脉冲磁控溅射.doc

合肥工业大学脉冲磁控溅射读书报告20070677 闫涛2010/12/8脉冲磁控溅射读书报告磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于许多方面1～8 ,特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积和表面覆盖层制备1852 年Grove 首次描述溅射这种物理现象,20 世纪40 年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展60 年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用磁控溅射技术出现和发展,以及80 年代用于制作CD 的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术磁控溅射镀膜原理及其特点:磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100～1000Gauss 强力磁铁,真空室充入011～10Pa 压力的惰性气体(Ar) ,作为气体放电的载体在高压作用下Ar 原子电离成为Ar + 离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar 原子发生碰撞,电离出大量的Ar +离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10～100 倍,因此该区域内等离子体密度很高。

经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上而Ar + 离子在高压电场加速作用下,与靶材的撞击并释放出能量,导致靶材表面的原子吸收Ar + 离子的动能而脱离原晶格束缚,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片,并在基片上沉积形成薄膜溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为1～10eV ,溅射镀膜理论密度可达98 %比较蒸镀011～1eV的粒子能量和95 %的镀膜理论密度而言,溅镀薄膜的性质、牢固度都比热蒸发和电子束蒸发薄膜好图 　磁控溅射原理示意图磁控管中阴极和磁体的结构直接影响溅射镀膜的性能,因此根据磁控溅射应用要求,发展出各种不同结构和可变磁场的阴极磁控管10～17 ,以改善和提高薄膜的质量和靶材的利用率磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物18～19等物质,尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜;在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且重复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10 倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。

磁控溅射的靶材利用率一直是个问题,由于靶源磁场磁力线分布呈圆周形状,在靶表面的一个环形区域内,靶材被消蚀成一个深的沟,这种靶材的非均匀消耗,造成靶材的利用率较低实际应用中,圆形的平面阴极靶,靶材的利用率通常小于50 %通过磁场的优化设计可提高靶材的利用率,特定的条件下, 一些厂商磁控管的靶材利用率可以超过70 %另外,旋转靶材的利用率较高,一般可达到70 %～80 %以上磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产脉冲磁控溅射 脉冲磁控溅射是采用矩形波电压的脉冲电源代替传统直流电源进行磁控溅射沉积。

脉冲磁控溅射技术可以有效的抑制电弧产生进而消除由此产生的薄膜缺陷，同时可以提高溅射沉积速率，降低沉积温度等一系列显著优点脉冲可分为双向脉冲和单向脉冲（如图5 所示）双向脉冲在一个周期内存在正电压和负电压两个阶段，在负电压段，电源工作于靶材的溅射，正电压段，引入电子中和靶面累积的正电荷，并使表面清洁，裸露出金属表面加在靶材上的脉冲电压与一般磁控溅射相同(400～500V)，脉冲磁控溅射通常采用方波脉冲波形，在中频段(20～200 kHz) 即可有效消除异常弧光放电的发生，控制靶材放电的时间，保证靶材不中毒、不出现电弧放电，然后断开靶电压甚至使得靶材带正电因为等离子体中电子运动速度远高于离子速度，变换的靶材正电压一般只需要负偏压的10%～20%，即可以防止电弧放电有研究认为，脉冲宽度（正负电压时间之比）具有关键作用，脉冲宽度达到1∶1 时具有最佳抑制效果；正电压大小对是否产生电弧放电没有明显影响，但是极大的影响沉积速率，正电压从10%提高到20%(与负电压之比)，沉积速率可以提高50%双向脉冲更多地用于双靶闭合式非平衡磁控溅射系统如图6，系统中的两个磁控靶连接在同一脉冲电源上，与中频孪生靶相似，两个靶交替充当阴极和阳极，阴极靶在溅射的同时，阳极靶完成表面清洁，如此周期性地变换磁控靶极性，就产生了“自清洁”效应。

脉冲磁控溅射的主要参数包括溅射电压、脉冲频率和占空比由于等离子体中的电子相对离子具有更高的能动性，因此正电压值只需要负电压值的10%～20%，就可以有效中和靶表面累积的正电荷脉冲频率通常在中频范围，频率下限决定于保证靶面累积电荷形成的场强低于击穿场强的临界值，频率上限的确定主要考虑到沉积速率，一般在保证稳定放电的前提下，尽可能取较低的频率占空比的选择在保证溅射时靶表面累积的电荷能在正电压阶段被完全中和的前提下，尽可能提高占空比，以实现电源的最大效率另一个最新发展是在衬底上加脉冲偏压脉冲偏压能够大大提高衬底上的离子束流在磁控溅射中，直流负偏压一般加到－100 V 时，衬底离子束流即达到饱和，提高负偏压不会增加衬底离子束流，一般认为该饱和电流为离子束流，电子无法接近衬底表面使用脉冲偏压则不然，研究表明，脉冲偏压不仅能够提高衬底饱和电流，而且随着负偏压的增大，饱和电流增大；当脉冲频率提高时，该效应更加显著；该机制仍然不很清楚，可能与振荡电场产生的等离子体的离化率及子温度较高这一效应有关衬底脉冲负偏压为有效控制衬底电流密度提供了一种新的手段，该效应可以应用到优化膜层结构、附着力，以及缩短溅射清洗及衬底加热时间。

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