一文读懂溅射沉积技术

 定义

溅射镀膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉淀在基体上形成薄膜的技术。溅射镀膜技术具有可实现大面积快速沉积，薄膜与基体结合力好，溅射密度高、针孔少，膜层可控性和重复性好等优点，而且任何物质都可以进行溅射，因而近年来发展迅速，应用广泛。

溅射机理

入射离子轰击靶面时，将其部分能量传输给表层晶格原子，引起靶材中原子的运动。有的原子获得能量后从晶格处移位，并克服了表面势垒直接发生溅射；有的不能脱离晶格的束缚，只能在原位做振动并波及周围原子，结果使靶的温度升高；而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲，将其临近的原子碰撞移位，反冲继续下去产生高次反冲，这一过程称为级联碰撞。级联碰撞的结果是部分原子达到表面，克服势垒逸出，这就形成了级联溅射，这就是溅射机理。当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时，动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略，这就是线性级联碰撞。 

二极溅射

二极溅射是最早采用，并且是目前较简单的基本溅射方法。直流二极溅射装置由阴、阳极组成。用膜材(导体)制成的靶作为阴极，放置被镀件的工件架作为阳极(接地)，两极间距一般为数厘米至十厘米左右。当真空室内电场强度达到一定值后，两极间产生异常辉光放电。等离子区中的Ar +离子被加速而轰击阴极靶，被溅射出的靶材原子在基体上沉积形成薄膜。

三极溅射

二极溅射方法虽然简单，但放电不稳定，而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量，人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极，制作出三极溅射装置。

三极溅射中，等离子体的密度可以通过改变电子发射电流和加速电压来控制。离子对靶材的轰击能量可以用靶电压加以控制，从而解决了二极溅射中靶电压、靶电流和气压之间相互制约的矛盾。

三极溅射的缺点在于放电不稳定，等离子体密度不均匀引起的膜厚不均匀。为此，在三极溅射的基础上又加了一个辅助阳极，这就形成了四极溅射。 

磁控溅射

磁控溅射又称为高速低温溅射。在磁场约束及增强下的等离子体中的工作气体离子 (如 Ar+)，在靶阴极电场的加速下，轰击阴极材料，使材料表面的原子或分子飞离靶面，穿越等离子体区以后在基片表面淀积、迁移形成薄膜。

与二极溅射相比较，磁控溅射的沉积速率高，基片升温低，膜层质量好，可重复性好，便于产业化生产。它的发展引起了薄膜制备工艺的巨大变革。

磁控溅射源在结构上需要具备两个基本条件：

(1)建立与电场垂直的磁场；

(2)磁场方向与阴极表面平行，并组成环形磁场。

在平面磁控靶结构原理图中可以看出，磁控溅射源实质上是在二极溅射的阴极靶后面设置了磁铁，磁铁在靶面上产生水平分量的磁场。离子轰击靶材时放出二次电子，这些电子的运动路径很长，被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内沿跑道转圈，在该区中通过频繁地碰撞电离出大量Ar + 用以轰击靶材，从而实现了高速溅射。电子经数次碰撞后能量逐渐降低，逐步远离靶面，以很低的能量飞向阳极基体，这使得基体的升温也较低。由于增加了正交电磁场对电子的束缚效应，故其放电电压(500～600V)和气压(10 -1 Pa)都远低于直流二极溅射。 

反应磁控溅射

以金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极，在溅射过程中或在基片表面沉积成膜过程中与气体粒子反应生成化合物薄膜，这就是反应磁控溅射 。反应磁控溅射广泛应用于化合物薄膜的大批量生产，这是因为：

(1)反应磁控溅射所用的靶材料 ( 单元素靶或多元素靶 ) 和反应气体 ( 氧、氮、碳氢化合物等 ) 纯度很高，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。

(2)通过调节反应磁控溅射中的工艺参数 , 可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性。

(3) 反应磁控溅射沉积过程中基板升温较小，而且制膜过程中通常也不要求对基板进行高温加热，因此对基板材料的限制较少。

(4) 反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，并能实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。

非平衡磁控溅射

Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控溅射的概念，并给出了非平衡磁控溅射平面靶的原理性设计。对于一个磁控溅射靶，其外环磁场强度与中部磁极的磁场强度相等或接近，称为“平衡磁控溅射靶”；如果某一磁极的磁场相对于另一极性相反的部分增强或减弱，就形成了“非平衡磁控溅射靶”。非平衡磁控溅射法通过附加磁场，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200mm到300mm的范围内，使基片沉浸在等离子体中。这样一方面溅射出来的粒子沉积在基片表面形成薄膜，另一方面等离子体轰击基片，起到离子辅助的作用，改善了膜层质量。非平衡磁控溅射除了具有较高的溅射速率外，能够向镀膜区输出更多的离子，离子浓度正比于溅射靶的放电电流。目前，该技术被广泛应用于制备各种硬质薄膜。非平衡磁控溅射的磁场又分闭合场和非闭合场两种。闭合的磁场能够控制电子只在磁场内沿磁力线移动，避免了电子在真空室壁上的损失。