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直流溅射镀膜原理解析

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直流溅射镀膜装置是由阴极与阳极组成的,顾名思义,采用直流电,又因为是在阴极的靶上加副高压,所以又叫阴极溅射。直流溅射的靶材是导体,放电的工作气体是氩气,现在以直流二极溅射为例来讨论其原理和过程。

它的基本工作条件是为阴极靶提供正离子轰击。由于阴极暗区有几乎全部极间的电位差,正离子以高速轰击阴极靶时,从靶面上发出的二次电子进入阴极暗区,被加速,在其被加速有一定能量后,又被称为一次电子。一次电子在与气体原子碰撞时会产生正离子,维持放电继续进行,随碰撞一次电子能量会消失,最终被阳极吸收。被正离子轰击出来的靶材粒子会沉积到基片上成膜,也可能返回阴极的靶材表面上。因此,二极溅射放电形成的电回路是新气体放电产生的一次电子飞向阳极,正离子飞向阴极形成的。放电则是由正离子轰击阴极时所产生的二次电子经阴极暗区加速后去补充一次电子的消耗来维持的,可见二极溅射成膜过程是通过以溅射效应为手段,电离效应为条件,并通过沉积效应而达到的。

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因为氩气的工作压力与溅射速率及膜层的质量有着密切关系,所以,氩气工作压力的选择极为重要。氩气工作压力低时,电子的平均自由程长,电子在阳极上消失的概率大,从而使气体分子与电子的碰撞概率降低,又使离子溅射在阴极上发射出来的二次电子减少,。种种原因,使低压下溅射率下降。当气体压力高时,会使部分散射原子返回靶材表面,降低靶材沉积到基片上的概率。所以,在直流溅射过程中随工作气体的压力变化,其沉积速率会有一个最大值。同时,因为基片过于接近靶阴极时会出现放电流急剧下降,因此,有关文献给出靶基距应大于极中及暗区的3~4倍。

为了克服二极溅射的缺点如气体工作压力过高,在直流二极溅射的基础上加一个发射热电子的热阴极,构成三极溅射装置。因为其发射热电子能力强,所以可适当降低放电电压。这可以提高沉积速度减少气体杂质的污染。而且三极溅射解决了二级溅射中靶电压靶电流及工作气体压力之间相互约束的问题,但三极溅射也有其缺点,其热阴极发射的热电子流不稳定,使其放电电流不稳定,而且,其电子轴的轴向离子密度不均会引起膜层厚度不均,所以可以在其基础上增加稳定电极,使其成为四极溅射。

直流偏压溅射相对二极溅射在基片上增加了固定的直流负偏压,清除可能进入薄膜表面上的气体及附着力小的气体,还可以在沉积工艺之前对基片进行轰击净化表面,即可以提高膜层的纯度,又可以改变膜结构。但应选择正确的偏压值,来保证膜纯度。