磁控溅射镀膜技术简述

科技前沿 · 磁控溅射镀膜技术简述 撰文 刘瑞鹅 李刘合 上世纪 年代开始 , 磁控溅射技术得到迅猛的发 展 , 其应用领域得到了极大地推广 。 现在磁控溅射技 术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位 , 在工业生产 和科学领域发挥着极大的作用 。 随着对薄膜质量要求 的不断改变 此项技术也将不断地完善和发展下去 。 本文将向读者介绍磁控溅射技术的发展历程 , 并详细 讨论多靶闭环非平衡磁控溅射 、 脉冲磁控溅射 、 高速 率磁控溅射及 自溅射 、 可变场磁控溅射等各项技术的 特点和应用 。 年 , 格洛夫 发现阴极溅射现象 , 从 而为溅射技术的发展开创了先河 。 采用磁控溅射沉积 技术制取薄膜是在上世纪三四十年代开始的 , 但在上 世纪 年代中期以前 , 采用蒸镀的方法制取薄膜要比 采用磁控溅射方法更加广泛 。 这是因为当时的溅射技 术刚刚起步 , 其溅射的沉积率很低 , 而且溅射的压强 基本上在 以上 。 但是与溅射同时发展的蒸镀技术由 于其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级 , 使得溅射镀 膜技术一度在产业化的竞争中处于劣势 。 溅射镀膜产 业化是在 年 , 美国贝尔实验室和西屋电气公司采用 长度为 米的连续溅射镀膜装置 , 镀制集成电路中的 担膜时首次实现的 。 在 年 , 由 发现了平衡 磁控溅射后 , 使高速 、 低温溅射成为现实 , 磁控溅射 更加快速地发展起来 。 磁控溅射技术在过去的几十年里发展快速 , 如今 它 已经成为在工业上进行广泛 的沉积筱层的重要技 术 。 正是近来市场上各方面对高质量薄膜 日益增长的 需求促使它不断地发展 。 在许多方面 , 磁控溅射薄膜 的表现都比由物理蒸发沉积制成的要好 而且在同样 的功能下采用磁控溅射技术制得的薄膜能够比采用其 它技术制得的厚 。 因此 , 磁控溅射技术在许多应用领 域包括制造硬的 、 抗磨损的 、 低摩擦的 、 抗腐蚀的 、 装演的以及光电学薄膜等方面具有重要的影响 。 、 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 溅射沉积是在真空环境下 , 利 用等离子体 中的荷能离子轰击靶材 表面 , 使靶材上 的原子或离子被轰 击出来 , 被轰击出的粒子沉积在基 体表面生长成薄膜 。 溅射沉积技术的发展历程中有 几 个具 有 重 要 意 义 的技 术创 新 应 用 , 现归结如下 二级溅射 传统磁控溅射 即平衡 磁控溅射 非平衡磁控溅射 脉冲磁控溅射 磁控溅射技术新型应用 二极溅射是所有溅射沉积技术 的基 础 , 二 极溅射 应 用于 薄膜 沉 积 , 确立 了溅射沉积技术的基本原 理和 方式 。 二极溅 射 结 构 简 单 、 便于 控 制 、 工艺重复性好 , 主要应用于沉 积原理的研究 , 由于该方法要求工 作气压高 户 、 基体温升高和 沉积速率低等缺点 限制了 它在生产 中的应用 。 在 年引进的平衡磁 控溅射技术克服 了二级溅射沉积速 率低的缺点 , 使溅射镀膜技术在工 业应用上具备 了与蒸发镀膜相抗衡 的能力 。 平衡磁控溅射镀膜的缺点在于 其对二次 电子的控制过于严密 , 使 等离子体被限制在阴极靶 附近 , 不 利于大面积镀膜 。 在 年 , 开发出了 “ 非平衡磁控溅 射 ” 技术 , 可以克服这一缺点 。 工 业用磁控溅射镀膜装皿 , 除镀制板 材装 外 , 均 以大体积镀膜 区镀制 大 工件为 目的 。 这要求整个真空 室的偏流密度都超过 。 