8-射频溅射技术

实验十四 高频溅射技术 一、引言 溅射就是利用气体放电中的高能粒子（正离子或原子）轰击固体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，使某些表面原子 从其中逸出的现象。 溅射的基本原理是动量传递。当高能粒子轰击靶子表面时，就把能量传递给轰击区的表 面，使靶子表面原子获得很高的能量而由靶中逸出。就一级近似而言，虽然靶子表面被均匀 地剥掉一层，但化学成分并不因粒子束的轰击而改变。 溅射技术已在薄膜沉积和非化学蚀刻中得到了广泛的应用。在沉积薄膜时，靶子就是要 沉积的物质，放电粒子的动量传递使原子离开靶面而沉积在靶子附近的衬底上形成薄膜。蚀 刻时，作为靶子的则是要蚀刻的表面。 已经采用过的溅射方法有多种，一般地是所谓的直流溅射，但它只能用于沉积金属或导 电薄膜而不适用于制备绝缘体薄膜，原因是轰击离子的正电荷不能被及时中和，大部分电荷 因此而集中在两端绝缘体上，留在气体中的很少，这样无论离子的到达速率还是离子的能量， 都不足以造成明显的溅射。也就是说，当正离子轰击到靶子表面时把动能传递给靶面，但正 离子本身却留在了靶面上并聚集起来，这些正电荷所产生的电场排斥后面射向靶面的离子， 从而迫使溅射停止。为了溅射绝缘体材料，通常采用高频溅射技术，利用正离子和电子对靶 面的轮番轰击而中和离子的电荷，从而使溅射得以持续进行。 理论上，高频溅射技术可以用来沉积任何物质（导电和非导电）的薄膜，这种多面性是 它区别于其他沉积方法的主要优点。高频溅射的另一个主要应用是作为广泛的非化学蚀刻技 术。 二、高频溅射原理 1、高频辉光放电和等离子层的形成 采用高频溅射时，为了获得高能量的射向靶面的正离子流，置于放电中的靶子的表面必 须有较高的负电位，这种负电位来源于所加的高频电场与等离子区中固体表面的伏安特性间 的相互作用。 当把一个随时间变化的电位加于靶子背面的金属电极时，通过靶子的阻抗，在靶子的正 面也会出现另一个随时间变化的电位。气体在高压下一经被击穿开始放电时，电流就从等离 子区流向靶面，电子强度的大小取决于等离子区的伏安特性（图 14.1(a)）。因为等离子区中 的电子运动速度比离子的高的多，所以射向靶面的电子流最初比离子流强的多，靶面因此将 得到负电荷，直到靶面电位降到使抵达靶面的净电荷等于零为止，这时靶面便获得一个稳定 负电位。 假定靶面的直流电位保持恒定，交流电位在等离子区随时间而变化，那么过剩的电子流 就会始终不断的射向靶面。因为没有净电荷通过靶子（即到达靶面的正离子流量和过剩电子 流量相等），所以靶子的净直流电流必定为零。这就是说靶面电位至多只能稍微变正，其负 峰值必须是近似于所加高频电位正负峰间的幅值。 图 14.2(a)表示随时间变化的靶子电位。由于鞭子电位相对于等离子区为负，所以迫使 电子离开靶面，结果在靶面附近形成肉眼可见的暗区―正离子区，正离子区的电位随靶面而 变化图 14.2(b)，离子区中的正离子由于靶面负电位的吸引而趋向靶子，其能量分布近似于 正弦函数，平均值略低于所加信号峰值，波形稍受截削。 为使图 14.2(b)所示的稍正的靶子电位减至最小（即防止靶面上过剩的正电荷聚集）， 施加的电位须有很高的频率，因为在低频率下，正离子能很好的跟踪所加的信号，图 14.1中伏安特性曲线趋向直线。这时，正离子将会聚集在靶面上，从而使离子的平均能量显 著降低，以至难以持续进行有效的溅射。因此从电荷聚集这点来看，应有尽可能高的频率（但 频率不能增高至微波段，因为图 14.1的等离子区伏安特性曲线对微波段是不适用的）。 2、溅射气体和反应溅射 溅射气体通常是根据以下三点选择的：（a）必须对被溅射的材料呈惰性；（b）必须具有 高的溅射速率；(c)要易于得到高纯度，而且价格便宜。