1.3 溅射镀膜
溅射是指荷能粒子(电子,离子,中性粒子)轰击固体表面,使固体原子(或分子)从表面射出的现象。溅射镀膜是利用辉光放电产生的正离子在电场的作用下高速轰击阴极靶材表面,溅射出原子或分子,在基体表面沉积薄膜的一种镀膜方式。
在一百多年前Grove发现,气体辉光放电产生的等离子体对阴极有溅射现象。后来,人们利用溅射现象发展了直流二极溅射技术并用于薄膜制备。随后,人们又研究开发了溅射速率较高的三极溅射和射频溅射等技术和设备。
溅射镀膜技术制备膜范围较宽,可用来制备金属膜、导体膜、氧化物膜等。溅射镀膜法较其他镀膜有很多优点:任何物质均可以溅射,尤其是高熔点、低蒸气压元素化合物;由于基板可经过plasma清洗,并且溅射原子能量高(比蒸发原子能量高1~2个数量级),在基板和膜之间有混熔扩散作用,所以溅射镀沉积的薄膜与基板之间附着性好,镀膜密度高,针孔少;因为通过控制放电电流和靶电流,可控制膜厚,所以溅射镀膜过程容易控制,重复性好。但溅射镀膜也有不足之处,如设备较复杂,需高压装置,价格昂贵。
1.3.1 辉光放电
一般说来,溅射是在辉光放电(GlowDischarge)中产生的,所以辉光放电是溅射的基础。所谓辉光放电是在真空条件下,当两个电极间施加一定电压时产生的气体放电现象。辉光放电方式不同,溅射种类也不同,如利用直流产生辉光放电的有直流二极溅射、三极溅射,利用射频产生辉光放电的有射频溅射,还有对靶溅射、磁控溅射等。
1.3.1.1 直流辉光放电的过程与特性
气体的放电形式和特点与放电条件有关。在低压(10-1~102Pa)容器中,两个电极之间施加一定的直流电压,使稀薄气体击穿,便产生气体辉光放电。此时,两极间的电压和电流的关系是不遵循欧姆定律的非线性关系。图1-7为直流辉光放电过程中电压随电流变化曲线。辉光放电一般可以分为如下几个过程区域:(a)无光放电;(b)汤森放电;(c)电晕放电;(d)正常辉光放电;(e)异常辉光放电;(f)弧光放电。
图1-7 直流辉光放电伏安特性曲线
在异常辉光放电区域,电流增大时,两电极电压升高,阴极压降大小与电流密度和气压有关。异常辉光放电区电流密度一般为10-1~100A/cm2。溅射一般选用非正常辉光放电区工作。便出现下面的弧光放电。
异常辉光放电时,当电流密度达到约0.1A/cm2时,常有转变成低压弧光放电的危险。此时,极间电压陡降,电流猛增,放电机制由辉光放电过渡到弧光放电。弧光放电是一种稳定的放电形式,也称热阴极自持放电,电压降到几十伏,放电电流为0.1~103A。弧光放电时会形成电弧等离子体,电极间会发出很强的光和热。但是,在一般直流等离子体电源中,为了避免由弧光放电产生的危害,一般都装有灭弧装置。
1.3.1.2 帕邢定律
对于平行板电极系统,起辉电压VB与阴极材料、气体种类、气压和极间距的关系有帕邢定律(Pashen):
(1-23)
式中,p为气压,mmHg;d为极间距,cm;A,B均为气体种类决定的常数,其单位分别为1/(cm·mmHg)和V/(cm·mmHg);γ为平均一个正离子轰击阴极所发射的电子数。式(1-23)给出了气体击穿电压与放电气压和极间距乘积pd的关系。由VB=f(pd)得曲线,即帕邢曲线,如图1-8所示。
图1-8 几种气体与铁阴极(除汞为阴极外)的帕邢曲线
