濺射鍍膜技術與運用淺談

張志群 任瑞

摘要： 本文介紹了濺射鍍膜的概念、使用濺射鍍膜的優點與特性、半導體行業上運用。從濺射鍍膜知識切入點談論了濺射的離子、濺射閾值、濺射率，濺射在肖特基二極管制造工藝上的運用。

關鍵詞：濺射;磁控濺射;靶材;濺射特性;肖特基二極管

1基本概念

1.1所謂“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面（靶材）、使固體原子（或分子）從表面射出的現象。

1.2濺射原子：由固體表面（靶材）射職的粒子，大多呈原子狀態，常稱為濺射原子。

1.3入射離子：用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因為離子在電場下易于加速并獲得所需動能，因此大多采用離子作為轟擊粒子。該粒子又稱入射離子。

1.4離子濺射鍍膜：由于直接實現濺射的機構是離子，所以這種鍍膜技術又稱為離子濺射鍍膜或淀積。

1.5磁控濺射鍍膜：磁控濺射鍍膜是濺射中的一種方式，高真空腔室中通入中性氬氣，通過靶材陰極引入磁場、高壓電場，氬氣在高壓下電離形成Ar?離子與eˉ，二次電子在磁場與電場約束作用下，循環碰撞中性氬氣，得到高密度的等離子體（Ar?），等離子體在負壓情況下高速撞擊陰極靶材，通過動能轉換把靶材原子或分子撞出飛濺到基體上形成薄膜。

1.6刻蝕：與鍍膜相反，利用濺射也可以進行贏得蝕。淀積和刻蝕是濺射過程的兩種應用。

2使用濺射鍍膜的優點

2.1任何物質均可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。

不論是金屬、半導體、絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的物質都可以作為靶材。

由于濺射氧化物等絕緣材料和合金時，幾乎不發生分解和分餾，所以可用于制備與靶材料組分相近的薄膜和組分均勻的合金膜，乃至成分復雜的超導薄膜。

此外，采用反應濺射法還可制得與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 濺射射與基片之間的附著性好。

2.2.1 濺射原子的能量比蒸發原子能量高1-2個數量級，因此，高能粒子淀積在基片上進行能量轉換，產生較高的熱能，增強了濺射原子與基板的附著力。

2.2.2 一部分高能量的濺射原子將產生不同程度的注入現象，在基片上形成一層濺射原子與基板材料相互“混溶”的所謂的擴散層。

2.2.3在濺射粒子的轟擊過程中，基片始終處于等離子區中被清洗和激活，清除了附著不牢的淀積原子，凈化且活化基片表面。因此，使得濺射膜層與基片的附著力大增強。

2.3? 膜厚可控性和重復性好。

由于濺射鍍膜時可通過控制靶電流來控制膜厚。所以濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現性好，能夠有效地鍍制預定厚度的薄膜。

3 濺射特性

3.1 濺射閾值：是指使靶材原子發生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。不同的入射離子，它們的濺射閾值變化很小;而對于不同靶材，濺射閾值的變化比較明顯。即濺射閾值與離子質量之間無明顯依賴關系，而主要取決于靶材料。對處于周期表中同一周期元素（靶材料），濺射閾值隨著原子序數增加而減小。

對絕大多數金屬來說，濺射閾值為10-30eV，相當于升華熱的4倍左右。（如表3-1）

3.2 濺射率及影響濺射率的因素

濺射率是描述濺射特性的一個最重要物理參量。它表示正離子轟擊靶陰極時，平均每個正離子能從陰極上打出的原子數。又稱濺射產額或濺射系數，常用S表示。濺射率與入射離子的種類、能量、入射角度及靶材的類型、晶格結構、表面狀態、升華熱大小等因素有關，單晶靶材還與表面取向有關。

3.2.1影響濺射率的因素-靶材料

濺射率與靶材料種類的關系可用靶材料元素在周期表中的位置來說明。在相同條件下，用同一種離子對不同元素的靶材料轟擊，得到不同的濺射率，并且還發現濺射率呈周期性變化，其一般規律是：濺射率隨靶材元素原子序數增加而增大。

3.2.2影響濺射率的因素-入射離子能量

入射離子能量大小對濺射率影響顯著。當入射離子能量高于某一個臨界值（濺射閾值）時，才發生濺射。

圖3-3為濺射率S與入射離子能量E之間的典型關系曲線。曲線可分為三個區域：

S正比于E2：ET

S正比于E：500eV

S正比于E1/2：1000eV

3.3.影響濺射率的因素-入射離子種類

濺射率與入射離子種類的關系：

3.3.1依賴于入射離子的原子量，入射離子的原子量越大，則濺射率越高。

3.3.2與入射離子的原子序數有關，呈現出隨離子的原子序數周期性變化的關系。這和濺射率與靶材料的原子序之間存在的關系相類似。

3.3.3在周期表每一橫排中，凡電子殼層真滿的元素作為入射離子時，就有最大的濺射率。因此，惰性氣體的濺射率最高。

一般情況下，入射離子多采用惰性氣體，同時還能避免與靶材料起化學反應。通常氣用99.99%以上的氬氣為工藝氣體。

4? 濺射運用到肖特基二極管上的經驗

4.1肖特基二極管勢壘層上的運用

肖特基二極管的勢壘層中需要在硅片氧化物上淀積一層100nm左右的勢壘金屬層后加溫硅化，最終形成類似PN結的一種肖特基結，通常此種材料使用Ni與Pt的合金，利用濺射后形成的膜厚致密性高粘附性強等優點，其肖特基二極管正向導通電壓在280mV至330mV間，比其它普通硅鍺二極管0.5-0.7V電壓有著明顯的能耗低、快速響應都優點。

4.2頂層正面與背面金屬的運用

濺射的也同樣運用的肖特基正面與背面金屬上面，均勻性保證在3%以下，重復性在2%內，在與正面硅化物后金屬及背面經過減薄后的硅片間都有著高于熱蒸發的附著力，成膜致密不易脫金。

5.結束語

濺射鍍膜的運用相當廣泛，在半導體制程中各種器件都需要用到濺射膜，因此分享此篇文章為廣大學者及同行更好的了解濺射的相關知識，并很好的學習掌握運用到今后的學習工作中。

參考文獻：

[1] 方應翠 真空鍍膜原理與技術 北京：科學出版社，2014

[2] 張以忱 真空鍍膜技術與設備 北京：冶金工業出版社，2014

[3] 肖劍榮 磁控濺射制備氮化銅薄膜的結構與性能 北京：中國水利水電出版社，2019

作者簡介：張志群（1987-） 男 杭州立昂微電子股份有限公司 工程師

任瑞（1989-）男 杭州立昂微電子股份有限公司 工程師