磁控濺射鍍膜技術(shù)1

磁控濺射鍍膜技術(shù)的根本概念與應(yīng)用〔學(xué)習(xí)班講稿〕報告人：范垂禎2004年6月低溫實驗一、引言荷能粒子〔例如氬離子〕轟擊固體外表，引起外表各種粒子，如原子、分子或團束從該物體外表逸出的現(xiàn)象稱“濺射〞。在磁控濺射鍍膜中，通常是應(yīng)用氬氣電離產(chǎn)生的正離子轟擊固體〔靶〕，濺出的中性原子沉積到基片〔工件〕上，形成膜層，磁控濺射鍍膜具有“低溫〞和“快速〞兩大特點。1、濺射鍍膜技術(shù)是真空鍍膜技術(shù)中應(yīng)用最廣的正在不斷開展的技術(shù)之一2、開展概況〔1〕1842年Grove發(fā)現(xiàn)陰極濺射現(xiàn)象1877年將二極濺射技術(shù)用于鍍制反射鏡。二十世紀三十年代采用二極濺射技術(shù)鍍制金膜作為導(dǎo)電底層以后出現(xiàn)射頻濺射、三極濺射和磁控濺射。2、開展概況〔2〕1936年和1940年P(guān)enning相繼創(chuàng)造圓柱和圓筒磁控濺射陰極。--Penning放電、Penning規(guī)、Penning離子源相繼出現(xiàn)1963年美國貝爾實驗室采用10米的連續(xù)濺射鍍膜裝置鍍制集成電路的鉭膜，首次實現(xiàn)濺射鍍膜產(chǎn)業(yè)化。1970年圓柱磁控濺射陰極獲得工業(yè)應(yīng)用2、開展概況〔3〕1980年前后,提出脈沖單靶磁控濺射、中頻單靶磁控濺射，開展為中頻雙靶磁控濺射。雙靶磁控濺射〔DualMagnetronSputtering〕的方法的最早專利是Kirchhoff等1986年申請的工業(yè)上，德國Leybold的孿生靶〔TwinMag?〕系統(tǒng)是其典型代表,已于1994年正式投入生產(chǎn)。2、開展概況〔4〕1986年Window創(chuàng)造了非平衡濺射〔Closed-fiedunbalancedmagnetronspattering,CFUMS),有廣闊的應(yīng)用前景

3、國內(nèi)開展情況1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇等先后發(fā)表了有關(guān)平面磁控濺射靶設(shè)計方面的論文報告1985年后，各類小型平面磁控濺射鍍膜機問世1995-1996年豪威公司采用國外先進技術(shù)和材料研制出大型ITO磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(含射頻濺射制備二氧化硅膜的裝置和功能)1996年沈陽真空技術(shù)研究所研制出大型ITO磁控濺射鍍膜鍍膜系統(tǒng)1997年豪威公司開展中頻雙靶反響濺射制備二氧化硅膜工藝與設(shè)備研究。1999年豪威公司與清華大學(xué)合作在國際上首次研制成功中頻雙靶反響濺射制備二氧化硅膜與氧化銦錫膜在線聯(lián)鍍裝置投入生產(chǎn)。1999年北京儀器廠設(shè)計中頻反響磁控濺射雙靶2000年和2001年豪威公司先后研制出兩條新的大型中頻雙靶反響濺射制備二氧化硅膜與氧化銦錫膜在線聯(lián)鍍裝置并投入生產(chǎn).2002年豪威公司在國內(nèi)首次引進PEM控制系統(tǒng),自行安裝調(diào)試,成功的應(yīng)用于多層光學(xué)膜的研發(fā)工作中.二、氣體放電某些特性

在一般的濺射裝置中，在真空室內(nèi)輝光放電形成并加速正離子，應(yīng)熟悉氣體放的某些電特性

1、輝光放電巴刑曲線--絕緣間隙的選取

放電氣體壓力P與電極之間距離d的乘積p.d對輝光放電壓U的影響，相對應(yīng)的曲線稱巴刑曲線，該曲線所展示的規(guī)律稱巴刑定律濺射鍍膜中放電氣體壓力通常選P=1x10-2至5x10-4Torr，工作點選在左半支曲線，對于相鄰的相互絕緣的兩個導(dǎo)體，要求有足夠高的耐擊穿電壓U，相互之間距離不宜太大，2、放電的伏安特性曲線--不提倡“一拖二

輝光放電中靶電壓與靶電流關(guān)系曲線稱靶的伏安特性曲線.