上 世纪 年代前期 , 在非平衡磁控溅 射的基础上发展 出了 闭合非平衡系 统 , 采用多个靶以及 非平衡结构构成 闭合磁场可以对 电 子进行有效的约束 , 使整个真空室 的等离子体密度得 以提高 。 这样可 以使磁 控 溅 射技 术 更 适 合 工 业 生 产 。 在磁控溅射技术的另一项非常 重 要 的 发 展 是 脉 冲 磁 控 溅 射 。 在通过直流反应溅射来 制得高密 、 无缺陷的绝缘膜 尤其 是氧化物薄膜 时 , 经常存在不少 的问题 。 其结果会严重地影响膜的 结构和性能 。 但如果采用脉冲磁控 溅射 , 并把其频率定为 中频 一 , 就能很好地克服直流 反应溅射的缺点 。 通过脉冲磁控溅 射可以与制得金属薄膜 同样的效率 来制得高质 的绝缘体薄膜 。 随着技术的进步 , 近年来脉冲 中频 电源的研发成功 , 使镀膜工艺 技术又上 了一个新台阶 利用中频 电源 , 采用 中频对靶或者孪生靶 , 进行中频磁控溅射 , 有效地解决 了 靶中毒严重的现象 , 特别是在溅射 绝缘材料的靶时 , 克服 了溅射过程 中 , 阳极消失的现象 。 脉冲中频 电 源在溅射中的应用 , 尤其是反应溅 射 , 可有效消除直流反应溅射介电 材料和绝缘材料存在的异常弧光放 电导致的过程不稳定性和薄膜缺陷 等 问题 , 使反应溅射真正成为溅射 沉积技术的重要分支之一 。 在 以上的磁控溅射技术的基础 上 , 再 根 据 应 用 的 需 要 , 对磁控溅射系统进 行改进就衍生出多种多 样的设备和装 。 这些 改进主要是在系统内磁 力线的分布上以及磁控 溅 射 靶 的 设 里 和 分 布 上 。 在制取薄膜的过程 中 , 离子对生长膜的轰 击是制得高质 薄膜的 一个至关重要的参数 。 而对每一个 已固定的设 备而言 , 影响离子流向 生长膜层传递的主要因 素就是系统内磁场的强 度和磁力线的分布 。 另外在靶的分 布和 设 里 上 也 可 以找 到最 佳 的 方 法 。 二 、 磁控戮射原理及应用 , 磁控溅射原理 磁控溅射系统在真空室充入 一 压力的惰性气体 , 作 为气体放 电的载体 , 阴极靶材的下 面放 一 强力磁 铁 。 在高压作用下 原子电离成为 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 电场产生的静 电作用力和 磁 场 产 生 的 洛 伦 兹 力 的共 同作 用 正交 电磁场作用 , 产生漂移 , 并做跳栏式的运动 。 这会使 电子到 达阳极前的行程大为延长 , 在运动 过程中不断与 原子发生碰撞 , 电 离出大 的 离子 。 磁控溅射时 , 电子的能 充分用于碰撞 电离 , 使 等离子体密度 比二极溅射的密度提 高约一个数 级 。 一般靶材刻蚀速 率 , 相应的镀膜速率与靶面 电流密 度成正 比 , 于是磁控溅射的镀膜速 率相 比 一 些普 通 溅 射 技 术 大 大提 高 。 经过多次碰撞后 电子的能 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 一 ★ © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 科技前沿 · 图 碗握溅射原理图 上 。 而 离子在高压 电场加速作用 下 , 与靶材的撞击并释放出能 , 导致靶材表面的原子吸收 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 。 具体原 理如图 所示 。 由于 电子必须经过不断地碰撞 才能渐渐运动到阳极 , 而且 由于碰 撞 , 电子到达阳极后其能 已经很 小 , 对基板的轰击热也就不大 , 这 就是磁控溅射基板温升低的主要机 理 。 