影响磁控靶溅射电压的几个因素

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  影响磁控靶溅射电压的主要因素有:靶面磁场、靶材材质、气体压强、阴-阳极间距等。本文详细分析这些因素距对靶溅射电压的影响。

一、 靶面磁场对靶溅射电压的影响

  1. 磁控靶的阴极工作电压,随着靶面磁场的增加而降低,也随着靶面的溅射刻蚀槽加深而降低。溅射电流也随着靶面的溅射刻蚀槽加深而加大。这是因为靶的溅射刻蚀槽面会越来越接近靶材后面的永久磁钢的强磁场。因此,靶材的厚度是有限制的。较厚的非磁性靶材能够在较强的磁场中使用。当磁场强度增加到0.1T以上时,磁场强度对溅射电压的影响就不明显了。

  2. 铁磁性靶材会对磁控靶的溅射造成影响,由于大部分磁力线从铁磁性材料内部通过,使靶材表面磁场减少,需要很高电压才能让靶面点火起辉。除非磁场非常的强,否则磁性材靶材必须比非磁性材料要薄,才能起辉和正常运行(永磁结构的Ni靶的典型值<0.16cm,磁控靶非特殊设计最大值一般不宜超过3mm,Fe,co靶的最大值不超过2mm;电磁结构的靶可以溅射厚一些的靶材,甚至可达6mm厚)才能起辉和正常运行。正常工作时,磁控靶靶材表面的磁场强度为0.025T~0.05T左右;靶材溅射刻蚀即将穿孔时,其靶材表面的磁场强度大为提高,接近或大于0.1T左右。

二、 靶材材质对靶溅射电压的影响

  1. 在真空条件不变的条件下,不同材质与种类靶材对磁控靶的正常溅射电压会产生一定的影响。

  2. 常用的靶材(如铜Cu、铝Al、钛Ti„)的正常溅射电压一般在400~600V的范围内。

  3. 有的难溅射的靶材(如锰Mn、铬Cr等) 的溅射电压比较高, 一般需>700V以上才能完成正常磁控溅射过程;而有的靶材(如氧化铟锡ITO) 的溅射电压比较低,可以在200多伏电压时实现正常的磁控溅射沉积镀膜。

  4. 实际镀膜过程中,由于工作气体压力变化,或阴极与阳极间距偏小(使真空腔体内阻抗特性发生变化),或真空腔体与磁控靶的机械尺寸不匹配,同时选用了输出特性较软的靶电源等原因,导致磁控靶的溅射电压(即靶电源输出电压)远低于正常溅射示值,则可能会出现靶前存虽然呈现出很亮的光圈,就是不能见到靶材离子相应颜色的泛光,以至不能最后溅射成膜的状况。

三、气体压强对靶溅射电压的影响

  在磁控溅射或反应磁控溅射镀膜的工艺过程中,工作气体或反应气体压强对磁控靶溅射电压能够造成一定的影响。

  1.工作气体压强对靶溅射电压的影响

  一般的规律是:在真空设备环境条件确定和靶电源的控制面板设置参数不变时,随着工作气体(如氩气)压强(0.1~10Pa)的逐步增加,气体放电等离子体的密度也会同步增加,致使等离子体等效阻抗减小,磁控靶的溅射电流会逐步上升,溅射工作电压亦会同步下降。

  2. 反应气体压强对靶溅射电压的影响

  在反应磁控溅射镀膜的工艺过程中,在真空设备环境条件确定和靶电源的控制面板设置参数不变时,随着反应气体(如氮气、氧气)压强(或流量)的逐步增加(一般应注意不要超过工艺设定值的上限值),随着磁控靶面和基片(工件)表面逐步被绝缘膜层覆盖,阴-阳极间放电的等效阻抗也会同步增高,磁控靶的溅射电流会逐步下降(直至“阴极中毒”和“阳极消失”为止),溅射工作电压亦会同步上升。

四、阴-阳极间距对靶溅射电压的影响

  真空气体放电阴-阳极间距能够对靶溅射电压造成一定的影响。在阴-阳极间距偏大时,等效气体放电的内阻主要由等离子体等效内阻决定,反之,在阴-阳极间距偏小时,将会导致等离子体放电的内阻呈现较小数值。由于在磁控靶点火起辉后进入正常溅射时,如果阴-阳极间距过小,由于靶电源输出的溅射电压具有一定的软负载特性,就有可能出现在溅射电流已达工艺设定值时,靶溅射电压始终很低又调不起来的状况。“工艺型”靶电源可以改善和弥补这种状况;而“经济型”靶电源对这种状况无能为力。

  1. 孪生靶(或双磁控靶)阴-阳极间距

  对称双极脉冲中频靶电源和正弦波中频靶电源带孪生靶或双磁控靶运行时,建议其两交变阴-阳极的最小极间距不应小于2英2口寸;

  2. 单磁控靶阴-阳极间距

  靶电源带单磁控靶运行时,一般都不存在这方面问题;但是,在小真空室带长矩形平面磁控单靶时容易忽略这个问题,磁控靶面与真空室金属壳体内壁的最小极间距一般亦建议不小于2英2口寸。

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