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      濺射沉積源有哪些?

      直流二極管濺射

      最簡單和最古老的濺射沉積源是直流二極管。 兩個電極通常相互平行,間隔 4 到 8 厘米,基板放置在陽極上,如圖 31.2 所示。 施加的電勢通常為 1000 至 3000 V dc,氬氣壓力約為 0.075 至 0.12 托。 直流二極管配置具有重要的缺點,包括沉積速率低(金屬約為 400 o/min)、工作氣體壓力高、靶材僅限于電導體,以及等離子體電子轟擊基板,導致基板發熱。 接下來討論的陰極系統可用于提高直流二極管的性能。

      圖 31.4 三極管濺射工藝示意圖。 (由 W. H. Brady Co. 提供)


      三極管濺射

      加熱燈絲(圖 31.4)用作放電的輔助電子源; 一個外部磁鐵也可以用來限制電子和增加隔離概率。 三極管可以產生在較低的壓力下(0.5 到1 × 10–3 torr)和電壓(50 到 100 V)。 三極管的用處受到了困難的限制放大到較大的陰極尺寸和發射器燈絲被腔室氣體腐蝕。

      射頻濺射

      非導電材料不能直接用施加的直流電壓濺射,因為正目標表面上的電荷積累。如果施加足夠高頻率的交流電勢,則產生有效的負偏壓,使得到達目標的電子數量而它是正的等于在它是負的時候到達的離子的數量。因為質量電子相對于存在的離子非常小,目標僅在很短的時間內呈陽性,并且射頻二極管的沉積速率幾乎等同于直流二極管。這種產生的負偏差允許濺射絕緣靶材。大多數實際應用中使用的頻率通常為 13.56MHz,由聯邦通信委員會分配給工業用途的無線電頻段。射頻濺射允許絕緣體以及導體和半導體沉積相同的設備,也允許在較低壓力下進行濺射(5 到 15 × 10-3 托)。一個專業射頻濺射的缺點是需要電磁屏蔽來阻擋射頻輻射。此外,該實現諧振射頻網絡所需的電源、匹配網絡和其他組件非常復雜。

      磁控濺射

      磁控管陰極本質上是一個磁增強二極管。磁場用于形成一個電子陷阱,它與陰極表面一起限制 E × B(電場強度× 磁通密度)電子漂移電流到目標表面上的閉環路徑。這種“跑道”有效地增加了等離子體中每個電子的電離碰撞次數。磁性的目標附近的限制導致在較低壓力下可獲得更高的電流密度(10-3 到 10-2torr),幾乎與電壓無關。這種陰極操作方式被描述為磁控管模式并且能夠以更少的電子提供更高的沉積速率(直流二極管的 10 倍)轟擊基材,因此加熱較少。影響沉積速率的因素是功率靶材上的密度、腐蝕面積、到襯底的距離、靶材、濺射產量和氣壓。直流通常用于磁控濺射,但射頻可用于絕緣體或半導體。什么時候濺射磁性材料,通常需要更薄的靶材以保持足夠的磁場高于目標表面的強度。三種最常見的磁控管陰極設計,如下所述,如圖 31.5 所示。



      圖 31.5 從左上角順時針方向:平面磁控管、槍型磁控管和圓柱形后磁控濺射源。


      1、平面磁控管

      一組永磁體放置在平面、圓形或矩形目標后面。 磁鐵是布置成使得磁場線平行于目標表面的區域形成閉合在表面上循環。 圍繞這個環,磁場線通常進入目標,垂直于其表面。 這會在目標上產生細長的電子跑道和侵蝕圖案表面。 由于靶材侵蝕的不均勻性,靶材的利用率很低,通常26% 到 45%。 這也導致在固定目標上的不均勻沉積。 均勻性由基板運動,通常是線性或行星運動,結合均勻孔徑屏蔽。 平面磁控管陰極通常在 300 至 700 V 下工作,提供 4 至 60mA/cm2 的電流密度或 1 至 36 W/cm2 的功率密度。

      沉積速率通常與傳遞到目標的功率成正比。 這種力量的很大一部分被耗散為目標加熱。 限制磁控管沉積速率的主要因素是可以施加在目標上而不會使其熔化、破裂或變形的能量。 這是由陰極水冷設計,以及靶材、背板和靶材的導熱系數它們之間的接口。 平面磁控管陰極已在生產應用中擴大規模長達數米,是一種重要的工業涂裝工具。

      2、圓柱形磁控管

      圓柱形陰極設計的兩種變體可用于涂覆大表面積:圓柱形柱磁控管,從中心柱靶向外濺射,圓柱形空心或倒置磁控管,它在圓柱形靶材的內壁上有靶材腐蝕。 操作參數是類似于平面磁控管。 E × B 電流通過繞柱或圓柱體自行閉合。通常使用靜電或磁性遏制來最大限度地減少端部損耗。 侵蝕是均勻的柱子或氣缸內部。 這可以實現相當均勻的涂層,而無需基材移動。空心陰極在涂覆復雜形狀的物體時特別有效。 另一個圓柱形陰極,可旋轉磁控管,使用類似于平面磁控管的磁體陣列并旋轉目標或磁鐵以獲得均勻的腐蝕。

      3、環形或槍式磁控管

      環形或槍式磁控管源包括一個圓形陰極和一個位于中心的同心陽極。與其他磁控管一樣,只需很少的基板加熱即可實現高沉積速率。 由于圓形設計,行星基板運動是沉積均勻性所必需的。 這種設計廣泛用于小規模應用,但尚未擴大到更大的尺寸。 這些數組陰極已被用于大面積涂層。

      光束濺射

      與輝光放電相反,可以使用單獨的離子束源(圖 31.6)來腐蝕目標的表面。 可以控制離子束的能量、方向和電流密度獨立,并且可以在低于其他濺射沉積的背景壓力下工作使用的方法。 有時可以使用離子束沉積獲得獨特的薄膜特性,有點通常僅限于覆蓋相當小的區域和較低的沉積率。

      圖 31.6 離子束濺射源示意圖,顯示靶材和靶材的相對位置基質。

      圖 31.7 反應濺射設備的示意圖。

      反應濺射

      氬氣通常用作濺射沉積工藝中的工作氣體。它是相對惰性的,是僅當被捕獲或嵌入其表面時才結合在生長膜中。其他更具反應性的諸如水蒸氣、氧氣和氮氣之類的氣體通常存在于沉積室中水平污染物,已從基板、靶材和腔室壁排出。這些氣體可以通過與襯底上的凝聚原子反應而結合到生長膜中表面,形成少量的氧化物、亞硝酸鹽、碳化物和濺射材料的其他類似化合物。

      在反應濺射中,有意將氣體引入沉積室以完全與形成的薄膜反應。氣體歧管系統(圖 31.7)通常用于提供均勻的反應氣體在基板上的分布,并最大限度地減少目標表面的反應氣體。

      反應濺射是一個非常非線性的過程。基板上的生長膜就像吸氣劑將反應氣體泵至形成化學計量化合物的壓力。在這點,襯底的泵送速率顯著降低,反應氣體壓力增加會議廳。這種氣體可能與靶材表面發生反應,導致沉積速率降低由于化合物的濺射產量較低和其他因素。因此,大多數反應性沉積過程試圖在目標的過渡區域附近工作,其中化學計量化合物在襯底上形成,陰極靶材是金屬的。因此反應濺射允許在直流模式或射頻模式下從簡單的金屬靶材形成化合物。這個過程被廣泛用于沉積氧化物和亞硝酸鹽,例如氧化硅、亞硝酸硅、氮化鈦和氧化銦錫。

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