另一 方面 , 加上磁场后大大加 大 了 电子与氨原子碰撞的几率 , 进 而大大促进 了 电离的发生 , 电离后 再次产生的电子也加入到碰撞的过 程 中 , 从而能将碰撞的几率提高好 几个数 级 。 这就是磁控溅射沉积 速率高的原 因 。 磁控溅射技术应用 , 闭 环 非 平衡磁 控 溅 射 一 平衡磁控溅射是磁控溅射技术 的一个重要发明 , 但其不利于大面 积镀膜 的缺点使其难 以在工业上大 范围的推广 。 年非平衡磁控溅 射理论的出现解决 了这一难题 。 非 平衡磁控溅射的特性就是通过磁控 溅射阴极的 内 、 外两个磁极的磁通 不相等 , 利用其阴极的磁场大量 向靶外发散的特性 , 可将等离子体 扩展到远离靶面处 , 使基片浸没其 中 , 这样有利于 以磁控溅射为基础 实现大面积离子镀 。 在 非平 衡磁控 溅 射技 术基 础 上 , 为更进一步地提高真空室内离 子流密度 , 需要利用非平衡磁场形 成 一 个 可 以 捕 捉 电 子 的 “ 闭 合 典的多靶排列方式 图 系统主要 用于合金 、 合金化合物 和复合薄膜的制备 , 两 块靶采用 不同金属材料 用于制备合金薄膜 , 当 在反应气体存在的真空 环境 中则可制备合金化 合物 , 当两块靶分别为 金属和复合用材料时 , 则可制得复合薄膜 。 图 系统对小型零件或 粉末基体镀膜可规模化 生产 。 图 为四 靶 非平衡磁控溅射系统 , 对 复 杂 基 体 的 均 匀 沉 积 , 尤其是反应溅射十 分有效 。 脉 冲 溅 射 如果为磁控溅射提供能 的是 直流电源 , 它在利用反应溅射沉寂 绝缘介质薄膜时 , 将会由于靶表面 累积电荷而导致阳极消失 、 阴极中 毒 、 放 电打弧等一 系列 问题 。 这些 问题常会破坏等离子体的稳定性 , 从而降低系统的沉积率 , 并最终会 导致薄膜沉积不能进行 。 近几年发展的脉冲溅射和中频 溅射技术可以在沉积绝缘介质薄膜 的时候释放靶表面累积的电荷 , 从 而防止 了打弧现象 , 并且有较高的 阱 ” , 这就需要有多 个阴极靶共同组成 闭 环 系统 。 采用 多靶非 平衡磁控系统可以进 一步增大等离子体区 域 , 加大等离子体对 薄膜的轰击 并且 由于系统 内磁场 的改 进其膜层沉积地也更 加均匀 。 此外 , 多个 靶材同时工作也大大 增加 了整个系统的溅 射率 。 下图 为几种经 图 几种常见 的闭合磁场多靶系统 , , 。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 溅射速率和沉积速率 。 脉冲磁控溅射在其工作的一个 周期 内其 电源在正 电压和负电压之 间不断变化 。 当工作在 负电压阶段 时相 当于阴极靶 , 系统进行溅射工 作 , 当工作在正 电压阶段时引入 电 子 中和靶面累积的正 电荷 , 并使表 面清洁 。 这种方式更适合工作在双 靶 闭合 系统 中 。 利用 同 一脉 冲 电 源 , 将两靶分别接正 电压和负电压 使其交替充当阳极和阴极 , 阴极靶 在溅射的同时 , 阳极靶就可以完成 表 面 清 洁如 此 交替 进 行 就 产 生 了 “ 自清洁 ” 效应 。 正 电压为零时称 为单 向脉冲 , 这种情况下其 自清洁 效果不明显 , 适用于低 电阻材料的 反应溅射 , 如下 和氮化物等 。 商速率溅射 和 自溅射 最近发展起来的高速率溅射和 自溅射技术因其具备很大的潜力而 被业界所重视 。 究其原 因就是高速 率溅射和 自溅射中 , 其溅射材料具 有较高的离化率 溅射材料的大 电离可 以减少 , 甚至消除对惰性气 体 的需求 , 从而大大改善 了沉积膜 层 的结构 可以大大缩短薄膜形成 的 时 间 , 从 而 提 高 工 业 应 用 的 效 率 有可能取代有环境污染的电镀 等几个方面 。 在高速率溅射系统中如果不存 在情性气体 , 就称为自溅射 。 