8-射頻濺射技術(shù)

《8-射頻濺射技術(shù)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、實驗十四高頻濺射技術(shù)一、引言濺射就是利用氣體放電中的高能粒子（正離子或原子）轟擊固體表面，使某些表面原子從其中逸出的現(xiàn)象。濺射的基本原理是動量傳遞。當高能粒子轟擊靶子表面時，就把能量傳遞給轟擊區(qū)的表面，使靶子表面原子獲得很高的能量而由靶中逸出。就一級近似而言，雖然靶子表面被均勻地剝掉一層，但化學(xué)成分并不因粒子束的轟擊而改變。濺射技術(shù)已在薄膜沉積和非化學(xué)蝕刻中得到了廣泛的應(yīng)用。在沉積薄膜時，靶子就是要沉積的物質(zhì)，放電粒子的動量傳遞使原子離開靶面而沉積在靶子附近的襯底上形成薄膜。蝕刻時，作為靶子的則是要蝕刻的表面。已經(jīng)采用過的濺射方法有多種，一般地是所謂的直流濺射，

2、但它只能用于沉積金屬或?qū)щ姳∧ざ贿m用于制備絕緣體薄膜，原因是轟擊離子的正電荷不能被及時中和，大部分電荷因此而集中在兩端絕緣體上，留在氣體中的很少，這樣無論離子的到達速率還是離子的能量，都不足以造成明顯的濺射。也就是說，當正離子轟擊到靶子表面時把動能傳遞給靶面，但正離子本身卻留在了靶面上并聚集起來，這些正電荷所產(chǎn)生的電場排斥后面射向靶面的離子，從而迫使濺射停止。為了濺射絕緣體材料，通常采用高頻濺射技術(shù)，利用正離子和電子對靶面的輪番轟擊而中和離子的電荷，從而使濺射得以持續(xù)進行。理論上，高頻濺射技術(shù)可以用來沉積任何物質(zhì)（導(dǎo)電和非導(dǎo)電）的薄膜，這種多面性是它區(qū)別于其他

3、沉積方法的主要優(yōu)點。高頻濺射的另一個主要應(yīng)用是作為廣泛的非化學(xué)蝕刻技術(shù)。二、高頻濺射原理1、高頻輝光放電和等離子層的形成采用高頻濺射時，為了獲得高能量的射向靶面的正離子流，置于放電中的靶子的表面必須有較高的負電位，這種負電位來源于所加的高頻電場與等離子區(qū)中固體表面的伏安特性間的相互作用。當把一個隨時間變化的電位加于靶子背面的金屬電極時，通過靶子的阻抗，在靶子的正面也會出現(xiàn)另一個隨時間變化的電位。氣體在高壓下一經(jīng)被擊穿開始放電時，電流就從等離子區(qū)流向靶面，電子強度的大小取決于等離子區(qū)的伏安特性（圖14.1(a)）。因為等離子區(qū)中的電子運動速度比離子的高的多，所以射

4、向靶面的電子流最初比離子流強的多，靶面因此將得到負電荷，直到靶面電位降到使抵達靶面的凈電荷等于零為止，這時靶面便獲得一個穩(wěn)定負電位。假定靶面的直流電位保持恒定，交流電位在等離子區(qū)隨時間而變化，那么過剩的電子流就會始終不斷的射向靶面。因為沒有凈電荷通過靶子（即到達靶面的正離子流量和過剩電子流量相等），所以靶子的凈直流電流必定為零。這就是說靶面電位至多只能稍微變正，其負峰值必須是近似于所加高頻電位正負峰間的幅值。圖14.2(a)表示隨時間變化的靶子電位。由于鞭子電位相對于等離子區(qū)為負，所以迫使電子離開靶面，結(jié)果在靶面附近形成肉眼可見的暗區(qū)―正離子區(qū)，正離子區(qū)的電位隨

5、靶面而變化圖14.2(b)，離子區(qū)中的正離子由于靶面負電位的吸引而趨向靶子，其能量分布近似于正弦函數(shù)，平均值略低于所加信號峰值，波形稍受截削。為使圖14.2(b)所示的稍正的靶子電位減至最小（即防止靶面上過剩的正電荷聚集），施加的電位須有很高的頻率，因為在低頻率下，正離子能很好的跟蹤所加的信號，圖14.1中伏安特性曲線趨向直線。這時，正離子將會聚集在靶面上，從而使離子的平均能量顯著降低，以至難以持續(xù)進行有效的濺射。因此從電荷聚集這點來看，應(yīng)有盡可能高的頻率（但頻率不能增高至微波段，因為圖14.1的等離子區(qū)伏安特性曲線對微波段是不適用的）。2、濺射氣體和反應(yīng)濺射濺

6、射氣體通常是根據(jù)以下三點選擇的：（a）必須對被濺射的材料呈惰性；（b）必須具有高的濺射速率；(c)要易于得到高純度，而且價格便宜。因為氬氣最接近于滿足上述要求，所以通常都選用氬氣作為濺射氣體。由于脫離靶面的物質(zhì)處于高能態(tài)（2－10eV），極易參加化學(xué)反應(yīng)和被吸收，因此，如要沉積純靶面物質(zhì)薄膜時，必須把所有活性氣體從濺射系統(tǒng)中排除出去，同時還要確保靶面清潔及靶面同體材料的化學(xué)成分的一致。有意識的把反應(yīng)氣體引入濺射氣體中以改變和控制沉積薄膜成分的方法稱為反應(yīng)濺射。利用這種技術(shù)，可沉積各種絕緣體、半導(dǎo)體和各種金屬化合物薄膜。在濺射氣體中摻入氧、氮、甲烷或一氧化氮、硫化

7、氮等已制備出了氧化物、氮化物、碳化物和硫化物薄膜。還利用濺射氣體摻氫的方法制備了非晶硅氫合金薄膜。雖然可以采用純的反應(yīng)氣體，但通常還是將惰性氣體與少量反應(yīng)氣體混合使用。在沉積絕緣體薄膜時，這種方法更是優(yōu)越，因為若反應(yīng)氣體的濃度很高，則陰極表面將被絕緣體的化合物所覆蓋，從而顯著降低濺射速率。在很多情況下，可以簡單的通過改變放電中反應(yīng)氣體和惰性氣體的比例而使沉積薄膜的性質(zhì)發(fā)生很大的變化，這已成為目前制造電路薄膜的最重要的工藝之一，因為它能對薄膜的特性進行必要地控制并提供靈活性。為了得到任何特定性質(zhì)的薄膜，放電中所需要的反應(yīng)氣體和惰性氣體的比例取決于許多因素，其中最重

8、要的有：（1）沉積速率，