溅射镀膜技术的种类及特点

　　

　　溅射镀膜有多种方式。其中归纳起来，1～5是按电极结构分类，即根据电极结构、电极的相对位置及溅射镀膜的过程，可以分为直流二极溅射、直流三极溅射、直流四极溅射、磁控溅射、对向靶溅射、ECR溅射等。6～12是在这些基本溅射镀膜的基础上，为适应制作各种薄膜的要求所做的进一步改进。反应溅射就是在Ar中加人反应气体，如N2、O2、CH4、C2H2等，可制备靶材料的氮化物、氧化创、碳化物等化合物薄膜；偏压溅射就是在成膜的基板上施加几百伏的负偏压，可使膜层致密、改善膜层的性能；射频溅射是在射频电压作用下，利用电子和离子运动特征的不同，在靶的表面感应出负的直流脉冲，而产生溅射现象，能对绝缘体进行溅射镀膜。

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　　二极溅射

　　溅射电源：DC 1～7kV 0.15～1.5mA/cm2，RF0.3～10kW 1～10W/cm2,

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33(10-2),

　　特点: 构造简单，在大面积的基板上可以制取均匀的薄膜，放电电流流随气压和电压的变化而变化。

　　

　　图1 二极溅射原理图

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　　三极溅射或四极溅射

　　溅射电源：DC 0～2kV RF O～1kW，

　　Ar气压／Pa(或Torr): 6.65 x 10-2～1.33 x 10-1 (5 x 10-4～1 x 10-3)

　　特点: 可实现低气压、低电医溅射，放电电流和轰击靶的离子能量可独立调节控制。可自动控制靶的电流。也可进行射频溅射。

　　

　　图2 三极溅射或四极溅射原理图

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　　磁控溅射(高速低温溅射)

　　溅射电源： 0.2～1kV（高速低温）3～30W/cm2

　　Ar气压／Pa(或Torr): 10～10-6 (约10-1～10-8)

　　特点: 在与靶表面平行的方向上施加磁场，利用电场和磁场相互垂直的磁控管原理减少电子对基的轰击(降低基板温度)，使高速溅射成为可能。对Cu来说，溅射沉积速率为1.8μm/min时，温升为2℃／μm。CU的自溅射可在10-6Pa(10-8Pa)的低压下进行。

　　

　　图3 磁控溅射(高速低温溅射)原理图

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　　对向靶溅射

　　溅射电源：采用磁控靶Dc或RF 0.2～1kV 3～30W/cm2

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33 x 10-1～1.33 x 10-3(10-3～10-5)

　　特点: 两个靶对向布置，在直于靶的表面方向加上磁场，基板位于磁场之外。可以对磁性材料行高速低温溅射。

　　

　　图4 对向靶溅射原理图

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　　ECR溅射

　　溅射电源：0～数千伏

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33 x 10-3(10-5)

　　特点: 采用ECR等离子体，可在高真空中进行各种溅射沉积。靶可以做得很小。

　　

　　图5 ECR溅射原理图

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　　射频溅射

　　溅射电源： FR0.3～10kV 0～5kV

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33(10-2)

　　特点: 开始是为了制取绝缘I体如石英、玻璃、Al2O3的薄膜而研制的。也可射镀制金属膜。靶表面加磁场可以进行磁控射频溅射。

　　

　　图6 射频溅射原理图

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　　偏压溅射

　　溅射电源：在基片上施加0～500V范围内的相对于阳极的正的或负的电位

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33(10-2)

　　特点: 在镀膜过程中同时清除基板上轻质量的带电粒子，从而使基板中不含有不纯气体(如H20、N2等残留气体等）。

　　

　　图7 偏压溅射原理图

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　　非对称交流溅射

　　溅射电源： AC1～5KV 0.1～2mA/cm2

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33(10-2)

　　特点: 振幅大的半周期内靶进行溅射，在振幅小的半周期内对基板进行离子轰击，清除吸附的气体，从而获得高纯的薄膜。

　　

　　图8 非对称交流溅射原理图

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　　吸气溅射

　　溅射电源：DC 1～5KV 0.15～1.5mA/cm2 RF0.3～10KW 1～１0W/cm2

　　Ar气压／Pa(或Torr): 1.33(10-2)

　　特点: 利用吸气靶溅射粒子的吸气作用，除去不纯物的气体。能获得纯度高的薄膜。

　　

　　图9 吸气溅射原理图

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　　自溅射

　　溅射电源：靶表面的磁通密度 50mT,7～10A ,φ100mm靶

　　Ar气压／Pa(或Torr):≈0（启动时1.33 x 10-1(10-3)）

　　特点: 溅射时不用氩气，沉积速率高(达数μm/min)，被溅射原子飞行轨迹呈束状(便于大深径比微细孔的埋入)，目前仅限于Cu、Ag的自溅射。

　　

　　图10 自溅射原理图

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　　反应溅射

　　溅射电源：DC 0.2～7KV RF0.3～10KW

　　Ar气压／Pa(或Torr): 在Ar中混入适量的活性气体，如N2、02等分别制取TiN AlO

　　特点: 制作阴极物质的化合物薄膜，例如，如果阴极（靶）是钛，可以制作1TiN.TiC。

　　从原理上讲，上述各种方案都可以进行反应溅射，当然9、10两种方案一般不用于反应溅射。

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　　离子束溅射

　　溅射电源：出电压0.5～2.5kV，离子束流10～150mA

　　Ar气压／Pa(或Torr): 离子源系统10-2～102，溅射室3 x l0-3

　　特点: 在高真空下，利用离子束溅射镀膜，是非等离子体状态下的成膜过程。靶接地电位也可，丕可以进行反应离子束溅射。

　　

　　图11 离子束溅射原理图

　　磁控溅射是在二极溅射、三极溅射、射频溅射的基础上发展起来的新技术。由于磁控溅射可以在低温、低损伤的条件下实现高速沉积，故目前已成为工业化生产的主要方式。