【溅射薄膜技术的应用】 溅射薄膜

溅射薄膜技术的应用

2溅射设备 2.1溅射基本原理 镀膜工艺在各行各业中已得到广泛应用，在电镀行业中有人称为“干 镀”。在电子、光学领域人们常叫薄膜沉积技术或真空镀膜技术。

真空镀膜技术按其成膜的基本原理可以分为下列几类：物理气相沉积、 化学气相沉积和等离子体刻蚀等。其中物理气相沉积包括热蒸发、溅射、离子镀 和离子束。

溅射只是入射离子和靶材表面原子进行能量交换，使靶材原子获得足 够能量脱离母材，并按相应的溅射方向飞跃出来。它与气蚀概念无关。溅射的材 料适应性广：高熔点、介质、化合物、陶瓷和合金等材料均可作为靶材。溅射粒 子的初始动能较大（110电子伏特），蒸发仅有0.1电子伏特，离化率高。也就是 说：用荷能离子轰击靶材，而使其表面原子从靶材逸出的过程。荷能离子--氩离 子是由辉光放电形成的等离子体提供的。

溅射可分为二级、三极、四极和磁控。磁控溅射又分为直流源和交流 源。

2.2磁控溅射技术 溅射技术经历了一个漫长的发展过程，才达到了实用化程度。1970 年后，才出现磁控溅射装置，约1975年时有了商品。它使薄膜工艺发生了深刻变 化，不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求，而且促成了新的薄膜工艺。我国1980 年前后发展了磁控溅射技术，现已广泛使用。

磁控溅射被称为一种高速低温的溅射技术，它本质上是磁控模式进行 的二极溅射，它的发展是从强化放电理论出发的，事实上它既收到了提高溅射速率的效果，又达到了降低基片温升的目的。

磁控溅射装置是在直流二极溅射靶的内侧加上固定的磁场，该磁场用 恒磁体来实现。靶的背面有冷却水套，靶的正面有屏蔽罩。

当靶上加上一个电压时，电场E和磁场B相互垂直，此时电子的运动 是以速度为Vt，旋转半径为Rg的螺旋运动，在空间的三维轨道为螺旋距变化的 斜螺旋线。

平面磁控靶的电场和磁场相互正交排列，产生了强的聚焦力，作用在 快速电子上，而产生的二次电子在封闭的轨道上作无穷无尽的摆线运动。“跑道” 式的电子漂移或是跨跃跑道的电子振荡都在阴极暗区外侧产生了丰富的电离，等 离子体的磁聚焦由于静电聚焦作用得到了进一步增强。在阴极暗区边缘产生了电 离密集区。由于磁体成环状腐蚀区，正离子很容易受到阴极压降的作用而垂直入 射轰击在靶面上。

磁场的磁力线形成弧形的闭合磁路，起作用的仅有平行于靶面与电场 E相垂直的Bx分量，由于各处Bx分量大小不等，使得“跑道”形状腐蚀区中间的等 离子体强度最大，从而离子流轰击靶材粒子逸出最多，结果环状中间腐蚀最深， 边缘最浅。所以经长期溅射的平面靶材出现一个环状沟糟。

2.3溅射镀膜的特点 (1)对溅射靶的面积以及形状无限制，而且可以在大面积工件上获得 分布均匀的薄膜。

(2)溅射速率由溅射产额和靶的轰击电流密度决定，通过控制工作电 流即可控制溅射速率，从而方便地控制镀膜厚度。

(3)靶的使用寿命长，溅射镀膜设备适合长时间运行和自动化。因此， 制造的膜层性能稳定、重复性好。

(4)由于靶是固体蒸发源，所以工件和靶的相对位置可以自由选择， 方便在不同工件上镀膜。

(5)所采用的气体多为氩气、氮气等，安全可靠无危险。

(6)可采用合金靶、复合靶和镶嵌靶来制取满足成分要求的合金膜。(7)高熔点物质、介质和绝缘物质也容易成膜。

(8)溅射膜附着力良好。

以上特点，为溅射镀膜广泛使用提供了充分条件。

3溅射镀膜工艺 设备是JCK-500型磁控溅射台，靶为BF-250型平面矩形靶，磁体采用 锶铁氧体（恒磁体），距靶面5毫米，磁场强度B大于400高斯。

为了溅射各种用途的“膜”，分别应用了Ta、Au、Ni、Ti、Cu、Ag、 Al金属作为靶材，由于该设备有四个靶，可装四种不同材料的靶，因此可以在抽 好真空时，一次完成四种金属的溅射，这方便了各类复合膜的制作。由于有两个 气体入口，若通入反应气体可以制备各种化合物膜，例如钛在氩、氮气混合气氛 中制备出TiN膜；
锌在氩、氧混合气氛中制备出ZnO膜；
铝在氩氧气氛中制备出 A1203膜等等。

常用溅射条件：
At气量：0.010.001托 电压：400900伏特 电流：210安培 由于靶材不同，厚度不同，所以在靶上施加电压时会呈现出不同的电 压电流曲线，就JCK一500型溅射台的最佳溅射条件：电压500600伏特，电流46 安培，Ar气量（5-2)X0.01托，在工作中电压应保持在500伏特以上，根据不同材 料可以适当改变Ar气量或电流大小.这样溅射出的膜质优良，性能最佳。

