提高红外器件磁控溅射沉积镀膜厚度均匀性的一种方法

提高红外器件磁控溅射沉积镀膜厚度均匀性的一种方法 122111孙祥乐 ，孙 茜 ，孙金妮 ，王忆锋 ，余连杰 ，刘黎明 (1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223;2.云南师范大学，云南 昆明 650092) 摘要:介绍了一种提高红外器件磁控溅射沉积镀膜厚度均匀性的方法。这种方法被称为基片离心旋转法～是在保持磁控溅射靶不动及靶和样品台间距不变的情况下～通过样品台离心旋转的方法～补偿或 改善圆形磁控靶在正对的基片上沿径向的溅射沉积不均匀分布～是一种动态沉积法。这种方法可以在 不改变磁控靶结构的情况下大大提高磁控溅射沉积镀膜的厚度均匀性。 关键词:磁控溅射,厚度均匀性,沟槽效应 中图分类号:O484.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8891(2012)05-0265-03 A Method of Improving the Thickness Uniformity of Thin Film Deposited by Magnetron Sputtering 122111SUN Xiang-le，SUN Qian，SUN Jin-ni，WANG Yi-feng，YU Lian-jie，LIU Li-ming (1. Kunming Institute of Physics, Yunnan Province, Kunming 650223, China; 2. Yunnan Normal University, Yunnan Province 650092, China) Abstract:A method of improving the thickness uniformity of thin film deposited by magnetron sputtering systems was introduced. This method is called the sample stage eccentric axial circumrotating. It can make up or improve the film thickness distribution on the radial direction through the sample stage eccentric axial circumrotating without changing the magnetron target’s position and the distance between the target and the sample stage. It’s a dynamic way and it can be used to improve the films thickness uniformity without changing the target structure of a magnetron sputtering system. Key words:magnetron sputtering，thickness uniformity，groove effect 高，可控性好，尤其是这种沉积膜方式可以在相对较0 引言 低的温度条件下进行，所以广泛应用于对低温有特殊 [4,5]要求的红外半导体镀膜工业。然而，由于磁控溅射 以碲镉汞(HgCdTe)半导体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的红外探 中磁场的不均匀分布，形成磁控溅射所特有的一种沟 测器器件工艺中，几乎都要进行表面钝化和金属膜电 [6][1,2]槽效应。不同的磁场分布会形成不同的沟槽效应， 极成型工艺。在红外焦平面和读出电路的互连工艺 有些是在靶面二分之一半径附近形成一圈沟槽状的 中，金属膜的厚度均匀性对于互连工艺的可靠性起着 至关重要的作用;而在背照式红外探测器的光接收 圆环，有些是在该处形成一圈凸形圆环，如图 1 所示。 面，往往都要涂镀一层或数层介质膜，以起到对器件 平面靶经过一段时间的溅射后，会形成凹凸状的起进行保护和对红外辐射减反射的作用，介质膜的厚度 均匀性同样会影响探测器的滤光和接收带宽。由于 伏。正是由于磁控溅射的这种特征，造成基片上沉积 HgCdTe 等红外半导体材料的低温特点，表面钝化和 薄膜的不均匀分布。