Part01真空濺射鍍膜濺射鍍膜制程真空排氣（Pumping）氣體導(dǎo)入（Gasintroducing）放電（Discharge）濺射鍍膜之必要制程可分三大項(xiàng)，即：如一般之真空系統(tǒng)，可使用油擴(kuò)散真空幫浦（Oildiffusionpump），渦輪分子真空幫浦（Turbomoleularpump）等高真空排氣裝置，配合油回轉(zhuǎn)幫浦（Oilrotarypump），使濺鍍室之真空度最少能達(dá)到10-6Torr或更好的程度，方可實(shí)施濺鍍。一般依濺鍍材料之不同，真空排氣之要求，應(yīng)特別注意濺鍍室內(nèi)可能殘存氣體種類及含量（或?yàn)R鍍室內(nèi)壁，在高真空下可能逸出之氣體），對濺鍍效果而安排適當(dāng)?shù)呐艢饨M件組合。真空排氣氣體導(dǎo)入濺射鍍膜時(shí)，氬氣為最主要濺射氣體源，若還有他種氣體欲導(dǎo)入時(shí)，目的即在做化學(xué)反應(yīng)濺鍍，一般對氬氣的比例均較低，故氣體導(dǎo)入時(shí)，先以氬氣導(dǎo)入之控制為主。而其控制方式可采用定壓或定量方式。原則上以可容許之最大流量為佳，如此可減少器壁內(nèi)殘存有害氣體逸出（Outgas）之影響，惟不可影響到排氣系統(tǒng)的排氣能力。1一般氣體導(dǎo)入控制以質(zhì)量流動控制器（MassFlowController）最容易操作，而且穩(wěn)定。氣體導(dǎo)入操作方法，一般系在濺鍍室之真空度達(dá)到最好程度（10-6Torr以下）時(shí)，然后導(dǎo)入氣體，調(diào)整濺鍍室的真空度約在5～8x10-4Torr為最大流量（高真空排氣能力不調(diào)整時(shí)），惟需注意高真空幫浦之背壓，不可超過其臨界值為限（一般約在0.2Torr以下）。若背壓超過時(shí)，即表示補(bǔ)助幫浦（油回轉(zhuǎn)幫浦）排氣能量不足。2經(jīng)以上氣體導(dǎo)入后，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即可將主真空閥之排氣度減低（關(guān)小主真空閥之開口，或控制節(jié)流閥之開合度）使濺鍍室的真空度達(dá)到5x10-2～5x10-3Torr（視靶材材質(zhì)，靶面至遮板或基板距離及靶結(jié)構(gòu)而定）。并待數(shù)分鐘，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即可進(jìn)入放電操作。33.放電濺射目的之達(dá)成，即在使氬氣，電離成正離子后撞擊靶面，使靶材原子濺射出來并沈積于基板上。故必須將靶材施予負(fù)性高電壓，以達(dá)到此目的。其放電情況，在有磁控裝置時(shí)，如圖2-1所示。圖2-2a暗區(qū)寬度太窄圖2-2b暗區(qū)寬度適中圖2-2c暗區(qū)寬度太寬于濺射放電時(shí)，陰極靶面所形成之陰極暗區(qū)（簡稱暗區(qū)）具有相當(dāng)重要之影響，一般于施加負(fù)電壓之陰極對陽極之濺鍍室壁及基板（一般為接地形態(tài)）放電時(shí)，暗區(qū)之寬度約在10到30mm之間。暗區(qū)寬度依氣體壓力而定，氣體壓力愈高（即真空度較差時(shí)），暗區(qū)寬度愈小。暗區(qū)太寬或太窄，對濺射鍍膜，都無法達(dá)到最好的效果。圖2-2a即氣體壓力太高，暗區(qū)寬度變窄，放電介于靶材及陰極屏蔽之間。而靶材與陰極屏蔽（接地電位）間距離約在7mm以下，當(dāng)靶材與屏蔽發(fā)生放電時(shí)，不僅產(chǎn)生不純物沈積，于陰陽極間的絕緣材，而導(dǎo)致陰極陽極間之高電壓短路，這是非常危險(xiǎn)的。圖2-2c即當(dāng)氣體壓力太低時(shí)，放電即很難產(chǎn)生，假使放電能產(chǎn)生，亦很難穩(wěn)定。

第一節(jié)濺射鍍膜原理一、直流二極濺射原理直流二極濺射是利用直流輝光放電使氣體電進(jìn)，如圖8-1所示。圖8-1a是一個輝光放電管，其中裝有兩個電極，作為陰極和陽極。將管內(nèi)抽真空，使其真空度達(dá)到10Pa左右，再加上幾百伏的直流電壓，就會產(chǎn)生輝光放電。輝光放電區(qū)域并不是均勻的。只要兩個電極之間有足夠的距離，就能觀察到一些明暗程度不同的區(qū)域。這些區(qū)域主要是陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)和正輝區(qū)(圖8-1a)。除陰極暗區(qū)以外，其他各個區(qū)域或者是等離子體區(qū)(陽極輝柱)，或者近似于等離子體區(qū)(負(fù)輝區(qū)和法拉第暗區(qū))。等離子體之中存在大量自由電子，是一種良導(dǎo)體，因此加在放電管兩極的電壓，幾乎毫無損失地通過各個等離子區(qū)，而全部加在陰極暗區(qū)。圖8-1b是輝光放電區(qū)的電位分布。

圖8-1二極直輝光放電

a)輝光放電區(qū)的結(jié)構(gòu)