在气体成分与电极材料一定的条件下,起辉电压VB与气体压强p和电极间距d的乘积有关。由帕邢定律可知,若气体压强太低或极间距离太小,二次电子在到达阴极前,不能使足够的气体分子碰撞电离,形成一定数量的离子和二次电子,辉光就会熄灭。另外,若气压太高或极距太大,二次电子因多次碰撞而得不到加速,也不能产生辉光。在大多数情况下,辉光放电溅射过程要求气体压强低,压强与极间距乘积一般都在极小值右边,故需要相当高的起辉电压。在极间距小的电极结构中,需要瞬时增加气体压强才能启动放电。
1.3.1.3 直流辉光放电的现象与其特性
直流辉光放电的一般条件是,在放电管两端装有一对金属电极,管内气压为1.33~13.3kPa,当两端电压达到击穿电压时,即可产生直流辉光放电。图1-9是直流辉光放电的空间区域分布:其中,图(a)为放电区域分布,图(b)~图(f)为放电的辉度分布、电压分布、电场分布、空间电荷分布和电流密度分布。
图1-9 Ne气直流辉光放电状况及放电参数及光强分布
1.3.1.4 高频辉光放电的特性
高频放电一般是指放电频率在106Hz以上的气体放电形式。高频放电包括微波放电和射频放电。在溅射技术中一般用射频辉光放电形式。射频辉光放电是指在一定气压下,当两极之间施加的交流电压频率增加到射频频率时,即可产生稳定的辉光放电。射频放电的频率可在5~30MHz,但是国际上常用的射频放电频率为13.56MHz。射频放电的现象、条件和特征与直流放电有明显的不同。它与直流辉光放电相比有许多优点,如:①辉光放电中产生的电子获得足够能量足以产生碰撞电离,因而减少对二次电子的依赖,并降低击穿电压。②射频电压能通过阻抗耦合(电感式或电容式耦合),可以溅射沉积任何材料,包括介质材料。③放电气压低(10-1~10-2Pa)。④形成更强的空间电荷,对放电起增强作用。
如果在射频溅射装置中,将溅射靶与基片完全对称配置,则正离子会以均等的概率轰击溅射靶和基片,就不能溅射成膜,实际上,只要求靶得到溅射,靶电极必须绝缘,并通过电容耦合到射频电源上。另一电极(真空室壁)为直接耦合电极(接地电极),而且靶面积须比直接电极小。如图1-10所示,则两个电压之间有如下近似关系式
图1-10 RF辉光放电中从小的电容耦合电极靶到大的直接耦合电极的电压分布
Vc/Vd=(Ad/Ac)4
(1-24)
式中,Vc为辉光放电空间与靶之间电压;Vd为辉光放电空间与直接耦合电极间电压;Ac,Ad分别为电容性耦合电极(溅射靶)与直接耦合电极(接地电极)的面积。因为Ad≫Ac,所以Vc≫Vd,目的是在靶上获得较高的溅射电压。
1.3.2 溅射原理
1.3.2.1 溅射现象
入射的荷能离子轰击靶材表面产生相互作用,会发生一系列物理化学现象,如图1-11所示。它包括以下三类现象:①靶材表面产生原子或分子溅射,二次电子发射,正、负离子发射,溅射原子返回,杂质(气体)原子解吸附或分解,光子辐射等。②产生表面物理化现象,如加热、清洗、刻蚀、化学分解或反应。③材料表面层发生结构损伤(点缺陷、线缺陷)、碰撞级联、离子注入、扩散共混、非晶化和化合相等现象。
图1-11 入射离子与靶材表面的相互作用
其实,物体置于等离子体中,其表面具有一定的负电位时,就会发生溅射现象,只需要调整其相对等离子体的电位,就可以获得不同程度的溅射效应,从而实现溅射镀膜、溅射清洗或溅射刻蚀及辅助沉积过程。
1.3.2.2 溅射机理
溅射是一个复杂的物理过程,涉及因素较多。有关溅射机理主要有热蒸发理论和动量转移理论。
