磁约束磁控溅射源工作特性及沉积速率的分析

磁约束磁控溅射源工作特性及沉积速率的分析 ()西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室 ,西安 710032 摘 要 : 为了提高靶材的利用率 ,将磁约束原理应用于磁控溅射技术中 . 采用直流矩形平面 磁控溅射源 ,测量了磁约束磁控溅射源稳定工作状态下的伏安特性及在恒功率模式下真空度 与靶电流之间的关系 ,研究了沉积速率与 A r 气流量 、溅射功率等因素之间的关系 . 确定了磁 约束磁控溅射源稳定工作时的最佳工艺参数 . 实验表明 :磁约束磁控溅射源稳定工作的电压范 围是 400,750 V ,工作真空度范围是 3 . 7,4 . 7 Pa ,在 A r 气流量为 220 sccm 时膜层具有最大 沉积速率为 54 . 6 n m/ mi n . 关键词 :磁约束 ;磁控溅射 ;磁控溅射源 ;沉积速率 文献标志码 : A中图号 :O484 . 4 磁控溅射已经发展成为工业镀膜行业中最主 1 磁约束磁控溅射源的工作原理 要的技术之一 ,且被广泛应用于力学 、光学 、电学等 磁约束磁控溅射源是基于“磁镜”原理的一种 各种功能材料薄膜的制备中. 在批量镀膜生产中较 为关注靶材利用率 、膜层均匀性 、沉积速率以及沉 新型磁控溅射源 . 当带电粒子在两端强中间弱的磁 [ 123 ] 积溅射的稳定性等方面的问题. 磁控溅射沉积 场中运动时 ,会在强磁场处反射回来 ,如同光遇到 薄膜技术 ,仍然存在很多问题 . 理想的磁感应强度 平面镜被反射一样 ,这种两端强中减弱的磁场称为 应该是在整个靶面均匀分布 ,应该尽量增强靶面水 磁镜 . 带电粒子就会在磁场中做往复运动. 基于这平方向上的磁感应强度值 ,提高磁场均匀性. 传统 一原理我们对实验室已经给出的一款磁约束磁控 的平面磁控溅射磁场是不均匀的磁场 ,导致等离子 溅射源进行特性分析 . 其工作原理如图 1 所示 . 体的分布产生一定的收缩效应 ,在磁感应强度较大 的区域溅射刻蚀速率极大 ,因此短时间内靶面上就 呈现出严重的不均匀溅射 ,靶材的利用率一般仅在 20 %,30 %. 同时 ,等离子体密度的不均匀性最终 会导致靶原子的不均匀溅射和不均匀沉积 ,沉积薄 [ 425 ] 膜的均匀性得不到保证. 目前国内外许多研究 表明要想提高靶材利用率就必须使靶面的磁场保 持均匀分布 ,通过改变电磁场的分布情况来达到更 好约束等离子体的效果 ,实验最终证明这些改进虽 然在靶材利用率上得到提高 ,但使结构变得相对复 图 1 磁约束磁控溅射原理图 杂 ,给操作带来诸多不便 . 文中将“磁镜”原理应用 Fig. 1 Schematic of magnetic co nfi nement 在磁控溅射技术中 ,得出磁约束磁控溅射源稳定工 sp ut tering ta r get so urce 作下的伏安特性以及沉积速率的大小. 3 收稿日期 : 2010209230 ( ) 作者简介 : 弥谦 19632,男 ,西安工业大学教授 ,主要研究方向为薄膜技术. E2mail : miqia n mi @163 . co m. 的密度增加 ,正负离子增加 ,气体放电的等效电阻 2 溅射源工作特性测试 减小 ,故靶电流增大 ,当氩气流量继续增大的时候 , 工作气体被击穿 ,电流达到最大值 . 反之 ,当气体流 2 . 1 溅射源伏安特性测试 () 量不断减小 真空度上升的时候 ,等效电阻不断增 当磁约束磁控溅射源接通电源后 ,在恒功率模 式下 ,起初随着电压的增加 ,电流变化不大 ,当电压 大 ,靶电流降到最小值 ,最终 ,放电现象停止. 达到 500 V 以后 ,磁控溅射靶源产生辉光放电 ,其 后随放电电压的 增加 电 流缓 慢增 加 , 辉 光稳 定增 强 . 大量实验表明 ,磁控溅射源的伏安特性曲线基 本趋势一致 ,图 2 是在恒功率模式下 ,工作气压为 4 Pa 时磁控溅射靶源的伏安特性曲线 . 图 3 真空度与靶电流之间的关系 Fig. 3 The relatio n bet ween vacuum degree a nd t ar get cur rent 以上分析获得了磁约束磁控溅射源稳定工作 状态下的工艺参数见表 1 . 同时使磁约束磁控溅射 源达到正常放电的稳定工作状态 ,如图 4 所示 . 图 2 磁约束磁控溅射源伏安特性 Fig. 2 V 2A cha racteri stic of magnetic co nfinement sp ut tering ta r get so urce 由图 2 可知 ,磁约束磁控溅射源稳定工作时的 电压范围从 400 , 750 V ,而传统的磁控溅射靶源 的工作电压在 500,700 V 之间 ,因此磁约束磁控 溅射靶源具有更大的稳定工作的范围. 