溅射镀膜技术与运用浅谈

张志群 任瑞

摘要： 本文介绍了溅射镀膜的概念、使用溅射镀膜的优点与特性、半导体行业上运用。从溅射镀膜知识切入点谈论了溅射的离子、溅射阈值、溅射率，溅射在肖特基二极管制造工艺上的运用。

关键词：溅射;磁控溅射;靶材;溅射特性;肖特基二极管

1基本概念

1.1所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面（靶材）、使固体原子（或分子）从表面射出的现象。

1.2溅射原子：由固体表面（靶材）射职的粒子，大多呈原子状态，常称为溅射原子。

1.3入射离子：用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子。该粒子又称入射离子。

1.4离子溅射镀膜：由于直接实现溅射的机构是离子，所以这种镀膜技术又称为离子溅射镀膜或淀积。

1.5磁控溅射镀膜：磁控溅射镀膜是溅射中的一种方式，高真空腔室中通入中性氩气，通过靶材阴极引入磁场、高压电场，氩气在高压下电离形成Ar?离子与eˉ，二次电子在磁场与电场约束作用下，循环碰撞中性氩气，得到高密度的等离子体（Ar?），等离子体在负压情况下高速撞击阴极靶材，通过动能转换把靶材原子或分子撞出飞溅到基体上形成薄膜。

1.6刻蝕：与镀膜相反，利用溅射也可以进行赢得蚀。淀积和刻蚀是溅射过程的两种应用。

2使用溅射镀膜的优点

2.1任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。

不论是金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材。

由于溅射氧化物等绝缘材料和合金时，几乎不发生分解和分馏，所以可用于制备与靶材料组分相近的薄膜和组分均匀的合金膜，乃至成分复杂的超导薄膜。

此外，采用反应溅射法还可制得与靶材完全不同的化合物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。

2.2 溅射射与基片之间的附着性好。

2.2.1 溅射原子的能量比蒸发原子能量高1-2个数量级，因此，高能粒子淀积在基片上进行能量转换，产生较高的热能，增强了溅射原子与基板的附着力。

2.2.2 一部分高能量的溅射原子将产生不同程度的注入现象，在基片上形成一层溅射原子与基板材料相互“混溶”的所谓的扩散层。

2.2.3在溅射粒子的轰击过程中，基片始终处于等离子区中被清洗和激活，清除了附着不牢的淀积原子，净化且活化基片表面。因此，使得溅射膜层与基片的附着力大增强。

2.3  膜厚可控性和重复性好。

由于溅射镀膜时可通过控制靶电流来控制膜厚。所以溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好，能够有效地镀制预定厚度的薄膜。

3 溅射特性

3.1 溅射阈值：是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。不同的入射离子，它们的溅射阈值变化很小;而对于不同靶材，溅射阈值的变化比较明显。即溅射阈值与离子质量之间无明显依赖关系，而主要取决于靶材料。对处于周期表中同一周期元素（靶材料），溅射阈值随着原子序数增加而减小。

对绝大多数金属来说，溅射阈值为10-30eV，相当于升华热的4倍左右。（如表3-1）

3.2 溅射率及影响溅射率的因素

溅射率是描述溅射特性的一个最重要物理参量。它表示正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。溅射率与入射离子的种类、能量、入射角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。

3.2.1影响溅射率的因素-靶材料

溅射率与靶材料种类的关系可用靶材料元素在周期表中的位置来说明。在相同条件下，用同一种离子对不同元素的靶材料轰击，得到不同的溅射率，并且还发现溅射率呈周期性变化，其一般规律是：溅射率随靶材元素原子序数增加而增大。

3.2.2影响溅射率的因素-入射离子能量

入射离子能量大小对溅射率影响显著。当入射离子能量高于某一个临界值（溅射阈值）时，才发生溅射。

图3-3为溅射率S与入射离子能量E之间的典型关系曲线。曲线可分为三个区域：

S正比于E2：ET

S正比于E：500eV

S正比于E1/2：1000eV

3.3.影响溅射率的因素-入射离子种类

溅射率与入射离子种类的关系：

3.3.1依赖于入射离子的原子量，入射离子的原子量越大，则溅射率越高。

3.3.2与入射离子的原子序数有关，呈现出随离子的原子序数周期性变化的关系。这和溅射率与靶材料的原子序之间存在的关系相类似。

3.3.3在周期表每一横排中，凡电子壳层真满的元素作为入射离子时，就有最大的溅射率。因此，惰性气体的溅射率最高。

一般情况下，入射离子多采用惰性气体，同时还能避免与靶材料起化学反应。通常气用99.99%以上的氩气为工艺气体。

4  溅射运用到肖特基二极管上的经验

4.1肖特基二极管势垒层上的运用

肖特基二极管的势垒层中需要在硅片氧化物上淀积一层100nm左右的势垒金属层后加温硅化，最终形成类似PN结的一种肖特基结，通常此种材料使用Ni与Pt的合金，利用溅射后形成的膜厚致密性高粘附性强等优点，其肖特基二极管正向导通电压在280mV至330mV间，比其它普通硅锗二极管0.5-0.7V电压有着明显的能耗低、快速响应都优点。

4.2顶层正面与背面金属的运用

溅射的也同样运用的肖特基正面与背面金属上面，均匀性保证在3%以下，重复性在2%内，在与正面硅化物后金属及背面经过减薄后的硅片间都有着高于热蒸发的附着力，成膜致密不易脱金。

5.结束语

溅射镀膜的运用相当广泛，在半导体制程中各种器件都需要用到溅射膜，因此分享此篇文章为广大学者及同行更好的了解溅射的相关知识，并很好的学习掌握运用到今后的学习工作中。

参考文献：

[1] 方应翠 真空镀膜原理与技术 北京：科学出版社，2014

[2] 张以忱 真空镀膜技术与设备 北京：冶金工业出版社，2014

[3] 肖剑荣 磁控溅射制备氮化铜薄膜的结构与性能 北京：中国水利水电出版社，2019

作者简介：张志群（1987-） 男 杭州立昂微电子股份有限公司 工程师

任瑞（1989-）男 杭州立昂微电子股份有限公司 工程师