(1)热蒸发理论 早期认为溅射现象是电离气体的荷能正离子在电场作用下加速轰击靶材料表面,将能量传递给碰撞处的原子,导致小区域内瞬间高温使靶材熔化蒸发。
热蒸发理论在一定程度上解释了某些溅射现象:如溅射靶材热蒸发和轰击离子的能量关系,溅射原子的余弦分布规律等,但不能解释溅射率与离子入射角关系及溅射率与入射离子质量关系等。
(2)动量转移理论 对溅射特性的深入研究表明,溅射是以动量传递的方式将材料激发为气态。溅射的本质特点为:由辉光放电提供的高能或中性原子撞击靶体表面,把动能传递给靶表面的原子,该表面的原子获得的动能再向靶内部原子传递,经过一系列的碰撞过程即级联碰撞(见图1-12),使某些原子获得足够的能量,克服表面势垒(结合能),逸出靶面而成为溅射原子。在溅射过程中,大约只有1%的入射离子的能量转移到逸出的溅射原子中,大部分能量则通过级联碰撞而消耗在靶的表层中,并转化为晶格的热振动。动量转移理论很好地解释了热蒸发理论不能说明的溅射率与离子入射角度的关系,溅射原子角分布规律等。
图1-12 入射离子引起靶材表面原子的级联碰撞示意
1.3.2.3 溅射率
溅射率是指平均每个入射正离子能从阴极靶上打出的原子个数,又称溅射产额或溅射系数,一般用S(原子/离子)表示。表1-4列出了常用靶材的溅射率。一般为10-1~10原子/离子范围。实验表明,溅射率S的大小与轰击粒子的类型、能量、入射角有关,也与靶材原子的种类、结构有关,与溅射时靶材表面发生的分解、扩散、化合等状况有关,与溅射气体的压强有关,但在很宽的温度范围内与靶材的温度无关。
表1-4 常用靶材溅射率
(1)溅射能量阈值 使靶材产生溅射的入射离子的最小能量,即小于或等于此能量值时,不会发生溅射,如,当Ar离子对Mo靶进行轰击溅射时,可以发现,在10~30eV范围内存在能量阈值。表1-5列出了大多数金属的溅射阈值,不同靶材的溅射能量阈值不同。用汞离子在相同条件下轰击不同原子序数的各种元素时,在每一族元素中随着原子序数的增大,阈值能量减少,周期性的数值涨落在40~130eV之间。
表1-5 溅射阈值能量 单位:eV
(2)溅射率和入射离子能量 低于溅射能量阈值的离子入射几乎没有溅射,离子能量超过阈值后,才能产生溅射。图1-13为溅射率与入射离子能量之间的典型关系曲线。该曲线可分为三个区域:
S∝E2 ET<E<500eV(ET为溅射阈值)
S∝E 500eV<E<1000eV
S∝E1/2 1000eV<E<5000eV
图1-13 溅射率与入射离子能量关系
即开始溅射率随着能量增大而呈指数上升,其后出现一个线性区域,并逐渐达到一个平坦区域为饱和态。当离子能量更高时,增加的趋势逐渐减少,这是因为离子能量过高而引起离子注入效应,导致溅射率下降。用Ar+轰击Cu时,离子能量与溅射率的关系如图1-14所示。图中能量范围扩大到100keV,曲线可以分为三部分:几乎没有溅射的低能区;能量从70eV增加到10keV,为溅射率随离子能量增大的区域,用于溅射镀膜的能量大部分在此区域;30keV以上,由于产生了离子注入效应,这时溅射率随着离子能量增加而下降。
图1-14 Ar+轰击Cu时,离子能量与溅射率的关系