因为氩气最接近于满足上述要求， 所以通常都选用氩气作为溅射气体。 由于脱离靶面的物质处于高能态（2－10eV），极易参加化学反应和被吸收，因此，如 要沉积纯靶面物质薄膜时，必须把所有活性气体从溅射系统中排除出去，同时还要确保靶面 清洁及靶面同体材料的化学成分的一致。 有意识的把反应气体引入溅射气体中以改变和控制沉积薄膜成分的方法称为反应溅射。 利用这种技术，可沉积各种绝缘体、半导体和各种金属化合物薄膜。在溅射气体中掺入氧、 氮、甲烷或一氧化氮、硫化氮等已制备出了氧化物、氮化物、碳化物和硫化物薄膜。还利用 溅射气体掺氢的方法制备了非晶硅氢合金薄膜。虽然可以采用纯的反应气体，但通常还是将 惰性气体与少量反应气体混合使用。在沉积绝缘体薄膜时，这种方法更是优越，因为若反应 气体的浓度很高，则阴极表面将被绝缘体的化合物所覆盖，从而显著降低溅射速率。 在很多情况下，可以简单的通过改变放电中反应气体和惰性气体的比例而使沉积薄膜的 性质发生很大的变化，这已成为目前制造电路薄膜的最重要的工艺之一，因为它能对薄膜的 特性进行必要地控制并提供灵活性。为了得到任何特定性质的薄膜，放电中所需要的反应气 体和惰性气体的比例取决于许多因素，其中最重要的有： （1）沉积速率，薄膜的沉积速率应与反应气体相适应。确切地说在其他条件相同的条件 下，薄膜沉积越快需要的反应气体越多，这样才能使所需要的薄膜特性保持一致。 （2）系统的总气体通过量，由于在溅射中反应气体被迅速吸收，因此若系统的总压力保 持一定，反应气体所占的百分比将随气体通过量的增加而降低。 （3）溅射过程中的总压力，用于沉积薄膜的反应气体含量必须加以控制。若溅射总压力 改变，为了保证同一薄膜性质，反应气体的含量亦需改变 。一般地说，当总压力增加时， 反应气体的浓度必须降低。 根据上述因素，为了得到特定性质的薄膜，一个重要条件是必须保持薄膜沉积速率和反 应气体到达衬底的速率比恒定不变。 3、溅射系数 溅射原子数与轰击离子数之比，称为溅射系数。 溅射系数不仅取决于轰击离子的能量，同时也取决于其质量（即溅射系数与轰击离子的 原子序数有关）。随着离子质量的增大溅射系数保持总体上的上升趋势，但其中也有与周期 表的周期相吻合的起伏现象。值得注意的是最大溅射系数总是出现在代表稀有气体的位置 上。迄今为止，对于上述周期性尚无充分地理论根据加以解释。 图 14.3 是溅射系数与轰击离子能量之间的典型关系曲线。这一曲线可分为三部分：第 一部分为没有或几乎没有溅射的低压区域；第二部分，离子能量为 70至 104 eV，这是溅射 系数随电压增大的区域，大部分研究工作集中在这一区域；第三部分离子能量为 3×104 eV 以上，这时溅射系数随电压上升而下降，这种下降被认为是由于此时的离子轰击深入到了靶 子体内，因而将大部分能量损失在体内而不是在表面的缘故。轰击离子越重，出现这种下降 的能量就越高。 因为溅射的确切机理随着靶子材料的不同而有所差异，所以溅射系数和靶子材料之间的 关系也是极为重要且又相当复杂的。就一般而论，因放电产生的高能正离子将动量传给靶子 表面，会引起靶面的分裂，所以，靶子的弹性常数和靶子材料中原子键或分子键的强度是很 重要的参数。 实验证明，单金属的溅射速率最高，合金的溅射速率低于组成合金的相关金属。对于绝 缘体来说，非晶体（如玻璃）的沉积速率需最高，而复合晶体（如 BaTiO2等）的沉积速率 最低，单晶体（如氧化铝）的沉积速率在二者之间。迄今二氧化硅的沉积速率高于所有用于 溅射的任何一种玻璃。 4、沉积速率 影响沉积速率的因素很多，如靶子材料、溅射气体（一种或几种）、气体压力、放电参 数（包括接地的质量）、磁场、靶子与衬底的间隔、靶子面积以及衬底温度等。 （1）放电参数（高频电压、电流和功率） 图 14.4表示二氧化硅的沉积速率与高频电压、电流和功率三者之间的关系。图中的电流、 电压和功率各值仅限于放电本身，并不包括系统中其他部分的损耗。显然共振条件下的均方 根值功率是溅射过程中最简单和最容易监控的参数。 从图 14.4中也可看出，要达到最高的沉积速率，应采用最大可触电流。虽然这一结论一 般是正确的，但在大多数实际应用中可利用的功率并不能无限增大。既能增加电流又不增加 电压的唯一途径是增大等离子体的压力。 此外还应指出，若能提供一种理想的接地回路，沉积速率会更高一些。 （2）气体压力 实验发现，不管采用何种溅射气体，在 2×10－3到 1.5×10－2Torr 的压力范围内，沉积 速率保持恒定，压力在增高，沉积速率迅速下降（图 14.5）。这是因为虽然轰击离子的浓度 随压力而增高，但溅射出来的物质的平均自由程却随压力的增加而减小，从而使溅射原子通 过扩散返回靶面的几率也随之增加。在沉积速率恒定的范围内，这些对立因素互相抵消。 （3）磁场效应 垂直于靶面的磁场将产生一系列的效应。首先放电电子被迫沿着螺旋型轨道运动，轨道 的半径由下式给出， eB sinvmR 0 (1) 式中 m0是电子质量，v是电子速度，e是电子电荷，φ是电子的发射角，B是磁感应强度， v和 φ在高频放电中变化很大，R因此在一定范围内变化。但磁场的净效应是增大电子轨道， 这样就增加了离子化碰撞的机会，因而获得较高的离子浓度。较高的离子浓度导致高的沉积 速率（图 14.6）。 其次，较高的磁场也能使我们以较低的气体压力和较小的靶子－衬底间隔来维持放电。 最后，磁场引起放电的紊乱现象将提高大面积衬底上薄膜厚度的均匀性，这可能是由于 磁场使溅射出来的物质稍有散射之故。 当衬底和砺磁线圈的中心线重合时，就可获得最高的沉积速率和最均匀的薄膜厚度。 （4）靶子－衬底的间隔 沉积速率和靶子－衬底间隔的关系在适用的各种间隔范围内大致上是线性的。从图 14.7 中可清楚的看出，间隔不能小于或等于离子层的厚度，否则就不会发生放电或无法维持放电。 在压力约为 1.5×10－2Torr 下，间隔缩至 2.2cm 时仍能保持放电，但却不易控制。大多数情 况下，合理的间隔约为 2.5至 3.0cm，这样即使使用活性气体，也能容易地控制放电参数。 另外，溅射系统中任何部件如过于靠近靶子都将影响辉光放电特性，从而严重降低沉积 速率和影响沉积薄膜地厚度分布。 （5）靶子面积 如图 14.8所示,沉积速率是靶子面积的 3/2次方的函数,这是从下面两点分别推定的。第 一，如果靶子厚度为一定值，靶子阻抗与面积成反比，因此放电功率随着面积的增大而升高。 第二，从靶子溅射出来物质，其发射角度从接近 0 到 90 不等。对于小靶子来说，以小角 度溅射出来的物质不能到达衬底，而是被收集在溅射系统钟罩壁上。随着靶子面积的增大， 以小角度溅射出来物质是按半球形分布的，因而取决于该效应的沉积速率与靶子半径成正 比。结合以上几点，沉积速率应与（面积）3/2或（半径）3成正比。 此外，薄膜厚度的均匀性在很大程度上 也取决于靶子面积。在与靶子同心的那一部分， 发现薄膜厚度的均匀性在 5％以内。 （6）衬底温度 在沉积过程中，加热衬底会降低沉积速率，挥发性物质尤为显著。溅射出来的物质到达 衬底时能量是相当高的，因而使衬底温度上升。如果再加热衬底，就会发生衬底的升华，结 果降低净沉积速率。 另外，沉积薄膜的结构与特性在很大程度上也取决于沉积速率和衬底温度。例如，a-Si:H 薄膜中的氢含量和 Si-H键合方式与沉积速率和衬底温度就有很大的关系。 5、合金沉积 利用溅射技术制造合金薄膜较之蒸发法有若干优点。