2 . 2 工作真空度与靶电流之间的关系 真空度是磁约束磁控溅射源工作时的一个重 要参数 ,测量靶电流与真空度之间的关系可以得到 图 4 稳定工作时溅射现象 靶电流稳定工作时所需要的真空度范围. 当本底真 - 3 Fig. 4 The sp uttering p heno mena in t he stable wo rking state 空度为 5 ×10 Pa ,不断增加氩气流量 ,设置电源 表 1 磁约束磁控溅射源稳定工作参数工作在恒功率模式下 ,当电压增大到 400 V ,输出 Ta b. 1 Sta ble wo r king pa rameter s of magnetic 电流为 0 . 4 A 时 ,磁控溅射靶起弧 ,待靶稳定放电 co nf i ne ment ma gnet ro n sp ut t e ri ng so urce 后 ,依次增大气体流量 ,随着真空度的下降 ,靶电流 不断地上升 . 当 真空 度 下 降 到 5 Pa 时 , 靶 电 流 为 气流量 输出功 输出电 输出电 设定电 真空 / sccm 率/ k W 压/ V 流/ A 流/ A 度/ Pa 0 . 5 A时磁 控 溅 射 靶 源 放 电 激 烈 , 放 电 趋 于 不 稳 180 0 . 129 322 0 . 4 0 . 4 3 . 6 定 . 此时 ,不断减小充入真空室的氩气流量 ,真空度 200 0 . 154 308 0 . 5 0 . 5 4 . 4 不断上升 ,同时记录电流的值 ,电流随着真空度的 215 0 . 184 306 0 . 6 0 . 6 5 . 6 上升不断地下降 ,当真空度上升到 3 Pa 时 ,电流下 230 0 . 174 290 0 . 6 0 . 6 6 . 1 降到 0 . 2 A ,随即放电熄灭 . 从而可以获得溅射源 250 0 . 192 274 0 . 7 0 . 7 7 . 7 稳定工作所需真空度范围为 3 . 7,4 . 7 Pa ,如图 3 3 工艺参数对薄膜沉积速率的影响 的现象 ,这种效应使部分离子深入到晶格内部 ,将 3 . 1 A r 气流量对薄膜沉积速率的影响 绝大部分的能量消耗在靶材内部而不是靶材的表图 5 为不同 A r 气流量下铝膜的沉积速率 . 实 [ 9210 ] 验时 A r 气流量的变化范围为 200 , 260 sccm , 其 面 . 它工艺参数相同 :靶功率为 0 . 2 k W ,靶基距为 125 mm ,气管距离靶面 30 mm . 图 6 薄膜沉积速率与测射功率之间的关系 Fig. 6 Relatio nship bet ween t he depo sitio n rate of fil m and sp ut teri ng po wer 图 5 薄膜沉积速率与 A r 气流量之间的关系 Fig. 5 Relatio nship bet ween t he depo sitio n 4 结 论 rate of fil m a nd t he ga s f lo w rate of A r ) 1采用磁约束磁控溅射源这种结构进行薄膜 从图 5 看出 ,气流量从 200 sccm 增大到的过制备 ,用直流磁控溅射方法 ,以高纯 Al 为靶材 ,高 程中 ,沉积速率随之增大 ; 在 220 sccm 时 ,沉积速 率达到一个极大值 54 . 6 nm/ mi n ,此后沉积速率随 纯 A r 气为溅射气体在玻璃衬底上成功地制备了 着气流量的增大而下降 . 这可以由气体放电理论来 铝薄膜 ,从而使磁约束磁控溅射源原理样机得到充 [ 627 ] 解释:当氩气流量小时 ,气体分子的平均自由 分的验证 ; 路程大 ,使得被溅射材料和气体分子相互碰撞次 ) 2磁约束磁控溅射源稳定工作时电压范围在数少 ,产生二次电子数目也少 ,放电减弱或阴极捕 400,750 V 之 间 , 工 作 真 空 度 范 围 为 3 . 7 , 4 . 7集离子的效率低 ,沉积速率低 ,随氩气流量增大 , Pa ; 气体分子与被溅射材料原子碰撞次数增大 ,产生二 次电子数目也增多 ,沉积速率增大 ,但氩气流量过 ) 3Al 膜的沉积速率随着溅射功率的增大先 大时 ,粒子与氩气碰撞次数大大增多 ,粒子能量在 几乎呈线性增大而后缓慢增大 ; 随着 A r 气流量的 碰撞过程中大大损失 ,致使粒子达不到基片或无力 增大 ,沉积速率不断增大 ,在气流量为 220 sccm 时 冲破气体吸附层 ,于是便不能形成薄膜 ,或虽然勉 达到最大值 54 . 