反应磁控溅射技术的发展情况及趋势

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:王治安

  综述了反应磁控溅射技术的发展情况。分析了模拟反应磁控溅射的“Berg”经典模型;详述了反应磁控溅射过程中迟滞效应和打火现象的产生原理及过程;分析了消除迟滞效应和打火现象的各种方法并提出个人的观点;展望了反应磁控溅射技术的发展趋势。

  反应磁控溅射是具有一定能量的离子(Ar+)溅射金属或合金靶表面,被溅射出的金属原子和反应气体发生化学反应在基体上形成化合物薄膜。反应磁控溅射技术是目前科研和生产中制备化合物薄膜最常用的方法,能沉积不同种类的化合物,如:氧化物、氮化物、碳化物、氟化物和砷化物等。反应磁控溅射技术的优点是:借助精密的监控设备能快速沉积所需化学配比的化合物薄膜;金靶容易提纯和加工,所以靶材的成本低且所得薄膜的纯度高;金属靶具有良好的热传导性,所以靶的冷却效果较好,即靶能承受较高功率的溅射;反应磁控溅射沉积薄膜时,基体的温度较低(<3””e)。理想的反应溅射应该是在基体上沉积化合物,但是在实际溅射过程中,不仅在基体上沉积了化合物薄膜,同时靶材表面也会和反应气体发生化合反应形成化合物覆盖层,即所说的靶中毒。如图1所示,靶材表面上化合物覆盖层的大小会随着反应气体流量的变化而变化。随着反应气体流量的变化,溅射速率呈现出明显的非线性迟滞效应,且溅射过程可分为三个模式:金属模式,过渡模式,化合物模式。在金属模式的沉积速率较快,但是所沉积的薄膜金属含量较高;在化合物模式能得到化学配比的薄膜,但沉积速率很低;最理想的溅射过程是在过渡模式,但是没有精密的监控设备是没法使溅射过程处在过渡模式的。同时,如果在靶面上形成的化合物层为高绝缘材料时,还会有另一种不利现象:弧光“打火”产生。总结可知反应溅射主要存在三个问题:迟滞效应使溅射过程不稳定;没有精密的监控设备是不易快速沉积化学配比的化合物的;当沉积高绝缘化合物时,会产生打火现象。

  反应溅射过程中的不稳定性是较复杂的非线性关系,为了预知和减少前期工艺优化的工作量,于1987年由Berg带头的课题组提出了一个依反应气体平衡为依据的模拟反应溅射过程的模型。该模型简单可靠,后来Berg课题组还有其他国家的研究人员对该模型进行了深入的研究和发展,使模拟结果更趋近于实际的溅射过程。本文详述了反应磁控溅射过程中迟滞效应和打火现象的产生原理,分析了消除迟滞效应和打火现象的各种方法并提出个人的观点,分析了Berg模型,展望了反应磁控溅射技术的发展趋势。

1、迟滞效应

  典型的迟滞效应曲线如图1所示。从图1中可看出,在开始阶段随着反应气体流量的增加,反应气体分压变化缓慢,这是因为在这阶段几乎所有的反应气体都和溅射出的金属原子发生了化合反应,且所沉积的薄膜金属含量较高,这一阶段称为“金属模式”。当反应气体流量达到某一值时,反应气体的分压突然升高,这是因为当反应气体流量达到或稍高于这个值时,所供入的反应气体量大于溅射出金属原子所消耗的量,多余的反应气体同靶表面反应形成一层化合物,化合物的溅射速率远小于金属(其主要原因是:¹化合物靶的溅射产额小于金属靶的射产额;º化合物有较高的二次电子辐射系数,大部分入射离子的能量用于激发二次电子的辐射及能量传递给二次电子),因此靶面上溅射出的金属原子数剧减,即所消耗的反应气体量剧减,最终整个靶面被化合物层覆盖,导致反应气体的分压突然升高,这个过程称为“过渡模式”。此后随着反应气体流量的增加,反应气体的分压缓慢增加,这一阶段称为“化合物模式”。并且由图1可知,当反应气体流量减小时,对应的分压开始是缓慢的变化,且随着流量的继续减小,分压的变化没有延流量增加时的路线,而是当流量到了一个更小值时分压发生了突变。这是由于当流量达到一个更小值时,覆盖在靶面上的化合物层被溅射掉,溅射出较多的金属原子,瞬间消耗掉大量的反应气体,反应气体分压和溅射速率突然发生了剧变。尔后随着反应气体流量的继续减小,又回到了“金属模式”。所以由于迟滞效应使得溅射过程要不处于“金属模式”,所沉积薄膜的金属含量较高,要不处于“化合物模式”,沉积速率很慢。没有精密的监控系统是没办法使溅射过程处在“过渡模式”上的。

反应气体分压随反应气体流量变化的磁滞曲线

图1 反应气体分压随反应气体流量变化的磁滞曲线

5、反应磁控溅射技术的发展趋势

  尽管目前能够较快速稳定地沉积所需的化合物薄膜,但是为了满足快速发展的工业化生产的需要,在溅射设备和工艺方面还有待发展的有:¹通过真空设备、靶结构和工艺的改进来提高化合物薄膜的沉积速率。º提高真空系统的抽气速率和反应气体的活性,能够在较低的反应气体分压下制得纯度较高且符合化学配比的化合物薄膜。»在PET或耐热温度较低的基体上沉积结构致密的所需晶体结构的化合物薄膜。¼为了提高靶材的利用率、溅射速率和溅射的稳定性,通过靶结构的改进使全靶面被溅射刻蚀。

  随着现代科技的快速发展,化合物薄膜的应用范围很广,对薄膜的性能要求越来越高,这促使反应磁控溅射技术的理论和设备将会有更快的发展。

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