溅射薄膜的化学成分通常与溅射阴 极（靶材）相同，至少在经过某一短暂的平衡时间后将是如此。即使靶材合金的各种成分具 有显著不同的溅射系数，情况也是这样。原因在于经过一段时间，待溅射速率最高的成分优 先溅射以后，靶材表面将富于其他成分，直至达到稳定的表面成分为止。在达到这种状态以 后，溅射薄膜的成分将与阴极相同。但在蒸发的情况下，由于蒸发源的高温可使物质分子从 体内迅速扩散到表面而看不到这种结果。当然，若采用极高的阴极温度，形成迅速的体扩散， 则溅射薄膜的成分将不再与阴极相同。 用溅射法制造合金薄膜的另一种方法是在放电中利用多个等电位的阴极以单独的物质直 接合成。阴极的有关区域可以恰当的安排，从而得到几乎任意的成分。把少量的一种金属掺 入另一种金属简单技术是使前者制成的金属丝穿过后者制成的阴极，如要掺入较大的分量， 则第二种金属可制成条带或园片，附在或镀在阴极上。在采用这种合金沉积法时合金薄膜的 成分可以根据各个阴极的面积比及其溅射系数估计出来（只要知道这些系数在所用气体和溅 射气压下的具体数值）。两种薄膜成分之比可用下式表示， 22 11 2 1 rA rA N N  （2） 式中 N代表原子数，A为阴极面积，r为溅射系数，下标表示有两种合金成分。 还有一种方法是阴极利用独立的电源，在沉积过程中通过改变加到每一个阴极上的电 压可以得到各种不同的合金成分。 三、高频溅射设备 高频溅射设备一般由以下几部分组成： 1、高频振荡器 一般的高频振荡器都可用于溅射，但振荡器必须包括一个阻抗匹配网络，以使溅射系 统能够调谐到共振而在放电时得到最大的功率转移。采用双调谐变压器耦合输出是合适的， 因为它可以略微超过临界耦合。 如果放电机理是唯一的考虑因素，则希望有尽可能高的频率。对于电介质靶子，也要 求高的频率使靶子的串联容抗减至最低。但是，要将高频率溅射系统的衰减效应降至最低的 话，又要求低的工作频率。另外，如果频率很高的话，极难做到合适的接地回路，一个良好 的折衷频率范围是 10－20兆。要想获得最佳性能，最好采用可调频率振荡器，这样任何一 种系统都能得到最合适的频率。振荡器所需的输出功率取决于靶子的大小和系统中功率的损 耗。 北京仪器厂生产的 JS－450A 型射频溅射设备的振荡器是哈特莱电感三点式振荡器。 这种振荡器起振容易，调整方便，在栅极中附有防止寄生振荡的电阻，高频能量的输出是由 线圈耦合经真空可变电阻器调节而达到全谐振（即板流最大，栅流最小），并经同轴电缆输 送到匹配器。 2、高频电极、靶子和衬底支座 高频电极用无氧铜制作，中间通水冷却，外面用聚四氟乙烯套绝缘，以高纯铝材料做 屏蔽罩，屏蔽距离用螺纹调节。 靶子的阻抗应尽可能低，表面应平整，且具有较大的面积－厚度比。为了避免尖、棱、 角处过高的电场强度，应尽可能把靶子各棱角做成园角，同时还要使靶子与高频电极间的接 触电阻减到最小。如果靶子是绝缘材料，则其背面应金属化。最好把靶子焊接在高频电极上， 亦可用导电胶与电极表面粘结，但胶层应薄而均匀 衬底支座（工作台）用不锈钢制成，中间可通水冷却。衬底支座可转动而改变靶子与 衬底的相对位置。 3、真空系统 无论用什么气体，真空系统都应有较高的抽气速率和较高的真空度，如果在油系统（扩 散泵和机械泵）采用氧气放电，那么这两种泵必须适合于抽氧气。硅油适用于扩散泵，机械 泵需要抗氧化的油类和特种封蜡。如果不注意这些要点，就可能引起泵的爆炸。 JS－450A型射频溅射设备所用真空系统由 XK－2000A型机组组成。机械泵的抽速为 8L/s，极限真空度为 5×10－4Torr。油扩散泵的抽速为 1500 L/s，极限真空度为 5×10－7 Torr。 整个机组的极限真空度约为 3×10－7 Torr。 高真空测量用电力硅管，低真空测量用热偶硅管。 