磁控溅射镀膜技术

一、引言荷能粒子（例如氩离子）轰击固体表面，引起表面各种粒子，如原子、分子或团束从该物体表面逸出的现象称“溅射”。在磁控溅射镀膜中，通常是应用氩气电离产生的正离子轰击固体（靶），溅出的中性原子沉积到基片（工件）上，形成膜层，磁控溅射镀膜具有“低温”和“快速”两大特点。1、溅射镀膜技术是真空镀膜技术中应用最广的正在不断发展的技术之一2、发展概况（1）•1842年Grove发现阴极溅射现象•1877年将二极溅射技术用于镀制反射镜。•二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀制金膜作为导电底层•以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅射。2、发展概况（2）•1936年和1940年Penning相继发明圆柱和圆筒磁控溅射阴极。--Penning放电、Penning规、Penning离子源相继出现•1963年美国贝尔实验室采用10米的连续溅射镀膜装置镀制集成电路的鉭膜，首次实现溅射镀膜产业化。•1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用2、发展概况（3）•1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中频单靶磁控溅射，发展为中频双靶磁控溅射。•双靶磁控溅射（DualMagnetronSputtering）的方法的最早专利是Kirchhoff等1986年申请的•工业上，德国Leybold的孪生靶（TwinMag®）系统是其典型代表,已于1994年正式投入生产。2、发展概况（4）•1986年Window发明了非平衡溅射（Closed-fiedunbalancedmagnetronspattering,CFUMS),有广阔的应用前景3、国内发展情况•1982年以后，范毓殿、王怡德及李云奇等先后发表了有关平面磁控溅射靶设计方面的论文报告•1985年后，各类小型平面磁控溅射镀膜机问世•1995-1996年豪威公司采用国外先进技术和材料研制出大型ITO磁控溅射镀膜系统(含射频溅射制备二氧化硅膜的装置和功能)•1996年沈阳真空技术研究所研制出大型ITO磁控溅射镀膜镀膜系统•1997年豪威公司开展中频双靶反应溅射制备二氧化硅膜工艺与设备研究。•1999年豪威公司与清华大学合作在国际上首次研制成功中频双靶反应溅射制备二氧化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置投入生产。•1999年北京仪器厂设计中频反应磁控溅射双靶•2000年和2001年豪威公司先后研制出两条新的大型中频双靶反应溅射制备二氧化硅膜与氧化铟锡膜在线联镀装置并投入生产.•2002年豪威公司在国内首次引进PEM控制系统,自行安装调试,成功的应用于多层光学膜的研发工作中.二、气体放电某些特性在一般的溅射装置中，在真空室内辉光放电形成并加速正离子，应熟悉气体放的某些电特性1、辉光放电巴刑曲线--绝缘间隙的选取放电气体压力P与电极之间距离d的乘积p.d对辉光放电压U的影响，相对应的曲线称巴刑曲线，该曲线所展示的规律称巴刑定律.DISTANCE(Torr-cm)V(BREAKDOWN)(volts)•溅射镀膜中放电气体压力通常选P=1x10-2至5x10-4Torr，工作点选在左半支曲线，对于相邻的相互绝缘的两个导体，要求有足够高的耐击穿电压U，相互之间距离不宜太大，d=1.5--3.0mm2、放电的伏安特性曲线--不提倡“一拖二辉光放电中靶电压与靶电流关系曲线称靶的伏安特性曲线.