A)伏安特性曲線，分幾段：

電壓很小時，只有很小電流通過：加大電壓進入湯生放電區(qū)；“雪崩〞，進入“正常輝光放電區(qū)〞離子轟擊區(qū)覆蓋整個陰極外表，再增加功率進入“非正常輝光放電區(qū)〞，濺射工藝的工作點選在此區(qū)：繼續(xù)增加功率，到達新的擊穿，進入低電壓大電流的“弧光放電區(qū)〞B)靶的放電的伏安特性曲線與哪些因素有關(guān)？靶的幾何形狀、尺寸，零部件安裝精度，受力或熱引起的變形靶電極材料及外表狀態(tài)〔污染、光潔度等〕靶區(qū)氣體壓力及組分

C)沒有完全相同的靶，任何兩個靶的伏安特性曲線不可能完全相同

D)兩個靶并聯(lián)用一臺電源難以使兩個靶都處于最正確狀態(tài),影響電源壽命,降低膜層質(zhì)量。

E〕所謂“雙跑道靶〞是將靶面加寬〔例如由140mm加大到220mm〕磁場作相應(yīng)改變，放電時形成兩個放電區(qū)，這與雙靶并聯(lián)無本質(zhì)差異，放電不穩(wěn)定，影響電源壽命,降低膜層質(zhì)量,基片上膜層不均勻區(qū)加大。

E〕防止弧光放電用大功率啟動新靶，材料外表出氣，局部真空變壞直流濺射情況，靶面有不良導(dǎo)體形成靶設(shè)計、安裝不當(dāng)，及在運用過程中受力、受熱引起的機械變形，造成的局部擊穿3、輝光放電區(qū)電位分布---靶-基距

〔1〕阿斯頓暗區(qū)〔2〕陰極暗區(qū)，克羅克斯暗區(qū)〔3〕負輝區(qū)

〔4〕法拉第暗區(qū)〔5〕正輝柱〔6〕陽極暗區(qū)〔7〕陽極輝柱陰極暗區(qū)寬度一般為1-2cm，鍍膜設(shè)備中陰極與基片距離大多5-10cm，可知兩極間只存在陰極暗區(qū)和負輝區(qū)，盡量減小極間距離〔靶-基距〕，獲得盡量高的鍍膜速率。陰極暗區(qū)邊緣的電位幾乎接近陽極電位，相當(dāng)于在輝光放電時，等離子體將陽極推到陰極暗區(qū)邊緣，此時真正的陽極在哪里并不重要。陽極位置只影響擊穿電壓。4、等離子體、等離子體發(fā)光與PEM等離子體特點：等離子體內(nèi)的根本過程電離過程〔3〕式描述了快電子離過程，能電量由電子提供〔4〕式表示了光電離過程，能電h量由光子提供激發(fā)、退激發(fā)及中和過程退激發(fā)過程的能態(tài)躍遷釋放能量---發(fā)光光強度正比于激發(fā)態(tài)密度n*和相應(yīng)的mn躍遷機率P特征光譜荷能粒子與材料外表相互作用1、產(chǎn)生的效應(yīng)外表粒子發(fā)射：電子、中性原子與分子、正離子和負離子、氣體分子解吸、氣體分解發(fā)射、射線〔光〕、入射粒子的背散射、入射粒子〔離子〕在固體外表或內(nèi)部與材料原子〔分子〕的級聯(lián)碰撞、注入、擴散、化合材料晶體的非晶化、結(jié)構(gòu)損傷〔產(chǎn)生缺陷〕、置換熱、電效應(yīng)2、濺射效應(yīng)正離子轟擊靶材外表引起的各類發(fā)射稱濺射，材料的濺射產(chǎn)額y系指一個正離子入射到外表從外表濺射出的原子數(shù)?！?〕材料的濺射產(chǎn)額y與轟擊靶材外表的正離子種類、能量、入射角有關(guān)。入射離子能量從零增加到某值時，才發(fā)生濺射現(xiàn)象，該值稱為閾能。濺射氣體通常選氬氣?！?〕濺射產(chǎn)額y與材料種類、外表狀態(tài)、溫度有關(guān)。三、磁控濺射

