物理气相沉积技术-溅镀镀膜

电浆溅镀(Plasma Sputtering)
电浆溅镀(Plasma Sputtering)是物理气相沉积(PVD)中的一项重要技术,1852年Grove发现溅镀沉积方法后,这个方法就一直被不断的使用及改进,一直延续到今天。
电浆电镀(Plasma Sputtering)主要的原理,是在一个真空腔体内通入氩气(Argon),施加大电压,氩气将发生弧光放电(arc)而变成电浆状态。电浆中的氩气离子(Ar+)会以高速冲向阴极,然后将阴极的钯材原子撞出,钯材原子因为氩离子撞击,飞向正极的基板,然后在基板上,溅镀出一层钯材材料的膜层, 不同于热能的蒸发方法,电浆状态的氩离子冲撞及溅镀钯材材料是主要的机制。
因为氩离子相对于钯材原子的颗粒,也是一个重量很重的粒子,高速的冲击,将可使得钯材粒子获得充分的动能,钯材粒子也高速冲向基板,并且大力的崁入基板中,因此有很好的膜层附着力。它的膜质密度甚至比蒸镀还好。

直流DC溅镀(也称为平面溅镀Planar Diode Sputtering)
将镀膜钯材当成阴极,被镀物基板当成正极。将腔体抽到真空度10-3Pa,加入氩气气体,施加高电压,就会形成电浆状态。电浆中带正电的离子将被加速射向阴极,撞击钯材后,溅出钯材原子飞向基板。因为DC溅镀使用钯材当成阴极,所以钯材必需是金属物质,它无法溅镀氧化物的介质膜材料。
DC溅镀也是最早的溅镀方法。

射频RF溅镀
在DC溅镀中,因为正电荷会累积在阴极(钯材)附近,造成钯材原子飞向基板的屏障,因此需要施加高电压,帮助钯材原子冲破这些屏障。但是施加高电压又容易引起电弧放电(arc),或者高电压也容易伤害钯材及生成膜的表面。1955年,Wehner发明了交换式电流,以13.56MHz的频率,不断的更换电流的正负极电压(就是交流电),因为腔体阴极部位,会瞬间改变成正极(同理,阴极也会改变成正极)。电荷不会累积在钯材附近。因此就没有屏障需要冲破,也就因此不需要高电压。而溅镀工作可以在较低电压的状况下,持续的工作。

RF Sputtering

双阴极溅镀 (Dual Cathodes Sputtering)
为了改善镀膜的沉积效率,也为了加大镀膜面积。利用镀膜机安装两个阴极钯材,同时对两个靶材的材料进行溅镀,可以达成这个目标。不过双阴极系统通常施加40KHz AC电流,这个频率的交换式电流也可以中和累积在钯材附近的电荷,可以减低电荷的干扰。

三极溅镀 (Triode Sputtering )
如果我们在双阴极系统增加一个电子枪,利用电子枪的热源,将可使得氩气离子(Ar+)增加。因此冲击靶材的氩离子增多,就可以加速成膜的速度,有效的增进镀膜速度。

磁控溅镀(Magnetron Sputtering)
在系统内多增加一个磁场,电子因为磁力线的影响,而螺旋性的前进。这样可以大幅的增加氩气气体的离子密度以及碰撞机会。离子密度将会从 10¹⁰ ion/cm³ 增加到10¹³ ion/cm³. 因此,镀率可以大幅度的提高。同时这样的系统,同时也可以用在DC,RF,双阴极溅镀中。磁控溅镀系统的温度可以不用太高,同时可以用在连续生产线中。

连续型生产线的磁控溅镀系统

不过磁控溅镀不能应用在导磁性的靶材材料中,磁场不均匀会造成靶材曲面性的消耗(中间消耗多,周围消耗少,成凹陷状),凹陷状的钯材将造成靶材消耗不均匀。这对膜层的均匀性伤害很大。

离子束溅镀(IBSD)
这种镀膜方式是近期比较新的发明,尤其适用于高阶的光学镀膜中。在真空腔体中,安装一个独立的离子源,利用离子源发射的离子束,敲击钯材,让钯材原子飞过腔体沉积在另一边的基板上。因为离子动能极大,因此这样的敲击将十分有力,可以传递很高的动能给钯材原子,可以沉积出高密度的非结晶膜层。因为膜层的均匀度很好,而且厚度容易控制,离子束溅镀被使用在非常高阶的光学仪器中,例如:雷射系统,重力波干涉仪,陀螺仪,光通讯产品。螺儀,光通訊產品。