濺射沉積

濺射沉積是通過濺射現象進行薄膜沉積的一種物理氣相沉積（PVD）方法，涉及將物質從作為源的「靶材」噴射到「襯底」（例如矽晶圓）上。

再濺射是沉積過程中沉積物質受離子或原子轟擊而再次發射的過程。

從靶材噴射出的濺射原子具有很寬的能量分布，通常高達數十電子伏特（100000K）。濺射離子（通常只有一小部分被電離——約1%）可以從靶材以直線彈道飛行，並高能撞擊在襯底或真空腔室上（引起再濺射）。或者，在較高的氣體壓力下，離子與作為減速劑的氣體原子碰撞並以擴散方式移動，在經歷隨機漫步後到達襯底或真空腔室壁並冷凝。通過改變背景氣體壓力，可以實現從高能彈道撞擊到低能熱平衡運動的整個範圍。

濺射氣體通常是氬等惰性氣體。為了實現有效的動量傳遞，濺射氣體的原子量應接近靶材的原子量，因此對於濺射輕元素，氖更為理想，而對於重元素，則使用氪或氙。反應氣體也可用於濺射化合物。

化合物可以根據工藝參數在靶材表面、飛行過程中或襯底上形成。控制濺射沉積的參數眾多，使其成為一個複雜的過程，但也允許專家對薄膜的生長和微觀結構進行高度控制。

## 用途

濺射沉積最早的廣泛商業應用之一是生產電腦硬碟，這目前仍是其最重要的應用之一。濺射在半導體工業中廣泛用於在積體電路製造中沉積各種材料的薄膜。光學應用中的玻璃薄抗反射塗層也通過濺射沉積。由於所使用的襯底溫度較低，濺射是沉積薄膜電晶體接觸金屬的理想方法。濺射的另一個熟悉應用是用於雙層玻璃窗組件的低發射率塗層。該塗層是包含銀和金屬氧化物（如氧化鋅、氧化錫或二氧化鈦）的多層結構。利用濺射氮化物（如氮化鈦）進行刀具塗層已經發展成為一個龐大的產業，創造了熟悉的金色硬塗層。濺射還用於在CD和DVD製造過程中沉積金屬（如鋁）層。

硬碟表面使用濺射CrOx和其他濺射材料。濺射是製造光波導的主要工藝之一，也是製造高效光伏和薄膜太陽能電池的另一種方式。

2022年，IMEC的研究人員使用CMOS兼容製造技術（如濺射沉積和減材蝕刻），構建了相干時間超過100 μs且平均單量子比特門保真度為99.94%的實驗室超導量子位元。

### 濺射鍍膜

掃描電子顯微鏡中的濺射鍍膜是一種濺射沉積過程，用於在標本上覆蓋一層導電材料，通常是金/鈀（Au/Pd）合金等金屬。在常規SEM模式（高真空、高電壓）下，需要導電塗層以防止電子束對標本充電。雖然金屬塗層也有助於提高信噪比（重金屬是良好的二次電子發射體），但在採用X射線光譜分析時，其質量較差。因此，在使用X射線光譜分析時，碳塗層更受歡迎。

## 與其他沉積方法的比較

濺射沉積的一個重要優點是，即使是熔點極高的材料也很容易濺射，而在電阻蒸發器或克努森容器中蒸發這些材料是有問題或不可能的。濺射沉積薄膜的成分接近於源材料。這種差異是由於不同元素因質量不同而擴散方式不同（輕元素更容易被氣體偏轉），但這種差異是恆定的。濺射薄膜通常比蒸發薄膜在襯底上有更好的附著力。靶材包含大量材料且無需維護，使該技術適用於超高真空應用。濺射源不含發熱部件（為避免加熱，通常採用水冷）且與氧氣等反應氣體兼容。濺射可以自上而下進行，而蒸發必須自下而上進行。可以進行外延生長等先進工藝。

濺射工藝的一些缺點是，該工藝較難與剝離工藝結合以進行薄膜圖樣化。這是因為濺射特有的擴散輸運使得完全遮擋變得不可能。因此，無法完全限制原子的去向，可能導致污染問題。此外，與脈衝雷射沉積相比，逐層生長的活性控制較為困難，且惰性濺射氣體會作為雜質摻入正在生長的薄膜中。脈衝雷射沉積是濺射沉積技術的一種變體，其中使用雷射束進行濺射。在脈衝雷射沉積過程中，濺射和再濺射離子以及背景氣體的作用已得到充分研究。

## 濺射沉積的類型

濺射源通常採用磁控管，利用強電場和磁場將帶電等離子體粒子限制在濺射靶材表面附近。在磁場中，電子沿著磁感線繞行螺旋路徑，在靶材表面附近與氣態中性粒子的電離碰撞次數比其他情況更多。（隨著靶材物質的耗盡，靶材表面可能會出現「跑道」形的沖蝕輪廓。）濺射氣體通常是氬等惰性氣體。由於這些碰撞而產生的額外氬離子導致更高的沉積速率。等離子體也可以通過這種方式在較低的壓力下維持。濺射原子呈電中性，因此不受磁阱的影響。使用射頻（RF）濺射可以避免絕緣靶材上的電荷積累，其中陽極-陰極偏壓的符號以高頻率變化（通常為13.56 MHz）。RF濺射在生產高度絕緣的氧化物薄膜方面效果良好，但增加了RF電源和阻抗匹配網路的成本。從鐵磁靶材洩漏的雜散磁場也會干擾濺射過程。通常必須使用配備異常強力永久磁鐵的專門設計的濺射槍進行補償。

