溅射工艺
基本内容
原理
溅射工艺图如图1所示，溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压（ <0.1 Pa）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。
磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、 氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产。
溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子，用得最多的是氩离子。氩电离后，氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。当氩离子能量低于5电子伏时,仅对靶极最外表层产生作用，主要使靶极表面原来吸附的杂质脱附。当氩离子能量达到靶极原子的结合能（约为靶极材料的升华热）时，引起靶极表面的原子迁移，产生表面损伤。轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时，原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射。对于大多数金属，溅射阈能约为10～25电子伏。
溅射产额，即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。在阈能附近溅射，产额只有10-5～10-4个原子/离子，随着入射离子能量的增加，溅射产额按指数上升。当离子能量为103～104电子伏时，溅射产额达到一个稳定的极大值;能量超过104电子伏时，由于出现明显的离子注入现象而导致溅射产额下降。溅射产额还与靶极材料、原子结合能、晶格结构和晶体取向等有关。一般说来，单金属的溅射产额高于它的合金；在绝缘材料中，非晶体溅射产额最高，单晶其次，复合晶体最低。
溅射工艺主要用于溅射刻蚀和薄膜淀积两个方面。溅射刻蚀时，被刻蚀的材料置于靶极位置，受氩离子的轰击进行刻蚀。刻蚀速率与靶极材料的溅射产额、离子流密度和溅射室的真空度等因素有关。溅射刻蚀时，应尽可能从溅射室中除去溅出的靶极原子。常用的方法是引入反应气体，使之与溅出的靶极原子反应生成挥发性气体，通过真空系统从溅射室中排出。
淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射。如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜。通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接进行溅射而得。在溅射中，溅出的原子是与具有数千电子伏的高能离子交换能量后飞溅出来的，其能量较高，往往比蒸发原子高出1～2个数量级，因而用溅射法形成的薄膜与衬底的粘附性较蒸发为佳。若在溅射时衬底加适当的偏压，可以兼顾衬底的清洁处理，这对生成薄膜的台阶覆盖也有好处。另外，用溅射法可以制备不能用蒸发工艺制备的高熔点、低蒸气压物质膜，便于制备化合物或合金的薄膜。溅射主要有离子束溅射和等离子体溅射两种方法。离子束溅射装置中，由离子枪提供一定能量的定向离子束轰击靶极产生溅射（图1）。离子枪可以兼作衬底的清洁处理(位置1)和对靶极的溅射(位置2)。为避免在绝缘的固体表面产生电荷堆积，可采用荷能中性束的溅射。中性束是荷能正离子在脱离离子枪之前由电子中和所致。离子束溅射广泛应用于表面分析仪器中，对样品进行清洁处理或剥层处理。由于束斑大小有限，用于大面积衬底的快速薄膜淀积尚有困难。 等离子体溅射也称辉光放电溅射。产生溅射所需的正离子来源于辉光放电中的等离子区。靶极表面必须是一个高的负电位，正离子被此电场加速后获得动能轰击靶极产生溅射，同时不可避免地发生电子对衬底的轰击。
二极溅射是最简单的等离子体溅射装置。两个平行板电极间加上一个直流高电压：阴极为靶极，阳极为衬底。为使这种自持辉光放电保持稳定，除两极板间须保持一定电压外，极板间距和气体压强的大小也很重要。在两极板间距为数厘米的正常溅射间距下，放电气压一般高达10帕。在这样的气压下，粒子的平均自由程很短，对溅射不利。为保持更低气压下的溅射，可采用非自持放电，常用的是热电子激发法。直流四极溅射就是在原有的二极溅射设备上附加一对热灯丝和阳极组成的。从灯丝发出的强大电子流在流向阳极的途中，使处于低气压的氩气分子大量电离，从而提供足够的离子。这可使溅射在10-1～10-2帕的低气压下进行。外加磁场可使电子电离气体的效率增加。
对于绝缘体靶的溅射，必须采用高频溅射方法。在靶极上施加高频电压，气体击穿后等离子体中的电子和离子将在靶极高频电场的作用下交替地向靶极迁移。电子的迁移率比离子高得多。频率很高时，离子向靶极的迁移就会跟不上高频信号的频率变化。因为靶是绝缘的，靶极回路净电流必须保持为零。为此，必须在靶极表面维持一个负电势,用以抑制电子向靶极的迁移,同时加速正离子的迁移，使流向靶极的电子数与离子数相等。正是这一负电势加速氩离子，使绝缘靶的溅射得到维持。为使这一负电势保持足够的数值，靶上的高频电压的频率必须足够高。频率过高，高频损耗增大且难于匹配。常用的频率约为13.56兆赫。
等离子体溅射突出的问题是溅射速率低、衬底温度升高。从靶极发出的溅射原子流为E=Sj+。式中S为溅射产额,j+为轰击靶极的离子流密度。在S确定以后,提高溅射速率必须增加离子流密度。另外,降低衬底温升,必须防止高能二次电子对衬底的轰击。磁控溅射能解决这两个问题。磁控溅射利用高频磁控管的原理，在溅射室中引入一个与电场方向正交的磁场。在此磁场的控制下，电子局限于靶极附近并沿螺旋形轨道运动，大大提高电子对氩原子的电离效率，增加轰击靶极的离子流密度j+，实现快速的大电流溅射。同时，又能避免电子直接向衬底加速，降低衬底的温升。磁控溅射有直流和高频两类。按结构又有同轴型、平面型和S枪等多种类型。靶极上出现不均匀侵蚀，会使磁控溅射靶材利用率降低。 离子镀膜法将真空蒸发和溅射工艺相结合，利用溅射对衬底作清洁处理，用蒸发的方法镀膜。衬底置于阴极，它与蒸发源之间加数百伏以至数千伏的高压电，放电气压为10～10-2帕。蒸发源通过热丝加热进行蒸发,部分蒸发分子与放电气体分子成一定比例，在强电场作用下激发电离并加速向衬底轰击，而大部分中性蒸发分子不经加速而到达衬底。用此法制造薄膜，淀积速率比溅射法为高，与衬底的粘附力又比蒸发法为强。
分类
近年来具有代表性的溅射方法有：
平衡磁控溅射
平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar原了电离成为Ar+离子和电子，产生辉光放电，Ar+离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率。
非平衡溅射
1985年，Window和Savvides首先引入了非平衡磁控溅射的概念。不久，多种不同形式的非平衡磁场设计相继出现，磁场有边缘强，也有中部强，导致溅射靶表面磁场的“非平衡”。磁控溅射靶的非平衡磁场不仅有通过改变内外磁体的大小和强度的永磁体获得，也有由两组电磁线圈产生，或采用电磁线圈与永磁体混合结构，还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管，用来改变阴极和基体之间的磁场，并以它来控制沉积过程中离子和原子的比例。
非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的。比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层。
参考书目
G.K. Wehner,G.S.Anderson and L.Maisse,Handbook of Thin Film Technology, McGraw-Hill, New York,1970.[1]