一文讀懂濺射沉積技術

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。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，膜層可控性和重復性好等優點，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，結果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后產生一次反沖，將其臨近的原子碰撞移位，反沖繼續下去產生高次反沖，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。當級聯碰撞范圍內反沖原子密度不高時，動態反沖原子彼此間的碰撞可以忽略，這就是線性級聯碰撞。 

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)，兩極間距一般為數厘米至十厘米左右。當真空室內電場強度達到一定值后，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。

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，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。 

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，膜層質量好，可重復性好，便于產業化生產。它的發展引起了薄膜制備工藝的巨大變革。

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，并組成環形磁場。

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后面設置了磁鐵，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，在該區中通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，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于化合物薄膜的大批量生產，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，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調節反應磁控濺射中的工藝參數 , 可以制備化學配比或非化學配比的化合物薄膜，通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) 反應磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實現單機年產上百萬平方米鍍膜的工業化生產。

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計。對于一個磁控濺射靶，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，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，離子濃度正比于濺射靶的放電電流。目前，該技術被廣泛應用于制備各種硬質薄膜。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。