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大连理工大学硕士学位论文 摘要 磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中最主要的技术之一，尤其适合于大面积镀膜生产。 生产中需特别关注靶材利用率、沉积速率以及溅射过程稳定性等方面的问题，其根本在 于整个系统的优化设计，磁控靶设计则是其中的关键环节。精确分析磁控靶的磁场对优 化磁控靶的设计非常重要。 论文第二章采用有限元法分析了圆形平面磁控靶的二维磁场分布，理论计算的结果 与特斯拉计的实验测量相符，通过对比了两种不同磁极尺寸的磁控靶的磁场。发现减少 磁极的尺寸可以扩展靶表面径向磁场区域，磁芯上方加圆锥形极靴可以增强磁芯上方径 向磁场。当设计磁控靶表面的磁场一定时，根据计算得到的磁极表面的磁场强度能够得 出需要采用磁性材料的强度。计算得到的磁控靶磁场的数据还可以在用计算机模拟磁控 溅射过程中得到应用，可以用数值方法分析磁控溅射中磁场与溅射刻蚀的关系。 论文第三章采用p i c m c c 模型分析了直流平面磁控溅射，得到了放电空间的等离 子体电场分布、电子和氩离子密度分布以及阴极表面的氩离子能量分布，并计算了到达 阴极表面的氩离子的通量和靶材的刻蚀率。计算结果与实验测量到的靶表面的刻蚀曲线 进行对比，结果与实验符合。在磁控靶的磁场平行于靶表面的区域刻蚀速率最快。 磁控靶的磁场跟靶的结构和永磁材料的属性都有关，因此设计磁控靶的磁场需要反 复调试。论文第四章用h c m c c 模型进一步计算了不同磁场强度和磁场构形条件下磁 控溅射系统的等离子体特性和靶的利用率，为优化磁控靶的设计提供了参考。 关键词：磁控溅射；p i c m c c ：模拟；溅射产额 p i c m c c 模拟直流磁控溅射 p i c i v i c cs i m u l a t i o no f p l a n a rd c m a g n e t r o ns p u t t e r i n g a b s t r a c t m a g m a o ns p u t t e r i n gh a sb e e nd e v e l o p e da so l l eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si n i n d u s t r i a lc o a t i n g , e s p e c i a l l yf o rl a r g ea r e ad e p o s i t i o n t h ep r o d u c t i o ns h o u l de s p e c i a l l yp a y a t t e n t i o nt 0s u c ha s p e c t s 雒d e p o s i t i o nr a t e ，p r o c e s ss t a b i l i t y 鹤w e l l 勰t h eu t i l i z a t i o nr a t eo f t a r g e tm a t e r i a l sw h i c hn e e dt h eo p t i m i z e dd e s i g no f w h o l es y s t e m i no r d e rt oo p t i m i z et h e d e s i g no f m a g n e m m ，i ti so f p r a e t i c a li m p o r t a n c et oa n a l y z et h em a g n e t i cf i e l do f m a g n e t r o n t a r g e tw h i c ha f f e c t st h ed i s c h a r g ec h a r a c t e ra n dt h et a r g e tc r o t o n i nt h i sp a p e r ，t h e2 dm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f t y p i c a lp l a n a rm a g n e 订o nt a r g e tw a s o b t a i n e d1 l s i n gf i n i t # e l e m e n tm e t h o da n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l tc o m i s t e dw e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e do n ea tt a r g e ts l l l 噶a c e ac o n s i d e r a b l es t r u c t u r eo ft h em a g n e t i cf l u x d i s t r i b u t i o no nt h et a r g e ts t i f f a c ew a sa c h i e v e db yu s i n gt h ep o l es h o eo nt h ei n n e rp o l ea n d r e d u