《磁控溅射镀膜技术》PPT课件

磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 的基 本 概 念 与 应 用（ 学 习 班 讲 稿 ）报 告 人 ： 范 垂 祯 2004年 6月低 温 实 验 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 （ Dual Magnetron Sputtering） 的 方 法 的 最 早 专 利 是Kirchhoff 等 1986年 申 请 的 工 业 上 ， 德 国 L e y b o l d 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-fied unbalanced magnetron spattering, 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=1.5-3.0mm 2、 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/N VB 汤 森 放 电 正 常 辉 光 弧 光异 常 辉 光P=133Pa(Ne)V A) 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 B 2、 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- EBExBS N N Se- Rotatable cylindrical magnetron (BOC, 1994).Web coatings and glass coating.Target materials sometimes difficult to find in cylindrical shape. 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-field Unbalanced Magnetron Sputtering,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 。 I W心 = W外 普 通 的 （ 平 衡 ） 磁 控 溅 射 阴 极 I型 W外 =0 II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 ） 0 20 40 60 400 450 500 550 600 650 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: Plasma Emission Monitor） ， 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Vacuum PumpMagnetron Reactive gas inletSubstrate 真 空 室 内 靶 、 布 气 、 抽 气 、 基 片 位 置 之 一Plasma Shieldgas inlet Vacuum PumpBack PlateSubstrate Cathodes 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