1-陰極2-陰極暗區(qū)3-負(fù)輝區(qū)4-法拉第暗區(qū)5-陽極輝柱6-陽極b)輝光放電區(qū)的電位分布單擊此處可添加副標(biāo)題存在于負(fù)輝區(qū)等離子體之中的離子，一旦由于熱運(yùn)動而進(jìn)入陰極暗區(qū)，就會被其中存在的電場加速而飛向陰極。陰極表面的濺射效應(yīng)，就是由這些離子造成的。此外，這些離子還從陰極表面擊出電子，即所謂二次電子。二次電子也受到陰極暗區(qū)電場的加速，但飛行方向是飛離陰極。輝光放電之所以能夠維時(shí)不變，正是依賴于這些二次電子在行程中與氣體原子發(fā)生碰撞電離，恢而不斷產(chǎn)生新的離子和電子，來補(bǔ)充等離子體的損失。盡管二次電子在陰極暗區(qū)也與氣體原子碰撞，但未能引起大量碰撞電離。二次電子發(fā)生首次碰撞電離的平均位置，大致在陰極暗區(qū)與負(fù)輝區(qū)的界面處。負(fù)輝區(qū)的二次電子大致分為兩類：一類是高能電子，另一類是低能電子。高能電子是經(jīng)陰極暗區(qū)加速之后的二次電子。正是這些高能電子在負(fù)輝區(qū)進(jìn)行大量碰撞電離。高能電子進(jìn)行多次碰撞電離之后，其能量大量消耗即轉(zhuǎn)化為低能電子。低能電子的能量不足以產(chǎn)生碰撞電離，但還可以激勵氣體原子產(chǎn)生能級跳遷，使其發(fā)出輝光。最后，當(dāng)二次電子的能量降到達(dá)輝光都不能激發(fā)的程度時(shí)，就到達(dá)了法拉第暗區(qū)。碰撞電離產(chǎn)生的電子，也是低能電子?？梢院唵蔚卣J(rèn)為，負(fù)輝區(qū)的等離子體是來源于高能電子，而其輝光來源于低能電子。單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容緊接法拉第暗區(qū)，是陽極輝光區(qū)，這也是等離子區(qū)。陽極輝區(qū)單純起導(dǎo)電作用，相當(dāng)于陽極的延長物。如果使陽極向陰極靠近，則陽極輝區(qū)相應(yīng)縮短，但對陰極放電區(qū)(包括陰極暗區(qū)和負(fù)輝區(qū))以及放電參數(shù)(電流和電壓)并沒有任何影響。一旦陽極進(jìn)入陰極放電區(qū)，就要提電高壓才能維持放電，否則輝光放電就熄滅了。由此可見，陰極放電區(qū)是輝光放電的主體；而陽極輝區(qū)往往是陽極與陰極放電區(qū)之間的導(dǎo)電填充物。直流二極濺射的放電氣體，如同其他一切濺射技術(shù)一樣，是采用氬氣。濺射電壓為2?3Kv，這就是氬氣子通過陰極暗區(qū)時(shí)的加速電壓。氬離子在陰極暗區(qū)進(jìn)行中，可能與氣體原子發(fā)生碰撞而損失一部分能量，所以轟擊靶材的離子能量，一般都低于2?3Kv。如果陰極靶面擊出一個二次電子按照自持輝光放電的條件，每個二次電子必須再生十個氬離子，以補(bǔ)充為了產(chǎn)生一個二次電子而喪失的十個氬離子。氬離子的再生，通過二次電子行程中，使氬原子碰撞電離來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，要由二次電子補(bǔ)償?shù)臍咫x子還不只這一些，因?yàn)闅咫x子會不斷飛向放電管的管壁，在管壁上與電子復(fù)合為氬原子。這稱為管壁損失。

簡單的直流二極濺射裝置，相當(dāng)于一個大型的氣體放電管，包括這樣幾部分；裝有兩個水冷電極的真空容器，真空系統(tǒng)，充氣系統(tǒng)和直流電源(見圖8-2)。陰極上安裝靶材；陽極上安裝基片，也就是鍍膜的工件。兩極之間的距離為5?7cm2。工作壓強(qiáng)為5Pa左右。

圖8-2直流二極濺射裝置1-陽極2-基片臺3-真空室4-靶材5-屏蔽罩6-陽極

直流二極濺射，作為一種獨(dú)立的鍍膜工程已經(jīng)被淘汰，但仍然在其他鍍膜工程中作為輔助手段應(yīng)用。例如，在磁控濺射之前，先用直流二極濺射的方式清洗基片。這時(shí)是以基片為陰極，使其受離子轟擊，清除其表面吸附的氣體和氧化物等污染層。這樣處理以后，可以增強(qiáng)膜層與基片的結(jié)合強(qiáng)度。又如，直流二極型離子鍍，就是由蒸鍍配合直流二極濺射構(gòu)成的。

磁控濺射是70年代迅速發(fā)展起來的一種新型濺射技術(shù)，目前已經(jīng)在大規(guī)模工廠生產(chǎn)中獲得實(shí)際應(yīng)用。磁控濺射與其他濺射技術(shù)相比，具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。高速，是指鍍膜速率快；低溫，是指鍍膜時(shí)基片的溫升小；低損傷，是指鍍膜時(shí)沒有高能電子轟擊基片所造成的損傷。所有這些優(yōu)點(diǎn)，都是相對于其他濺射鍍膜技術(shù)而言。磁控濺射之所以具有這些優(yōu)點(diǎn)，并健在于陰極靶面上有一個封閉的環(huán)狀磁場。圖8-3是矩形靶面上的環(huán)狀磁場情況。圖8-3矩形磁控靶的環(huán)狀磁場1-靶面2-靶材3-跑道區(qū)4-磁力線磁控濺射原理磁力線由靶面的外沿穿出靶面，然后由靶面的中心區(qū)域穿入。環(huán)狀磁場區(qū)就像一條跑道，磁力線由跑道的外圈指向內(nèi)圈，橫貫跑道。二次電子一旦離開靶面，就同時(shí)受到電場和磁場的作用。為了便于說明電子的運(yùn)動情況，可以近似認(rèn)為：二次電子在陰極暗區(qū)時(shí)，只受電場作用；一旦進(jìn)入負(fù)輝區(qū)就只受磁場作用。于是，靶面發(fā)出的二次電子，首先在陰極暗區(qū)受到電場加速，飛向負(fù)輝區(qū)。進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子具有一定速度，并且是垂直于磁力線運(yùn)動的。這種情況下，磁場對電子產(chǎn)生作用力(即勞倫茲力)，迫使電子繞磁力線旋轉(zhuǎn)。電子旋轉(zhuǎn)半圈之后，重新進(jìn)入陰極暗區(qū)，受到電場減速。當(dāng)電子接近靶面時(shí)，速度即可降到零。此后，電子又再在電場的推動下，再次飛離靶面，開始一個新的運(yùn)動周期。電子就這樣周而復(fù)始，跳躍地朝E(電場)×B(磁場)所指的方向漂移(圖8-4)。簡稱為E×B漂移。電子的運(yùn)動軌跡近似于一條擺線。