c i n gt h em a g n e t i cs i z ec a ne x t e n da r e aw i t l ld e s i r a b l er a d i a lc o m p o n e n to f m a g n e t i cf l u x an u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fp l a n a rd cm a g n e t r o nd i s c h a r g e 州1 1 1p a r t i c l e - i n - c e l l m o n t e c a r l oc o l l i s i o nm e t h o di sp e r f o r m e du s i n gt h em a g n e t i cf i e l dr e l a t e dt oar e a lm a g n e t r o n t a r g e t t h ep l a s n l ap o t e n t i a l ，c h a r g e dp a r t i c l ed e n s i t i e sa n di o nf l u xa tt h ec a t h o d es u r f a c ea r e o b t a i n e d t h er e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t l lt h o s eo b t a i n e di np r e v i o u ss t u d i e s t oc h e e k t h ec a l c u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t e de r o s i o np r o f i l ei sc o m p a r e dw i t hm e a s u r e do n e t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v i d er e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h em a x i m u me r o s i o n p o s i t i o nc o r r e s p o n d st ot h ep l a c ew h e r et h em a g n e t i cf i e l dl i n e sa r ep a r a l l e lt ot h et a r g e t s u r f a c e w i t ht h i sp i c m c cm o d e l ，v a r i o u sm a g n e tg e o m e t r i e sa l ei m p l e m e n t e dt od e t e r m i n et h e o p t i m u mg e o m e t r yf o rm a g n e t r o nd e s i g n s k e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ：p i c m c c ；s i m u l a t i o n ；s p u t t e r i n gy i e l d i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师虢玺宝篮 o 扩年，日已 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 溅射镀膜是利用气体放电产生的荷能离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，使靶材 中的原子或分子逸出而沉积到基片或衬底的表面，形成所需要的薄膜【1 】。与传统的真空 蒸镀法相比，溅射镀膜具有很多优点，如膜层和基体的附着力强，可以方便地制取高熔 点物质的薄膜，在很大的面积上可以制取均匀的膜层，容易控制薄膜的成份，可以制取 各种不同成份和配比的合金膜 2 1 。 1 1 溅射技术的发展历程 1 8 4 2 年g r o v e 在研究电子管阴极腐蚀问题时就发现了阴极溅射现象，他发现阴极材 料迁移到真空管壁上。到1 8 7 7 年出现了真正应用于研究的溅射设备，由于实验条件的 限制，对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态。上世纪中期，只是在化学活性极强的 材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中采用溅射技术。1 9 7 0 年后出现了磁控溅射技术，1 9 7 5 年前后开始出现商品化的磁控溅射设备，大大地扩展了 溅射技术应用的领域 3 , 4 1 。 上世纪8 0 年代，溅射技术从实验室应用技术真正地进入工业化的应用领域。在此 之前，溅射技术改革的原动力主要是围绕着提高辉光等离子体的离化率，增强离化的措 旅包括： ( 1 ) 热电子发射增强 由原始的二极溅射演变出三极溅射。三极溅射应用的实际效果，对离化率增强的幅 度并不大，但是对溅射过程中，特别是在反应溅射过程中，工艺的可控性有明显地改善。 ( 2 ) 电子束或电子弧柱增强 由三极溅射演变到时四极溅射。b a l z e r s 推出的在中心设置一个强流热电子弧柱，配 合上下两个调制线圈，再加上8 对孪生靶，组合成新型纳米涂层工具镀膜机。是一个典 型实例。 采用三极或四极溅射，工作气体压强可以降至0 1 p a ，电流密度可以比二极溅射提 高1 0 倍以上，因此沉积速率较大，膜质也有所改善。由于热阴极处的热电子发射破坏 了等离子体中电位的正常分布，不可能获得大面积均匀的等离子体区，而且热阴极灯丝 物质的挥发也会污染薄膜。 ( 3 ) 磁控溅射 磁控溅射是在阴极位降区加上与电场垂直的适量磁场，将等离子体中原来分散的电 子约束在特定的区域，局部强化电离，导致靶材表面局部强化的溅射效果。电子在既与 p i c m c c 模拟直流磁控溅射 电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，提高了气体的离化离，降低了工作气压， 同时，电子又被约束在靶表面附近，不会达到阴极，从而减小了电子对基片的轰击，降 低了由于电子轰击而引起基片温度的升高，同时将高能量的离子局限在靶材附近，减少 高能离子对正在生长的薄膜的损害。 ( 4 ) 离子束增强溅射 采用宽束强流离子源，配合磁场调制，与普通的二极溅射结合组成一种新的溅射模 式，是在利用另一个离子源的腔体内产生离子( 如氩离子) ，经由电压加速后由一小孔射 向靶材。因为靶材和基片是在不同的真空腔体内，可使其真空度维持在1 0 2 - 1 0 。p a ，而 离子源的真空度则在1p a 以上，使其能产生足够多的离子来溅射靶材。离子束溅射法的 好处是溅射腔真空度高，离子柬集中，不易发生污染，靶面积亦较小。是采用宽束强流 离子源代替窄束高能离子束进行的离子束溅射，配合磁场调制后，既有离子束溅射的效 果，更重要的是具有直接向等离子体区域供应离子的增强溅射效果。同时还可以具有离 子束辅助镀膜的效果。但是较不利于大面积或快速镀膜。 从上世纪9 0 年代开始，溅射模式的变革除了继续追求高速率之外，更注重溅射运 行的稳定和获得高质量的膜层。针对立体工件获得均匀涂层和色泽，推出对靶溅射运行 模式。在随后不断改进的努力下，对靶溅射工艺仍然具有涂层质量优异的美名。中频交 流磁控溅射( 孪生靶溅射) 技术，消除了阳极“消失”效应和阴极“中毒”问题，大大提 高了磁控溅射运行的稳定性，为工业化大规模生产化合物薄膜奠定了基础。最近在中频 电源上又提出短脉冲组合的中频双向供电模式，运行稳定性进一步提高嘲。针对膜层组 分可随意调节的目标，推出非对称溅射的运行模式。我国清华大学范毓殿教授在国内较 早从事磁控溅射靶的研究，采用调节溅射靶磁场强度的方法，进行了类似的工作。推出 非平衡溅射的运行模式最基本的目的是为了改善膜层质量，呈现离子辅助溅射的效果。 后来，一些研究工作扩展磁场的布局，使磁场在真空室内无处不在，但效果并不理想， “非平衡”的热潮才逐渐降温。 1 2 溅射沉积的机理 溅射的基本过程是负极的靶材在位于其上的辉光等离子体中的载能离子作用下，靶 材原子从靶材溅射出来，然后在衬底上凝聚形成薄膜。图i 1 是一个常用溅射装置。 大连理 大学硕士学位论文 图1 1 溅射装置的示意图 f 弛1 1 s c h e m a t i co f t h et y p i c a ls p u t t e r i l l gs y s t e m 1 2 1 离子溅射过程 溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放 电的基础上。辉光放电是在真空度为零点几帕到几十帕的稀薄气体中，两个电极之间加 上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电的产生机理是：正离子轰击阴极，从阴极发 射出次级电子，电子在克鲁克斯区被强电场加速后冲撞气体原子，使其离化后再被加速， 然后再轰击阴极这样一个反复过程。当离子和电子相结合或处在被激发状态下的气体原 子重新恢复原态时都会发光。， 辉光放电可分为正常辉光放电和异常辉光放电两类。正常辉光放电时，由于放电电 流还未大到足以使阴极表面全部布满辉光，因此随电流的增大，阴极辉光面积成比例增 大，而电流密度和阴极位降则不随电流变化而变化。在其他条件保持不变时，阴极位降 区长度随气体压强成反比。异常辉光放电时，阴极表面布满辉光，电流的进一步增大， 必然导致电流密度成比例增加，结果引起电场的进一步畸变，致使阴极位降区长度减小， 而维持放电所必需的阴极位降将进一步增加，这时轰击阴极的正离子数目及动能都比正 常辉光放电时大得多，发生在阴极表面的溅射也要强烈得多，所以利用异常辉光放电来 进行溅射镀膜。基片或工件作为阳极，要溅射的材料作为阴极靶。溅射出来的粒子，大 部分是中性的原子或小的原予团。例如c u 或a g 在高能量溅射时，约有1 0 是双原子。 大约有1 是离子，其余大部分为原子。被溅射出来的粒子常处于激发状态，在离开靶 材飞向基片的过程中，会发出其特性光谱，因此在溅射不同的靶材时，会产生不同色泽 的辉光。 离子轰击材料表面可产生多种溅射效应，分为弹性和非弹性效应。弹性效应包括离 子轰击溅射出的靶材粒子和溅射离子形成反射粒子。被溅射出的粒子包括靶材原子、二 次离子、负离子、激发态原子和原子团簇。反射粒子主要是由溅射离子形成的原子、正 负离子和激发态离子等组成。