自溅射 过程中由于没有情性气体的参与 , 在 很大程度上影响了膜层的生长过程以 及其结构成分 并且在制取合金或混 合物薄膜时 , 自溅射还可以促进溅射 粒子化学反应的进行 。 与通常的磁控溅射相 比 , 高速 率溅射和 自溅射的特点在于其靶上 的高功率密度 , 其功率密度一般会 在 左右 。 另外在高速率溅 射和 自溅射中由于真空室 内的惰性 气体很少甚至没有 , 其结果必然导 致系统 内压强的降低 , 而维持放 电 图 智能阴极示意图 在外侧半径处溅射 匕 在内侧半径处溅射 电流需要 , 以上 的压强 。 真空 室 内的压强来 自于工作气体及材料 的蒸汽 , 于是高速率溅射对材料的 自溅射率有 了一定的要求 。 一般规 定其 自溅射率大于 。 而 自溅射中 由于其系统中没有加入情性气体 , 而 对 其 靶材料 的溅射率 要 求 的 更 高 。 实验上 已证明银 、 铜 、 黄铜和 青铜都可以实现 自溅射 。 另外 由于 靶材料的高 自溅射率使大 携带能 的离子流向基体表面 , 结果会导 致基体温升过高 , 因此对于高速溅 射和 自溅射靶的冷却必须注意 。 磁场可变磁控滩射系统 磁控溅射中理想的磁场应该是 在整个靶面间均 匀分布 , 尽 提高 磁场的水平分 的分布 , 并提高其 均 匀 性 。 在 实际 的一 些 设计 结 构 中 , 不均匀分布的磁场产生密度不 均 匀分布的等离子体导致靶上各处 溅射率不同 , 靶的刻蚀速度不同 , 进 而 薄膜 的均 匀 性也难 以得到 保 证 。 显然解决上述 问题的行之有效 的方法就是加强磁场的均 匀性或相 对于靶 的均 匀性 。 由 开发 出 的 “ 智 能 阴 极 ” 卜 技术 , 在阴极靶中采用 了两个可调 的电磁线圈 , 通过调节 溅射功率 、 溅射时间和流过线圈的 电流来改变磁场分布 , 可将溅射过 程分为在 内径和外径两个阶段 。 这 种 设计 大 大地提 高 了靶材 的利 用 率 , 延长 了靶的使用寿命 , 同时又 改善了膜 的质 。 通过对线圈的调 节 , 基本上能够优化任何一种新材 料的镀制 。 具体原理可见下 图 另外在上世纪三 、 四 十年代发 明的圆柱形和圆筒磁控溅射阴极如 今 也 已 获 得 工 业 应 用 。 通过实验 , 开发出了一种 可通过改变磁源位 的方法来改变 磁场 的磁控管 。 他采用 的是国管可 旋转的结构作为靶的结构 。 通过图 管靶的旋转来获得相对于靶面的平 衡磁 场 。 由于 其 制造 比较 复 杂 , 又改进出 另一种平面靶的可移动磁源的磁控 管结构 。 此结构可采用平面的靶或 图筒靶 。 当采用平面靶时 , 在靶下 安装移动装 , 使平面可以移动 , 这样可以增加平行磁场对靶的相对 班 盖率 , 可 以 大 大 提 高 靶材 利 用 率 。 磁控溅射技术 已经在我国的建 材 、 装饰 、 光学 、 防腐蚀 、 工磨具 强化 、 集成 电路等领域得到 比较广 泛的应用 , 利用磁控溅射技术进行 光 电 、 光热 、 磁学 、 超导 、 介质 、 催化等功能薄膜制备是 当前研究的 热点 。 但是 , 关于非平衡磁控溅射 技术尤其是新型沉积工艺 , 国 内了 解 、 研究的单位还很少 。 因此 , 笔 者认为我国 的研究机构应该把研究 的中点 多放在对非平衡磁控溅射技 术上 , 不断研发新型沉积工艺 。 我 们还要在 已有的理论和技术基础上 不断地进行更加广泛更加深入的研 究 , 以求掌握第一手的科研资料来 为 以后的研究打下基础 。 目 一 ★ © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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