1、在二極濺射裝置上加一與電場E的正交磁場B

2、在正交電磁場作用下電子圍繞磁力線作曲線運動加大了運動路徑,大大提高電子對氣體的電離幾率e-xBBe-EBExBSNNSe-

Rotatablecylindricalmagnetron(BOC,1994).Webcoatingsandglasscoating.Targetmaterialssometimesdifficulttofindincylindricalshape.2、特點等離子體密度比二極濺射提高一個數(shù)量級,到達10-3，靶電流密度提高一個數(shù)量級靶材刻蝕速率，鍍膜速率與靶電流密度成正比，即磁控濺射鍍膜速率比二極濺射提高一個數(shù)量。加進磁場使放電容易，靶電壓降低，膜層質(zhì)量提高靶材經(jīng)離子刻蝕形成濺射溝道，此溝道一旦穿通，靶材即報廢，靶材利用率低對于矩形靶，濺射溝道似運動場上的“跑道〞。四、非平衡磁控濺射普通的磁控濺射陰極的磁場集中于靶面附近的有限的區(qū)域內(nèi)，基片外表沒有磁場，稱平衡磁控濺射陰極1985年Window提出增大普通的磁控濺射陰極的雜散磁場，從而使等離子體范圍擴展到基片外表附近的非平衡磁控濺射陰極如果通過陰極的內(nèi)外兩個磁極端面的磁通量不等，那么為非平衡磁控濺射陰極，非平衡磁控濺射陰極磁場大量向靶外發(fā)散普通的磁控濺射陰極的磁場將等離子體約束在靶面附近，基片外表附近的等離子體很弱，只受輕微的離子和電子轟擊。非平衡磁控濺射陰極磁場可將等離子體擴展到遠離靶面的基片，使基片浸沒其中，因此又稱“閉合磁場非平衡濺射〞〔Closed-fieldUnbalancedMagnetronSputtering,CFUBMS),可以以高速率沉積出多種材料的、附著力強的高質(zhì)量薄膜。這有利于以磁控濺射為根底實現(xiàn)離子鍍，有可能使磁控濺射離子鍍與陰極電弧蒸發(fā)離子鍍處于競爭地位。IW心=W外普通的〔平衡〕磁控濺射陰極I型W外=0II型W心=01、特點減少了弧光放電解決了陽極消失問題沉積速率比射頻濺射高五倍左右設(shè)備購置費和維修費較射頻濺射低五、脈沖磁控濺射--中頻雙靶反響濺射

近年來磁控濺射另一開展當(dāng)屬脈沖磁控濺射，這里只介紹其中應(yīng)用較廣的中頻雙靶反響濺射

設(shè)備安裝、調(diào)試及維護比射頻濺射容易

運行穩(wěn)定膜層質(zhì)量(緻密程度)不比射頻的差用掃描電鏡做了某樣品外表形貌的初步觀察，RF和MF的外表都很平整，沒有龜裂、針孔等缺陷。二者在放大50，000倍的條件下得到的外表情況存在明顯區(qū)別。RF有20nm左右的密密麻麻的小圓丘，而MF顯得很平2、雙靶---孿生靶雙靶的“雙〞字，如前所述原文是：twin或dual都有孿生的意思，而不是簡單的two構(gòu)成雙靶的兩個靶一定要嚴格一致：結(jié)構(gòu)、材料、形狀、尺寸，加工與安裝精度；運用中兩個靶處于同一環(huán)境，壓力及氣體組分、抽氣速率等3反響濺射與反響濺射滯回曲線大局部化合物薄膜特別是介質(zhì)膜均由金屬靶通反響氣體，用反響濺射方法制備在靶電源為恒功率模式下，隨反響氣體〔如氧〕流量變化〔增加或減小〕，靶電壓變化呈非線性，類似磁滯回曲線4、硅靶通氧反響濺射制備二氧化硅：靶電壓隨氧氣流量變化曲線有滯回現(xiàn)象〔反響濺射的固有特性〕5、三種狀態(tài)〔金屬態(tài)--過度態(tài)--氧化態(tài)〕的特點及濺射速率變化

6、按不同采樣方法控制方式可分為:

質(zhì)譜法檢測反響氣體的分壓強來控制反響-+氣體流量。等離子體發(fā)射檢測法(PEM:PlasmaEmissionMonitor〕，根據(jù)某種元素〔通常是金屬離子〕特征光譜的強弱變化來對反響氣體進行控制。利用靶中毒時的外部特征〔如靶電位、靶電流〕來控制反響氣