非弹性效应主要包括离子轰击引发的光子、x 射线和二次 电子等。其中，溅射沉积薄膜的形成主要由弹性效应中的溅射作用完成，即轰击靶的入 射离子与靶中的原子碰撞，产生动量的转移，使靶面的原子逸出。溅射成膜的速率、溅 射薄膜的成份和内部原子的结合状态与溅射离子的能量、入射角度、气氛等因素密切相 关。 1 2 2 薄膜生长过程 用溅射法制备薄膜时，薄膜的形成过程大致都可分为4 个阶段。 ( 1 ) 成核阶段 碰撞到基片上的原子，其中一部分与基片原子交换的能量很少，仍具有相当大的能 量，所以能返回到气相中。而另一部分则被吸附在基片的表面上，这种吸附主要是物理 吸附，原子将在基片表面停留一定的时间。由于原子本身还具有一定的能量，同时还可 以从基片得到热能，因此原子有可能在表面进行迁移或者扩散。 ( 2 ) 小岛阶段 当凝聚晶核达到一定的浓度以后。继续蒸发就不再形成新的晶核。新蒸发来的吸附 原子通过表面迁移将集聚在已有的晶核上，使晶核生长并形成小岛，这些小岛通常是三 维结构，并多数已具有该种物质的晶体结构，即已形成微晶粒。 ( 3 ) 网络阶段 随着小岛的生长，相邻的小岛会互相接触并彼此结合，结合的过程在一定程度上类 似两个小液滴结合成一个大液滴的情况。这是山于小岛在结合时会释放出一定的能量， 这些能量足以使相互接触的微晶状小岛瞬时熔化，在结合以后，由于温度下降新生成的 岛将重新结晶。电子衍射结果发现，尺寸和结晶取向不同的两个岛相结合时，得到的微 晶的结晶取向与原来较大的小岛的相同。随着小岛的不断结合，将形成一些具有沟道的 网络状薄膜。 ( 4 ) 连续薄膜 吸附原子将继续填充这些空沟道，此时也有可能在空沟道中生成新的小岛，由小岛 的生长来填充空沟道，最后形成连续薄膜。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 简立方晶体表面t s k 模型” f i g 1 2 t h et s km o d e lo f f c cc r y s t a ls u r f a c e 到目前为止，人们描述薄膜生长的微观机制通常都基于t e r r a c e s t e p k i n k ( t s k ) 模 型，如图1 2 所示。溅射原子在基片表面凝结过程是相当复杂的，当溅射原子刚附着在 表面时，其残留动能较基片上原子的热动能高，在与基片达到热平衡前，会在表面有较 大的移动距离。除非异类粒子间有化学键之产生，多数同类粒子间的吸引力大于异类， 因此在薄膜生长初期，大多数都是三维的岛状结构，岛之间仍为基片表面，基片表面的 成核中心越多，温度越低，则岛的密度越大，薄膜表面也就较平整。随着岛的面积与高 度增加，岛产生简并，最后盖覆整个基片，这种岛状生长方式相当常见。与岛状生长相 反的是层状生长，一层分子生长完成后，下一层分子才开始生长。大多数的薄膜，即使 生长在晶格匹配的基片上，也只能维持数层的层状生长，然后开始岛状生长，这种生长 方式称为混合生长模式。 p i c m c c 模拟直流磁控溅射 肖一凹 岛捩生成 层状生成 i - - r i 亡当一芒当 臻捩，岛救生戚 图i 3 三种不同的生长模式“ f i g 1 3 t h r e ek i n d so f g r o w t hm o d e l o f c o a t i n g 层状生长的条件相当严格，基片的晶格必须匹配，基片分子与成膜分子之间必须有 适当的化学键。薄膜生长时，常有自我限制的机制，如生长化合物半导体g a a s ，在适 当生长条件下，a s 原子只会粘附在g a 原子上，而不会粘附在a s 原子上，因此能够达 成相当完美的层状生长。层状生长需要较慢的生长速度，为了避免真空腔中的残余气体 造成薄膜的污染，通常需要超高真空( i m 、，) 的真空度( 1 0 p a ) 。另外一种是以由分子( 原 子) 台阶边缘开始横向生长。如果能够减少成核中心的数量，则这种方式也可生长出表 面平坦的薄膜。如果薄膜晶格与基片晶格不匹配，在薄膜生长至一定厚度之后，就会有 线位错的缺隙出现，而出现螺旋形状的岛状生长 7 1 。 1 2 3 反应溅射 在溅射镀膜时，有意识地把活性气体( 反应气体) 引入溅射气体并达到一定分压，就 可控制生成薄膜的成分和特性，从而获得不同于靶材的新物质薄膜，这种方法称为反应 溅射。在反应溅射中，由于可以方便地采用高纯的金属和高纯的气体，因此有可能制备 高纯的薄膜，所以反应溅射近年来日益受到重视，并成为沉积各种功能化合物薄膜的一 种主要方法，它可用来制造i i i - v 族、i i v i 和i v - 族化合物、难熔半导体以及各种氧 化物等。通常反应溅射过程中有以下三种反应： ( 1 ) 靶面反应 靶面金属与反应气体之间的反应极大地影响淀积膜的质量和成分。关键是防止在靶 面上建立起一层稳定的化合物层。只有靶的溅射速率大于靶面上化合物的生成速率时， 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 靶面才能始终处于金属状态下。靶面形成化合物后的溅射产额一般小于原来纯金属靶的 溅射产额。 ( 2 ) 气相反应 在通常溅射所用的气压和靶与基片的距离的条件下，靶面逸出的原子在到达基片之 前将与反应气体分子及由等离子体放电形成的活性基团发生多次碰撞，再加上溅射粒子 具有较高的能量，因而有可能与反应气体在空间就生成化合物。 ( 3 ) 基片反应 保证在基片表面形成所需要的化合物的条件很复杂，首先到达基片时的金属原子和 反应气体分子的比例应维持在某一合适值，以保证形成一定化学配比的化合物分子的需 要：其次应保持适当的基片温度，因为金属分子或反应气体分子必须在基片上有足够大的 粘着系数，而粘着系数受基片温度的强烈影响。 1 3 溅射产额 溅射过程可以用溅射产额y 这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒 子从靶表面溅射出来的原子数，即 ，溅射出来的原子数 2 1 反而= 丽 溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态和 种类有关。人们对溅射产额的实验研究已有近百年的历史，然而比较感兴趣的是k e v 能 量范围的重离子碰撞固体材料产生的原子溅射。， 1 3 1 溅射产额与入射离子能量的关系 对于大多数离子束溅射实验，离子的入射能量比较低。低能离子同靶原子之间的相 互作用主要是原子核之间的弹性碰撞，尤其是对金属靶材料。溅射产额】，随入射离子能 量e 变化的有如下特征：存在一个溅射阈值，阈值能量一般为2 0 - 1 0 0e v 。当入射离子的 能量小于这个阈值时，没有原子被溅射出来。通常当入射离子的能量为1 - 1 0k e v 时， 溅射产额可以达到一个最大值。当入射离子的能量超过1 0k e v 时，溅射产额开始随入 射离子的能量增加而下降。 惰性气体离子或n 2 、n 离子是最常用的溅射离子，表1 1 是这些离子以i k e v 动能 击向铜靶的溅射产额，由此表可看出质量愈大之离子，其溅射产额也愈大。这些溅射离 子中，又以氩离子最为常用，因为氩气比氪、x e 便宜，而溅射产额又远优于其它较轻 的离子 8 1 。 p i c m c c 模拟直流磁控溅射 表1 1 不同的离子以l k e v 动能击向铜靶的溅射产额” t a b 1 1 s p u t t e d n gy i e l do f c ut a r g e tb yl k e vi o n s 1 3 2 溅射产额与被溅射靶材的关系 表1 2 不同能量氩离子对各种靶材的溅射产额嘲 t a b 1 2 s p u t t e r i n gy i e l do f v a r i o u si o n se n e r g ya n dt a r g e t s 溅射产额和靶材的温度大致无关，但是若靶材温度过高而接近热蒸发温度时，则溅 射产额会大幅上升，溅射薄膜的厚度与质量，将很难控制，因此溅射靶多半要用水冷或 大连理工大学硕士学位论文 其它方法，使其温度在溅射时，不致于上升太多。表1 2 列举了不同能量氩离子对一些 常用靶材的溅射产额。 1 3 3 溅射产额与功率密度的关系 施加到靶表面的功率密度与靶的溅射速率成正比。等离子体放电空间的离化率越 高，靶的溅射电流才可能增大。于是有了各种强化电离的手段来提高溅射速率。实际上 限制溅射速率的原因是靶上能够耗散多少功率。溅射离子的能量大约7 0 需要从阴极冷 却水中带走，如果这些热量不能及时带走，靶材表面将急剧升温、熔化、蒸发而脱离溅 射的基本模式。 捷克人j m u s i l 在研究低压强溅射的工作中，在磁控溅射的基础上，重复使用各种 原来在二极溅射增强溅射中使用过的手段。从“低压强溅射”一直发展到“自溅射”效 应。j m u s i l 研究了高速率溅射【1 0 】和自溅射【1 1 】，施加的靶功率密度高达5 0 w c m 2 以上， 但是只有c u ，a g ，a u 靶呈现自溅射效应。 工业化应用中适合的功率密度应该在3 0 w f r 0 2 以下。为了保证工业化应用中靶的稳 定运行，直接水冷而且靶材导热性能良好的情况下所施加的功率密度应该在2 5 w c m 2 以下。间接水冷而且靶材导热性能良好的情况下所施加的功率密度应该在2 0 w c r n 2 以 下。如果靶材导热性能差、靶材由于热应力而引起碎裂、靶材含有低挥发性的合金组分 等情况施加功率只能在2 - l o w e r a 2 以下。 1 3 4 溅射产额的半经验公式 m a m s n a m i 和y a m a m u r a 等人【1 2 】根据大量的实验测量数据，并结合s i g m u n d 的线性 碰撞级联理论【1 3 1 ，提出了溅射产额的半经验公式，它包含了电子激发的效应，可以同时 适用于重离子和轻离子引起的溅射过程。这种半经验的溅射产额的形式为 - o a z 茄麓嚣函【1 - ( 玩秽】2 。 ( 1 ，) 其中口，和q 是经验参数，可以由实验数据来确定。砖( d 是核阻止截面，疋( 力是无量 纲的电子阻止截面，“是表面束缚能，以e 矿为单位，既是溅射能量的阈值。根据 y a m a m u r a 等人的研究，阈值能量可以写成 玩=( 詈 6 争 、。 f - ；： f z 。，2 ， ( 篇鼍愕耶鸩 p i c m c c 模拟直流磁控溅射 其中y = 4 m ，m ：( m 。+ m ：) 2 为弹性碰撞过程中的能量转输输因子。为了固定出经验参 数口，和q ，使用了l i n d h a r d 约化形式的核阻止本领截面 姻= 而嵩糌驰) ( 1 3 ) 无量纲约化能量s 的形式为 占= 乖面耳3 2 历5 3 研m 2 e 巧乏甲 ( 1 4 ) 占= = = _ ：= ：= -r ， z l z 2 ( + 彳2 ) ( 彳 + z ；) ”2 约化的无量纲核阻止截面最( s ) 为 驰，= 而等宅篙署靠 m s ， 约化的无量纲电子阻止截面最( 为 洲= 意篱辫2 n s ， 其中m 。