濺鍍介紹

2.3.1 濺鍍原理介紹

濺鍍的發展史可追溯到 1852 年 Grove 的實驗，Grove 發現氣體放電 所產生的高能量離子衝撞會使直流放電管的陰極物質蒸發，在放電管內壁 形成陰極物質的覆膜。而因濺鍍常見於放電管陰極附近，有時亦稱為陰極 濺鍍(cathodic sputtering)。

由於濺鍍會使氣體放電管的陰極或柵極破損，曾被視為不良的現象。

但目前的濺鍍技術則被廣用於表面清洗、微細加工、薄膜形成、表面分析 等半導體製造，也是合成新素材等不可或缺的技術。

對於薄膜形成中的「濺鍍」(sputtering)，則是使用電漿對一塊「靶材」

(target)進行「離子轟擊」(ionbombardment)，利用離子轟擊的動量轉移 (momentum transfer)，將靶材表面的原子撞擊出來。這些原子以氣體分子的 型式發射出來，並且到達所要沉積的基板上，再經過「附著」、「吸附」

(adsorption)、「表面遷徙」(surface migration)、「成核」(nucleation)等過程 之後，在基板上成長形成薄膜的一種製程。

濺鍍法在進行沈積之前，為了防止其他雜質的影響，通常都先以高真 空度幫浦，將反應室內的壓力降到10 torr 以下。接著再通入原子質量合 宜的鈍氣，在壓力約1~10m torr 的環境中，進行金屬的濺鍍。

濺鍍技術中由於原子具有高動能，因此具有較低之薄膜晶化溫度，所 須之鍍膜基板溫度較低。同時由於撞擊作用，所得薄膜之微觀組織相當均 勻緻密，在適當濺鍍條件下能夠形成強優選結構。

2.3.2 射頻磁控濺鍍原理

射頻濺鍍是藉由在高頻(13.56MHz)電場交替作用下，使得電子與離子 的移動率不同，而瞬間在靶材表面形成一個負壓。這種射頻濺鍍所形成的 負直流偏壓，使陽離子加速朝向陰極移動而撞擊靶材，同時將能量傳給靶 材原子，而本身的電荷則與靶材表面電子中和掉，最後將靶材粒子釋出鍍 在基材上。整個濺鍍過程可分為三個階段，第一階段是靶材原子初期的流 動，第二階段是靶材和基材間原子的熱化和混合，最後第三階段則是在基

材上膜的成長。射頻濺鍍系統如圖2-5 所示，射頻濺鍍系統會在靶電極上串 聯一匹配網路(Matching Network)，利用串聯調諧可變電容(C-Tune)，並聯 匹配可變電容(C-Load)抵消感抗，讓負荷的阻抗只剩下電阻值，以將反射波 功率降到最低。

由於射頻方式所激發的電漿，一般情況下是散開的，為提高電漿之濺 鍍效率，在靶材裝置一強力磁鐵(~200 高斯)以束縛電漿不致分散，這也是 磁控濺鍍名稱的緣由。如圖2-6 所示，其中灰白箭頭所指為磁控濺鍍之磁場，

黑箭頭所指為電場方向及電子運動方向。磁力線由靶面的外沿穿出靶面，

然後由靶面的中心區域穿入，橫貫環狀磁場區。由靶面發出的二次電子，

一離開靶面就同時受到電場和磁場的作用，首先在陰極暗區受到電場加速，

飛向負輝區，進入負輝區的電子具有一定速度，並且是垂直於磁力線運動，

此情況下，磁場對電子產生作用力(即勞倫茲力)，迫使電子繞磁力線旋轉，

當電子旋轉半圈之後，重新進入陰極暗區，並受到電場減速。當電子接近 靶面時，速度即可降到零。之後電子又再在電場的推動下再次飛離靶面，

開始一個新的運動週期，電子就這樣週而復始，跳躍地朝E(電場) ×B(磁場) 所指的方向漂移，電子的運動軌跡近似於一條擺線。二次電子在環狀磁場 的控制下，被迫沿著環狀磁場區轉圈，同時尋求與氣體原子碰撞的機會，

當其發生多次電離碰撞之後，能量消耗殆盡時，這才脫離跑道，被陽極、

器壁或基材收集。磁控濺射時，每個電子的能量幾乎全部用於電離，這對 提高等離子體密度大為有利，因此磁控濺射在不利於氣體電離的條件下，

仍然可以獲得很高的靶面電流密度。總之，對電子施行磁控後，放電氣體 的阻抗大幅下降，於是可以在高真空和低電壓的情況下，獲得高電流密度。

高真空下可以減少濺射原子與氣體原子的相互碰撞，因而有更多的濺射原 子順利到達基材，這有利於提高鍍膜速率，且由於基材與電漿間的距離較 大，使基材較遠離電漿可在低的工作溫度下進行濺鍍。磁控濺鍍雖會增加 濺鍍速率，相對地，亦會加速靶材的損耗，因磁控濺鍍靶面的環狀磁場區 會出現溝槽，一旦溝槽穿透靶材，整塊靶材就全部報廢，所以靶材的利用 率不高，一般只達到40％。

2.3.3 濺鍍薄膜成核與成長

3. Sranski - Krastanov 樣式(混合成長結構)：

先以層狀結構成長，在形成一單層或數層原子的膜之後，接著以島 狀結構成長，目前這種成長模式的細節仍未完全被了解，但一般認為最 先形成之二維層承受來自晶格常數不匹配所產生的應變，當超過某一臨 界膜厚，因應變完全消弛而引發島狀結構成長，如圖2-10。如矽基板上 鍺薄膜及銀薄膜的成長[42、43、44]。