(3)溅射率与轰击离子种类 随着入射离子质量的增大,溅射率保持总的上升趋势。但其中有周期性起伏,而且与元素周期表的分组吻合。各类轰击离子所得的溅射率周期性起伏的峰值依次位于Ne,Ar,Kr,Xe,Hg的原子序数处。图1-15是这种周期性关系的实验数据。一般经常采用容易得到的氩气作为溅射的气体,通过氩气放电所得的Ar离子轰击阴极靶。
图1-15 Ag、Cu、Ta三种金属靶的溅射率与轰击离子原子序数之间的关系
(4)溅射率与靶材原子序数 用同一种入射离子(例如Ar+),在同一能量范围内轰击不同原子序数的靶材,呈现出与溅射能量的阈值相似的周期性涨落,见图1-16。即Cu,Ag,Au等溅射率最高,Ti,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W等溅射率最小。
图1-16 各种靶材的溅射率(Ar+,轰击能量400eV)
(5)溅射率与离子入射角 入射角是指离子入射方向与靶材表面法线之间的夹角,如图1-17(a)所示。溅射率与离子入射角的关系如图1-17(b)所表示。垂直入射时,θ=θ0。当θ逐渐增加时,溅射率S(θ)/S(θ0)也增加;当θ达到70°~80°之间时,溅射率最大。此后θ再增,S(θ)/S(θ0)急剧减小,直至为零。不同靶材的溅射率S随入射角θ变化情况是不同的。对于Mo,Fe,Ta等溅射率较小的金属,入射角对S的影响较大,而对于Pt,Au,Ag,Cu等溅射率较大的金属,影响较小。
图1-17 溅射率与离子入射角的关系
(6)溅射率与工作气体压强 在较低气体工作压强时,溅射率不随压强变化,在较高工作压强时,溅射率随压强增大而减少。这是因为工作气体压强高时,溅射粒子与气体分子碰撞而返回阴极表面所致。实用溅射工作气体压强在0.3~0.8Pa之间。
(7)溅射率与温度 由图1-18可见,在某一温度范围内,溅射率几乎不随温度变化,当靶材温度超过这一范围时,溅射率急剧上升。
图1-18 各种靶材溅射率与温度的关系
(Xe+轰击,轰击能量45keV)
1.3.2.4 溅射原子的能量和速度
轰击离子的能量为100~500eV,从靶面上溅射出的粒子,离化态只占约1%,绝大多数是单原子态。被溅射出的原子的能量和速度也是溅射特性的重要物理参数。一般由蒸发源蒸发出的原子能量为0.04~0.2eV。而由溅射出的原子是与高能量(几百至几千电子伏特)入射离子交换动量而溅射出来的,所以有较高的能量。如以1000eV加速的Ar+溅射铝等轻元素,逸出原子的能量约为10eV,而溅射钨、钼、铂时,逸出原子的能量约为35eV。一般认为,溅射原子的能量比热蒸发原子的能量大1~2个数量级,为5~10eV。
溅射原子的能量与靶材料、入射离子种类和能量以及溅射原子的逸出方向等都有关系。图1-19为热蒸发铜粒子和溅射铜粒子的速度分布曲线,纵坐标是单位速度区间的粒子数(任意单位)。蒸发和溅射粒子的速度(能量)分布符合Maxwell分布。从图1-19可以看出,溅射出的铜粒子速度(能量)明显高于蒸发粒子的速度。图1-20给出了不同加速电压下He+轰击Cu靶后溅射出Cu原子的速度分布图,可以看出,随着能量的增加,Cu原子的能量范围在增大,数量也在增加。当入射离子正向轰击多晶或非晶靶时,溅射原子在空间的角分布大致符合余弦分布,如图1-21所示。但当入射离子倾斜入射靶材时,溅射出的原子的空间分布则不符合余弦分布规律,而是在入射离子反射方向上溅射出的原子密度最大,如图1-22所示。
图1-19 粒子的速度分布
a—蒸发铜粒子;b—溅射铜粒子
