反应性射频磁控溅镀原理.PDF

反應性射頻磁控濺鍍原理 濺鍍（sputtering ）製程是使用電漿（plasma ）對靶材進行離子轟擊（ion bombardment ），將靶材表面的原子撞擊出來。這些原子以氣體分子型式發射出 來，並到達所要沉積的基板上，再經過附著、吸附、表面遷徙、成核等過程之後， 在基板上成長形成薄膜。 1. 電漿之理論 電漿是指由諸多離子、電子、分子、及原子團所組成的部份離子化氣體[64] 電漿的產生可經由在低壓下（l00mTorr~數個Torr之間）對兩個電極之間施加高 電壓，而在兩電極之間形成一個高電場。兩電極板之間帶正電荷的氣態離子藉著 此一電場而加速前往帶負電的電極板面上轟擊，因此會產生很多不同的粒子，其 中包含了二次電子。而這些遭轟擊出來的二次電子也在電場加速下，往帶正電的 電極板方向前進，在途中，將會與電極板之間的其他氣態粒子產生多次的碰撞， 產生解離、激發或離子化的反應。因離子化反應的離子將如前述一樣，在電場的 加速下，獲得極大的能量，而對陰極板板面進行轟擊，而產生二次電子。因此， 此時兩電極板之間離子與電子的關係，就此綿綿不絕的延續下去，類似崩潰 （breakdown ）的連鎖反應使得在低壓氣氛下產生大量的離子與電子而形成電漿 態。電漿內包含了帶正電的離子、帶負電的電子與中性原子，故永遠保持在電中 性的狀態。 利用此原理，於真空之腔體通入惰性氣體氬（Ar ），且在兩個電極板間（陰 極加在靶材，陽極加在基板）加上高壓直流電源，可將膜沉積於基板上。 2. 磁控濺鍍原理 若在濺鍍設備加裝磁控裝置，藉著磁場與電場間的電磁效應，所產生的電磁 力，將會影響電漿內電子的移動 ，使得電子將進行螺旋式的運動。由於磁場的介 入，電子將不再是以直線的方式前進。螺旋式的運動 ，使得電子從電漿裡消失前 所行經的距離拉長，因此增加電子與氣體分子間的碰撞次數，而使得氣體分子離 子化的機率大增 ，便有更多的離子撞擊靶材，濺射出更多的粒子沉積於基板上， 因此磁控裝置可提昇濺鍍的沉積速率，如圖2-7所示。 圖2-7 磁控濺鍍示意圖。 3. 射頻濺鍍 射頻濺射鍍膜系統（RF sputtering system ）基本上是使用真空抽氣設備，將 真空室（chamber ）抽至高真空環境中，然後充入工作氣體（working gas ）於真 空室內，工作氣體一般是氬氣，藉著互相對應的陰極（靶材）和陽極（基板和真 空室壁），施加頻率13.56MHz的交流電壓於此系統內．使得真空室內產生電漿， 由於自生偏壓（self-bias ）效應，電漿中的正離子受到負電壓吸引加速，具有高 能量後，轟擊陰極靶材表面，將離子動量轉移給靶材原子，靶材原子獲得動量後 逸出靶材表面，附著於基板上。簡單地說，就是將交流電壓輸人真空系統中．進 行濺擊於靶材的薄膜製鍍工作。 在功能上，射頻濺射鍍膜系統與直流濺射鍍膜系統的目的是一樣，就是 進行製鍍薄膜功能，但直流鍍膜濺射系統只能進行金屬薄膜製鍍，射頻濺射鍍膜 系統不論金屬薄膜或介電薄膜均可進行製鍍，原因在於直流濺射鍍膜系統會有正 電荷累積在介電質靶材上的問題，而射頻濺射鍍膜系統使用交流電源．正負電壓 互相切換，電子會受到正電壓的吸引往靶材方向移動，在靶材上中和正電荷，解 決正電荷累積在介質靶材上的問題，所以射頻濺射鍍膜系統可進行介電質薄膜的 鍍製工作。 4. 反應性濺鍍 由於在濺鍍化合物薄膜時，若直接以化合物當作靶材，則所濺鍍出來的薄膜 會與靶材成份有所差別，且因為不同物質被離子擊出的濺擊產額不同，因此不容 易控制化合物的成份組成與性質。為了得到優異品質的化合物薄膜，通常在濺鍍 金屬靶時，通入與被濺射出物質反應的氣體，在基板上相互反應生成所需的化合 物薄膜，此種濺鍍系統稱為反應性濺鍍。如果所通入的氣體含量剛好足夠與濺射 出的原子進行反應，使得在靶材表面甚少形成化合物，則有利濺射的進行。相反 地，如果通入過量的氣體，則不僅在基板上與濺射出的原子進行反應，也會在靶 面上與靶材反應生成化合物。如圖2-8所示。因此大幅降低濺射速率，適當的控 制反應氣體分壓，將有助於濺鍍率的提昇。 圖2-8 反應性濺鍍示意圖。