磁控溅射及磁控溅射产生的条件-磁控溅射基本原理与工况

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1、磁控溅射

  磁控溅射是一个磁控运行模式的二极溅射。它与二~四极溅射的主要不同点:一是,在溅射的阴极靶后面设置了永久磁钢或电磁铁。在靶面上产生水平分量的磁场或垂直分量的磁场(例如对向靶),由气体放电产生的电子被束缚在靶面附近的等离子区内的特定轨道内运转;受电场力和磁场力的复合作用,沿一定的跑道作旋轮转圈。靶面磁场对荷电粒子具有约束作用,磁场愈强束缚的愈紧。由于电磁场对电子的束缚和加速,电子在到达基片和阳极前,其运动的路径也大为延长,使局部Ar气的碰撞电离几率大大增加,氩离子Ar+在电场作用下加速,轰击作为阴极的靶材。把靶材表面的分子、原子及离子及电子等溅射出来,提高了靶材的飞溅脱离率。被溅射出来的粒子带有一定的动能,沿着一定的方向射向基体,最后沉积在基体上成膜。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶电源阳极上。

  工作气体电离几率的增加和靶材离化率的提高,使真空气体放电时内阻减小,故磁控靶发生溅射沉积时的工作电压较低(多数在4-600V之间),有的工作电压略高(例如>700V),有的工作电压较低(例如300V左右)。磁控溅射发生时,其溅射工作电压主要降落在磁控靶的阴极位降区上。

  由于磁控溅射沉积的膜层均匀、致密、针孔少,纯度高,附着力强,可以在低温、低损伤的条件下实现高速沉积各种材料薄膜,已经成为当今真空镀膜中的一种成熟技术与工业化的生产方式。磁控溅射技术在科学研究与各行业工业化生产中得到了迅速发展和广泛应用。

  总之,磁控溅射技术就是利用电磁场来控制真空腔体内气体“异常辉光放电”中离子、电子的运动轨迹及分布状况的溅射镀膜的工艺过程。

2、产生磁控溅射的三个条件

  磁控气体放电进而引起溅射,必须满足三个必要而充分的条件:

  (1)第一,具有合适的放电气体压强P:直流或脉冲中频磁控放电,大约在0. 1 Pa~10Pa左右),典型值为5×10-1Pa;射频磁控放电大约在10-1~10-2Pa。

  (2)第二,磁控靶面具有一定的水平(或等效水平)磁场强度B(大约10mT~100mT),典型值为30~50mT,最低也要达到10~20 mT(100~200高斯)。

  (3)第三,真空腔体内,具有与磁场正交(或等效正交)的电场V,典型值500~700V。

  我们通称以上三条为P-B-V条件。

3、磁控溅射离子镀

  (1)在基体和工件上是否施加(直流或脉冲)负偏压,利用负偏压对离子的吸引和加速作用,是离子镀与其它镀膜类型的一个主要区别。蒸发镀时基体和工件上加有负偏压就是蒸发离子镀 ;多弧镀时基体和工件上加有负偏压就是多弧离子镀;磁控溅射时基体和工件上加有负偏压就是磁控溅射离子镀,这是磁控溅射离子镀技术的一个重要特点。

  (2)磁控溅射离子镀是把磁控溅射和离子镀结合起来的技术。在同一个真空腔体内既可实现氩离子对磁控靶材的稳定溅射,又实现了高能靶材离子在基片负偏压作用下到达基片进行轰击、溅射、注入及沉积作用过程。整个镀膜过程都存在离子对基片和工件表面的轰击,可有效清除基片和工件表面的气体和污物;使成膜过程中,膜层表面始终保持清洁状态。

  (3) 磁控溅射离子镀可以在膜-基界面上形成明显的混合过渡层(伪扩散层),提高膜层附着强度;可以使膜层与工件形成金属间化合物和固熔体,实现材料表面合金化,甚至出现新的晶相结构。