图1-20 溅射原子的能量分布
图1-21 溅射原子的角分布(垂直入射,Hg+能量100~1000eV)
图1-22 1000eV的H+斜向入射Ni靶时溅射原子的角分布
1.3.3 溅射镀膜技术
1.3.3.1 二极溅射
二极溅射是由溅射靶(阴极)和基板(阳极)两极构成。其原理如图1-23所示。若使用射频电源的称为射频二极溅射;使用直流电源叫直流二极溅射;因溅射发生在阴极上,又称阴极溅射;若靶和基板固定架都是平板,称平面二极溅射;若靶和基板是同轴圆柱状分布就称同轴二极溅射。
图1-23 二极溅射示意
1—接地屏蔽;2—水冷阴极;3—阴极暗区;4—等离子体;5—阴极鞘层;6—溅射原子;7—基片;8—阳极;9—真空泵;10—真空室;11—直流电源
在二极溅射中,阴极靶由膜料制成,工作时,先将真空室抽至10-3Pa,然后通入Ar,使之维持1~10Pa,接通电源使阴阳极之间产生异常辉光放电,形成等离子区,使带正电的Ar+受到电场加速轰击阴极靶,从而使靶材产生溅射。阴极靶与基板之间距离以大于阴极暗区的3~4倍为宜。
直流二极溅射的缺点是:溅射参数不易独立控制,放电电流易随气压变化,工艺重复性差;基片温升高(数百度),沉积速率较低;靶材必须是良导体。为了克服这些缺点可采取如下措施:设法在10-1Pa以上真空度产生辉光放电,同时形成满足溅射的高密度等离子体;加强靶的冷却,在减少热辐射的同时,尽量减少或减弱由靶放出的高速电子对基板的轰击;选择适当的入射离子能量。
直流偏压溅射就是在直流二极溅射的基础上,在基片上加上一定的直流偏压。若施加的是负偏压,则在薄膜沉积过程中,基片表面将受到气体等离子的轰击,随时可以清除进入薄膜表面的气体,有利于提高膜的纯度。在沉积前可对基片进行轰击净化表面,从而提高薄膜的附着力。此外,偏压溅射可改变沉积薄膜的结构。
1.3.3.2 三极或四极溅射
二极直流溅射只能在较高的气压下进行,辉光放电是靠离子轰击阴极所发出的次级电子维持的。如果气压降到1.3~2.7Pa时,则暗区扩大,电子自由程增加,等离子密度降低,辉光放电便无法维持。
三极溅射克服了这一缺点。它是在真空室内附加一个热阴极,可产生电子与阳极产生等离子体。同时使靶材对于该等离子为负电位,用离子体中正离子轰击靶材而进行溅射。三极溅射的电流密度可达2mA/cm2,放电气压可为1~0.1Pa,放电电压为1000~2000V,镀膜速率为二极溅射的两倍。如果再加入一个稳定电极使放电更稳定,称为四极溅射。
三(四)极溅射的靶电流主要决定于阳极电流,而不随电压而变。因此,靶电流和靶电压可以独立调解,从而克服了二极溅射的缺点;三极溅射在100V到数百伏的靶电压下也能工作;靶电压低,对基片溅射损伤小,适合用来做半导体器件;溅射率可由热阴极发射电流控制,提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。三(四)极溅射也存在缺点:由于热丝电子发射,难以获得大面积均匀等离子体,不适于镀大工件;不能控制由靶产生的高速电子对基板的轰击,特别是高速溅射情况下,基板的温升较高;灯丝寿命短,也还存在灯丝不纯物对膜的沾染。
1.3.3.3 射频(RF)溅射