，m ：以原子量为单位。 借助于以上核阻止截面和电子阻止截面的表示式，根据( 1 1 ) 式和溅射产额的实验数 据，可以拟合出参数口，和q 的值。发现的值仅与入射离子和靶原子的质量比率 m ：m 有关，其表示式如下 口，= 0 1 0 + 0 1 5 5 ( m 2 m 1 ) 0 7 3 + o 0 0 1 ( m 2 m ) ” ( 1 7 ) 参数q 的值仅依赖于靶材料的性质。表1 3 给出了一些常见靶材料的参数q 和u o 的值。 由上述公式，可以计算出c u 靶在a r 离子轰击下的溅射产额。如图1 4 所示，在 0 - 1 0 k e v 段与表1 1 和表1 2 中列出的数据相符，随着能量的增长，溅射产额经历了一 个先增加然后减少的过程。 大连理工大学硕士学位论文 表1 3 常用靶材表面结合能u o 和参数q 的值“” t a b 1 3c o m m o nu s e dt a r g e tm a t e r i a lp a r a m e t e r so fu oa n dq l i o ne n e r g ye 【k e 图1 4c u 靶在a r 离子轰击下的溅射产额 f i g 1 4s p u t t e r i n g y i e l do f t h ec o p p e r t a r g e t 一旨藿。堇童el卜ac专誊：ds p i c m c c 模拟直流磁控溅射 1 4 影响薄膜沉积的工艺参数 薄膜的质量受到预抽真空度、溅射时的氩气压强、溅射功率、溅射时间、基片温度 等因素的影响。各种因素直接或交互作用影响薄膜的特性，要想得到理想的溅射膜，必 须优化这些影响因素。在诸多的因素中，应当首先大致确定出影响薄膜特性的主要工艺 参数，再通过工艺试验摸索出它们的影响规律，从而制备出厚度、硬度、结构、成份都 符合要求的薄膜。 ( 1 ) 气体流量 气体流量对薄膜的成分、性能有决定性的影响，是反应溅射过程中极为重要的一个 参数。根据一般反应溅射的理论，随活性气体导入量的增加，在某一流量下，靶面会出 现中毒现象，溅射会从金属模式过渡到化合物模式，溅射产额和薄膜沉积速率会急剧下 降，反应气体气压升高，出现各种工艺参数不稳定，甚至使薄膜无法生长。 ( 2 ) 溅射功率 为使镀膜实验得以顺利进行，必须保持一定的功率。当功率过大时，溅射产额急剧 增大，靶材温度过高，会出现靶面熔蚀，同时溅射原子在基片上凝结的核不仅很多，而 且核处于比较高的能量状态，会导致薄膜内部存在比较大的内应力，导致附着力下降。 ( 3 ) 溅射气压 在功率不变的条件下，有一个最佳气体压力值。气压过高时使被溅射的原子与气体 碰撞几率增加，导致沉积速率下降：而当压力较低时，由于放电减弱( 甚至难以维持辉 光) ，阴极捕集离子效率降低，沉积速率也会下降。一般溅射所选择的压强为0 1 1 0 p a 。 m 靶基距 从帕邢曲线可知，起辉电压只与气体压强和靶基距的乘积有关。在溅射选择气压范 围内，随气体压强p 与靶基距d 的乘积p d 的减小，维持放电的电压v 增大，即靶基距 越小越不易起辉。但当d 增加时，使溅射原子到达基片的路径变长，将引起沉积速率的 下降。为增加沉积速率，基片应尽量靠近靶，但不能小于阴极到负辉光区的距离，以保 证异常辉光放电的进行。溅射镀膜时，靶基距应与溅射粒子的平均自由程大致相同。 ( 5 ) 基片温度 在薄膜的生长过程中，基片的温度对沉积原子在基片上的附着以及在其上移动等都 有很大影响，是决定薄膜结构的重要条件。基片温度主要影响着膜层结构、晶体生长和 薄膜与基片之间的结合力。温度过低，膜层结构疏松易脱落。温度过高，一方面容易破 坏真空系统的密封性，另一方面，会使薄膜晶粒粗大，增加膜中的热应力，附着性变差， 膜层易开裂。一般来说，基片温度越高，则吸附原子的动能也越大。跨越表面势垒的几 率增多，需要形成核的临界尺寸增大，易引起薄膜内部的凝聚，每个小岛的形状就倾向 大连理工大学硕士学位论文 于接近球形，容易结晶化，所以高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织。而在低温时， 形成核的临界尺寸小，形成核数目的相对增加，有利于形成晶粒小而连续的薄膜，而且 还增强了薄膜的附着力，所以寻求实现薄膜的低温生长一直是研究的方向。磁控溅射技 术在这方面有显著的优点。 1 5 磁控溅射技术 目前，磁控溅射是应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要原因是这种方法的沉积 速率高。这一方面要归结与磁场中电子的电离效率提高，另一方面还因为在较低气压条 件下溅射原子被散射的几率减小。另外，由于磁场有效的提高了电子与气体分子的碰撞 几率，因而工作气压可以明显降低，即可由l op a 降低到o 1p a 。这一方面降低了薄膜 污染的倾向，另一方面也将提高入射到基底表面原子的能量，因而将可以在很大程度上 改善薄膜的质量。与其他成膜技术相比，磁控溅射技术近年来获得了快速的发展。磁控 溅射装置已经广泛应用于薄膜的制备和材料的表面改性中。 1 5 1 磁控溅射的原理 磁控溅射技术是在普通二极溅射技术的基础上发展起来的，但这种溅射技术的成膜 速率较低，工作气压高。