  (4)磁控溅射离子镀形成膜层的膜基结合力好、膜层的绕镀性好、膜层组织可控参数多、膜层粒子总体能量高,容易进行反应沉积,可以在较低温度下获得化合物膜层。

  (5)磁控溅射离子镀可以消除膜层拄状晶结构,生成均匀的颗粒状晶结构。

4、磁控溅射偏置电压

  (1)偏置电压的类别:根据磁控溅射基片即工件偏置电压的不同作用,可分为直流负偏压、脉冲负偏压、交流偏压、零偏压与悬浮偏压五个类别。

  (2)偏置电压的不同作用

  在基片上加负偏压后,基-阳极间可产生更大的电场力,可使等离子体中的正离子获得更大的能量和加速度轰击基片和工件;可对从靶材表面被溅射出来的原子或分子团等带电粒子进行某种程度的导向和沉积,绕镀性好;在基片和工件上施加不同的负偏压可以消除基片和工件膜层表面在不同的真空度条件下形成的锥状晶和拄状晶;在工件上施加交流偏压,可以中和绝缘膜层上积累的正电荷,减少和消除工件表面打弧;在工件上施加脉冲偏压,因其占空比可连续调节,可以在一定程度上调节工件表面温升。

  基片电位直接影响入射的电子流或离子流。基片有目的地选择与施加不同的偏压、选择合适的幅值或“占空比”、使其按电的极性接收电子或正离子,不仅可以净化基片,增强薄膜附着力,而且还可以改变薄膜的结晶结构。基片选用和施加何种偏置电压对溅射、沉积及镀膜的工艺过程和薄膜质量可以产生严重影响。如果偏压的类别和参数(电流、电压与占空比)选择合适,膜层的品质和性能可以大为改善。

  ① 直流负偏压

  在基片上加直流负偏压,在基-阳极间可产生更大的电场力,使等离子体中的正离子获得更大的能量和加速度轰击基片和工件;另外,还可以对从靶材表面被溅射出来的原子或分子团等带电离子进行某种程度的导向和沉积。由于直流负偏压连续无中断,故对基片有一定的加热升温作用。

  ② 脉冲负偏压

  在基片上加中频脉冲直流负偏压可以改变基片与工件沉积离子束流大小;可以减少基片与工件表面打弧,优化膜层结构,提高膜层附着力;由于占空比可连续调节,可以在一定程度上调节或改变工件表面膜层的温度和加热时间;加中频脉冲负偏压还可以提高各个单脉冲的幅值,提高工件反溅射清洗和镀膜的效果。加中频脉冲负偏压有利于降低等离子体的内阻,使工作气体离化几率有一定程度的提高。另外,通过改变中频脉冲直流负偏压数值和占空比大小可以对反应磁控溅射化合物薄膜的颜色及颜色深浅产生影响。

  ③ 交流偏压

  交流偏压分为中频对称双极脉冲偏压、非对称双极脉冲偏压和射频偏置电压几种;因正弦波不存在占空比可调的问题,故正弦波中频偏压与双极矩形脉冲偏压相比优势不明显,实际使用较少。在工件上施加交流偏压,偏压正负极性来回变换互倒,可以中和绝缘膜层上积累的正电荷,减少和消除工件表面打弧;由于占空比连续可调,可以在一定程度上调节和降低工件表面膜层的温升;特别适合于溅射沉积介质膜层和高品质膜层。

  若工件和基体接射频偏置电压,13.56MHZ的高频交流偏压可将工作气体的离花率提高到一个比较高的水平,最后导致靶材离化率的上升和溅射沉积速率的提高;工件和基体接射频偏置电压,可以使溅射沉积膜层光华致密。但是,如果射频偏置电压过大,轰击靶材离子能量过大,容易造成膜层较大的内应力,导致薄膜的开裂和脱落。

