一种全靶腐蚀磁控溅射设备(2)

2010-01-06 郝万顺 电子科技大学光电学院

2.2、实验结果和分析

2.2.1、溅射电压和溅射电流关系

  图6 与图7 为气压和离子源功率对溅射的影响图中横坐标为直流溅射电源的电压值, 靶电压就是所对应数值的负值。纵坐标为靶的溅射电流。由图6 可以看到, 当真空室中气压为1 Pa时, 直到靶电压到达- 500 V 的时候, 才会出现微弱的靶电流, 直到靶电压到达- 1200 V 时, 靶电流最大不超过10 mA; 当真空室中气压为10 Pa时, 靶电压为- 200 V 的时候, 出现微弱的靶电流, 靶电压到达- 1000 V 时, 靶电流为15 mA; 当真空室中气压为16 Pa 时, 靶电流随靶电压的增加增加很快, 在靶电压为- 800 V 时, 靶电流达到了70 mA。

当气压一定的情况下, 改变离子源的功率的情况 当离子源的功率为一定时改变气压的情况

图6 当气压一定的情况下, 改变离子源的功率的情况  图7 当离子源的功率为一定时改变气压的情况

  由图7 可以看出, 离子源功率对靶电流靶电压曲线的影响, 在离子源功率为155 V、2 A, 有用功率为30%时, 靶电流随靶电压增加增加很慢,当靶电压为- 900 V 时, 靶电流为18 mA; 在离子源功率为192 V, 2 A,有用功率为50%时, 靶电流随靶电压增加增加很快, 当靶电压为- 900 V 时,靶电流75 mA。

  可见在其它条件相同的情况下, 增加真空室气压, 可以提高溅射电流; 增加溅射电压, 溅射电流增加, 但是没有到达饱和; 增加离子源的功率,溅射电流增加; 但是没有实现溅射中溅射电流的饱和。可能存在的原因是因为射频溅射电源的功率太小, 只有500 W。溅射电源功率太小会使得等离子体离化不够, 也导致了所需的溅射气压很高, 需要提高射频电源的功率。

2.1.2、实验中的辉光情况

  Ar等离子体的辉光颜色的性质: 等离子体的颜色为粉红色表明等离子体中存在的是没有离化的高浓度的激发Ar 原子; 当等离子体是深蓝色表明等离子体中Ar 离子体的浓度远高于没有离化的激发的Ar 原子。在实验中观察到的辉光现象有:

  (1) 发射直流电磁线圈的磁场能提高等离子体的电离效率。当射频电源的功率不是很高时, 石英管内产生的等离子体的辉光颜色是淡蓝色的, 但是当逐渐加大发射电磁线圈的电流时可以看到石英管内的等离子体的颜色由淡蓝色转为粉红色。这是因为电磁镜能够增强气体的离化程度从而提高等离子体离化度。

  (2) 打开射频电源产生等离子体, 调节直流电磁线圈的电流到合适的值, 然后慢慢增加溅射电源电压, 当溅射电源电压增加到一定的值以后就会在真空室观察到连通的等离子体; 此时石英管管内的等离子体是粉红色的, 真空室内的等离子体是蓝色的, 真空室内的等离子体中的Ar 离子体的浓度远高于没有离化的激发的Ar 原子; 当同时改变直流电磁线圈电流的方向时, 等离子体仍然是连通的,但是当两个直流电磁线圈产生的磁场方向不一致时, 等离子体断开, 这个现象与前面的仿真结果一致。可以看到要达到等离子体连通的目的, 两个直流电磁线圈产生的磁场的方向必须是一致的, 但是磁场的具体方向对等离子体没有影响。下图溅射时真空室中等离子体的图片。

真空室内的等离子体 涂满石墨溅射后的靶面情况

图8 真空室内的等离子体  图9 涂满石墨溅射后的靶面情况

  图8 中出现的一个问题是连续的等离子体辉光有一些发散。主要的原因是因为偏转线圈半径太大, 产生的磁场布满在真空室中, 所以等离子体被约束的范围相对于真空室太大, 效果不明显。这样出现的问题是等离子体约束不集中, 等离子体密度也小, 影响溅射速度。在保证偏转线圈的磁场而又要缩小半径的情况下, 改进的方法要使得偏转线圈与靶面齐平, 而且尽可能采用通水铜管代替漆包线来减小线圈的尺寸。

2.1.3、靶的刻蚀情况

  为了进一步说明靶的全刻蚀, 将靶表面全部涂满石墨, 溅射完后的靶面如下图。可见, 实现了全靶腐蚀。由图2 中磁场模拟的结果也可以看到, 由于磁场在真空室中从石英管口到靶表面的特殊分布, 约束了等离子体的运动, 从而实现了全靶腐蚀。

3、结论

  本文采用M.J. Thwaites 提出的结构, 基于等离子体受磁场约束的原理构造了一个实验平台实现了等离子体在真空室中连通, 实现了全靶腐蚀, 其中两个直流线圈产生的磁场必须一致, 但是具体的磁场方向对结果没有影响。但是由于射频溅射电源的功率太小, 使得等离子体离化不够, 溅射电流没有出现随靶溅射电压升高而饱和的现象, 也导致了所需的溅射气压较高, 因此提高射频电源的功率是一种有效改善其性能的方法.