磁控濺射鍍膜技術1.ppt

1、磁控濺射鍍膜技術的基本概念與應用 （學習班講稿）,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）轟擊固體表面，引起表面各種粒子，如原子、分子或團束從該物體表面逸出的現(xiàn)象稱“濺射”。在磁控濺射鍍膜中，通常是應用氬氣電離產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、濺射鍍膜技術是真空鍍膜技術中應用最廣的正在不斷發(fā)展的技術之一,2、發(fā)展概況（1）,1842年Grove發(fā)現(xiàn)陰極濺射現(xiàn)象 1877年將二極濺射技術用于鍍制反射鏡。 二十世紀三十年代采用二極濺射技術鍍制金膜作為導電底層 以后出現(xiàn)射頻濺射

2、、三極濺射和磁控濺射。,2、發(fā)展概況（2）,1936年和1940年Penning相繼發(fā)明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)濺射鍍膜產業(yè)化。 1970年圓柱磁控濺射陰極獲得工業(yè)應用,2、發(fā)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，發(fā)展為中頻雙靶磁控濺射。 雙靶磁控濺射（Dual Magnetron Sputtering）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

3、）系統(tǒng)是其典型代表,已于1994年正式投入生產。,2、發(fā)展概況（4）,1986年Window發(fā)明了非平衡濺射（Closed-fied unbalanced magnetron spattering, CFUMS),有廣闊的應用前景,3、國內發(fā)展情況,1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇等先后發(fā)表了有關平面磁控濺射靶設計方面的論文報告 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

4、雙靶反應濺射制備二氧化硅膜工藝與設備研究。 1999年豪威公司與清華大學合作在國際上首次研制成功中頻雙靶反應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。 1999年北京儀器廠設計中頻反應磁控濺射雙靶,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應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. 2002年豪威公司在國內首次引進PEM控制系統(tǒng),自行安裝調試,成功的應用于多層光學膜的研發(fā)工作中.,二、氣體放電某些特性在一般的濺射裝置中，在真空室內輝光放電形成并加速正離子，應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

5、積p.d對輝光放電壓U的影響，相對應的曲線稱巴刑曲線，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體，要求有足夠高的耐擊穿電壓U，相互之間距離不宜太大，d=1.5-3.0mm,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)覆蓋整個陰極表面，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，

6、達到新的擊穿，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？,靶的幾何形狀、尺寸，零部件安裝精度，受力或熱引起的變形 靶電極材料及表面狀態(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佳狀態(tài),影響電源壽命,降低膜層質量。E）所謂“雙跑道靶”是將靶面加寬（例如由140mm加大到220mm）磁場作相應改變，放電時形成兩個放電區(qū)，這與雙靶并聯(lián)無本質差別，放電不穩(wěn)定，影響電源壽命,降低膜層質量,基片上膜層不均勻區(qū)加大。,E）避免弧光放電,用大功率啟動新靶，材料表面出氣，

7、局部真空變壞 直流濺射情況，靶面有不良導體形成 靶設計、安裝不當，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、

8、等離子體發(fā)光與PEM,等離子體特點：,等離子體內的基本過程 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*和相應的mn躍遷機率P 特征光譜,荷能粒子與材料表面相互作用,1、產生的效應,表面粒子發(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）在固體表面或內部與材料原子（分子）的級聯(lián)碰撞、注入、擴散、化合 材料晶體的非晶化、結構損傷（產生缺陷）、置換 熱、電效應,2、濺射效應,正離子轟

9、擊靶材表面引起的各類發(fā)射稱濺射，材料的濺射產額y系指一個正離子入射到表面從表面濺射出的原子數(shù)。 （1）材料的濺射產額y與轟擊靶材表面的正離子種類、能量、入射角有關。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。 （2）濺射產額y與材料種類、表面狀態(tài)、溫度有關。,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,B,e-,e-,Rotatable cylindrical magnetron (BOC, 1994). Web coatings and glass

10、 coating. Target materials sometimes difficult to find in cylindrical shape.,2、特點,等離子體密度比二極濺射提高一個數(shù)量級,達到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，基片表面沒有磁場，稱平衡磁控濺射陰極

11、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表面附近的非平衡磁控濺射陰極 如果通過陰極的內外兩個磁極端面的磁通量不等，則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，基片表面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-field Unbalanced Magnetron Sputtering,CFUBMS),可以以高速率沉積出多種材料的、附著力強的高質量薄膜。這有利于

12、以磁控濺射為基礎實現(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。,I,W心= W外 普通的（平衡）磁控濺射陰極,I型 W外=0,II型 W心=0,1、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-中頻雙靶反應濺射 近年來磁控濺射另一發(fā)展當屬脈沖磁控濺射，這里只介紹其中應用較廣的中頻雙靶反應濺射,設備安裝、調試及維護比射頻濺射容易運行穩(wěn)定 膜層質量(緻密程度)不比射頻的差 用掃描電鏡做了某樣品表面形貌的初步觀察，RF和MF的表面都很平整，沒有龜裂、針孔等缺陷。二者在放大50，000倍的條件下得到的表面

13、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 構成雙靶的兩個靶一定要嚴格一致：結構、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反應濺射與反應濺射滯回曲線,大部分化合物薄膜特別是介質膜均由金屬靶通反應氣體，用反應濺射方法制備 在靶電源為恒功率模式下，隨反應氣體（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、硅靶通氧反應濺射制備二氧化硅：靶電壓隨氧氣流量變化曲線有滯回現(xiàn)象（反應濺射的固有特性）,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:,質譜法 檢測反應氣體的分壓強來控制反應-+ 氣體流量。 等離子體發(fā)射檢測法(PEM: Plasma Emission Monitor），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應氣體進行控制。 利用靶中毒時的外部特征（如靶電位、靶電流）來控制反應氣體流量