  ④ 零偏压与悬浮偏压

  根据镀膜不同工艺需要,工件和基体可接负极性的直流偏置电压和脉冲直流偏置电压,也可接交流偏置电压(双极脉冲和射频);既可接零电位,也可以悬浮不接(这时基片处于等离子体中自感应偏压值为负十几伏)。这里需要注意的是两点:第一,零偏置电压,不是没有偏压,不是无的概念;第二,基片悬浮不接任何偏置电压,既不是无偏置电压的概念,又不是零偏置电压的概念。

  一般允许耐受温度较低的工件在磁控溅射镀膜时,为了防止工件变形,可以选用“零偏置电压”、“悬浮偏置电压”或选用小占空比低幅值偏置电压。

  (3)偏压的两个基本特性

  不同类别的偏压在镀膜设备的实际使用时,还受到“靶-基距”的共同制约与影响 :

  ① 恒流型偏压

  当靶—基距较大,基片位于距靶面较远的弱等离子区内。其特点是:最初偏流是随负偏压而上升,当负偏压上升到一定程度以后,偏流基本上饱和,处于恒流状态,称为恒流型偏压。

  ② 恒压型偏压

  “靶-基距”较小,基片位于距靶面较近的强等离子区内;偏流为受正电荷空间分布限制的离子电流。其特点是:偏流始终随负偏压的上升而上升。当负偏压上升到一定程度,例如200多伏以后,基本处于恒稳状态,称为恒压型偏压(偏压具体数值与设备的真空条件有关)。由于“靶-基距”较小,造成基片附近有较高的电子密度,撞击加热基片和工件,致使镀件表面膜层的温度较高。

5、基片与工件的“反溅清洗”

  (1)将真空金属腔体外壳接地同时接偏压电源输出正极,将基片和工件接偏压电源输出负极,当偏压电源输出的负偏压值足够高,到达的高能离子会将基片和工件表面的原子溅射下来,这种将基材原子溅射下来的过程称为“反溅射”。反溅射可以在镀件表面形成“伪扩散层”。可以清除基片和工件表面的氧化层、加工毛刺、油渍和污物,故又称为基片和工件的“反溅清洗”。

  (2)基片和工件的“反溅清洗”可以选用500V~1KV左右的直流或单极脉冲电压;反溅完毕,应该将电压改为正常溅射工艺值,达到低温磁控溅射的要求。

  (3)除用基片正偏压来轰击清洗真空腔体内的接地构件外,正常溅射镀膜时基片和工件应该避免使用正的偏置电压。

6、基片架设计要求

  (1)由于基片需要加偏压,一般采用导电金属材料制成。如果待镀膜的工件是导电材料,只要与基片上的偏压能够连接导电就行了,对基片的机械几何形状无特殊要求。

  (2)若待镀膜的工件是玻璃、陶瓷等不导电的绝缘材料,基片架的机械几何形状设计,除了需考虑导电和悬挂、固定工件外,还应考虑如何发挥偏压对金属离子的某种吸引导向作用,兼顾偏压对绝缘材料工件表面薄膜均匀性的影响。

  (3)为了兼顾工件表面薄膜的均匀性和多工件镀膜可以一次完成,通常整个基片架设计成旋转式(公转),各圆拄面或立体面工件局部设计成自旋转(自转)结构。

7、反应磁控溅射

  以金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极,在溅射过程中或在基片表面沉积成膜过程中与通入的少量反应气体( 氧、氮、碳氢化合物等 )反应生成化合物薄膜和绝缘薄膜(如氧化物或氮化物),沉积在工件表面,这就是反应磁控溅射。可以通过调节反应磁控溅射中的工艺参数来调控薄膜特性。

  反应磁控溅射分为直流反应磁控溅射和交流反应磁控溅射两种。如果溅射采用的是直流(包括纯直流和脉冲直流)靶电源,这就是直流反应磁控溅射;若溅射采用的是交流(对称或非对称双极脉冲、正弦波或射频)靶电源的,就是交流反应磁控溅射;交流反应磁控溅射电压的频率处于10~80KHZ范围的,称为中频反应磁控溅射;若反应磁控溅射电压的频率为工业射频(如13.56MHZ)的,我们称为射频反应磁控溅射。射频反应磁控溅射一般不反应溅射沉积绝缘薄膜;绝缘材料可用射频靶电源直接溅射,缺点是靶材的溅射沉积速率较低。