为了提高成膜速率和降低工作气压，在靶材的背面加上了磁场， 这就是最初的磁控溅射技术。磁控溅射按溅射源的类型分为平面磁控溅射、圆柱面磁控 溅射和s 枪溅射。图1 3 所示为平面磁控溅射工作原理示意图，它是以平板状靶为阴极， 与支持基片的电极平行放置，由于这种结构便于安放平面型基片，所以用的最多。 电子在电场e 作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出a x + 和一 个新的电子。电子飞向基片，时在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表 面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则沉积在基片上形成薄膜。 p i c m c c 模拟直流磁控溅射 心心弋心义心心n 心心心 幽嘲麟 图1 5 平面磁控溅射原理图 f i g 1 5 s c h e m a t i co f m a g n e u o ns p u t t e r i n g 溅射把 从阴极发射的二次电子，一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于 说明电子的运动情况，我们可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用：一旦 进入负辉区就只受磁场作用。从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速， 飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并且垂直于磁力线运动。由于受到洛仑 兹力的作用，电子绕磁力线旋转，旋转半周之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。 当电子接近靶面时，电子又在电场的作用下再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。电 子就这样周而复始，跳跃式地朝以电场) 占( 磁场) 所指的方向漂移。二次电子在环状磁 场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区 中电离出大量的氩离子用来轰击阴极靶，从而实现了磁控溅射高速沉积的特点。随着碰 撞次数的增加，电子的能量逐渐降低，同时逐步远离阴极靶面。低能电子将沿着磁力线， 在电场e 作用下最终到达基片。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基 片温升较低。另外，由于磁极轴线处的电场与磁场平行，电子将直接飞向基片。但是在 磁极轴线处离子密度很低，所以飞向基片的电子很少，对基片温升作用极微。因而，磁 控溅射又具有“低温”特点。 1 5 2 非平衡磁控溅射 对于磁控溅射的新发展和应用，w i n d o w s 和p j k e l l y 等人在文献【l5 】中做了较为详 细的叙述。从当初的“平衡磁控”技术发展到后来的“非平衡磁控”技术、到了上世 1 4 大连理工大学硕士学位论文 纪9 0 年代，“非平衡磁控”技术与“多源闭合磁场”系统的结合更是弥补了常规磁控 溅射技术的缺点，使系统的等离子体参数可以在很大的范围内调节【1 6 1 。 非平衡磁控溅射技术与常规磁控溅射相比，在设计上的差别很小，但是却导致沉积 特性的巨大差异，图1 6 是非平衡磁控溅射与常规磁控溅射技术的示意图。 秘)( b ) 图1 6 平面磁控溅射靶的磁场分布( a ) 平衡( b ) 非平衡“” f i g 1 6 ( a ) b a l a n c e da n d ( b ) u n b a l a n c e d p l a n a r m a g n e t r o ns p u l = t e r i n g t a r g e t s 在常规磁控溅射中，等离子体被完全约束在靶材区域。在非平衡磁控溅射中，外围 磁场强度高于中心磁场强度，磁力线没有在中心和外围之间形成闭合回路，部分外围的 磁力线延伸到衬底表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线到达衬底表面，等离子体不 再被限制在靶材区域，而是能够到达衬底表面，使衬底离子束流密度提高，通常可达 5 i a c m 以上。这样溅射源同时是轰击衬底的离子源，衬底离子束流密度与靶材电流密 度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时衬底离子束流密度提高，从而薄膜 的特性保持不变。 非平衡磁控溅射技术的进一步发展是非平衡闭合磁场磁控溅射“”，其特征为使用多 个按照定方式安装的非平衡磁控溅射源，用于克服利用单靶在复杂衬底表面均匀沉积 薄膜所面临的巨大困难。多靶系统中，相邻两个靶的关系可以是平行放置，也可以相对 放置。相邻靶材中的磁场方式也有2 种，如图1 7 所示，相邻磁极相反时，称为闭合磁 场方式；相邻磁极相同时，称为镜面磁场方式。在闭合磁场方式中，磁力线在不同靶材 之间闭合，被器壁损失的电子少，树底表面的等离子体密度高，到达衬底表面的离子与 原子比是镜面磁场方式或单靶非平衡磁场的2 3 倍以上，当衬底与靶材间距增大时， 闭合磁场对衬底表面的离子与原子比率的影响更加显著。