在样品台和圆形平面靶正对的情 金属膜电极成型工艺往往都要求在相对较低的温度 况下，在 4 inch 的样品上溅射沉积形成的 ZnS 薄膜如 条件下进行。磁控溅射镀膜是一种以惰性气体辉光放 图 2 所示，图中沿径向的带状是为方便台阶仪测试而 电后产生的正离子轰击阴极表面，将阴极靶材物质溅 腐蚀出的薄膜台阶，可以看出图中有明显的环状色阶 射出来，扩散沉积到基片表面上成膜的物理气相沉积 变化。经台阶仪测试，发现膜厚为 3800 Å 左右的薄 过程。利用磁场控制电子运动轨迹，增加气体电离几 [3]膜其厚度不均匀性在 13%以上。虽然有些磁控溅射镀 率，从而提高溅射产额。磁控溅射由于其溅射产额 [7]膜设备生产商在磁控靶的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 上做了一些改进，但 由于磁控靶本身原理上的限制，磁控溅射镀膜方式不 收稿日期:2012-03-06. 作者简介:孙祥乐(1962-)，男，高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，硕士，主要研究方向为红外探测器器件研发。 第 34 卷 第 5 期 红 外 技 术Vol.34 No.5 2012 年 5 月Infrared Technology May 2012 能从根本上消除镀膜过程中所产生的厚度不均匀性。于圆周运动的切线速度与半径成正比，基片边缘部分 单位面积在垂直于溅射方向扫过的速度就大;而在基 片中心部分由于其线速度小，在该部分单位面积垂直 于溅射方向扫过的速度就小。通过调节溅射功率和溅 射距离，就可改变薄膜沉积速率;再通过调节基片圆 盘的转速，就可有效地平衡由于溅射所形成的不均匀 分布，如图 4 所示。 图 1 磁控靶的沟槽效应 Fig.1 The groove effect of a magnetron target (a) (b) 图 3 基片离心旋转法 Fig.3 Schematic of sample stage eccentric axial circumrotation 图 2 4 inch 晶片上沉积的 ZnS 薄膜 Fig.2 ZnS film deposited on a 4 inch Si chip 磁控溅射的微观动力学过程比较复杂，尤其是溅 射物质在由靶向基片飞行过程中的飞行轨迹具有很 强的随机性。然而，我们在工艺实践中发现，与在圆 Deposition velocity Substrate Overlay 形平面上被溅射较多的沟槽区域相对应的基片上的 distribution rotation 环形区域，并不是薄膜生长较快的区域。基片上沉积 图 4 溅射不均匀分布的平衡 膜的厚度呈由中心沿半径逐渐减小的分布，在中心区 Fig.4 Balance of the asymmetry 域薄膜最厚。这说明溅射物质的沉积仍然遵守一种统 由于薄膜微观结构与沉积方向有关，故还可以通 计分布规律。利用这一规律，在沉积方式上做一些改 过改变基片转轴的取向达到改变薄膜微观结构的目 进，就可有效提高磁控溅射沉积膜的厚度均匀性。以 的，如图 3(b)所示。 下方法就是在不改变磁控靶结构的前提下所设计的。 2 讨论 1 基片离心旋转法 图 2 是在 4 inch 的 Si 片(sample-1)上用一台国 这种方法主要是基于溅射靶和基片正对情况下 产的 FJL-450 型磁控溅射设备沉积的 ZnS 薄膜。靶材 为φ100 mm 的 ZnS 圆形靶，靶和基片正对，靶和基片 基片上溅射物质沉积的统计分布规律。如上所述，在 间距为 80 mm，溅射功率为 70 W，沉积时间为 27 min， 溅射靶和基片正对的情况下，基片上沉积膜的厚度呈 由中心沿半径逐渐减小的分布，相应的基片上的沉积 沉积过程中靶和基片都处于静止状态。图中沿直径方 向的带状区域是用光刻胶掩膜法做出的沉积膜台阶， 速率分布也是呈由中心沿半径逐渐减小的非线性分 布，如图 3(a)所示，这种分布可以称之为沉积膜的正 以便用台阶仪进行膜厚测量。图 5 是用同一台磁控溅 态分布。 射设备在一 50 mm×10 mm 的 Si 片(sample-2)上用 基片离心旋转法沉积的 ZnS 薄膜。样品台换为φ50 mm 如果采用图 3(b)所示的方法，可称之为基片离心 的旋转样品台，样品台与靶的空间位置如图 3(b)所示; 旋转法，即:基片旋转轴不与圆形靶的轴线重合，使 靶和基片间距、溅射功率以及沉积时间均和样品 1 的 基片圆盘边缘与靶轴线相切，靶不动，基片旋转。