磁控濺射鍍膜技術(shù)1

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1、磁控濺射鍍膜技術(shù)的基本概念與應(yīng)用 （學(xué)習(xí)班講稿）,報(bào)告人：范垂禎 2004年6月,,,,,低溫實(shí)驗(yàn),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(tuán)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(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(diǎn)。,1、濺射鍍膜技術(shù)是真空鍍膜技術(shù)中應(yīng)用最廣的正在不斷發(fā)展的技術(shù)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(shù)用于鍍制反射鏡。 二十世紀(jì)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

2、現(xiàn)射頻濺射、三極濺射和磁控濺射。,2、發(fā)展概況（2）,1936年和1940年P(guān)enning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(shí)驗(yàn)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(shí)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、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（T

3、winMag）系統(tǒng)是其典型代表,已于1994年正式投入生產(chǎn)。,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(yīng)用前景,3、國內(nèi)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(guān)平面磁控濺射靶設(shè)計(jì)方面的論文報(bào)告 1985年后，各類小型平面磁控濺射鍍膜機(jī)問世 1995-1996年豪威公司采用國外先進(jìn)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

4、公司開展中頻雙靶反應(yīng)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應(yīng)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(jì)中頻反應(yīng)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(yīng)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(jìn)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

5、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(diǎn)選在左半支曲線，對于相鄰的相互絕緣的兩個(gè)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，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(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(shí)，只有很小電流通過： 加大電壓進(jìn)入湯生放電區(qū)； “雪崩”，進(jìn)入“正常輝光放電區(qū)” 離子轟擊區(qū)覆蓋整個(gè)陰極表面，再增加功率進(jìn)入“非正常輝光放電區(qū)”，濺射工藝的工作

6、點(diǎn)選在此區(qū)： 繼續(xù)增加功率，達(dá)到新的擊穿，進(jìn)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(gè)靶的伏安特性曲線不可能完全相同D)兩個(gè)靶并聯(lián)用一臺電源難以使兩個(gè)靶都處于最佳狀態(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(shí)形成兩個(gè)放電區(qū)，這與雙靶并聯(lián)無本質(zhì)差別，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）避免弧光放電,用大

7、功率啟動新靶，材料表面出氣，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(jì)、安裝不當(dāng)，及在運(yùn)用過程中受力、受熱引起的機(jī)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(fù)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(fù)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(shí)，等離子體將陽極推到陰極暗區(qū)邊緣，此時(shí)真正的陽極在哪里并不重要。 陽極位

8、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(diǎn)：,,,等離子體內(nèi)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(qiáng)度正比于激發(fā)態(tài)密度n*和相應(yīng)的mn躍遷機(jī)率P 特征光譜,,荷能粒子與材料表面相互作用,1、產(chǎn)生的效應(yīng),表面粒子發(fā)射：電子、中性原子與分子、正離子和負(fù)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(nèi)部與材料原子（分子）的級聯(lián)碰撞、注入、擴(kuò)散、化合 材料晶體的非晶化、結(jié)構(gòu)損

9、傷（產(chǎn)生缺陷）、置換 熱、電效應(yīng),2、濺射效應(yīng),正離子轟擊靶材表面引起的各類發(fā)射稱濺射，材料的濺射產(chǎn)額y系指一個(gè)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(chǎn)額y與轟擊靶材表面的正離子種類、能量、入射角有關(guān)。入射離子能量從零增加到某值時(shí)，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(chǎn)額y與材料種類、表面狀態(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(yùn)動加大了運(yùn)動路徑,大大提高電子對氣體的電離幾率,,,,,,B,,,,,,,,e-,,,,,,e-,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ro

10、tatable cylindrical magnetron (BOC, 1994). Web coatings and glass coating. Target materials sometimes difficult to find in cylindrical shape.,,2、特點(diǎn),等離子體密度比二極濺射提高一個(gè)數(shù)量級,達(dá)到10-3，靶電流密度提高一個(gè)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(gè)數(shù)量。 加進(jìn)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(bào)廢，靶材利用率低 對于矩形靶，濺射溝道似

11、運(yùn)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)，基片表面沒有磁場，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(kuò)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(nèi)外兩個(gè)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(kuò)展到遠(yuǎn)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 Un

12、balanced Magnetron Sputtering,CFUBMS),可以以高速率沉積出多種材料的、附著力強(qiáng)的高質(zhì)量薄膜。這有利于以磁控濺射為基礎(chǔ)實(shí)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(diǎn) 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(fèi)和維修費(fèi)較射頻濺射低,五、脈沖磁控濺射--中頻雙靶反應(yīng)濺射 近年來磁控濺射另一發(fā)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應(yīng)濺射,,設(shè)備安裝、調(diào)試及維護(hù)比射頻濺射容易運(yùn)行穩(wěn)定 膜層質(zhì)量(緻密程度)

13、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(gè)靶一定要嚴(yán)格一致：結(jié)構(gòu)、材料、形狀、尺寸，加工與安裝精度； 運(yùn)用中兩個(gè)靶處于同一環(huán)境，壓力及氣體組分、抽氣速率等,,3反應(yīng)濺射與反應(yīng)濺射滯回曲線,大部分化合物薄膜特別是介質(zhì)膜均由金屬靶通反應(yīng)氣體，用反應(yīng)濺射方法制備 在靶電源為恒功率模式下，隨反應(yīng)氣體（如氧）流量

14、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(yīng)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(yīng)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(diǎn)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 檢測反應(yīng)氣體的分壓強(qiáng)來控制反應(yīng)-+ 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(qiáng)弱變化來對反應(yīng)氣體進(jìn)行控制。 利用靶中毒時(shí)的外部特征（如靶電位、靶電流）來控制反應(yīng)氣體流量。,,,,7、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,8、PEM閉環(huán)控制回路示意圖,,,真空室內(nèi)靶、布?xì)?、抽氣、基片位置之?真空室內(nèi)靶、布?xì)?、抽氣、基片位置之?六、射頻磁控濺射,1966年IBM采用射頻濺射鍍制SiO2膜 采用13.6MHz高頻功率電源，注意接地與匹配調(diào)節(jié)。 靶材可以是導(dǎo)電的金屬靶，也可以是絕緣的陶瓷靶，但由于射頻電磁輻射對人體有害，工業(yè)應(yīng)用僅限于采用絕緣靶材 射頻電磁輻射的屏蔽及靶的設(shè)計(jì)及安裝應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)。,請批評指正，謝謝！,,,,,,,,結(jié)束語,