6 nm/ mi n 后 , 沉积速率随气流量 强冲破气体吸附层 ,但与基片的吸附能却很小 ,因 [ 8 ] 的继续增大而减小到 13 . 5 n m/ mi n ; 此沉积速率低. ) 4通过测试磁约束磁控溅射源的工作特性及 3 . 2 溅射功率对薄膜沉积速率的影响 制备金属 Al 膜的工艺实验 ,验证了磁约束磁控溅 图 6 为不同溅射功率下 Al 膜的沉积速率 . 实 射源原理样机的完善性 ,为磁约束磁控溅射制备其 验时溅射功率的变化范围为 0 . 1,0 . 4 k W ,其他工 艺参数相同 : 溅射气压为 4 . 2 Pa ;靶基距 125 mm ; 他材料的薄膜奠定基础. A r 气流量为 220 scc m. 由图 6 可以看出 ,随着直流 参 考 文 献 : [ 1 ] 赵印中 ,李林 . 磁控溅射法制备高反射铝膜 [ J ] . 真空 () 与低温 ,2008 ,14 3:164 . Z HAO Yin2zho ng , L I L in. Prep aratio n of Al uminum 温培刚 ,颜悦 ,张官理 ,等 . 磁控溅射沉积工艺条件对 [ 7 ] 薄膜厚度均匀性的影响 [ J ] . 航空材料学报 , 2007 , 27 Thin Fil m by Magnet ro n Sp ut tering [ J ] . Vacuum a nd () ()03:66 . in Chine se () ()Lo w2temperat ure ,2008 ,14 3:164 . in Chinese W EN Pei2gang , YA N Yue , Z HA N G Gua n2li ,et al . In2 张继东 ,李才巨 ,朱心昆 ,等 . 不同基体真空蒸镀铝膜 [ 2 ] ( ) 的附着力研究 [ J ] . 昆明理工大学学报 , 2006 , 31 6: f l uence s of t he Proce ss o n Thickne ss U nifo r mit y of Fil m Depo sited by Magnet ro n Sp ut teri ng [ J ] . J o ur nal 25 . () of Aero space Material s ,2007 ,27 03:66 . Z HA N G J i2do ng , L I Cai2j u , Z H U Xi n2kun , et al . Tho ma s Meidlinger , Da niel R. Ma r x , J ea n2Pier re St udy o n t he A dhe sive Po wer of Al uminum Fil m o n [ 8 ] Bla nchet ,et al . Enha nced Ta r get s Ca n Reduce Metal2 Diffierent Subst rate Prepa red by Vacuum Evapo ratio n lizatio n Co st of Owner ship2A Ca se St udy [ J ] . Semi2 [J ] . J o ur nal of Insitit ute of Technolo gy of Kunming , () co nducto r Fa btech . 12t h Editio n ,2002 ,13 6:255 . () ()2006 ,31 6:25 . in Chine se 田民波 . 薄膜技术与薄膜材料 [ M ] . 北京 :清华大学出Ger man J R. Magnet ro n Shunt fo r Enha nced Per2 [ 3 ] [ 9 ] 版社 ,2006 . fo r mance of Sp ut ter Ta r get s [ J ] . IBM Technical Di s2 T IAN Min2bo . Thin Fil m Technolo gy and Material s () clo sure Bulleti n ,1993 ,11 9:414 . [ M ] . Beijing : Qinghua U niver sit y Press ,2006 . Plai sted A H . Surf ace Profiling Enha ncement o n [ 4 ] ()i n Chine se Sp ut ter and Depo sitio n Tar get s [J ] . A nnual Technical 邱清泉 ,励庆孚 ,苏静静 . 工作参数对平面磁控溅射 () Co nf erence Proceedings ,2000 ,13 7:55 . [ 10 ] 系统沉 积 速 率 的 影 响 [ J ] . 