  在直流反应磁控溅射镀制绝缘薄膜过程中,反应气体容易在磁控靶面和真空金属腔体内壁反应覆盖一层高阻绝缘介质膜层,造成“阳极消失”和“靶中毒”。阴极靶面的电荷积累,容易引发弧光放电,导致等离子体放电的不稳定和溅射沉积速率的降低,进而影响薄膜的均匀性及重复性,甚至可能造成磁控靶损坏和工件报废。直流反应磁控溅射除了会产生“靶中毒”、“阳极消失”现象外,还会出现溅射速率与反应气体流量之间“迟滞现象”。

  在直流反应磁控溅射中,可以利用等离子发射光谱监测等离子体中的被溅金属粒子含量,调节反应气体流量使等离子体放电电压或电流稳定,从而使溅射沉积稳定进行。选用“反应溅射控制器”进行反应气体流量的闭环自动控制,可以取得比较好的镀膜效果;人工控制调节反应气体等工艺参数,调节范围窄,需要掌握熟练的工艺操作技术。

  为了保证膜层的成分,又要保证足够的沉积速率,一般工作点要选取在反应磁控溅射“迟滞效应”的过度区内;具体位置可由试生产中实验确定。可将靶电压作为采样参数,调节反应气体流量,使靶电压向预定方向变化:当靶电压偏高时,控制器控制针式电磁阀或控制质量流量计,增加反应气体流量,促使靶面向“反应态”变化,这时靶电压下降,接近流量设定值;当靶电压偏低时,减少反应气体流量,靶面趋于金属化,致使靶电压上升,反向接近流量设定值。最后,根据给定电压,反应气体电磁阀或质量流量计精确控制阀门开启的大小,使反应气体的流量大小可以确保反应溅射的工作点在“过度区”的合适点上。

  进行交流中频反应磁控溅射镀制绝缘薄膜时,采用对称双极脉冲或正弦波中频靶电源与磁控双靶(对靶或孪生靶)替代DC溅射,进行交流中频反应磁控溅射,可以克服和解决在直流反应磁控溅射过程中,因“靶中毒”、“阳极消失”和“迟滞现象”和“靶面频繁打弧”等引起等离子体放电不稳定现象。在溅射过程中,几乎没有打弧放电现象发生。当一个磁控靶加的电压处于负半周时,该靶受正离子轰击发生溅射;当电压处于正半周时,电子被加速到靶面,中和了靶面积累的正电荷,解决了靶面“中毒”和打弧放电的问题。两个靶周期性轮流作为阴极与阳极,不存在阳极被高阻绝缘介质膜覆盖而造成的“阳极消失”问题;由于上述两个问题的消失,由反应气体造成的“迟滞效应”大大减小。

  中频双靶反应磁控溅射与直流反应磁控溅射相比具有以下几个显巨优点:

  (1)消除了靶面打弧放电现象,中频反应磁控溅射镀制的绝缘薄膜与直流反应磁控溅射镀制的同种膜相比,膜面缺陷要少几个数量级;

  (2)可以得到比直流反应磁控溅射高出数倍的溅射沉积速率;

  (3)中频双靶反应磁控溅射的整个溅射沉积过程,可以始终稳定在所设定的工作点上,为大规模工业化稳定生产提供了条件。

  选用非对称双极脉冲靶电源与选用“双靶-中频靶电源”不同,仅使用单个磁控靶进行反应磁控溅射,调节相应的镀膜工艺参数,可以消除磁控靶面打弧放电现象和实现长时间稳定的薄膜沉积,可以达到上述“中频-双靶反应磁控溅射”的同样效果。

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