圖8-4電子在正交電磁場作用下產(chǎn)生E×B漂移。

電場E的方向指向靶面；磁場B的方向紙面；E×B的方向是從左向右1-靶面2-靶材#2022磁控濺射的特點(diǎn)總之，對電子施行磁控以后，放電氣體的阻抗大幅度下降，于是可以在高真空和低電壓的情況下，獲得高電流密度。高真空可以減少濺射原子與氣體原子的相互碰撞，因而有更多的濺射原子順利到達(dá)基片。這有利于提高鍍膜速率。至于電壓和電流密度對鍍膜速率的影響，必須綜合為一個影響因素來統(tǒng)一考慮。因?yàn)殡妷号c電流有一定函數(shù)關(guān)系，不能分別作為獨(dú)立變量處理。濺射靶面的功率密度有一定限額。超過限額以后，靶材會變形、開裂，甚至熔化。這一限額取決于靶材的性能(熔點(diǎn)和導(dǎo)墊率等)以及靶的結(jié)構(gòu)(靶材厚度和散熱條件等。)靶面的功率密度等于電壓與電流密的乘積。在功率密度已經(jīng)確定的條件下，電壓與電流密度是相互制約的。高電壓必然配以低電流密度(例如二極濺射)；低電壓必然配以高壓流密度(例如磁控濺射)。分析哪種搭配方有式更有利于提高鍍膜速率，可以完結(jié)為單因素例如電壓對鍍膜率的影響來進(jìn)行討論。電壓對鍍膜速率的影響，是通過對靶面剝離速率的影響來實(shí)現(xiàn)的。靶面剝離速率是指單位時(shí)間由單位面積靶面上剝離的原子數(shù)目。靶面剝離速率的提高，有利于提高鍍膜速率。靶面剝離速率，正比于濺射產(chǎn)額(即每個離子由靶面擊出的原子數(shù)目)與電流密度(單位時(shí)間轟擊靶面的離子數(shù)目的度量)的乘積：剝離速率∞(濺射產(chǎn)額×電流密度)在功率密度已經(jīng)確定的情況下，電壓與電流密度的乘積是常數(shù)，于是：濺射產(chǎn)額剝離速率∞(濺射產(chǎn)額)上式右方的各比值，可以根據(jù)濺射產(chǎn)額曲線來估計(jì)。圖8-5的實(shí)驗(yàn)曲線，是各種能量的氬離子轟擊銅靶材所得的濺射產(chǎn)額曲額。橫坐標(biāo)為離子能量(電子伏)；縱坐標(biāo)為濺射產(chǎn)額(原子/離子)。由原點(diǎn)到曲線上任一點(diǎn)作聯(lián)機(jī)，其斜率就是濺射產(chǎn)額與離子能量比值。為了得出濺射產(chǎn)額與濺射電壓的比值，這必須得到離子能量與濺射電壓的函數(shù)關(guān)系。這關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。例如，濺射電壓為500V時(shí)，如果某個離子在陰極暗區(qū)的行程中，未與其他氣體原子發(fā)生碰撞，則其能量可以達(dá)到500eV的極限值。但是，實(shí)際上必然有一部分離子與氣體原子碰撞，而達(dá)不到這一極限能量。為了便于討論問題，簡單認(rèn)為離子能量為極限能量一半。就本例而言即認(rèn)為離子能量為250eV。利用上述簡單換算關(guān)系，就可以由圖8-5得到濺射產(chǎn)額與濺射電壓的比值。單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容圖8-5氬離子對銅的濺射產(chǎn)額依圖8-5的原點(diǎn)，作一條直線與濺射產(chǎn)額曲線相切。切點(diǎn)的橫坐標(biāo)為200eV，換算成濺射電壓為400V。由此可見，當(dāng)濺射電壓為400V時(shí)，銅靶的濺射產(chǎn)額與濺射電壓的比值達(dá)到峰值。這時(shí)靶面剝離速率最高，因而鍍膜速率也最高。各種靶材的這一峰值電壓，大致在500V左右。這正是磁控濺射經(jīng)常采用的電壓值。這時(shí)，濺射一個靶材原子所需的能量最少。為了最大限度的提高鍍膜速率，必須往兩方面著手。首先，在靶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，要為靶面產(chǎn)生的熱量創(chuàng)造良好的散熱條件，其次，要選定適當(dāng)?shù)墓こ虆?shù)。磁控濺射的工程參數(shù)可以這樣選定：靶面功率密度應(yīng)達(dá)到允許的極限值，一般為3?30W/cm2，這取決于靶結(jié)構(gòu)和靶材；濺射電壓為400?600V。單擊此處可添加副標(biāo)題單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容工程參數(shù)選定以后，就要采取一定措施來調(diào)節(jié)氣體放電的阻抗，使其達(dá)到一定的阻抗值，來保證上述兩項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。磁控濺射的阻抗可以由真空度和水平場強(qiáng)來調(diào)節(jié)。所謂水平場強(qiáng)，是指磁場在平行于靶面的方向上的分量。這是使電子產(chǎn)生E×B漂移的有效磁場強(qiáng)度。真空度一般選定為0.5Pa左右。這一選擇，并不是根據(jù)阻抗的要求，而是由于達(dá)到這樣高的真空度以后，鍍膜速率就基本上不受氣體碰撞的影響了。氣體放電的阻抗是通過水平場強(qiáng)來調(diào)節(jié)。磁場越強(qiáng)，則阻抗越低。當(dāng)各項(xiàng)工程參數(shù)按上述各個范圍選定以后，水平場強(qiáng)為0.03?0.05T即可保證這些參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。有些磁控靶是采用固定放置的永磁體，其水平場強(qiáng)是不可調(diào)的，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)使其固定在0.03?0.05T范圍內(nèi)的某一數(shù)值。也有一些是采用移動式永磁體或電磁鐵，以便隨意調(diào)節(jié)水平場強(qiáng)。四、磁控濺射靶磁控濺射的“高速、低溫、低損傷”這三大優(yōu)點(diǎn)，都來源于靶面環(huán)狀封閉磁場。由此可見，磁控濺射靶的設(shè)計(jì)，尤其是磁場的設(shè)計(jì)，是個關(guān)鍵問題。磁控濺射靶的類型很多，大致可分為柱狀磁控靶和平面磁控靶兩大類。在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用的，是矩形平面磁控靶。