电流密度J/(A·cm)电压V/NVB汤森放电正常辉光弧光异常辉光P=133Pa(Ne)VA)伏安特性曲线，分几段：•电压很小时，只有很小电流通过：•加大电压进入汤生放电区；•“雪崩”，进入“正常辉光放电区”•离子轰击区覆盖整个阴极表面，再增加功率进入“非正常辉光放电区”，溅射工艺的工作点选在此区：•继续增加功率，达到新的击穿，进入低电压大电流的“弧光放电区”B)靶的放电的伏安特性曲线与哪些因素有关？•靶的几何形状、尺寸，零部件安装精度，受力或热引起的变形•靶电极材料及表面状态（污染、光洁度等）•靶区气体压力及组分•C)没有完全相同的靶，任何两个靶的伏安特性曲线不可能完全相同D)两个靶并联用一台电源难以使两个靶都处于最佳状态,影响电源寿命,降低膜层质量。E）所谓“双跑道靶”是将靶面加宽（例如由140mm加大到220mm）磁场作相应改变，放电时形成两个放电区，这与双靶并联无本质差别，放电不稳定，影响电源寿命,降低膜层质量,基片上膜层不均匀区加大。E）避免弧光放电•用大功率启动新靶，材料表面出气，局部真空变坏•直流溅射情况，靶面有不良导体形成•靶设计、安装不当，及在运用过程中受力、受热引起的机械变形，造成的局部击穿3、辉光放电区电位分布---靶-基距（1）阿斯顿暗区（2）阴极暗区，克罗克斯暗区（3）负辉区（4）法拉第暗区（5）正辉柱（6）阳极暗区（7）阳极辉柱•阴极暗区宽度一般为1-2cm，镀膜设备中阴极与基片距离大多5-10cm，可知两极间只存在阴极暗区和负辉区，尽量减小极间距离（靶-基距），获得尽量高的镀膜速率。•阴极暗区边缘的电位几乎接近阳极电位，相当于在辉光放电时，等离子体将阳极推到阴极暗区边缘，此时真正的阳极在哪里并不重要。•阳极位置只影响击穿电压。4、等离子体、等离子体发光与PEM•等离子体特点：•等离子体内的基本过程•电离过程•（3）式描述了快电子离过程，能电量由电子提供•（4）式表示了光电离过程，能电h量由光子提供•激发、退激发及中和过程•退激发过程的能态跃迁释放能量---发光•光强度正比于激发态密度n*和相应的mn跃迁机率P•特征光谱荷能粒子与材料表面相互作用1、产生的效应•表面粒子发射：电子、中性原子与分子、正离子和负离子、气体分子解吸、气体分解发射、射线（光）、入射粒子的背散射、•入射粒子（离子）在固体表面或内部与材料原子（分子）的级联碰撞、注入、扩散、化合•材料晶体的非晶化、结构损伤（产生缺陷）、置换•热、电效应2、溅射效应正离子轰击靶材表面引起的各类发射称溅射，材料的溅射产额y系指一个正离子入射到表面从表面溅射出的原子数。（1）材料的溅射产额y与轰击靶材表面的正离子种类、能量、入射角有关。入射离子能量从零增加到某值时，才发生溅射现象，该值称为阈能。溅射气体通常选氩气。（2）溅射产额y与材料种类、表面状态、温度有关。三、磁控溅射1、在二极溅射装置上加一与电场E的正交磁场B2、在正交电磁场作用下电子围绕磁力线作曲线运动加大了运动路径,大大提高电子对气体的电离几率e-xBBe-EBExBSNNSe-•Rotatablecylindricalmagnetron(BOC,1994).Webcoatingsandglasscoating.Targetmaterialssometimesdifficulttofindincylindricalshape.2、特点•等离子体密度比二极溅射提高一个数量级,达到10-3，靶电流密度提高一个数量级•靶材刻蚀速率，镀膜速率与靶电流密度成正比，即磁控溅射镀膜速率比二极溅射提高一个数量。•加进磁场使放电容易，靶电压降低，膜层质量提高•靶材经离子刻蚀形成溅射沟道，此沟道一旦穿通，靶材即报废，靶材利用率低•对于矩形靶，溅射沟道似运动场上的“跑道”。