由于设备工件架可以按一定速度转动。保证了膜层的均匀性，长度方 向20cm内，厚度差小于5%。

表1是对几种靶材实验时的工艺参数。

4溅射膜的作用41制作微波集成电路 在微波集成电路中，导电材料主要作为传输线，互连线，电阻电容的 电极，电感线圈等，在选材时需要考虑高频特征、沉积工艺、附着强度、可焊性 等问题。目前国内普遍使用铬金或镍铬金制作微带线，方法大多数采用真空蒸发 获得，但它与磁控溅射相比有许多缺点：生产数量不大、稳定性较差、可焊性差、 附着力差。

为了克服上述蒸发工艺的一些缺点，可采用溅射的方法制作导电膜， 经反复试验可以选用Ti_Cu-Ni-Au或Ta-Cu-Ni-Au及Cr-Cu-Ni-Au等复合膜代替传 统的蒸发膜，并具有下述优点：
(1)可以在同一次真空中完成膜的制作，不需 要电镀；

(2)由于Ni层的引入，大大提高了焊接性能，Ni的隔热作用防止了Cu、 Au相互扩张。电路表面，如金层被“吃掉”时，Ni同样具有优良的焊接性能；
(3) 节约黄金，生产批量大，缩短了工时，使成本降低；
(4)溅射膜比蒸发膜的附着 力高。

4.2电阻、电容的制作 电阻、电容可以用溅射Ta的方法制作，做成微小型片电阻、电容，也 称无引线倒装阻容元件或芯片阻容元件。如果需要也可与“MLC”做在同一基片上。

电阻值在几欧姆到几兆欧范围内，电容值一般在几十微微法到几百微微法内。

适当控制、改变工艺条件就能做出性能特别优异的电阻、电容，它适 用于薄膜电路，厚薄膜混合电路，精密电阻网络，如转换器及温度补偿网络，各 类精密衰减器件中。

4.3其他方面的应用 溅射膜除用于电子电路外，还有许多用途，如光学、装璜等方面。

(1)特种灯的聚光罩，用溅射铝膜的方法可得到极高的反光指数，有很强的聚光作用，这样的照明装置可以照射几十米外的距离。现已广泛用于边防 前线.公安部门，还可用于文化艺术方面的舞场、舞厅、舞台演出作布景用，从 1985年起，每年生产若干万件，生产量逐年增加，需求量越来越大。

(2)溅射钛、如在氩、氮混合气氛中进行，就能制备出TiN膜，能使模 具、刀具的寿命提高5-10倍。表带表壳仿金色。玩具、日用品、陶瓷等都可以做 成金色、古铜色、银色等等。

(3)各种用途的塑料制品，如需金属化都可以用溅射的方法获得。

塑料膜、纸张的金属化可制成铝箔、银箔、锡箔，用于包装与装璜。

塑料膜作掩膜溅射导电金属，可用于“电子薄膜式触摸按键开关”。如 BSM系列电脑皮带秤面板上的功能操作键就是用这种方法。它省去了所有立体的 开关、按键，在其它许多电子设备上也适用。

5彩电色度延迟线的光学玻璃、PZT压电陶瓷的金属化最初试验时采 用蒸发铬金，常有脱落现象，特别是焊接问题不能过关，成为关键问题。经试验， 用复合膜可以满足使用要求。由于使用贱金属，大大降低了成本，便于民用产品 的开发，现有设备对40X12(mm)的换能片一次可溅射240片，可作延迟线器件8000 件，对于40X20(mm)的光学玻璃一次可溅射120片，可作器件4000件，现能大批 量投入生产。

6各类传感器的应用 雷达伺服传动系统的码盘，数控自动化机床采用的光电传感器，用溅 射方法很容易得到品质优良的器件。

另外难度比较大的，采用半导体集成工艺制成的包括变换器、敏感元 件、放大电路、调整及补偿电路在内的混合式集成传感器，用于压力，流量、液 体、加速度、声音和温度等多种测量，由于集成化带来小化，这在医用传感器上 是特别重要的，例如ZnO薄膜是一种很重要的压电材料。此外.在光电材料和敏感 材料领域也占有重要地位，用反应派射出的ZnO膜是做气敏元件的好材料，它可 以测量酒精浓度、一氧化碳浓度等等。

总之，溅射膜几乎可以取代传统的蒸发膜，而且正广泛深入应用到各 科技领域和民用产品中去。7结语 我国70年代发展起来的微波集成电路或称薄膜电路，早已进入成熟应 用阶段。在微波仪表、通讯、雷达、导航、遥控、卫星等设备上大量采用。同时 又从军用向民用方向发展.取得了许多有价值的经济成果柙技术成果.这是众所周 知的。现仍在继续稳步深入发展：比如薄膜多层电路、单片微波集成电路的研制：
由于厚膜电路工艺简单、材料低廉、成本低,所以取代了部分薄膜电路，但随着 使用频率提高，特别是毫米波、亚毫米波、厚膜电路是无法胜任的，因而薄膜电 路是不可缺少的重要技术。继续突破新的技术问题才是至关重要的。

当然在薄膜电路的深入发展中，溅射工艺将会起着特殊重要的作用。

赵锡钦 (南京电子技术研究所210013)