一般的磁控濺射靶只能鍍制非鐵磁性材料?，F(xiàn)在介紹一種能鍍制各種材料(包括鐵磁材料)的矩形平面磁控靶。它的特點(diǎn)是：采用極靴，并使其與靶材直接接觸；可以在極靴上裝置電磁鐵。圖8-6是裝置鍶鐵氧體時(shí)的整體結(jié)構(gòu)。鍶鐵氧體價(jià)格便宜，不容易退磁，并且體積不大，可以在極靶上調(diào)配位置，以保證水平場強(qiáng)在靶面各處的均勻性。水平場強(qiáng)的強(qiáng)弱，可以通過增減永磁體數(shù)量來調(diào)節(jié)。但是，鍶鐵氧體這類陶瓷永磁體的磁阻很大，不能用來鍍制鐵磁材料。圖8-6短形平面磁控靶的結(jié)構(gòu)(裝六塊鍶鐵氧體)1-極板2-N級靴3-N磁體(四塊)4-冷卻水管道5-S磁體(二塊)6-S極靴7-靶材

鐵磁材料的靶材(例如純鐵)具有強(qiáng)烈的磁屏蔽作用。這時(shí)，只有使靶材達(dá)到磁飽和之后，靶面上才會有足夠的漏磁。因此，鍍制鐵材料時(shí)，必須選用磁阻很小、能夠產(chǎn)生高磁通的磁體，例如鋁鎳鈷或電磁鐵。圖8-7是將鍶鐵氧體換成鋁鎳鈷以后的靶結(jié)構(gòu)。圖8-7矩形平面磁控的結(jié)構(gòu)(裝六塊鋁鎳鈷永磁體)1-鋁鎳鈷永磁體(六塊)2-N級靴3-靶材4-S級靴5-冷卻水管道

電磁鐵的磁阻比鋁鎳鈷更低，最適于濺射鐵磁材料。電磁鐵還能實(shí)現(xiàn)水平場強(qiáng)的連續(xù)調(diào)節(jié)。在濺射時(shí)，靶面跑道區(qū)域的電流密度最大，剝離速率較快，以至?xí)涛g出一條溝槽。溝底的水平場強(qiáng)會隨溝槽的加深而增強(qiáng)。這樣會使工程參數(shù)和鍍膜速率發(fā)生變化。為了使工程參數(shù)保持穩(wěn)定，可以由工程參數(shù)，例如濺射電流的變化，獲得反饋信號來調(diào)節(jié)電磁鐵的勵磁電流，從而使工程參數(shù)保持恒定。單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容可以任意增加矩形磁控靶長度，而不必改變磁體的裝置方式；工程參數(shù)也不會發(fā)生大的變化。目前已有長度為4m的矩形磁控靶問世(用于鍍制窗玻璃的隔熱層)。磁控濺射時(shí)，基片與靶面的距離通常為50mm。靶面長軸方向上，除兩端各占10%的端部以外，其他80%的中段稱均勻區(qū)。正對均勻區(qū)放置的基片，其膜厚均勻度一般為5%。大量生產(chǎn)時(shí)所采用的濺射鍍膜裝置，是讓基片連續(xù)不斷地往靶面下方通過。這不但可以提高生產(chǎn)率，還能消除靶面短軸方向上的不均勻性。總之，只要采用足夠長的矩形靶，就能對大批基片(例如集成線路硅片)。大面積工件(例如窗玻璃)或者成卷的薄帶(例如聚酯帶)實(shí)現(xiàn)均勻鍍膜。具有大面積的均勻區(qū)，這是矩形磁控靶在大規(guī)模工業(yè)鍍膜裝置中獲得廣泛應(yīng)用的重要原因之一?？貫R射靶面的跑道區(qū)域會出現(xiàn)溝槽。一旦溝槽穿透靶材，整塊靶材就全部報(bào)廢，要另行換上新靶材再用，所以靶材的利用率不高，一般只達(dá)到40%。磁控濺射的這一缺點(diǎn)，在使用貴重靶材時(shí)尤其突出。而在其他濺射方法中，靶面是均勻剝離的，靶材利用率不成問題。第二節(jié)濺射鍍膜工程一、合金膜的鍍制

在各種鍍膜技術(shù)中，濺射最適于鍍制合金膜。濺射鍍制合金膜，有三種可供選擇的技術(shù)方案：多靶濺射、鑲嵌靶濺射和合金靶濺射。1.多靶濺射

多靶濺射是采用幾個純金屬靶同時(shí)對基片進(jìn)行濺射。調(diào)整各個靶的功率，就能改變膜材成分。這種方法特別適于調(diào)整合金成分，可以得到成分連續(xù)變化的膜材。