### 離子束濺射

離子束濺射（IBS）是一種靶材位於離子源外部的方法。離子源可以在沒有任何磁場的情況下工作，例如在熱絲極離子真空計中。在考夫曼離子源中，離子通過與受磁場限制（如在磁控管中）的電子碰撞而產生。然後，它們被格柵發出的電場加速射向靶材。當離子離開源時，它們被來自第二個外部燈絲的電子中和。IBS的優點是可以獨立控制離子的能量和通量。由於撞擊靶材的通量由中性原子組成，因此可以濺射絕緣或導電靶材。IBS已應用於磁碟驅動器薄膜磁頭的製造。通過將進氣口置於源處並穿過管子射入樣品室，可以產生離子源和樣品室之間的壓力梯度。這節省了氣體並減少了超高真空（UHV）應用中的污染。IBS的主要缺點是維持離子源運行需要大量的維護工作。

### 反應濺射

在反應濺射中，來自靶材的濺射粒子經歷化學反應，旨在特定襯底上沉積具有不同成分的薄膜。粒子經歷的化學反應是與引入濺射腔室的反應氣體（如氧氣或氮氣）發生的，從而分別能夠生產氧化物和氮化物薄膜。向工藝中引入額外元素（即反應氣體）對所需的沉積具有顯著影響，使得尋找理想工作點變得更加困難。同樣，絕大多數基於反應的濺射工藝都具有類似滯回的行為特徵，因此需要適當控制相關參數（例如工作氣體或惰性氣體以及反應氣體的分壓）來消除這種行為。Berg等人提出了一個重要模型，即Berg模型，以估計濺射工藝中加入反應氣體的影響。通常，反應氣體的相對壓力和流量是根據靶材的沖蝕和所需襯底上的薄膜沉積速率來估計的。薄膜的成分可以通過改變惰性氣體和反應氣體的相對壓力來控制。薄膜化學計量比是優化功能特性的重要參數，例如SiNx中的應力和SiOx的折射率。

### 離子輔助沉積

在離子輔助沉積（IAD）中，襯底暴露於功率低於濺射槍的二次離子束中。通常使用考夫曼源（如IBS中使用的）提供二次離子束。IAD可用於在襯底上以類金剛石形式沉積碳。落在襯底上且未能正確鍵合在金剛石晶格中的任何碳原子都將被二次離子束擊落。美國國家航空航天局（NASA）在20世紀80年代利用這項技術實驗了在渦輪葉片上沉積金剛石薄膜。IAD還用於其他重要的工業應用，例如在硬碟碟片上創建類金剛石碳表面塗層，以及在醫療植入物上創建硬過渡金屬氮化物塗層。

### 高靶材利用率濺射（HiTUS）

濺射也可以通過遠程產生高密度等離子體來進行。等離子體在側腔室中產生，側腔室通向包含靶材和待鍍膜襯底的主工藝腔室。由於等離子體是遠程產生的，而不是從靶材本身產生的（如在傳統的磁控濺射中），因此流向靶材的離子電流與施加到靶材的電壓無關。

### 高功率脈衝磁控濺射（HiPIMS）

HiPIMS是一種基於磁控濺射沉積的物理氣相沉積薄膜方法。HiPIMS利用極高的功率密度，其數量級為kW/cm2，脈衝（衝激）時間為數十微秒，占空比較低（<10%）。

### 氣流濺射

氣流濺射利用了空心陰極效應，這也是空心陰極燈工作的相同效應。在氣流濺射中，工作氣體（如氬氣）通過處於負電位的金屬開口引導。如果在腔室壓力p和空心陰極的特徵尺寸L遵循帕邢定律0.5 Pa·m < p · L < 5 Pa·m時，等離子體密度會出現增強，導致周圍表面上產生高離子通量和巨大的濺射效應。因此，基於空心陰極的氣流濺射可以實現高達幾μm/min的高沉積速率。

## 結構與形貌

1974年，J. A. Thornton將結構區模型應用於濺射沉積薄膜形貌的描述。在對直流濺射製備金屬層的研究中，他擴展了Movchan和Demchishin最初針對蒸發薄膜引入的結構區概念。Thornton引入了進一步的結構區T，該區域在低氬氣壓力下觀察到，並以密集排列的纖維狀晶粒為特徵。這一擴展最重要的意義在於強調了壓力p是一個決定性的工藝參數。特別地，如果使用濺射等超熱技術進行源原子的升華，壓力通過平均自由程決定了它們撞擊在生長薄膜表面的能量分布。除了沉積溫度Td外，在考慮沉積工藝時，應始終指明腔室壓力或平均自由程。

由於濺射沉積屬於等離子體輔助工藝，除了中性原子外，帶電物種（如氬離子）也會撞擊正在生長的薄膜表面，且這一成分可能會產生巨大影響。用Ji和Ja表示到達的離子和原子的通量，結果表明Ji/Ja比值的大小對薄膜中獲得的微觀結構和形貌起著決定性作用。離子轟擊的影響可以定量地從晶體擇優取向或織構以及殘餘應力狀態等結構參數中推導出來。最近有研究表明，氣流濺射生成的Ti層中可能產生織構和殘餘應力，這可以與經過嚴重塑性變形（噴丸強化）的宏觀Ti工件中獲得的織構和殘餘應力相媲美。

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