濺鍍

在介紹本實驗所用到的濺鍍設備前先大約介紹一下濺鍍的原理以及各種不 同濺鍍設備的架構。

濺鍍是一種物理氣相沉積法(PVD)，主要是用來製作薄膜用。從圖 3.1.1 是一 張簡單介紹濺鍍的流程圖，大部分的濺鍍原理是在真空環境下通入工作氣體，接 著利用高電壓使工作氣體游離化，再使用電場和磁場對工作氣體引導方向使得工 作氣體去撞擊靶材，材料被工作氣體濺射出來接著就鍍在我們準備的基板上。另 外可以透過調整真空環境中的氣壓大小來改變使得工作氣體是高能量的撞擊靶 材還是低能量緩慢的撞擊靶材，也就是說調整大氣壓力可以改變濺鍍的鍍率。

通常在濺鍍的過程中使用的工作氣體主要是使用氬氣。因為在濺鍍過程中最重要 的一環就是工作氣體撞擊靶材的過程，為了要使撞擊過程中動量有效率的傳遞工 作氣體的原子重量要盡可能地接近靶材原子的重量。所以如果靶材是屬於較輕的 原子，氖會是工作氣體比較好的選擇。如果是比較重的原子則會選擇氪和氙。如 果需要濺鍍化合物例如氧化物，除了工作氣體外也可以通入反應氣體達到需求。

圖 3.1.1 濺鍍表示圖

29 濺鍍按照使用儀器和過程的不同可以分類成，離子束濺鍍(ion beam sputtering)、

磁控濺鍍(magnetron sputtering)、射頻濺鍍(RF sputtering)。

離子束濺鍍主要是利用外加離子源，離子的來源主要靠電子在特定區域內因為被 磁場侷限住撞擊工作氣體產生，接著透過電場加速使得離子撞擊靶材。離子束濺 鍍最大的優點在於離子的能量和密度可以獨立控制因為離子源通常可以使用外 接的電源供應器去驅動。圖 3.1.2 為離子濺鍍的架構圖，

圖 3.1.2 離子束濺鍍表示圖

磁控濺鍍主要是藉由電場和磁場同時對電子的作用力，使得電子做螺旋型運動。

這樣的設計使得電子經過一次電場加壓後可以順著螺旋軌跡多次撞擊工作氣體，

也就是說磁控濺鍍比起離子束濺鍍在同樣的加速電壓下可以在靶材附近產生更 多的離子，有了更多的離子就可以打出更多靶材上的原子。圖 3.1.2 為磁控濺鍍 示意圖。

30 圖 3.1.3 磁控濺鍍表示圖

射頻濺鍍和磁控濺鍍幾乎相同最大的差異是磁控濺鍍使用直流電加速離子而射 頻濺鍍使用的則是交流電來加速離子，原因是如果靶材是非金屬材料使用直流電 壓會有正電荷累積在靶材上的問題，當正電荷累積過多會使得後來的離子氣體因 為庫倫作用力排斥的關係無法撞擊靶材但如果改用交流電的話，在電壓切換的過 程可以使得靶材上的正電荷被電子中和，解決電荷累積的問題，值得注意的是因 為電子的質量比離子氣體來的輕所以在電壓切換的過程中靶材附近的離子由於 移動速度比電子來的慢，使得中和靶材上電荷累積完成後還有足夠的離子在靶材 附近，使得我們不用擔心離子氣體無法撞擊到靶材表面。所以射頻濺鍍可以進行 非金屬材料的濺鍍工作。

在本實驗用的濺鍍系統是磁控濺鍍，儀器架構如圖 3.1.4 所表示。整個系統 主要是由 load lock、主腔體、膜厚計、直流式電源供應器、交流源供應器、阻 抗匹配箱、氣體流量控制器、乾式渦輪幫浦、機械式幫浦以及四隻磁控濺鍍槍。

31 圖 3.1.4 實驗室磁控濺鍍的圖