用磁控靶進(jìn)行多靶濺射時(shí)，各個靶的剝離速率不同，而溝槽加深的速率也不同，這會影響合金膜的成分。解決這個問題的辦法，是隨時(shí)調(diào)節(jié)磁場使工程參數(shù)保持恒定，電磁鐵裝備的磁控靶，很容易做這一點(diǎn)；用永磁體的磁控靶，可以用機(jī)械裝置來調(diào)節(jié)永磁體與靶面的距離。用合金靶濺射合金膜，唯一的關(guān)鍵問題是如何制備出合金靶材。最簡單的辦法是往整塊合金板材或棒材上切取。當(dāng)然，也可以用熔化澆鑄工程得到。對于高熔點(diǎn)材料，可以用粉末治金工程獲取。后兩種工程得到的板材，難免包含一些孔洞和性質(zhì)，濺射時(shí)，隨著靶材的剝離，不斷有新的孔洞和雜質(zhì)暴露到表面，釋放出有害物質(zhì)。這樣，不但影響真空度，還會影響膜材的純度。合金靶濺射過程中，通常不必采取任何控制合金成分的措施，就可以得到與靶材成分完全一致的膜材，這是合金靶磁射的最大優(yōu)點(diǎn)。合金靶濺射鑲嵌靶濺射鑲嵌靶濺射是將各種純金屬靶材，按一定比例鑲嵌在靶面上同時(shí)進(jìn)行濺射。這種方法用于直流二極濺射很方便；但用于磁控濺射時(shí)，如果兩種靶材的濺射產(chǎn)額有較大的差別，就會遇到困難，因?yàn)檫@兩種靶材的溝槽加深速率不同，合金成分會隨時(shí)變化，既然這兩種靶材同處于一個靶上，就不可能像多靶濺射那樣，對各個靶材的剝離速率分別進(jìn)行控制?？紤]到合金靶的各種元素的濺射產(chǎn)額不同，這種靶材與膜材的成分一致性似乎難以理解。實(shí)際情況是，合金靶在濺射時(shí)，靶表面的成分與整個靶材的成分并不相同。在濺射過程中，有一種自動調(diào)整的機(jī)構(gòu)，使靶面成分調(diào)整到能夠保證膜材與靶材的成一致。、B種元素構(gòu)成的合金靶，如果其中A元素的濺射產(chǎn)額較高，則濺射進(jìn)行后，靶表面成分即開始向A少的方向變化。直到濺射的A、B原子的比例與靶材的成分完全相符，靶面的A含量就不再下降了。這時(shí)，靶表面達(dá)到成分的恒穩(wěn)態(tài)，并總是保持著確定狀態(tài)的貧A層。這一薄層的厚度，大致相當(dāng)于氬離子在靶面的注入深度。例如，能量為400e的氬離子濺射AuCu3合金靶時(shí)，表面成分變化層的厚度約為40A，相當(dāng)于10層原子厚。

膜材的成分有時(shí)也會與靶材不一致。其原因可能是：靶面溫度太高，擴(kuò)散太快而無法建立成分變化層，靶材中蒸氣壓較高的成分發(fā)生升華；基片上所加的負(fù)偏壓太高，使膜材發(fā)生濺射。上述各種方法，都是采用直流濺射，只適用于導(dǎo)電的靶材。雖然石墨并非是金屬元素，然而它是一種導(dǎo)電材料，因此可以像金屬一樣制成石墨靶進(jìn)行直流濺射，鍍制銅碳合金膜。濺射技術(shù)可以用于鍍制非晶態(tài)合金膜。這時(shí)將液氮通入基片臺，使基片處于低溫。磁控濺射具有基片溫升低的優(yōu)點(diǎn)，最適于鍍制非晶態(tài)合金膜。射技術(shù)不但能鍍制均勻的合金膜，還可以得到成分隨膜厚變化的變成分膜，以及不同成分的膜層交替重迭的多層膜。后者通過擴(kuò)散或離子束共混，即成為均勻的合金膜。3214許多化合物是導(dǎo)電材料，其導(dǎo)電率甚至與金屬材料相當(dāng)可以采用直流濺射。這類化合物中，有碳化物(如TaC，TiC，VC，ZrC)硼化物(如MoBTaB)和硅化物(如MoSi2，TaSi2)。這些化合物都是高熔點(diǎn)的脆性材料，只能用粉末冶金工程制成靶材。這種靶材成本很高，再加上磁控濺射的靶材利用率低，靶材又不容易回收，很不經(jīng)濟(jì)。所以盡管直流濺射鍍制化合物膜的工程簡單，但從經(jīng)濟(jì)上考慮并不適于工業(yè)生產(chǎn)。即使進(jìn)行小批量生產(chǎn)，也往往受到靶材來源的限制而不易實(shí)現(xiàn)。直流濺射合物膜的鍍制化合物膜，通常是指由金屬元素與非金屬元素(碳、氮、氧、硼、硫等)的化合物鍍成的薄膜?；衔锬さ腻冎疲腥N技術(shù)方案可供選擇：直流濺射、射頻濺射和反應(yīng)濺射。#2022射頻濺射靶面上的實(shí)際電位，是射頻電源導(dǎo)致的脈動電位與恒定負(fù)電位的迭加。當(dāng)靶面處于脈動電位的正半周時(shí)，脈動電位與恒定負(fù)電位相互抵消；處于負(fù)半周時(shí)，脈動電位與恒定負(fù)電位相互迭加。正是這一迭加的負(fù)電位，使離子加速而轟擊靶面，并產(chǎn)生濺射效應(yīng)。極靶面自發(fā)產(chǎn)生的恒定負(fù)電位，在射頻濺射中起重要作用。首先是，調(diào)整靶面收集的電子數(shù)目，使其與轟擊靶面的離子數(shù)目相等。這樣，放電過程才能保持恒穩(wěn)態(tài)。其次是加速離子，產(chǎn)生濺射效應(yīng)。

