《磁控濺射鍍膜技術(shù)》PPT課件

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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

2、 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 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 Penning

3、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(guó) 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

4、 （ Dual Magnetron Sputtering） 的 方 法 的 最 早 專 利 是Kirchhoff 等 1986年 申 請(qǐng) 的 工 業(yè) 上 ， 德 國(guó) L e y b o l d 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、 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(guó) 內(nèi) 發(fā) 展 情 況 1982年 以 后 ， 范 毓 殿

5、 、 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(guó) 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(yáng) 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 應(yīng) 濺 射制 備

6、 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(guó) 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(guó)

7、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與 電 極 之 間 距 離 d的 乘 積 p.d對(duì)輝 光 放 電 壓 U的 影 響 ， 相 對(duì) 應(yīng) 的 曲 線 稱 巴 刑 曲 線 ，該 曲 線 所 展 示 的 規(guī) 律 稱

8、巴 刑 定 律 .DISTANCE(Torr-cm)V(BREAKDOWN)(volts) 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(duì) 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 . 電 流 密 度

9、J/(A cm )電壓 V/N VB 湯 森 放 電 正 常 輝 光 弧 光異 常 輝 光P=133Pa(Ne)V 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 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

10、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(tái) 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

11、謂 “ 雙 跑 道 靶 ” 是 將 靶 面 加 寬 （ 例 如由 140mm加 大 到 220mm） 磁 場(chǎng) 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(wú)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 功 率 啟 動(dòng) 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

12、 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(yáng) 極 暗 區(qū) （ 7）陽(yáng) 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

13、速 率 。 陰 極 暗 區(qū) 邊 緣 的 電 位 幾 乎 接 近 陽(yáng) 極 電 位 ，相 當(dāng) 于 在 輝 光 放 電 時(shí) ， 等 離 子 體 將 陽(yáng) 極推 到 陰 極 暗 區(qū) 邊 緣 ， 此 時(shí) 真 正 的 陽(yáng) 極 在哪 里 并 不 重 要 。 陽(yáng) 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(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

14、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

15、 子 ） 的 級(jí) 聯(lián) 碰 撞 、 注 入 、 擴(kuò) 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 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

16、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(chǎng)E的 正 交 磁 場(chǎng) B 2、 在 正 交 電 磁 場(chǎng) 作 用 下 電 子 圍 繞 磁 力 線 作曲 線 運(yùn) 動(dòng) 加 大 了 運(yùn) 動(dòng) 路 徑 ,大 大 提 高 電 子 對(duì)氣 體 的 電 離 幾 率 e-xBBe- EBExBS N N Se- Rotatable cylindrical magnetron (BOC, 1994).Web coatin

17、gs 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(jí) ,達(dá) 到 10-3， 靶 電 流 密 度 提 高 一 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) 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(chǎng) 使 放 電 容 易 ， 靶 電 壓 降 低 ， 膜層 質(zhì) 量 提 高 靶 材 經(jīng) 離 子

18、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(duì) 于 矩 形 靶 ， 濺 射 溝 道 似 運(yùn) 動(dòng) 場(chǎng) 上 的“ 跑 道 ” 。 四 、 非 平 衡 磁 控 濺 射 普 通 的 磁 控 濺 射 陰 極 的 磁 場(chǎng) 集 中 于 靶 面附 近 的 有 限 的 區(qū) 域 內(nèi) ， 基 片 表 面 沒 有 磁場(chǎng) ， 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(chǎng) ， 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

19、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(chǎng) 大 量 向 靶 外 發(fā)散 普 通 的 磁 控 濺 射 陰 極 的 磁 場(chǎng) 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(chǎng) 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(chǎng) 非

20、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(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(jìng) 爭(zhēng) 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(yáng) 極 消 失 問 題 沉

21、積 速 率 比 射 頻 濺 射 高 五 倍 左 右 設(shè) 備 購(gòu) 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(lái) 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 )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

22、 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(jiǎn) 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

23、 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 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 ）

24、 0 20 40 60 400 450 500 550 600 650 氧 化 態(tài) 金 屬 態(tài) 電壓 (v) 氧 流 量 (SCCM) 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(cè) 反 應(yīng) 氣 體 的 分 壓 強(qiáng) 來(lái) 控 制 反應(yīng) 氣 體 流 量 。 等 離 子 體 發(fā) 射 檢 測(cè) 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(lái)對(duì)

25、 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(lái) 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 等 離 子 體 陰 極 氧 分 壓 可 控 閥 門 接 氧 氣 源 光 探 頭 濾 光 片 放 大 器 控 制 器 設(shè) 定閉 環(huán) 控 制 方 塊 圖 真 空 室 內(nèi) 靶 、 布 氣 、 抽 氣 、 基 片 位 置 之 一Vacuum PumpMagnetron Reactive gas inletSubstrate 真 空 室 內(nèi) 靶 、 布 氣 、

26、抽 氣 、 基 片 位 置 之 一Plasma Shieldgas inlet Vacuum PumpBack PlateSubstrate Cathodes 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(duì) 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(qǐng) 批 評(píng) 指 正 ， 謝 謝 ！結(jié) 束 語(yǔ)