第六章PVD工序
6.1 PVD工艺的目的
溅射法利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底——玻璃基板，从而沉积在基板表面形成薄膜。 在上述薄膜沉积的过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的放电现象密切相关。 6.2 PVD工艺的基本原理
6.2.1 气体放电现象
在介绍PVD工艺原理之前，首先简单讨论一下气体放电过程。设有如下图那样的一个直
流气体放电体系。
开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。
随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）；
汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。汤生放电后期称为电晕放电。 辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。
弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度
大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。
6.2.2 溅射沉积装置
6.2.2.1 直流溅射
直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适用于导电性较好各类合金薄膜。
在对系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和可以独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极—靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。
6.2.2.2 射频溅射
使用直流溅射方法可以很方便地溅射沉积各类合金薄膜，但这一方法的前提之一是靶材应具有较好的导电性，要用直流溅射方法溅射导电性较差的非金属靶材，就需要大幅度地提高直流溅射电源的电压，以弥补靶材导电性不足引起的电压降。
射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。两极间接上射频
（5~30MHz，国际上多采用美国联邦通讯委员会（FCC）建议的13.56MHz）电源后，两极
间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下（10Pa左右）产生二
次电子来维持放电过程，沉积速率也因此时气体散射少而较二极溅射为高。
6.2.2.3 磁控溅射
相对于蒸发沉积来说，一般的溅射沉积方法具有两个缺点。第一，溅射方法沉积薄膜的沉
6.3.1溅射设备构成图
离子的生成付着强度、膜厚分布、段差被覆性
6.3.2溅射的特性
●付着强度高。被溅射出的原子以～50eV的能量入射，并沉积在基板上。
由于溅射气压低，被溅射出的原子出射方向性强，对基板上斜坡区域被覆性好。
●比较容易获得均匀分布的薄膜，适用于大面积成膜。
●可以使用合金靶材，容易控制沉积合金膜。
●没有阴极设置方向的制约。
●容易实现设备枚叶化布局。这样的设备成膜再现性能好，可以对时间，功率进行控制，
靶材更换频率低，适合量产。
6.3.3不同的溅射方法
受重力影响的Particle一般粒径比较大，1微米以下的颗粒主要受气体运动的影响。考虑到PARTICLE跌落到基板引起不良的可能性，目前一般使用平行溅射的方法。
6.3.4真空腔及排气系統
6.3.4.1真空的目的：
1.防止阴极，靶材的氧化及不纯物的影响。
2.保持气体导入时低压放电。
6.3.4.2排气系统
●一般使用两级组合泵
●初级泵一般使用干泵，将压力由大气压抽到一定的真空度
●次级泵可以使用低温泵、分子泵等，他们在腔体达到一定的真空度后启动，将腔体抽到更
高的真空度。
●为了控制气体压力、有时也使用电磁阀。
6.3.4.3真空腔的材料
为了防止腔体材料自身放出气体，真空腔一般使用SUS304、铝合金等材料制作。
6.3.4.4维持真空的技巧
不断与Ar碰撞而产生浓密度的等离子。
6.3.7磁控阴极的种类
固定永久磁铁，磁控阴极。电磁铁，磁控阴极。回转永久磁铁，磁控阴极。
6.3.8.阴极及溅射法分类溅射方式（RF和DC溅射)
RF溅射
●对SiO2等绝缘膜的溅射也可进行。
●使用同一功率、与DC相比溅射速度约为一半。
●需要功率匹配箱、机构比较复杂。
●通常用13.56MHz的高周波电源。
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