4、充气系统 JS－450A 射频溅射设备的重启系统主要由灌气阀、微调充气阀、磁力充气阀、三个 气罐、气体纯化装置以及真空压力表等组成。 外界气体由气瓶经减压阀后分别由两个灌气阀进入“Ι”气罐和“ΙΙ”气罐，其气压由 真空压力表指示（充气前其气罐内腔应抽成高真空）。这两个气罐内部都有过滤装置，将过 滤的气体再由另外的灌气阀充入“Ι＋ΙΙ”气罐。在该气罐内可使溅射气体（氩气）和其他反 应气体按比例混合，气体经气体纯化装置后由微调充气阀和磁力充气阀充入溅射室。 四、用高频溅射阀沉积非晶态半导体薄膜 高频溅射法是制备非晶态半导体薄膜的重要方法之一，其工艺要点如下： 1、衬底的清洁处理 衬底上的污染物，不仅会严重影响沉积薄膜的性能和质量，而且会大大降低沉积薄膜 与衬底间的附着力。所以衬底在沉积前必须做彻底的清洁处理。 衬底的清洁处理方法很多，并因衬底材料的不同而异。对硅衬底来说，可先用有机溶 剂（如丙酮、乙醇之类）除去油污，然后用浓硫酸煮沸一次，用去离子水冲洗干净后，用棉 球沾上有机溶剂擦洗，再用硫酸煮一次，最后用去离子水冲洗并煮沸几次，烘干后即可使用， 如用玻璃衬底，可先用肥皂刷洗，用水冲洗后放在洗液中浸泡数小时，冲净洗液后再用浓硫 酸煮沸一次，最后用去离子水冲洗并煮沸数次，烘干后即可使用。 2、抽真空 （1）开总电源，先给溅射室充大气，充气完毕后关好阀。 （2）升起钟罩，装上靶电极，并调好与工作台之间的距离，观察窗内装上保洁玻璃。 （3）将处理好的衬底安放在工作台件的适当位置，并安装好测温热电偶。 （4）落下钟罩，将低阀置于抽位置，开高阀，接通低真空测量，开机械泵，开始对系统 及溅射室抽低真空，若高阀以下处于真空状态，则先抽溅射室于真空，才能打开高阀。 （5）当真空度达到 5×10－2Torr以后，接通油扩散泵冷却水，并打开扩散泵，直到真空 度到 1×10－5Torr以上。 3、充溅射气体 （1）先将各气罐及管道抽真空，待真空压力表指示于 760Torr，高真空测量达 1×10－ 5Torr后，关好各阀。 （2）将氩气和氢气分别充入“Ι”和“ΙΙ”气灌，直到压力表最大量程的三分之二，即 4Kg/cm2 。 （3）将“Ι”和“ΙΙ”气罐内的氩气和氢气按所需比例充入“Ι＋ΙΙ”气灌，气压达 2 Kg/cm2 。 （4）将操作面板上的“Ι＋ΙΙ”开关拨到“”通位置，然年后面面拧开微调阀向溅射室 充气，直至真空度稳定在 8×10 －3～2×10－2 Torr范围，为保持此真空度稳定，可适当地调 节高阀导通以改善油扩散泵的工作条件，当“Ι＋ΙΙ”气罐内气体低于 1.8Kg/cm2。 4、加高压进行溅射 （1）接通总电源，此时冷却发射管的通风机开始向发射管送风。 （2）加热发射管灯丝加热开关，并旋转“灯丝调节”的调压器手轮，使灯丝电压表示 值为 6V，灯丝余热 5min后，再加大灯丝电压至 12.6V，加热 5min后才可加高压。 （3）加高频、高压进行溅射，加高压前，必须先检查溅射室情况，待气压稳定，射频 电极内循环水流通，同轴电缆与射频电极的连接可靠，靶与衬底情况均良好后，再将“高压 调节”手轮旋至零位，触动限位开关。然后接通高压开关（此时外加磁场线圈的电流也已加 上），并旋转“高压调节”调压器的手轮加高压到所需数值。最后再调节匹配器的真空可变 电容“Ι”和“ΙΙ”，使高频电流表 A1的指示值最小，A2的指示值最大（即谐振点）。观察钟 罩内的高频电极处于辉光放电暗区，这时是在该电压下溅射效果最好的情况（注意尽量不要 电源柜匹配器）。 5、溅射结束 （1）先将“高压调节”的调压器降至零位，然后关闭高压开关。 （2）将“灯丝调节”的调压器降至零位后，关闭灯丝开关。 （3）灯丝电源切断 10min后，关闭总电源开关，停止对发射管送风。