濺射裝置的電源線路中，總要串聯(lián)一個隔離電容。這是為了在射頻濺射采用導(dǎo)電材料的靶材時(shí)，也能在靶面保持必不可少的恒定負(fù)電位。

射最大的優(yōu)點(diǎn)，是可以濺射任何靶材。缺點(diǎn)是射頻電源(尤其是大功率的)要比直流電源復(fù)雜得多。射頻范圍的微波對人體有傷害，因此防護(hù)也是一個問題。

反應(yīng)濺射材中毒的另一征兆，是氣體放電的阻抗下降。這是由于化合物靶材的二次電子產(chǎn)額高于金屬靶材，也就是說，每個轟擊靶材的離子，可以產(chǎn)生更多的二次電子。于是，在濺射電壓不變的條件下，電流會增大。在實(shí)際操作時(shí)，可以根據(jù)放電阻抗的變化，判斷靶材的中毒情況。04應(yīng)濺射時(shí)，通入真空室內(nèi)的反應(yīng)氣體，不但與基片上的膜材反應(yīng)形成化合物膜，同時(shí)還與靶材反應(yīng)，在靶面上形成化合物。后一反應(yīng)是有害的，它使靶材的剝離速率下降，因而鍍膜速率大為下降，甚至可以降低一個數(shù)量級。其原因是由于化合物的濺射產(chǎn)額較小，另外，還有某些其他原因，通常所謂的靶材中毒，就是指靶面形成了化合物。03大規(guī)模鍍制化合物膜，最適宜的方法是反應(yīng)濺射。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不必用化合物靶材，而是直接用金屬靶，也不必用復(fù)雜的射頻電源，而是用直流濺射。01應(yīng)濺射，是在金屬靶材進(jìn)行濺射的同時(shí)，通入反應(yīng)氣體，使兩者在基片上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到所要求的化合物薄膜。例如，鍍制TiN時(shí)，靶材為金屬鈦，濺射氣體為Ar和N2混合氣，鍍制氧化物時(shí)，用Ar和O2混合氣；碳化物用C2H2(乙炔)；硅化物用SiH4(硅烷)；硫化物用H2S。02

為了防止靶材中毒，首要措施有兩條：增大靶面功率密度和減少反應(yīng)氣體。前者是為了盡快地將靶面化合物剝離，并且由靶面濺射出大量金屬原子，以便可以在靶面附近阻礙反應(yīng)氣體到達(dá)靶面。當(dāng)然，靶面功率密度的增加有一定限度，也就是不能超過各種靶材的允許值，否則會燒壞靶材。后者是直接減少靶面化合物。但這也有一定限度。反應(yīng)氣體的通入量減少到一定程度以后，化合物膜就達(dá)不到所要求的化學(xué)成分了。例如，TiO2是透明薄膜，而濺射氣體中含氧量不足時(shí)，會得到缺氧的TiO2-X(X為小于2的正數(shù))。TiO2-X是透明度很差的黑色薄膜。

在盡量增加靶面功率密度和盡量減少反應(yīng)氣體之后，如果靶面仍有中毒現(xiàn)象，還可以進(jìn)一步采取另一些比較復(fù)雜的措施。但這需要在設(shè)備上作些改造。例如，增大基片與靶面的距離，降低金屬原子在基片上沈積速率；設(shè)法將氬氣通到靶面，而反應(yīng)氣體通到基片附近；在基片上加偏壓，讓離子或電子轟擊基片，以提高膜材的活性。上述所有措施，都是為了進(jìn)一步降低濺射氣體中的反應(yīng)氣體含量。

磁控濺射的靶面上，功率密度并不是均勻的跑道區(qū)域的功率密度大大超過平均值。因此，即使其他部分已經(jīng)布滿化合物，跑道區(qū)域仍能保持潔凈的金屬靶，不致于影響鍍膜速率。如果使功率密度逐漸下降，或使反應(yīng)氣體逐漸增加，靶面的中毒現(xiàn)象會逐漸向跑道區(qū)域蔓延。相應(yīng)地，鍍膜速率和放電阻抗逐漸下降。而直流二極濺射的靶面，功率密度是均勻的，中毒現(xiàn)象會突然發(fā)生。懸浮電位和偏壓濺射鍍膜裝置的陰極，必然是靶材。這是由濺射原理決定的。為了方便和安全起見，總是以機(jī)殼(真空容器)接地，并將它作為陽極。片架通常是與機(jī)殼絕緣的，這樣就有可能使基片處于和機(jī)殼不同的電位，也就是可以對基片加上偏壓。圖8-8是基片加偏壓的情況。8-8基片加偏壓的情況單擊此處可添加副標(biāo)題單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容調(diào)節(jié)偏壓電源，可以使基片處于不同的偏壓。當(dāng)基片的電位調(diào)節(jié)到與等離子體相等時(shí)，由于彼此之間不存在電場，所以等離子體之中電子和離子，都可以通過熱運(yùn)動而自由到達(dá)基片。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，在磁控濺射時(shí)，到達(dá)基片的電子流密度為100mA/cm2量級；而離子流密度只有1mA/cm2量級。差別這樣大的原因，主要在于電子的動能比離子高，并且電子的質(zhì)量只有氬離子的幾萬分之一，因而電子的運(yùn)動速度比笨重的離子快得多。近似地認(rèn)為，電場不影響離子的運(yùn)動速度和離子流密度，而對電子流密度影響很大。在將基片的偏壓調(diào)到零，也就是使基片與陽極的電位相等，構(gòu)成陽極的一部份。這時(shí)可以認(rèn)為基片的電流密度與陽極的相等。磁控濺射時(shí)，陰極(靶面)的平均電流密度，一般不超過10mA/cm2量級。而陽極(真空室內(nèi)壁)的面積比陰極大幾十倍，所以陽極的平均電流密度是0.1mA/cm2量級，這是到達(dá)陽極的電子流超過離子流的結(jié)果。實(shí)際上，離子流密度只有1mA/cm2量級，所以電子流也與此相近。上所述，可以近似認(rèn)為基片的電位與等離子體相等時(shí)，電子流密度為100mA/cm2；與陽極相等時(shí)為1mA/cm2。由此可見，陽極電位必然低于等離子體，對來自等離子體的電子有排斥作用，從而使電子流密度減少兩個數(shù)量級。單擊此處可添加副標(biāo)題通常將陽極規(guī)定為零電位，于是，等離子體具有正電位。磁控濺射時(shí)，等離子體的電位為10V左右。切斷偏壓電源后，基片“懸浮”在等離子體子中。這時(shí)基片上將自動產(chǎn)生一個相對于等離子為負(fù)值的電位(稱為懸浮電位)，使到達(dá)基片表面的電子和離子數(shù)目相等。上面談到，到達(dá)陽極表面的電子流超過離子流約0.1mA/cm2，而電位為零；現(xiàn)在，懸浮基片的電子流正好等于離子流，其電位顯然要低于陽極。或者說，懸浮電位相對于陽極電位也是負(fù)值。磁控濺射時(shí)，懸浮電位為–10V左右。何懸浮于等離子體中的物體，都具有懸浮電位。絕緣材料的基片(例如玻璃片)裝置在基片架上時(shí)，無論基片架的偏壓是多少，這類基片總是保持懸浮電位。