四、非平衡磁控溅射•普通的磁控溅射阴极的磁场集中于靶面附近的有限的区域内，基片表面没有磁场，称平衡磁控溅射阴极•1985年Window提出增大普通的磁控溅射阴极的杂散磁场，从而使等离子体范围扩展到基片表面附近的非平衡磁控溅射阴极•如果通过阴极的内外两个磁极端面的磁通量不等，则为非平衡磁控溅射阴极，非平衡磁控溅射阴极磁场大量向靶外发散•普通的磁控溅射阴极的磁场将等离子体约束在靶面附近，基片表面附近的等离子体很弱，只受轻微的离子和电子轰击。•非平衡磁控溅射阴极磁场可将等离子体扩展到远离靶面的基片，使基片浸没其中，因此又称“闭合磁场非平衡溅射”（Closed-fieldUnbalancedMagnetronSputtering,CFUBMS),可以以高速率沉积出多种材料的、附着力强的高质量薄膜。这有利于以磁控溅射为基础实现离子镀，有可能使磁控溅射离子镀与阴极电弧蒸发离子镀处于竞争地位。IW心=W外普通的（平衡）磁控溅射阴极I型W外=0II型W心=0•1、特点•减少了弧光放电•解决了阳极消失问题•沉积速率比射频溅射高五倍左右•设备购置费和维修费较射频溅射低五、脉冲磁控溅射--中频双靶反应溅射近年来磁控溅射另一发展当属脉冲磁控溅射，这里只介绍其中应用较广的中频双靶反应溅射•设备安装、调试及维护比射频溅射容易运行稳定•膜层质量(緻密程度)不比射频的差•用扫描电镜做了某样品表面形貌的初步观察，RF和MF的表面都很平整，没有龟裂、针孔等缺陷。二者在放大50，000倍的条件下得到的表面情况存在明显区别。RF有20nm左右的密密麻麻的小圆丘，而MF显得很平2、双靶---孪生靶•双靶的“双”字，如前所述原文是：twin或dual都有孪生的意思，而不是简单的two•构成双靶的两个靶一定要严格一致：结构、材料、形状、尺寸，加工与安装精度；•运用中两个靶处于同一环境，压力及气体组分、抽气速率等3反应溅射与反应溅射滞回曲线•大部分化合物薄膜特别是介质膜均由金属靶通反应气体，用反应溅射方法制备•在靶电源为恒功率模式下，随反应气体（如氧）流量变化（增加或减小），靶电压变化呈非线性，类似磁滞回曲线4、硅靶通氧反应溅射制备二氧化硅：靶电压随氧气流量变化曲线有滞回现象（反应溅射的固有特性）0204060400450500550600650氧化态金属态电压(v)氧流量(SCCM)5、三种状态（金属态--过度态--氧化态）的特点及溅射速率变化6、按不同采样方法控制方式可分为:•质谱法检测反应气体的分压强来控制反应气体流量。•等离子体发射检测法(PEM:PlasmaEmissionMonitor），根据某种元素（通常是金属离子）特征光谱的强弱变化来对反应气体进行控制。•利用靶中毒时的外部特征（如靶电位、靶电流）来控制反应气体流量。7、控制系统的稳定性8、PEM闭环控制回路示意图等离子体阴极氧分压可控阀门接氧气源光探头滤光片放大器控制器设定闭环控制方块图真空室内靶、布气、抽气、基片位置之一VacuumPumpMagnetronReactivegasinletSubstrate真空室内靶、布气、抽气、基片位置之一PlasmaShieldgasinletVacuumPumpBackPlateSubstrateCathodes六、射频磁控溅射•1966年IBM采用射频溅射镀制SiO2膜•采用13.6MHz高频功率电源，注意接地与匹配调节。•靶材可以是导电的金属靶，也可以是绝缘的陶瓷靶，但由于射频电磁辐射对人体有害，工业应用仅限于采用绝缘靶材•射频电磁辐射的屏蔽及靶的设计及安装应特别强调。请批评指正，谢谢！结束语