因为对直流溅射,如果靶材是绝缘材料,在正离子的轰击下就会带正电,从而使电位上升,离子加速电场就逐渐变小,到停止溅射,至辉光放电停止。而射频溅射之所以能溅射绝缘靶进行镀膜,主要是因为在高频交变电场作用下,可在绝缘靶表面上建立起负偏压的缘故。其原理是,如果在靶上施加射频电压,在靶处于正半周时,由于电子质量比离子质量小,故迁移率高,在很短时间内飞向靶面,中和其表面累积的正电荷,并且在靶表面迅速积累大量电子,使靶材表面呈负电位,吸引正离子继续轰击靶表面产生溅射。实现了正、负半周中,均可产生溅射。这样一来,它克服了直流溅射只能溅射导体材料的缺点,可以溅射沉积绝缘膜。
射频溅射装置如图1-24所示。射频溅射的机理和特性可以用射频辉光放电解释,等离子体中电子容易在射频电场中吸收能量产生震荡,因此,电子与工作气体分子碰撞并使之电离的概率非常大,故使得击穿电压和放电电压显著降低,只有直流溅射的1/10左右。
图1-24 射频溅射装置
射频溅射不需要用次级电子来维持放电。但是,当离子能量高达数千电子伏特时,绝缘靶上发射的电子数量也相当大,由于靶具有较高的负电位,电子通过暗区得到加速,将成为高能电子轰击基片,导致基片发热、带电和影响镀膜质量。所以,须将基片放置在不直接受次级电子轰击的位置上,或者利用磁场使电子偏离基片。射频溅射的特点是能溅射沉积导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料。但是射频电源价格一般较贵,射频电源功率不能很大,而且采用射频溅射装置须注意辐射防护。
1.3.3.4 磁控溅射
上面介绍的几种溅射,主要缺点是沉积速率比较低,特别是阴极溅射,其放电过程中只有0.3%~0.5%的气体分子被电离。为了在低气压下进行溅射沉积,必须提高气体的离化率。磁控溅射是一种高速低温溅射技术,由于在磁控溅射中运用了正交电磁场,使离化率提高到5%~6%,使溅射速率比三极溅射提高10倍左右,沉积速率可达几百至2000nm/min。
磁控溅射工作原理如图1-25所示,电子e在电场E的作用下,在飞向基板的过程中与Ar原子发生碰撞,使其电离成Ar+和一个电子e,电子e飞向基片,Ar+在电场的作用下加速飞向阴极靶,并以高能量轰击靶表面,溅射出中性靶原子或分子沉积在基片上形成膜。另外,被溅射出的二次电子e1一旦离开靶面,就同时受到电场和磁场作用,进入负辉区只受磁场作用。于是,从靶表面发出了二次电子e1,首先在阳极暗区受到电场加速飞向负辉区,进入负辉区的电子具有一定速度,并且是垂直于磁力线运动的,在洛仑兹力F=q(E+vB)的作用下,而绕磁力线旋转。电子旋转半圈后重新进入阴极暗区,受到电场减速。当电子接近靶平面时速度降为零。以后电子在电场作用下再次飞离靶面,开始新的运动周期。电子就这样跳跃式地向EB所指方向漂移,如图1-26所示。电子在正交电磁场作用下的运动轨迹近似一条摆线。若为环行磁场,则电子就近似摆线形式在靶表面作圆周运动。二次电子在环状磁场的控制下,运动路径很长,增加了与气体碰撞电离的概率,从而实现磁控溅射沉积速率高的特点。
图1-25 磁控溅射工作原理示意
图1-26 电子在正交磁场下的E×B漂移运动
磁控溅射源类型有柱状磁控溅射源、平面磁控溅射源(分为圆形靶和矩形靶)、S枪溅射枪。磁控溅射的种类较多,除了上述的种类外,还有对靶溅射和非平衡磁控溅射。对靶溅射是将两只靶相对安置,所加磁场和靶面垂直,且磁场和电场平行。等离子体被约束在磁场及两靶之间,避免了高能电子对基板的轰击,使基板温升减小。对靶溅射可以用来制备Fe,Co,Ni,Fe2O3等磁性薄膜。非平衡磁控溅射是采用通过磁控溅射阴极内、外两个磁极端面的磁通量不相等,所以称非平衡磁控溅射。其特征在于,溅射系统中约束磁场所控制的等离子区不仅限于靶面附近,而且扩展到基片附近,形成大量离子轰击,直接影响基片表面的溅射成膜过程。