真 空 科 学 与 技 术 学 报 , 牟宗信 . 非平衡 磁控溅射沉积系统放电特 性和沉积 [ 5 ] () 2009 ,29 1:46 . TiN 薄膜应用研究 [ D ] . 大连 :大连理工大学 ,2005 . x Q IU Qing2qua n ,L I Qing2f u , SU J i ng2jing. Inf l uence MO U Zo ng2xin. Di schar ge Propertie s of U nbala nced of Op eratio n Co nditio ns o n Depo sitio n Rate of Pla2 Magnet ro n Sp ut t ering System a nd Applicatio n of na r MC Magnet ro n Sp ut tering [ J ] . J o ur nal of Vacu2 Fil ms Depo sitio n [ J ] . Dalian : Insitit ute of Tech2 TiN x () um Science and Technolo gy ,2009 ,29 1:46 . ()nolo gy of Dalia n ,2005 . in Chi ne se ()in Chine se [ 6 ] Musil J . Lo w Pressure Magnet ro n Sp ut tering [ J ] . () Vacuum ,1998 ,50 7:363 . Study of the Deposition Rate and the Operational Characteristic of Magnetic Conf inement Magnetron Sputtering M I Q i a n , PA N T i n g , Y U A N Y u a n2m i n g ( Shaanxi Pro vince Key L a b of Thin Fil ms Technolo gy a nd Op tical Te st , )Xi’a n Technolo gical U niver sit y , Xi’an 710032 ,China Abstract : In o r de r to i mp ro ve t he utilizatio n of t a r get ,t he t heo r y of ma gnetic co nfi ne me nt i s app lied to ma gnet ro n sp ut t eri ng . I2U cha ract eri stic s of ma gnetic co nfi ne me nt sp ut t eri ng t a r get so urce a nd t he relatio n bet wee n vacu um degree a nd t a r get cur re nt u nde r t he co n st a nt cur re nt co nditio n a re mea sue re d. The relatio n s of t he depo sitio n rat e wit h t he ga s f lo w rat e of A r , a nd wit h sp ut t eri ng po we r a re di scu sse d. The be st t ech nolo gical p a ra met er i s det e r mi ned. The w hole surf ace of t a r get i s sp ut t ered w he n t he t a r get wo r k s unde r t he co nditio n s t hat t he t a r get volt a ge ra nge s f ro m 400 V to 750 V , t he vacu um c ha nge s f ro m 3 . 7 Pa to 4 . 7 Pa a nd t he top depo sitio n rat e i s 54 . 6 n m/ mi n wit h t he 220 sccm A r . Key words : ma gnetic co nfi ne me nt ; ma gnet ro n sp ut t eri ng ; ma gnet ro n sp ut t eri ng so urce ; depo sitio n rat e