射工艺的主要特征是淀积在晶圆上的靶材不发生化学或合成变化。

形成薄膜的过程有如下几个过程(图2所示):1长晶2 晶粒成长3 晶粒聚集4 缝隙填补5 沉积膜的成长图2 溅射工艺的原理三：溅射镀膜相对于真空蒸发优点：1 靶材的成分不会改变。

这种特征的直接益处就是有利于合金膜和绝缘膜的淀积。

合金真空蒸发的问题在前一部分已作描述。

对于溅射工艺来说，含有2%铜的铝靶材就可以在晶圆上生长出含有2%铜的铝薄膜。

2 阶梯覆盖度也可以通过溅射改良。

蒸发来自于点源，而溅射来自平面源。

因为金属微粒被从靶材各个点溅射出来的，所以在到达晶圆承载台时，它们可以从各个角度覆盖晶圆表面。