1.3.3.5 反应溅射
化合物薄膜占全部薄膜的70%,在薄膜制备中占重要地位。大多数化合物薄膜可以用化学气相沉积(CVD)法制备,但是PVD也是制备化合物薄膜的一种好方法。反应溅射是在溅射镀膜中,引入某些活性反应气体与溅射粒子进行化学反应,生成不同于靶材的化合物薄膜。例如通过在O2中溅射反应制备氧化物薄膜,在N2或HH3中制备氮化物薄膜,在C2H2或CH4中制备碳化物薄膜等。
如同蒸发一样,反应过程基本上发生在基板表面,气相反应几乎可以忽略,在靶面同时存在着溅射和反应生成化合物的两个过程:溅射速率大于化合物生成速率,靶可能处于金属溅射状态;相反,如果反应气体压强增加或金属溅射速率较小,则靶处于反应生成化合物速率超过溅射速率而使溅射过程停止。这一机理有三种可能,即:①靶表面生成化合物,其溅射速率比金属低得多;②化合物的二次电子发射比金属大得多,更多离子能量用于产生和加速二次电子;③反应气体离子溅射速率低于Ar+溅射速率。为了解决这一问题,可以将反应气体和溅射气体分别送至基板和靶附近,以形成压力梯度。
反应溅射的过程如图1-27所示。一般反应气体有O2、N2、CH4、CO2、H2S等,一般反应溅射的气压都很低,气相反应不显著。但是,等离子体中流通电流很高,对反应气体的分解、激发和电离起着重要作用。因而使反应溅射中产生强大的由载能游离原子团组成的粒子流,与溅射出来的靶原子从阴极靶流向基片,在基片上克服薄膜生成的激活能而生成化合物,这就是反应溅射的主要机理。
图1-27 反应溅射过程示意
在很多情况下,只要改变溅射时反应气体与惰性气体的比例,就可改变薄膜性质,如可使薄膜由金属→导体→非金属。图1-28示出了钽膜特性与氮气掺入量的关系,随着氮气分压的增加,薄膜结构改变,并且电阻率也随之变化。
图1-28 反应溅射镀膜中,钽膜特性与氮掺入量的关系曲线
反应溅射中的靶材可以是纯金属,也可以是化合物。反应溅射也可采用磁控溅射。反应磁控溅射制备化合物薄膜具有以下优点:①有利于制备高纯度薄膜;②通过改变工艺参数,可制备化学配比和非化学配比的化合物薄膜,从而可调控薄膜特性;③基板温度低,选择范围大;④镀膜面积大、均匀,有利于工业化生产。
一般制备化合物膜的技术有:直流反应磁控溅射,它适合溅射金属靶材合成某些化合物薄膜或溅射高阻靶形成化合物薄膜;射频反应溅射适合于溅射绝缘靶合成化合物薄膜。直流反应磁控溅射与射频反应溅射相比,具有反应溅射不稳定,工艺过程难以控制,溅射速率低等不足。而射频溅射匹配困难,要防止射频泄漏,电源功率不能大(10~15kW),溅射速率低。
现在,反应溅射已经应用到许多领域,如建筑镀膜玻璃中的ZnO,SnO2,TiO2,SiO2等;电子工业中使用的透明导电膜ITO膜和ZAO膜,SiO2,Si3O4,Al2O3等钝化膜、隔离膜;光化学工业中的TiO2,SiO2,Ta2O5等。
以上我们介绍了蒸发镀膜和溅射镀膜,这两种镀膜方式各有特点,表1-6对这两种镀膜方法的原理及特点作了较为详尽的对比。
表1-6 溅射与蒸发方法的原理及特性比较