溅射法制备薄膜的原理及特点

2024-04-12

溅射技术是物理气相沉积(PVD)的一种，可用于制备绝缘体、金属等多种薄膜，复合薄膜也可以制备，理论上可以溅射几乎所有够制成固态靶材的金属、合金、高分子化合物和陶瓷材料等，制备薄膜时快速、低温、对薄膜损伤小;制备的薄膜膜层均匀，内部无气孔，密度高，与衬底的附着性良好，薄膜质量高。磁控溅射技术的提出使溅射速率和靶材利用率大大提高,被广泛应用于科学研究和工业生产中。

气体辉光放电

溅射过程是建立在气体辉光放电的基础上的,辉光放电是气体放电的一种类型，是一种靠离子轰击阴极产生二次电子来维持的一种稳定的自持放电由于在溅射室内仍存在少量的离子和电子，所以刚加上负电压时，还未产生辉光放电，此时电流较小，电流几乎是不变的，参加运动的电荷数量决定了电流强度，此时称之为为暗光放电。当电压不断增大，溅射室中电子和带电离子的能量逐渐增加，在电场中作加速运动时电子和带电离子不断与电极和电气体原子发生碰撞，带电粒子不断增加，电流增大。之后，随着带电粒子数量的增加电流也在缓慢升高，电压维持不变，这一放电区域称为“汤姆森放电区”。最后，发展为“雪崩”，正离持续轰击阴极靶材表面，不断有二次电子被轰击出来，释放的二次电子与溅射室中的气体发生碰撞，形成更多正离子，正离子接着轰击靶材产生的二次电子，再与气体原子撞击形成更多的正离子。在这个过程中，当体系的放电过程达到自持时，气体开始启辉，电压降低，此时电流突然升高，通常称一区域为“正常放电区”。之后接着增加功率，两极之间的电流和电压密度不断增大，此时辉光放电达到稳定，该区域被称为“异常辉光放电区”，是溅射技术实际上使用的区域。之后为“弧光放电区”，指的是异常辉光放电区之后两极间电压降到很低的区域。

直流磁控溅射

在低压直流辉光放电时,整个过程分五个区:阴极区、负辉区、法拉第暗区、正柱区和阳极区。其中异常辉光放电是溅射沉积薄膜实际使用的区域。在溅射中基板作为阳极，通常放置于负辉光区，靶材作为阴极。由于电子的能量和速度远高于离子的能量和速度，所以在辉光放电过程中，会形成等离子体鞘层，并且由于鞘层电位的存在，电极外加电压的大部分由阴极鞘层电位所占据。等离子体鞘层电位的建立，使得达到阴极的离子均受到相应的加速而获得能量。因此离子经过辉光放电的等离子体区到达阴极表面时具有很高的能量，并对阴极表面产生轰击效应，使得阴极物质的分子、原子被溅射出来，发生溅射现象。这些分子、原子带有一定的动能，并沿着一定的方向射向工件表面，形成薄膜。

溅射现象是一个复杂的过程，溅射现象伴随着离子轰击的各种现象。薄膜沉积的基本条件是固体表面在入射粒子的高速碰撞下射出的大部分粒子为中性原子或分子。除此之外，放射出的二次电子是溅射中维持辉光放电的基本粒子，其能量与靶的电位相等。

二极溅射是最早实现技术应用的溅射方法，二极溅射的溅射装置由阴极和阳极两个电极组成，故又叫阴极溅射或直流(DC)溅射。

由于二极溅射存在气体离化率低(在 0.3 %~0.5%)，沉积速率慢，靶材利用率低、电子使基片温度升高等缺点，因此溅射技术起初并未得到广泛应用，为了弥补这些缺陷，上世纪 70年代提出了磁控溅射技术。磁控溅射技术减弱了二次电子撞击基片发热对薄膜造成的损害，提高了二极溅射的溅射速率。因此磁控溅射技术一经问世就获得了迅速的发展和广泛的应用，目前已成为材料表面镀膜的主流技术之一。

磁体放置在靶材的后方，使得穿出靶材的磁力线表面形成与电场垂直，最终返回靶材表面的结构。靶材表面磁场对二次电子的束缚作用显著提高了靶面附近等离子体浓度，从而有效解决了普通二极溅射沉积速率低的问题。电子在电场和磁场的作用下，运动轨迹被弯曲，在飞向基板过程中电子与气体原子发生碰撞，使气体分子电离出阳离子和电子，电子飞向阳极，而阳离子会在电场作用下加速飞向靶材，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射，溅射出来的中性靶原子(或分子)在基材上沉积形成薄膜。

反应溅射

若需要制备的薄膜为化合物，有两种方法，(1)直接溅射该化合物的靶材，(2)可以通过反应溅射来制备。由于前者化合物分子被溅射出来之后，在等离子体的氛围下，可能由于电子的撞击发生分解，最后得到的薄膜与靶材物质的化学组成并不相同，所以有时候会采用反应溅射制备薄膜。反应溅射通常用于溅射化合物薄膜，如氧化物或氮化物(氮化钽、氮化硅、超导电薄膜、ITO 透明导电薄膜等)。实验时在溅射气体中混入适量活性气体(如氮气、氧气等)，氮气或氧气会在溅射室内转变为负离子，与被轰击出来的靶材原子或原子团发生反应，形成化合物。反应溅射的优点是可以通过调整溅射时的工艺参数来控制薄膜的化学组成，调整薄膜的组分，实现精确控制薄膜组分的目的。根据反应溅射的沉积速率可将反应溅射分为三类:过渡模式、金属模式、氧化物模式。

射频溅射

射频(RF)溅射又被称为高频溅射，是为溅射绝缘物质材料而发明的。二极溅射和磁控溅射都可以溅射金属和半导体，但是无法溅射绝缘体，这是由于离子撞击到绝缘体靶之后，会使靶材带电，当靶的电位逐渐上升，离子加速电场就会逐渐变小，直到溅射停止，辉光放电进而停止，致使溅射不能持续进行，这是二极溅射和磁控溅射只能溅射导体和半导体，不能制备绝缘体薄膜的原因，因此导致了射频溅射技术的发展。
射频溅射的原理是，如果在靶上施加射频电压，当在靶材上施加的是正弦波在正半周时，因为电子质量比离子质量小，所以电子比正离子容易运动、迁移率更高，因此电子能够在很短的时间内飞向靶材，中和靶材表面累积的正电荷，并且在靶材表面沉积大量电子，使靶材呈现负电位，吸引正离子继续轰击靶表面产生溅射，从而使正、负半周期中，溅射现象持续产生。高频交流电场使靶材交替地由离子和电子进行轰击，电子在高频电场中的震荡增加了电离几率，因而射频溅射的溅射速率高于二极溅射。射频溅射不仅可以溅射绝缘体，导体也可以用射频溅射的方法进行溅射。

除了以上溅射方法之外，还有离子溅射、偏压溅射、ECR 溅射等

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