單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容當(dāng)基片處于零電位或懸浮電位時(shí)，轟擊基片的電子少，基片的損傷小，溫度升高，是半導(dǎo)體器件鍍膜時(shí)經(jīng)常采用的工程條件。些薄膜在鍍制時(shí)，要求具有一定能量的離子不斷轟擊膜材。其目的是改變膜材與基片的結(jié)合力，提高膜材的致密程度和(或)改善性能。磁控濺射時(shí)，基片的負(fù)偏壓甚至可以達(dá)到2KV?；呢?fù)偏壓低于100V時(shí)，離子流密度為1mA/cm2量級，基片表面的功率密度相應(yīng)為0.1W/cm2量級，可將基片加熱。離子轟擊和基片溫度升高，都能提高沈積原子在膜面上的遷移率，有利于得到致密的膜層。

薄膜的結(jié)合強(qiáng)度，是膜材與基材之間的結(jié)合力或結(jié)合能的度量。濺射鍍制的薄膜，有的厚度只有幾百埃，厚的也不過幾微米。薄膜材料之所以免于破損，完全依賴于基片的支撐。膜材與基材之間的結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)這種支撐的基礎(chǔ)。膜材─界面層─基材，構(gòu)成整個薄膜系。所謂薄膜的結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)施上是指界面層的強(qiáng)度。界面層大致可分為四類：突變界面層(圖8-9a)突變界面，是指膜材與基材的直接接解面。突變界面層，是突變界面與相鄰的基材和膜材共同構(gòu)成的一層材料。薄膜結(jié)合強(qiáng)度不單由界面本身決定，還與界面兩側(cè)的材料密切相關(guān)。圖8-9a)突變界面層結(jié)合強(qiáng)度這種界面層中包含一層化合物。這層化合物是在鍍膜時(shí)由沈積的膜材原子與基材發(fā)生反應(yīng)而形成的。例如，硅片上鍍鎳時(shí)，超過325℃即可形成化合物NiSi，而這一溫度是不難達(dá)到的。圖8-9b)化合物界面層化合物界面層(圖8-9b)在鍍膜時(shí)，膜材與基材發(fā)生相互擴(kuò)散，即可得到這種界面層。如果兩種材料能形成連續(xù)固溶體，則可以得到?jīng)]有化學(xué)成分突然變化的擴(kuò)散界面層。擴(kuò)散依賴于原子的熱運(yùn)動，所以鍍膜時(shí)基片溫度的高低，是影響是否形成擴(kuò)散界面層的決定性因素。圖8-9c)擴(kuò)散界面層擴(kuò)散界面層(圖8-9c)單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容偽擴(kuò)散界面層(圖8-9d)這也是化學(xué)成分逐漸變化的界面層，但不是依賴于熱擴(kuò)散，而是由離子轟擊形成的，所以稱為偽擴(kuò)散界面層。圖8-9d)偽擴(kuò)散界面層在偏壓濺射時(shí)，例如基片加上幾百伏的負(fù)偏壓以后，離子轟擊基材會發(fā)生濺射效應(yīng)。濺射的基材原子，有些會與氣體原子碰撞而返回基材，并與由靶面飛來的靶材原子同時(shí)沈積在基片上。于是，基片上最初沈積的膜層中含有一定數(shù)量的基材原子。隨著膜層的增厚，才逐漸轉(zhuǎn)化為由純靶材構(gòu)成的膜層。鍍膜工作者所追求的薄膜結(jié)合強(qiáng)度，目標(biāo)是使界面層的強(qiáng)度超過膜材和基材，讓薄膜體系的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到基材或膜材。但這一目標(biāo)并不容易達(dá)到。界面層的結(jié)合強(qiáng)度取決于三方面：鍵合強(qiáng)度，顯微組織和內(nèi)應(yīng)力。#2022鍵合強(qiáng)度#2022顯微組織錐狀晶是一種不但影響界面層強(qiáng)度，這對膜材強(qiáng)度有不良影響的顯微缺陷。鍍膜過程，實(shí)際上是靶材原子在基片上的沈積過程。沈積原子到達(dá)基片表面后，仍具有一定能量，因而在表面上四處游動。最后，在表面缺陷處聚集成晶核(圖8-10a)。晶核不但接受基片表面游動的原子，還直接接受由靶面飛來的原子。正是這些原子使晶核不斷成長(圖8-10b)。當(dāng)原子的遷移率不高時(shí)，長成的晶粒往往成錐形一根部細(xì)，頂部粗。一旦各個晶粒的頂部相互接觸，沈積原子就再也不能到達(dá)根部了。于是，在晶粒的根部留下許多孔洞。這不但減少了膜材與基材的鍵合面積，還出現(xiàn)大量易于產(chǎn)生應(yīng)力集中的縫隙。(圖8-10c)錐狀晶的晶界相當(dāng)疏松，因而使膜材的強(qiáng)度降低。消除錐狀晶的措施是基片加熱和偏壓濺射，目的是提高原子遷移率。圖8-10錐形晶的形成單擊添加大標(biāo)題突變、化合物、擴(kuò)散和偽擴(kuò)散這四種界面層中，前兩種的顯微組織就不如后兩種。突變界面的兩側(cè)，是性能完全不同的材料。其彈性模量的差異，會使界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中；其膨脹系數(shù)的不同，會產(chǎn)生熱應(yīng)力。這些都易于導(dǎo)致界面早期破裂。而平直的界面更有利于裂紋的傳播?；衔锝缑嬉灿型瑯拥娜秉c(diǎn)。此外，化合物往往是脆性材料，更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。擴(kuò)散和偽擴(kuò)散界面層中，沒有(或者較少)突變，能夠減少應(yīng)力集中和熱應(yīng)力。