镜面方式中，磁力线被引向器 壁，二次电子沿着磁力线运动被器壁消耗，导致衬底表面的等离子体密度降低。 图1 7 双靶非平衡闭合磁场磁控溅射结构图“” f i g 1 7 s c h e m a t i c so f t h ed u a lo p p o s i t eu n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e m 在非平衡磁控溅射技术基础上，最近又出现了可变磁场强度磁控溅射技术，其特征 为磁极的位置可调，通过改变两个磁极与靶材表面的距离，实现靶材表面磁场强度的改 变。在沉积梯度薄膜及多层薄膜时，该技术可以实现各种薄膜性能的最佳组合。该技术 还可以控制靶材溅射刻蚀特征，实现靶材的均匀溅射。 1 6 本章小结 本意论述了溅射技术的发展历程，分析了溅射沉积薄膜的机理和各种工艺参数对薄 膜特性的影响，详细介绍了磁控溅射技术的发展现状和平面磁控溅射的原理，为进一步 分析磁控溅射提供基本的理论依据。 大连理工大学硕士学位论文 2 平面磁控溅射靶磁场的分析 磁控靶的磁场分布对放电过程非常重要，影响着放电特性、等离子体分布、溅射和 阴极靶材的刻蚀。尤其是在溅射贵重金属时，靶表面的不均匀刻蚀严重制约了靶的使用 寿命和靶材的利用率。而且随着靶刻蚀槽的加深，放电的伏安特性会缓慢发生变化。溅 射出的靶材粒子的出射分布也将不断改变。这些都影响了实验的稳定性和重复性1 2 “。 磁控溅射也有一些问题需要解决，比如靶面会发生凹状溅蚀环，整个靶面的可溅射 区不足3 0 。刻蚀环部位局部受热往往引起靶材开裂、变形等，对于容易发生上述情况 的靶，运行功率不能太高，因此沉积速率受到限制。经过特殊处理磁场的磁控溅射靶的 靶材利用率可以达到4 0 0 , 左右，考虑到运行稳定性和冷却效率，通常也不能将其特点发 挥到极限。增加靶结构的复杂程度来换取较高的靶材利用率，有一个得失评估的问题。 合理设计磁控靶的磁场能够显著提高靶面剥蚀的均匀性，提高靶材利用率 2 2 1 ，这就使得 精确分析磁控靶的磁场进而优化结构设计尤为重要。 实验上可以用特斯拉计来测量磁控靶表面的磁场，但很难通过探针扫描的办法准确 测出空间每一点磁场。因此有必要用数值计算的方法来分析磁控靶的磁场。为了得到磁 控靶磁场分布的精确值，本文以磁性材料的b - h 曲线和矫顽力为参数，用有限元法分析 了磁控溅射靶的二维磁场分布。对比分析了两种不同磁极尺寸的磁控靶的磁场，为进一 步优化磁控靶的磁场设计提供依据。 2 1 磁控靶磁场的计算 ， 2 1 1 磁控靶的结构 圆形平面磁控靶是轴对称结构，磁场由放置在靶中心和边缘的永磁体产生。由于结 构的特殊性，磁场的分布并不均匀，任意一点的磁场曰都可以分解为径向且和轴向最两 个分量，径向分量且是构成圆形平面磁控溅射靶的关键。一般定义靶表面磁场方向与靶 面平行的一点为p ( o ，o ) ，在p 点的磁场轴向分量最= o ，p 点对应的区域刻蚀最快 2 3 1 ， o 就对应刻蚀圆环的半径。设计时使p 点的磁通密度最约为3 0 m t 。 实验中的磁控靶的磁场是由一个半径为r 的柱形内磁极( 磁芯) 和2 4 个厚度为d 的瓦片形永磁体围成的环形外磁极产生，磁芯是n 极，外磁环是s 极，靶的截面如图l 所示。磁芯高9 m m ，磁环高1 3 r n m ，永磁体沿轴向均匀磁化，磁芯和磁环的材料相同， 极性相反，磁环的外半径为4 5 m m ，磁体下面是厚度为3 m m 的轭铁，磁芯上方放高度 为4 m m 的圆锥形极靴，圆锥形极靴底面半径与磁芯半径，相同，轭铁和极靴都是由软 铁材料构成。最上面是5 m m 厚的阴极溅射靶材。 图2 1 平面磁控靶结构示意图 f i g 2 1 s c h a n a f i cd i a g r a mo f p l a n em a g n e t r o nt a r g e tc o n f i g u r a t i o n 图2 2 磁控靶的磁力线分布( a ) 靶1 ( b ) 靶i i f i g 2 2m a g n e t i cf i e l dl i n eo f m a g n e t r o nt a r g e t ( a ) t a r g e t1 ( b ) t a r g e t i i 磁控靶的磁场跟磁极的尺寸和磁性材料的属性都有关，图2 2 是有限元分析软件 a n s y s 给出的靶i ( 产7 5 m m ，d = l o m m ) 和靶1 i ( r - = 5 m m ，d = - 5 m m ) 两个不同磁极尺 寸的磁控靶的磁力线分布。设计时使磁芯的高度低于外磁极，可以得到良好的非平衡磁 场。磁芯上方的空隙加放圆锥形极靴，也使磁控靶中心区域的磁场得到优化。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 磁控靶的磁场 电磁场分析主要采取两种方法：有限差分法和有限元法。其中有限元法更为常用，它 将偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分为有限个小区域，在每个小区域用一 个选定的近似函数来代替。于是连续函数在整个场域上被离散化，得到一组近似的代数 方程，对其联立求解，从而获得该场域中函数的近似数值。 采用有限元法分