真空溅射镀膜-讲义.pptx

真空溅射镀膜溅射镀膜之必要制程可分三大项，即：
真空排气（Pumping）
气体导入（Gasintroducing）
放电（Discharge）

1.真空排气
如一般之真空系统，可使用油扩散真空帮浦（Oildiffusionpump），涡轮分子真空帮浦（Turbomoleularpump）等高真空排气装置，配合油回转帮浦（Oilrotarypump），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。
2.气体导入
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（Outgas）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（MassFlowController）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（一般约在0.2Torr以下）。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。
3.放电
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。而靶材与阴极屏蔽（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。

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
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与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负辉区进行大量碰撞电离。高能电子进行多次碰撞电离之后，其能量大量消耗即转化为低能电子。低能电子的能量不足以产生碰撞电离，但还可以激励气体原子产生能级跳迁，使其发出辉光。最后，