得擴(kuò)散和偽擴(kuò)散界面層，也是采用基片加熱和偏壓濺射。為了提高界面層的強(qiáng)度，除了消除顯微缺陷以外，還可以采取改善顯微組織的措施。01的內(nèi)應(yīng)力實(shí)際上是指膜層的殘余應(yīng)力，也就是在不受外力的情況下，膜層之中殘余的應(yīng)力。與基片的相互結(jié)合是薄膜材料存在的基礎(chǔ)。而膜層一旦與基片結(jié)合，也就失去了體積變化的自由。這時(shí)，膜層與基片的脹縮不一致，都會使本身產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種脹縮的不一致性主要有兩方面原因。首先是膜材和基材的熱膨脹不一致，由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力；其次是膜層發(fā)生結(jié)構(gòu)變化時(shí)伴隨的體積變化由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力應(yīng)稱為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，但通常稱為本征應(yīng)力。力

02膜層的拉應(yīng)力會使膜層開裂；壓應(yīng)力會使膜層皺折。不只如此，膜層應(yīng)力還會導(dǎo)致膜層剝落。其中拉應(yīng)力比壓應(yīng)力更為有害。為了提高結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)該盡量消除內(nèi)應(yīng)力?；蛘呤估瓚?yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。低磁控濺射的壓強(qiáng)可以使膜層的拉應(yīng)力逐漸減少，甚至轉(zhuǎn)化壓應(yīng)力。這是由于在較低的壓強(qiáng)下，到達(dá)基片的離子在行程中經(jīng)歷的碰撞較少，因而能量較高。能量較高的離子對膜面的轟擊可產(chǎn)生較強(qiáng)的“噴丸”效應(yīng)，并有更多的氬離子進(jìn)入膜面，因而使膜層膨脹，有利于得到壓應(yīng)力。

第三節(jié)濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用濺射鍍膜技術(shù)，在工業(yè)上用于電子、機(jī)械、光學(xué)和裝飾等產(chǎn)品的生產(chǎn)?，F(xiàn)例舉一些與精密加工有關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。一、硬質(zhì)膜的鍍制

超硬膜，是指硬度為HV2000以上的薄膜，一般鍍制于刀具、量具和軸承等制品的表面。1969年以來，國外廣泛采用化學(xué)氣相沈積(CVD)工程，在硬質(zhì)合金刀頭上鍍制硬質(zhì)膜(TiC，TiN和Al2O3)。這種刀頭是不重磨的。CVD工程的溫度是1000℃，大大超過高速鋼的回火溫度550℃，所以只限于在硬質(zhì)合金上鍍膜，而不能推廣到高速鋼。用磁控濺射在高速鋼上鍍氮化鈦(TiN)超硬膜，是70年代中期開始研究的，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。磁控濺射氮化鈦，可以采用直流濺射。這是因?yàn)榈伿橇己玫膶?dǎo)電材料，其電阻率比金屬鈦低50%。但在工業(yè)生產(chǎn)中，都是采用更為經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)濺射。現(xiàn)在就介紹一種鍍氮化鈦的直流磁控反應(yīng)濺射工程。件經(jīng)過超音波清洗之后，再經(jīng)過射頻濺射清洗(1KW，2min)。鍍膜時(shí)的濺射電壓為330～375V；電流密度穩(wěn)定在44mA/cm2。工件與靶面的距離為4.75cm2。工件200V的負(fù)偏壓。通入真空室的氬流量穩(wěn)定在1Pa.m3/s，氮流量為0.02～0.06Pa.m3/s。

單擊此處添加大標(biāo)題內(nèi)容通入過多的氮?dú)猓袃纱蠛μ?，其一是使靶面中毒，鍍膜速率顯著下降；其二是使氮化鈦膜層中雜質(zhì)含量升高。多余的氮?dú)鈺c靶面的金屬鈦反應(yīng)，使整個靶面布滿氮化鈦而中毒。氮化鈦的濺射產(chǎn)額比金屬鈦低得多。于是，鍍膜速率由300nm/min降到60nm/min。鍍膜速率越低，則沈積在膜層表面的鈦原子暴露在氣體中的時(shí)間越長，與氧、水蒸氣和二氧化碳等雜質(zhì)氣體接觸的機(jī)會越多，因而膜層中的氧、碳等雜