由 沉积条件保持相同;样品台转速为 15 r/min;图 5 中 靶和样品间距的方法提高磁控溅射沉积镀膜的厚度 均匀性。 的沉积膜台阶也是用光刻胶掩膜法制成。沉积膜的厚 度均用一台 AMBIOS XP-2 台阶仪测量。为便于比较， 3 结语 在样品 1 上沿直径方向相隔 1,3 mm 选择 37 个点进 行测量;在样品 2 上选择 18 个点进行测量，样品 1 以上方法是在不改变磁控靶结构的情况下提高 和样品 2 的测量结果均示于图 6 中。 磁控溅射沉积薄膜厚度均匀性的辅助方法。虽然不能 将沉积膜的均匀性提高到 100%，但比起单靶溅射， 用这种方法可将薄膜的厚度均匀性大大提高。在以倒 装焊为基础的 HgCdTe 红外焦平面与读出电路的互连 工艺中，用基片离心旋转法磁控溅射沉积金属膜，既 可以实现 HgCdTe 材料对于器件工艺相对较低的温度 要求，又可以满足互连工艺中对金属膜厚度均匀性的 要求，以防止虚焊。另一方面，用基片离心旋转法射 频磁控溅射沉积介质膜，可在样品表面得到形成厚度 均匀的保护膜，这对于一些以介质膜作为红外减反射 图 5 基片离心旋转法沉积的 ZnS 薄膜 或滤光的器件来说是有利的。与静态溅射相比，基片 Fig.5 ZnS film deposited by sample stage eccentric axial 离心旋转法属于动态溅射，有可能改变沉积薄膜的微 circumrotating 观结构，但通过进一步的热处理或退火处理，薄膜的 微观结构可以得到修复。 4400 4300 ) Å4200 sample -1 4100 4000 thickness( 3900 参考文献:sample-2 Film 3800 曾戈虹. HgCdTe 红外探测器性能 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 [J]. 红外技术, 2012, 34(1):1-3. [1] 3700 3600 庄继胜, 王忆锋, 范乃华, 等. 红外焦平面探测器测试数据的校正[J]. [2] -60 -40 -20 0 20 40 60sample diameter(cm) 红外与激光工程, 2011, 40(2): 195-198. Wasa, Hayakawa. Handbook of Sputter Deposition Technology[M]. New [3] Jersey: Noyes Publications, 1991: 49-61. 图 6 样品 1 和样品 2 上的薄膜厚度分布 杨丽丽, 王光华, 孔金丞, 等. 不同靶间距下非晶体碲镉汞薄膜生长 [4] Fig.6 Film thickness distribution on both sample 1 and sample 2 [8]及厚度均匀性研究[J]. 红外技术, 2011, 33(1): 13-16. 沉积薄膜的厚度均匀性用下列公式计算: 王忆锋, 余连杰, 马钰. 日盲单光子紫外探测器的发展[J]. 红外技术, [5] TU,100%,[2(t,t)/(t，t)]%(1) maxminmaxmin2011, 33(12): 715-720. 式中:t和 t分别为薄膜厚度的最大值和最小值。 max min [6] S.Parkin. Will Spintronics Replace Conventional Electronics. New York: 根据此公式，样品 1 上的薄膜厚度均匀性为 86.3%， Research & Development, Vol.41 No.8. 而样品 2 上的薄膜厚度均匀性可达到 99.4%，说明比 田民波, 刘德令. 薄膜科学与技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, [7] 起静态法，用基片离心旋转法可以显著提高磁控溅射 1991: 430-439. 沉积镀膜的厚度均匀性。 WANG Chih-ta, YEN Shi-chern. Theoretical analysis of film uniformity [8] 实验发现，适当增加靶和基片之间的距离，沉积 in spinning processes[J]. Chemical Engineering Science, 1995, 50(6): 薄膜的厚度均匀性也有所提高，说明在一些尤其是真 989-999. 空腔室比较大的磁控溅射镀膜设备中，可以通过改变