文档介绍：真空溅射镀膜
诚真企业有限公司
溅射镀膜之必要制程可分三大项,即:
真空排气(Pumping)
气体导入(Gas introducing)
放电(Discharge)
如一般之真空系统,可使用油扩散真空帮浦(Oil diffusion pump),涡轮分子真空帮浦(Turbomoleular pump)等高真空排气装置,配合油回转帮浦(Oil rotary pump),使溅镀室之真空度最少能达到10-6Torr或更好的程度,方可实施溅镀。一般依溅镀材料之不同,真空排气之要求,应特别注意溅镀室内可能残存气体种类及含量(或溅镀室内壁,在高真空下可能逸出之气体),对溅镀效果而安排适当的排气组件组合。
溅射镀膜制程
溅射镀膜时,氩气为最主要溅射气体源,若还有他种气体欲导入时,目的即在做化学反应溅镀,一般对氩气的比例均较低,故气体导入时,先以氩气导入之控制为主。而其控制方式可采用定压或定量方式。原则上以可容许之最大流量为佳,如此可减少器壁内残存有害气体逸出(Out gas)之影响,惟不可影响到排气系统的排气能力。
一般气体导入控制以质量流动控制器(Mass Flow Controller)最容易操作,而且稳定。气体导入操作方法,一般系在溅镀室之真空度达到最好程度(10-6Torr以下)时,然后导入气体,调整溅镀室的真空度约在5~8x10-4Torr为最大流量(高真空排气能力不调整时),惟需注意高真空帮浦之背压,不可超过其临界值为限()。若背压超过时,即表示补助帮浦(油回转帮浦)排气能量不足。
经以上气体导入后,使其达到稳定状态,即可将主真空阀之排气度减低(关小主真空阀之开口,或控制节流阀之开合度)使溅镀室的真空度达到5x10-2~5x10-3Torr(视靶材材质,靶面至遮板或基板距离及靶结构而定)。并待数分钟,使其达到稳定状态,即可进入放电操作。
溅射目的之达成,即在使氩气,电离成正离子后撞击靶面,使靶材原子溅射出来并沈积于基板上。故必须将靶材施予负性高电压,以达到此目的。其放电情况,在有磁控装置时,如图2-1所示。
于溅射放电时,阴极靶面所形成之阴极暗区(简称暗区)具有相当重要之影响,一般于施加负电压之阴极对阳极之溅镀室壁及基板(一般为接地形态)放电时,暗区之宽度约在10到30mm之间。
暗区宽度依气体压力而定,气体压力愈高(即真空度较差时),暗区宽度愈小。暗区太宽或太窄,对溅射镀膜,都无法达到最好的效果。
图2-2a即气体压力太高,暗区宽度变窄,放电介于靶材及阴极屏蔽之间。而靶材及阴极屏蔽(接地电位)间距离约在7mm以下,当靶材与屏蔽发生放电时,不仅产生不纯物沈积,于阴阳极间的绝缘材,而导致阴极阳极间之高电压短路,这是非常危险的。
图2-2c即当气体压力太低时,放电即很难产生,假使放电能产生,亦很难稳定。
图2-2a 暗区宽度太窄图2-2b暗区宽度适中图2-2c暗区宽度太宽
一、直流二极溅射原理
直流二极溅射是利用直流辉光放电使气体电进,如图8-1所示。图8-1a是一个辉光放电管,其中装有两个电极,作为阴极和阳极。将管内抽真空,使其真空度达到10Pa左右,再加上几百伏的直流电压,就会产生辉光放电。辉光放电区域并不是均匀的。只要两个电极之间有足够的距离,就能观察到一些明暗程度不同的区域。这些区域主要是阴极暗区、负辉区、法拉第暗区和正辉区(图8-1a) 。
除阴极暗区以外,其他各个区域或者是等离子体区(阳极辉柱),或者近似于等离子体区(负辉区和法拉第暗区)。等离子体之中存在大量自由电子,是一种良导体,因此加在放电管两极的电压,几乎毫无损失地通过各个等离子区,而全部加在阴极暗区。图8-1b是辉光放电区的电位分布。
图8-1 二极直辉光放电
a)辉光放电区的结构
1-阴极 2-阴极暗区 3-负辉区
4-法拉第暗区 5-阳极辉柱 6-阳极
b)辉光放电区的电位分布
第一节溅射镀膜原理
存在于负辉区等离子体之中的离子,一旦由于热运动而进入阴极暗区,就会被其中存在的电场加速而飞向阴极。阴极表面的溅射效应,就是由这些离子造成的。此外,这些离子还从阴极表面击出电子,即所谓二次电子。二次电子也受到阴极暗区电场的加速,但飞行方向是飞离阴极。辉光放电之所以能够维时不变,正是依赖于这些二次电子在行程中及气体原子发生碰撞电离,恢而不断产生新的离子和电子,来补充等离子体的损失。
尽管二次电子在阴极暗区也与气体原子碰撞,但未能引起大量碰撞电离。二次电子发生首次碰撞电离的平均位置,大致在阴极暗区与负辉区的界面处。
负辉区的二次电子大致分为两类:一类是高能电子,另一类是低能电子。
高能电子是经阴极暗区加速之后的二次电子。正是这些高能电子在