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濺鍍與退火

所謂濺鍍(sputtering),係由高能量粒子撞擊靶材料,將靶之構成原子自表面釋出,而在基板上堆積成薄膜之現象。一般而言,在真空設備中設置的靶材與基板分別為陰極與陽極,導入惰性氣體後使發生輝光放電,因惰性氣體離子而產生高能量粒子。

濺鍍中具有數百電子伏特以上動能之離子入射靶材時,將與靶材原子產生彈性或非彈性碰撞。其結果,離子的動能一部分傳給靶材原子。此能量若超越靶材之結晶位能障礙的話,靶材原子將開始新的運動。如此靶材原子與反跳原子反覆衝撞而產生衝撞連鎖,到達表面原子的能量比表面結合能大的話,原子自靶材表面釋出,輸送至基板而形成薄膜。

一般來說,以高速飛來的原子一旦與基板產生碰撞,基板表面上吸附的原子不斷增加,相互吸著而形成原子團。原子團是原子程度大小時彼此不斷吸附在彼此的凹槽、稜角等稱作「捕獲中心」的位置,最終形成晶核。這個核會與隨後陸續聚集的原子或周圍其他核的部分或全體再次合體,變得更大。若原子有 10 個以上聚集,就能安定的形成穩定核,再持續變大,即能形成薄膜。這種生成方式稱為「核成長」。

用電子顯微鏡觀察,薄膜的平均厚度一旦達到原子直徑的 10 倍左右,薄膜看起來就像基板上小小的點,這些點緊密聚集就變成島,島與島相連至剩下海峽狀態,便形成整片覆蓋住基板的薄膜。這個生成的初期是液體狀態迅速地被冷卻,在形成島狀的周圍,液體和固體是混在一起增長的。此情況跟在霧氣佈滿的玻璃上水滴滑落後留下的樣子十分相似。一粒粒飽滿的水滴聚集附著成大水滴,宛如將整個玻璃覆蓋一樣。因此這個現象稱作滴狀合體。

剛完成的薄膜上佈滿缺陷,若直接拿來使用,想必會發生不良現象。因此,在能允許的時間範圍內,盡可能的將其放置在比使用溫度更高的溫度環境中,應在薄膜厚度及電阻率都穩定後,才開始使用。這種處理方式稱為「老化處理」,經過老化處理缺陷雖有減少,但並沒有完全消失。

薄膜在成長時,靠著島跟島相互吸引拉扯變成固體的過程中,吸引拉扯時殘留下來的力量為「殘留應力」,也推測殘留應力可能是島跟島連結在一起時,有氣體被夾在當中,此時氣體想從島中脫離而引起的反作用力被留存下來。這個殘留應力若不做任何處理讓它這樣存在的話,會因「應力遷移」導致配線斷線或使用壽命降低。

由此可知,薄膜的內部在生成時會產生許多缺陷。因此,在製作成產品時,需充分進行熱處理等步驟來修正缺陷,讓薄膜能發揮最大的性能。

 

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